Вопросы для самопроверки

1.Какие марки трансформаторного масла применяют для заливки в высоковольтные вводы трансформаторов?

2.Какие марки трансформаторного масла, используемые для залив­ ки или долива во вводы, выпускаются в настоящее время?

3.Какие требования предъявляются к трапсформаторным маслам предназначенным к замене или доливу во вводы?

3.Причины, приводящие к повреждениям высоковольтных вводов трансформаторов

Повреждения высоковольтных вводов в процессе эксплуатации мо­ гут приводить не только к разрушению самого ввода, но и вызывать значительное повреждение трансформатора.

Высоковольтные вводы на напряжение до 35 кВ и вводы с твердой изоляцией на напряжение до 110 кВ включительно, как правило, по­ вреждаются от недопустимых механических воздействий с поврежде­ нием фарфоровой покрышки.

Высоковольтные маслонаполпеппые вводы на напряжение 110 кВ и выше, так же могут повреждаться из-за механических воздействий, в частности вызванных недопустимым тяжением гибкого линейного шлейфа. Такие воздействия приводят к ослаблению болтовых соедине­ ний и контактного узла, разгерметизации ввода, разрушению фарфоро­ вых покрышек. При длительной эксплуатации вводов, в результате износа уплотнений могут возникать течи масла, которые ведут к нару­ шению герметичности и снижению давления (в герметичных вводах), попаданию влаги и воздуха во ввод, приводящие к снижению электри­ ческой прочности изоляции.

Для герметичных вводов возможно возникновение повышения дав­ ления, которое вызывается потерей герметичности сильфонов и, как следствие, недостаточной температурной компенсации имеющегося объема масла, а так же появлением источника интенсивного газообра­ зования или нарушением связи между вводом и выносным расшири­ тельным бачком. Развитие повышения давления во вводе приводит к снижению электрической прочности внутренней изоляции ввода и может вызвать разрушение фарфоровых покрышек.

Опыт эксплуатации высоковольтных негерметичных вводов пока­ зывает, что основной причиной их повреждений является увлажнение и загрязнепие внутренней изоляции из-за проникновения атмосферной

влаги. Увлажнение и загрязнение внутренней изоляции приводит к снижению электрической прочности и создает условия для развития теплового и электрического пробоя изоляции ввода.

Развитие повреждений внутренней изоляции высоковольтных гер­ метичных вводов носит более сложный характер, а учитывая, что такие вводы на напряжение 110 кВ и выше являются наиболее массовыми в эксплуатации, то далее основное внимание будет уделено непосредст­ венно этому типу вводов.

В табл. 2 приведены основные дефекты герметичных высоковольт­ ных вводов трансформаторов и последствия при развитии этих дефек­ тов [5].

между последней обкладкой и соединительной втулкой или измерительным выводом приводит к недопустимому перераспределению напряжения с возможным пробоем внутренней изоляции

Процесс ухудшения состояния трансформаторного масла герметич­ ных вводов под влиянием эксплуатационных факторов связан с обра­ зованием в нем металлосодержащих коллоидных частиц, в первую очередь нафтенатов меди и железа. Наличие коллоидных частиц ввиду отсутствия во вводе интенсивной циркуляции масла позволяет образо­ вываться зонам примесной неоднородности и, как следствие, значи­ тельно-неравномерному по объему изоляции изменению электриче­ ской прочности масляного канала.

В связи с этим возрастает роль коллоидно-дисперсных процессов, происходящих в трансформаторном масле, связанных с образованием и поведением частиц в электрическом поле, проявлением сил физико­ химических взаимодействий и особенностями коллоидно-дисперсных систем [6].

Старение трансформаторного масла начинается прежде, чем оно вводится в эксплуатацию. Это происходит потому, что частицы приме­ сей, присутствующие в масле, размером до 10 А не имеют ионных оболочек и окружения из адсорбированных молекул мыл или смол. Нерастворимые частицы примесей размером до 10 А при столкновени­ ях в результате броуновского движения легко присоединяются друг к другу и образуют частицы больших размеров. Такого рода объедине­ ние частиц, связанное с действием сип Ван-дер-Ваальса называется быстрая коагуляция.

