Содержание к диссертации
Введение
1. Современные методы оценки состояния бумажно-масляной изоляции энергетического оборудования 14
1.1. Основные конструктивные особенности изоляционных промежутков, обеспечивающих надежную работу современного энергетического оборудования 15
1.2. Старение бумажно-масляной изоляционной системы 17
1.3. Химические методы диагностики изоляции энергетического оборудования 22
1.3.1. Анализ содержания влаги в изоляционных конструкциях 22
1.3.2. Анализ растворенного газа в маслонаполненном оборудовании 24
1.3.3. Измерение степени полимеризации бумажной изоляции 28
1.3.4. Диагностика изоляции работающего энергетического оборудования с помощью анализа содержания фуранов 31
1.4. Традиционные электрические методы определения состояния изоляции энергетического оборудования 34
1.4.1. Метод измерения сопротивления изоляционного промежутка 34
1.4.2. Оценка состояния изоляции по величине индекса поляризации 36
1.4.3. Измерение величины сопротивления изоляционной системы при использовании напряжений различного уровня 37
1.4.4. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь 38
1.4.5. Измерение частичных разрядов в изоляции маслонаполненного оборудования 40
1.4.6. Контроль состояния изоляции методом измерения диэлектрического разряда (DD - тест) 42
1.4.7. Контроль величины изотермического тока диэлектрической абсорбции, как метод оценки состояния изоляции 43
1.5. Методы диагностики состояния изоляционных конструкций, основанные на измерении диэлектрического отклика 46
1.5.1. Теоретические основы метода измерения диэлектрического отклика 47
1.5.1.1. Диэлектрический отклик во временной области 47
1.5.1.2. Диэлектрический отклик в частотной области 51
1.5.2. Принципы измерения диэлектрического отклика 53
1.5.2.1. Принципы измерения диэлектрического отклика в частотной области 53
1.5.2.2. Принципы измерения диэлектрического отклика во временной области 54
1.5.3. Интерпретация результатов измерения диэлектрического отклика 57
1.5.4. Температурная зависимость диэлектрического отклика 61
1.5.5. Дизлектричесішй отклик бумажно-масляных изоляционных систем 62
1.6. Методы определения остаточного ресурса изоляции 63
2. Экспериментальные методы исследования изоляционных систем 73
2.1. Изоляционные промежутки в работающих трансформаторах 73
2.2. Методы моделирования изоляционной конструкции силовых маслонаполненных трансформаторов 77
2.3. Физическая модель бумажно-масляного изоляционного промежутка 82
2.4. Схема экспериментальной установки и описание методов измерения 86
2.4.1. Описание метода измерения токов деполяризации изоляционных промежутков 86
2.4.2. Проведение полевых испытаний силовых трансформаторов 88
2.5. Разработка методов интерпретации данных, полученных при
испытаниях изоляционных промежутков энергетического оборудования 91
2.5.1. Диагностика состояния изоляционного промежутка методом «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области » 92
2.5.2. Метод расчета «Обобщенного показателя состояния» изоляционного промежутка 99
3. Применение разрабатываемых методик для оценки состояния бумажно- масляных изоляционных промежутков физической модели 111
3.1. Методика получения информации о состоянии изоляционной бумаги из экспериментально полученных зависимостей тока деполяризации от времени для физической модели двухкомпонентной изоляции 111
3.2. Особенности обработки экспериментальных данных и применения метода «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» для изоляционной системы физической модели 117
3.3. Формирование шкалы оценок и вычисление весовых коэффициентов для метода «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» для диагностики состояния изоляционных промежутков физической модели 120
3.4. Расчет «Обобщенного показателя состояния» и построение «Диаграммы состояния» для изоляционных промежутков физической модели 123
4. Оценка состояния изоляционных промежутков силовых трансформаторов 129
4.1. Диагностика изоляционных систем силовых трансформаторов методом «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» 129
4.2. Расчет «Обобщенного показателя состояния» и построение «Диаграммы состояния» для изоляционных промежутков силового трансформатора 136
Заключение 142
Список использованной литературы
- Химические методы диагностики изоляции энергетического оборудования
- Методы моделирования изоляционной конструкции силовых маслонаполненных трансформаторов
- Особенности обработки экспериментальных данных и применения метода «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» для изоляционной системы физической модели
- Расчет «Обобщенного показателя состояния» и построение «Диаграммы состояния» для изоляционных промежутков силового трансформатора
Введение к работе
Актуальность работы. Сегодня большинство силовых трансформаторов в системах электроснабжения всего мира исчерпала или приближается к запланированному сроку своей жизни. В связи с этим проблема оценки фактического состояния изоляции энергетического оборудования в процессе его эксплуатации является достаточно актуальной, особенно при отказе от методов планово-предупредительного обслуживания и переходе на обслуживание по реальному техническому состоянию.