Когда в ходе быстрой коагуляции частицы увеличивают свои раз­ меры до 50 А, они уже формируют ионные оболочки или окружают себя адсорбированными молекулами мыл или смол. При размерах час­ тиц 50-60 А, вследствие существования энергетического барьера, пре­ пятствующего сближению частиц, процесс быстрой коагуляции закан­ чивается и проявляется стремление системы к агрегативной устойчи­ вости. Однако, благодаря воздействию температуры, электрического поля, наличию в масле смол и кислот происходит медленная коагуля­ ция, в результате которой размеры частиц увеличиваются до несколь­ ких сотен ангстрем. Эти размеры могут быть еще большими вследст­ вие возрастания в масле содержания кислот в процессе эксплуатации, благодаря которым преодолевается электростатический барьер, обу­ словленный силами отталкивания, и адсорбционно-сольватный барьер, который окружает частицу и препятствует ее сближению с другими частицами. В результате нейтрализуется действие ионных оболочек и активизируется процесс укрупнения частиц, размеры которых могут достигать 2000 А и более.

Как известно, коллоидные растворы - это предельно высокодис­ персные системы, характеризующиеся максимально развитой поверх­ ностью раздела фаз. Ультрогетерогенность и вытекающая отсюда, как следствие, огромная суммарная поверхность раздела фаз, определяют основные особенности коллоидно-дисперсных систем.

Результаты исследований показывают, что суммарная площадь по­ верхности коллоидных частиц, образованных в результате взаимодей­ ствия жирных кислот и металлов, находящихся в трансформаторном масле вводов, может составлять 0,3 м2/л. Таким образом, имеет место достаточно большая суммарная площадь поверхности коллоидных частиц и, как следствие, большая поверхность раздела фаз между мас­ лом и частицами. Этого нет в крупнодисперсных системах, когда речь идет о механических примесях в трансформаторном масле.

Принципиальная неустойчивость во времени коллоидных систем проявляется в стремлении к минимизации суммарной межфазной энер­ гии на границе раздела фаз в ходе процесса коагуляции и путем ад­ сорбции частицами различных веществ, растворенных в масле. Однако, в регулировании устойчивости дисперсных систем особое значение имеет еще один универсальный, но не связанный с убылью межфазной поверхности путь понижения свободной энергии дисперсной системы. Это - уменьшение поверхностного натяжения, являющегося макроско­ пической мерой стремления поверхности к сокращению. Уменьшение поверхностного натяжения проявляется при адсорбции на межфазной границе поверхностно-активных веществ (ПАВ), вызывающих частич­ ную компенсацию пенасыщенных поверхностных сил. Такие вещества, внесенные даже в очень малых количествах, концентрируются на межфазной границе. При этом ПАВ, концентрируясь в местах поверх­ ности раздела фаз, имеют концентрацию в десятки и сотни раз больше, чем собственно в жидкости.

К поверхностно-активным веществам находящимся в трансформа­ торном масле относятся спирты, эфиры, органические кислоты, а так же ряд их солей. Данные вещества способны понижать поверхностное натяжение масла, окутывать оболочкой частицы дисперсной фазы и концентрироваться на поверхности раздела масла и контактной среды.

При нахождении в масле полярных частиц, содержащих малорас­ творимые ПАВ, происходит образование адсорбционных слоев, в ко­ торых полярные группы расположены у поверхности твердой фазы. При достаточной копцепграции ПАВ в растворе, возможно образова­ ние плотных адсорбционных слоев, которые могут радикально менять свойства поверхностей. Существенной особенностью поверхности

При этом, при условии, что е, » 8Муказанная зависимость пред­ ставляется в виде:

^El = i кТ.

Вчастности в [8] отмечается, что, несмотря па ряд достаточно гру­ бых допущений, указанное выше выражение позволяет правильно предсказать зависимость электрической прочности жидкостей при длительном воздействии напряженности от размеров и свойств частиц.

Всоответствии с последним выражением в таблице 3 приведены

оценочные значения электрической прочности масла при е„=2 и Т=300 °К.

Характерным свойством коллоидных растворов является стремле­ ние коллоидных частиц к оседанию (седиментации). При этом, части­ цы размером до 50 А, что соответствует порогу быстрой коагуляции, практически не участвуют в процессе седиментации. Кроме того, час­ тицы таких размеров вовлекаются в тепловое движение среды, что фактически исключает их осаждение. Стремление к седиментации резко увеличивается с ростом размеров частиц и температуры масла. При этом в образовании осадков наибольшая роль принадлежит части­ цам размером более 100 А, что с учетом большой суммарной площади поверхности коллоидных частиц может приводить к насыщению осад­ ками значительных площадей внутренних поверхностей высоковольт­ ных вводов.

Следует отметить, что под влиянием эксплуатационных факторов в результате разрушения ненасыщенных молекул масла образуется вос­ кообразный осадок, который не растворим в таких растворителях, как бензол, ацетон, спирт. Подобный осадок часто наблюдается при вскры­ тиях высоковольтных герметичных вводов после длительной эксплуа­ тации. Диэлектрическая проницаемость у воска такая же, как у масла, и поэтому подобный процесс, вообще говоря, не приводит к развитию пробоя масляного канала по внутренней поверхности фарфоровой

покрышки. Однако в дальнейшем, образованный осадок выступает как адсорбер. Снижение электрической прочности происходит за счет на­ сыщения отложений металлосодержащими коллоидными частицами. Образующийся при этом "полупроводящий" осадок ведет к перерас­ пределению электрического поля. При этом более крупные частицы, осаждаясь на поверхности фарфоровой покрышки, приводят к локаль­ ным повышениям напряженности электрического поля, развитию ио­ низационных процессов в этих местах, снижению длительной электри­ ческой прочности и развитию пробоя.

Таким образом, старение масла в процессе эксплуатации высоко­ вольтных герметичных вводов трансформаторов является результатом не только окислительных процессов из-за превращений входящих в его состав углеводородов и сернистых продуктов, но и следствием образо­ вания и роста размеров металлосодержащих коллоидных частиц, кото­ рый связан с омылением масла и увеличением содержания кислот и смол. При этом наибольшая роль в снижении электрической прочности масляного канала принадлежит частицам размером более 100 А. Глав­ ным фактором, определяющим старение масла, является сочетание тепловой и электрической нагрузки на масло во вводе в эксплуатации. Эти нагрузки различны для разных типов трансформаторов, а поэтому и скорость старения и, как следствие, уменьшение электрической прочности масла в процессе эксплуатации различны.

Вопросы для самопроверки

1. Какие причины приводят к повреждениям высоковольтных вво­ дов трансформаторов?

2. Какая основная причина повреждений высоковольтных негерме­ тичных вводов трансформаторов?

3. Какие основные причины приводят к повреждениям высоко­ вольтных герметичных вводов трансформаторов?

4. Диагностика высоковольтных вводов

трансформаторов

Основным документом, регламенпфующим контроль параметров высоковольтных вводов в эксплуатации, является "Объем и нормы испытаний электрооборудования" [2].

Основными методами контроля вводов в процессе эксплуатации являются измерения диэлектрических характеристик изоляционной конструкции. Измерение tg8 и емкости производится, как правило, мостовым методом. Измерительная установка должна обеспечивать возможность измерений в условиях помех от токов влияния [9]. Типо­ вая установка для измерений имеет фазорегулятор и коммутатор фазы испытательного напряжения. Измерения ведутся методом совмещения фаз при расчетном исключении остаточной погрешности по результа­ там двух измерений с изменением на 180° фазы испытательного на­ пряжения. Допускается применение других методов измерений, обес­ печивающих необходимую точность определения значений контроли­ руемых параметров.

Перед измерениями должны быть приняты меры для уменьшения паразитных связей объекта ( очистка наружных поверхностей ввода, удаление посторонних предметов и т.п.). При испытаниях вводов, ус­ тановленных на трансформаторе, необходимо соединять между собой все выводы каждой обмотки. Основным правилом, обеспечивающим получение сопоставимых результатов, является проведение измерений в стабильных условиях и при одинаковых схемах измерительной уста­ новки.

В соответствий с требованиями "Объем и нормы испытаний элек­ трооборудования" [2], у вводов производится измерения tg6 и емкости:

•основной изоляции вводов при напряжении 10 кВ;

•изоляции измерительного конденсатора ПИН (Сг) или (и) послед­ них слоев изоляции (С3).

Втабл. 4 приведены установленные предельные значения tgS изо­ ляции. Предельное увеличение емкости основной изоляции составляет 5% измеренного при вводе в эксплуатацию.