В настоящее время существует большое количество методов контроля состояния высоковольтных трансформаторов, так и не обеспечивших широкого внедрения профилактического контроля повсеместно. В каждом таком методе используется своя физическая модель, раскрывающая характер энергетического воздействия определенного вида на объект контроля и свои принципиально различные подходы аппаратурного оформления. Таких энергетических воздействий оказывается довольно много: это волны электрического перенапряжения, термические пики, области повышенных температур, процессы, связанные с развитием частичных разрядов, импульсные механические нагрузки, звуковые и ультразвуковые колебания, процессы старения и многое другое.
Большое разнообразие методов контроля, сложность диагностического оборудования, отсутствие хорошо разработанных методик контроля и скудность базы исходных данных справочного характера не позволяют сформировать единое информационное поле, обеспечивающее создание унифицированной методики достоверной оценки состояния работающего электротехнического устройства.
Цель работы: разработка эффективных методов оценки состояния изоляционных промежутков, как уровня качества эксплуатируемого энергетического оборудования, на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах с резко неоднородной структурой в электрических полях повышенной напряженности. При этом полагается, что разрабатываемые методы должны позволять оценивать не только состояние изоляционных промежутков, но и длительность оставшегося срока эксплуатации электротехнического устройства в целом.
Задачи исследования:
Описание процессов старения диэлектрических материалов, формирующих изоляционную систему маслонаполненного высоковольтного оборудования при его длительной работе в реальных эксплутационных условиях;
Анализ известных методов оценки состояния изоляции маслонаполненного энергетического оборудования, получивших наиболее широкое применение на практике;
Описание методов моделирования изоляционной конструкции маслона-полненных силовых трансформаторов, позволяющих сложную изоляционную конструкцию свести к модели двухслойного диэлектрика, использование которой дает возможность по экспериментально измеренной зависимости тока аб-
сорбции от времени выделить участки, описывающие диэлектрические свойства каждой компоненты двухслойной изоляции в отдельности;
Разработка метода диагностики состояния изоляционного промежутка, основанного на измерении уровня тока деполяризации и его изменения во времени, названного в работе методом «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области»;
Разработка метода расчета «Обобщенного показателя состояния» изоляционного промежутка, основанного на контроле достаточно широкого спектра электрических характеристик, и его графическое исполнение в виде «Диаграммы состояния», т.е. представление обширного объема информации в виде единой логической структуры в матричной форме;
Разработка соответствующего программного обеспечения для построения «Диаграммы состояния», позволяющее упростить процесс обработки и анализа экспериментальных данных;
Экспериментальное подтверждение обнаруженных закономерностей и предлагаемых в работе механизмов старения с помощью физических моделей изоляционных промежутков и в условиях реально эксплуатируемого оборудования.
Достоверность полученных результатов. Достоверность и обоснованность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций, приведенных в работе, обеспечивается использованием надежных методов исследования, применением точных средств измерения и математических методов обработки исследуемых величин при производственных испытаниях и подтверждается экспериментальной проверкой на реальном эксплуатируемом оборудовании.
Научная новизна диссертации заключается в том, что
теоретически обоснована возможность определения состояния изоляционных промежутков на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах;
выполнено обоснование и разработаны диагностические методы для оценки состояния изоляционных промежутков энергетических объектов на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах с резко неоднородной структурой в электрических полях повышенной напряженности;
из временного спектра поляризационного тока выделены области обусловленные установлением структурной поляризации и поляризации в слое твердой составляющей изоляции, что является отличительной особенностью методики предлагаемой в работе;
предложена методика представления выделенной части временного спектра поляризационного тока в модифицированном виде, представляющем собой зависимость коэффициента диэлектрических потерь от времени, что является удобным для интерпретации и анализа;
впервые разработаны и систематизированы методы обработки данных, полученных в процессе диагностики энергетического оборудования, применимые для расчета параметров эксплуатационной надежности и прогнозирования;
впервые применен модифицированный метод «Структурирование функций качества» для формирования заключения о состоянии изоляционного промежутка энергетического оборудования, позволяющий отдельные контролируемые параметры представить в виде единой логической структуры в матричной форме;
разработано программное обеспечение для оценки состояния изоляционных промежутков на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей поляризационных процессов в них.