Примечания:

1.В числителе указаны значения tgS изоляции при вводе в эксплуатацию, в знаменателе—в процессе эксплуатации.

2.Уменьшение tg5 основной изоляции герметичного ввода по сравнению с результатами предыдущих измерений на Д tg5 (%) > 0,3 является показанием для проведения дополнительных испытаний с целью определения причин снижения tgS.

3.Нормируются значения tg5, приведенные к температуре 20 °С. Приведе­ ние производится в соответствии с инструкцией по эксплуатации вводов.

Измерения сопротивления изоляции отключенного ввода произво­ дятся мегаомметром при напряжении 2500 В. Верхний предел измере­ ний мегаомметра - не менее 10000 МОм. В соответствии с требова­ ниями "Объем и нормы испытаний электрооборудования" [2], значения сопротивления изоляции при вводе в эксплуатацию должны быть не менее 1000 МОм, в процессе эксплуатации—не мепее 500 МОм.

Следует отметить, что оценка состояния изоляции ввода должна проводится на основании анализа полученных результатов измерений в сравнении с нормированными значениями, а так же с предыдущими совокупностями результатов испытаний.

Для контроля состояния вводов в эксплуатации следует также ис­ пользовать тепловизиопное обследование [2]. Высоковольтный ввод не

должен иметь резкого изменения температуры по его высоте, а так же локальных перегревов в зоне расположения контактных соединений. При тепловизионном обследовании одним из основных критериев служит сравнение теплового распределения и абсолютных значений температуры у вводов разных фаз.

Для высоковольтных герметичных вводов в процессе эксплуатации производится контроль давления в соответствии с требованиями нор­ мативно-технической документации. Возникновение повышения дав­ ления вызывается потерей герметичности сильфонов и, как следствие, недостаточной температурной компенсации имеющегося объема мас­ ла, а так же появлением источника интенсивного газообразования или нарушением связи между вводом и выносным расширительным бач­ ком; а его снижение может быть вызвано появлением течи масла и упуском масла.

В процессе эксплуатации высоковольтных негерметичных вводов, в

соответствии с требованиями "Объем и нормы испытаний электрообо­ рудования" [2] предусмотрено измерение физико-химических характе­ ристик масла, а именно: пробивное напряжение масла, кислотное чис­ ло, температура вспышки в закрытом тигле. При получении неудовле­ творительных результатов в сравнении с установленными норматив­ ными значениями, объем испытаний расширяется (измеряется содер­ жание механических примесей, тангенс угла диэлектрических потерь масла, содержание водорастворимых кислот и щелочей, содержание антиокислитсльной присадки АГИДОЛ-1 (ионол), содержание раство­ римого шлама).

В этой связи следует отметить, что, учитывая основную причину повреждений высоковольтных герметичных вводов трансформаторов, а именно увлажнение внутренней изоляции, целесообразно при прове­ дении отборов масла из вводов определять влагосодержание масла, что в случае выхода за установленные нормативные пределы, является достаточным признаком для замены или ремонта ввода.

Как отечественный, так и зарубежный опыт эксплуатации транс­ форматоров указывает на их, относительно высокую повреждаемость вследствие повреждений герметичных высоковольтных вводов. В ре­ шении электротехнической секции НТС РАО "ЮС России" от 25.02.98 г. отмечалось [10], что традиционно сложившаяся система профилак­ тического контроля состояния высоковольтных вводов, закрепленная в действующих директивных документах, как правило, не позволяет решать задачи раннего обнаружения дефектов в масляном канале. Ре­ комендованная в противоаварийном циркуляре Ц-06-88(э) "О мерах по

повышению надежности герметичных вводов 110-750кВ" методика интерпретации результатов хроматографического анализа для выявле­ ния развивающегося повреждения в масляном канале вводов оказалась недостаточно эффективной, как показал опыт ее применения. Не вос­ производят условий развития дефекта в масляном канале кратковре­ менные воздействия испытательных напряжений.

Стремление снизить фактор риска повреждения оборудования по­ буждает вести поиск дополнительных показателей помимо нормируе­ мых в "Объем и нормы испытаний электрооборудования", характери­ зующих состояние изоляции герметичных высоковольтных вводов. К таким показателям следует отнести хроматографический анализ рас­ творенных в масле газов и оптическую мутность масла. Их появление имело целью в первую очередь уточнить состояние масляного канала герметичных высоковольтных вводов между остовом и фарфоровой покрышкой, т.к. развитие процессов в масляном канале вводов в на­ стоящее время остается одной из главных причин повреждений транс­ форматоров напряжением 110 кВ и выше.

Метод хроматографического анализа растворенных в масле газов (ХАРГ), как контрольный для вводов, был предложен в 1986 году и предназначался главным образом для выявления повреждения в масля­ ном канале вводов залитых маслом Т-750. С 1988 г. интерпретация результатов ХАРГ и отбраковка вводов регламентировались в соответ­ ствии с Противоаварийным циркуляром Ц-06-88(э) "О мерах по повы­ шению надежности герметичных вводов 110-750 кВ" [8]. В 1994г. за­ водом "Мосизолятор" для эксплуатационного персонала были разрабо­ таны "Методические указания по диагностике состояния изоляции высоковольтных вводов 110-750 кВ", распространившие метод ХАРГ на все маслонаполненные вводы.

Однако попытка снизить повреждаемость вводов, используя анализ растворенных в масле газов, не привела к существенному уменьшению числа их отказов, но резко увеличила трудоемкость обслуживания и вызвала риск дополнительного снижения надежности вследствие час­ тых отборов гроб масла и, соответственно, подкачки масла. В ч асто ­ сти, имеются многочисленные данные, когда повреждения высоко­ вольтных герметичных вводов из-за перекрытия по внутренней по­ верхности нижней фарфоровой покрышки произошли при нормальных показателях ХАРГ, измеренных не задолго до аварии.

В табл. 5 приведены основные дефекты герметичных высоковольт­ ных вводов трансформаторов и хроматографические признаки их про­ явления.

Как следует из табл. 5, хроматографические признаки отсутствуют при наличии во вводах таких дефектов, как отложение осадка ( продук­ тов окисления масла или вымывания из конструктивных материалов) на внутренней поверхности фарфора и на остове и коллоидное старе­ ние масла. Следует так же отметить, что приведенные в табл.5 дефекты с хроматографическими признаками, при их развитии в достаточно опасной стадии, имеют обязательно водород и ацетилен одновременно. При этом наличие ацетилена в масле ввода выше пороговой чувстви­ тельности анализа данного газа является достаточно надежным при­ знаком недопустимости дальнейшей эксплуатации ввода.

С помощью анализа растворенных в масле газов в высоковольтных герметичных вводах можно обнаружить нарушение контактных соеди­ нений, проявление острых краев деталей, ослабление контактного со­ единения верхней контактной шпильки и локальные дефекты остова.

Основными газами, свидетельствующими о наличии дефектов, яв­ ляются ацетилен (С2Н2) и сумма концентраций углеводородных газов (ZCxHx): метан (СН4), этан (С2Нб), этилен (С2ЕЦ) и ацетилен (С2Н2).

Всоответствии с [И ] следует:

•вводы подлежат отбраковке при достижении концентраций ацети­ лена - 0,0005 % об. и более, либо при достижении суммы концен­ траций углеводородных газов:

-вводы 110-220 кВ - 0,03 % об. и более,

-вводы 330-750 кВ - 0,015% об. и более.

В процессе эксплуатации герметичных вводов, имеющих удовле­ творительные результаты измерений в соответствии с "Объем и нормы испытаний электрооборудования" [2], рекомендуется следующая пе­ риодичность измерений растворенных газов в масле вводов:

•вводы 110-220 кВ -1 раз в четыре года,

•вводы 330-750 кВ - 1 раз в два года,

•для всех вновь вводимых в работу высоковольтных герметичных вводов - через два года после начала эксплуатации.

Измерения значений оптической мутности трансформаторного мас­ ла позволяют получать количественную информацию о развитии кол­ лоидно-дисперсных процессов в масляном канале в процессе эксплуа­ тации высоковольтных герметичных вводов [12]. Наличие значений мутности трансформаторного масла более 40 м'1указывает на ускорен­ ное развитие процесса коллоидного старения масла, которое ведёт к снижению электрической прочности масляного канала [5].

В последнее время как в России, так и за рубежом, значительное внимание уделяется применению устройств непрерывного контроля состояния изоляции высоковольтных вводов под рабочим напряжени­ ем. Действующими "Объем и нормы испытаний электрооборудования" [2], предусмотрен контроль изоляции вводов под рабочим напряжени­ ем.

Контроль под рабочим напряжением производится путем измере­ ния тока, протекающего через изоляцию ввода при воздействии фазно­ го напряжения сети. Контролируемые параметры: диэлектрические потери, емкость изоляции и ее полная (комплексная) проводимость. Вводы, переводимые на контроль под рабочим напряжением, должны быть оборудованы стационарными устройствами присоединения, обеспечивающими безопасность проведения измерений.

Для оценки технического состояния ввода используются данные об изменении этих параметров во времени, а именно: изменение тангенса угла диэлектрических потерь (Atg8 ) и емкости (АС/С) основной изоля­ ции или изменение ее модуля полной проводимости (AY/Y) [2,9].

При измерении модуля полной (комплексной) проводимости кон­ тролируются одновременно tg8 и емкость изоляции:

AY/Y = [(Atg8 ) 2 + (АС/С) 2 ] 1/2

Измерения значений Atg5 и АС/С производится мостовыми метода­ ми. Изменение модуля полной (комплексной) проводимости определя­ ется неравновесно-компенсационным методом.

Неравновесно-компенсационный метод основан па измерении сум­ мы трехфазной системы токов, протекающих через изоляции трех вво­ дов одного напряжения. Измеряемые токи, при заведомо исправном состоянии вводов, предварительно регулируются так, чтобы их сумма была близка к нулю. При возникновении дефекта в одном из вводов ток через его изоляцию увеличивается и на выходе устройства появля­ ется сигнал, пропорциональный изменению комплексной проводимо­ сти изоляции:

y= AY/Y0= AI/Io,

где AYи AI -изменение модуля проводимости и тока, вызванные дефектом;

YOHIO -модуль проводимости и ток через изоляцию неповре­ жденного объекта.

В мостовых схемах производится сравнение параметров контроли­ руемых объектов, принятых в качестве образцовых. В качестве объекта сравнения используется аналогичный объект другого присоединения или образцовый конденсатор низкого напряжения, питаемый от систе­ мы шин рабочего трансформатора. Определяемыми параметрами яв­ ляются изменения тангенса угла диэлектрических потерь (AtgS ) и ем­ кости изоляции (АС).

Следует отметить, что устройства, реализующие неравновесно­ компенсационный метод измерений, обеспечивают одновременный контроль вводов всех трех фаз. Недостатком является наличие погреш­ ности измерений, связанных с изменением напряжения сети и его сим­ метрии. Мостовые устройства лишены этого недостатка и обеспечива­ ют кошроль каждой фазы отдельно. Однако в данном случае сущест­ венными могут оказаться погрешности, вызванные состоянием по­ верхности ввода. Измеренные значения tg§ и емкости изоляции ввода зависят от состояния его фарфоровой покрышки и при ее увлажнении и (или) загрязнении существенно изменяются. При измерениях мосто­ вым методом это может приводить к ложным сигналам о наличии де­ фектов в изоляции.

Измерения под рабочим напряжением ориентированы на контроль главной изоляции ввода. В этой связи, развитие повреждений в остове ввода может быть предупреждено посредством контроля и ограниче­ ния нарастания тока небаланса, превышение допустимого уровня кото­ рого можно использовать в качестве сигнала для срабатывания сигна­ лизации и защиты. При этом повышения напряжения и температуры усиливают проявление дефекта в виде больших изменений контроли­ руемых характеристик.

В отечественной практике контроль изменения тока небаланса осу­ ществляется устройствами КИВ на вводах оборудования 330 кВ и вы­ ше [13]. Анализ опыта применения устройств КИВ показывает, что они эффективно работают в качестве защитных средств, при значительном развитии дефекта в остове. Однако загрязнение и увеличение проводи­ мости внутренней поверхности фарфоровой покрышки и поверхности остова не приводит к значительному росту тока утечки из-за малой емкости слоя загрязнения относительно последней обкладки остова, что объясняет низкую эффективность применения этих устройств, при развитии дефектов в масляном канале вводов.