Практическая ценность. Разработана методика оценки состояния изоляционных промежутков, как меры качества эксплуатируемого энергетического оборудования, на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах с резко неоднородной структурой в электрических полях повышенной напряженности.
Реализация результатов работы. Исследования, представленные в данной работе, выполнялись в рамках научных работ, проводимых кафедрой ТОЭ Смоленского филиала МЭИ под руководством д.т.н., профессора Чернышева В. А., и инициированных сетевыми компаниями ОАО «Смоленск-энерго» и ОАО «Брянскэнерго», по заданию которых бьши выполнены ряд крупных хоздоговорных научно-исследовательских работ в данном направлении.
Апробация работы. Основные результаты экспериментальных работ и теоретических исследований докладывались и обсуждались:
на одиннадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, 2005 г.);
на международной конференции по математическим метода в технике и гуманитарным наукам (г. Смоленск, 2005 г.);
на международной научно-технической конференции (Бенардосовские чтения) (г. Иваново, 2005 г и 2007 г.);
на Ш межрегиональной научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Смоленск, 2006 г.),
на международной конференции по электромеханике, электротехнологии, электротехническим материалам и компонентам (г. Алушта, 2006 г и 2008 г.);
на международной научно-технической конференции (г. Казань, 2008 г.);
на заседании кафедры «Общей физики» Смоленского Государственного Университета (г. Смоленск, 2005 г, 2006 г и 2007 г.);
на заседании кафедры «Теоретических основ электротехники» филиала «Московский энергетический институт (Технический университет)» в г. Смоленске^. Смоленск 2006 г и 2008 г.);
на VII международной научно-практической конференции «Электроизоляционные материалы и системы изоляции вращающихся электрических машин - 2009» (г. Москва 2009 г.);
- на IV международной научно-технической конференции «Силовые
трансформаторы и системы диагностики» (г. Москва 2009 г.).
Основные положення, представляемые к защите:
Методы оценки состояния изоляционных промежутков, как меры качества эксплуатируемого энергетического оборудования, на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах с резко неоднородной структурой в электрических полях повышенной напряженности;
Метод диагностики состояния изоляционного промежутка, основанный на измерении уровня тока деполяризации и его изменении во времени, названный в работе методом «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области»;
Метод расчета «Обобщенного показателя состояния» изоляционного промежутка и его графическое представление в виде «Диаграммы состояния»;
Программная реализация метода построения «Диаграммы состояния» для изоляционного промежутка;
Результаты экспериментального подтверждения обнаруженных закономерностей и предлагаемых в работе механизмов старения с помощью физических моделей изоляционных промежутков и в условиях реально эксплуатируемого оборудования.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 77 наименований и приложений. Диссертация изложена на 153 страницах основного текста, содержит 66 рисунков и 14 таблиц.
Химические методы диагностики изоляции энергетического оборудования
Срок службы энергетического оборудования в большой степени зависит от состояния его изоляционных конструкций. В процессе эксплуатации изоляция подвергается различным воздействиям: электрическим, тепловым, механическим, физико-химическим. В результате этих воздействий свойства изоляции ухудшаются, что может привести к выходу из строя оборудования. Поэтому система технического обслуживания на основе реального технического состояния и диагностика в режиме действующего оборудования сегодня приобретает особую значимость.
В настоящее время имеются различные химические и электрические диагностические методы пригодные для мониторинга фактического состояния изоляции энергетического оборудования. Химический анализ обеспечивает прямой информацией о таких параметрах, как содержание влаги, степень полимеризации бумаги, количество осадка в масле, степень окисления масла и количестве газов растворенных в нем. Однако большинство химических анализов могут быть выполнены только в лабораторных условиях, а для этого требуются специально отобранные образцы (например, бумаги или масла) и специальное лабораторное оборудование. В отличие от химических методов электрические измерения оказываются более простыми и могут быть выполнены непосредственно на месте. Поэтому электрические методы тестирования в настоящее время оказываются более предпочтительными для мониторинга состояния изоляционных конструкций, хотя они и не являются прямыми методами контроля перечисленных выше параметров.
В этой главе рассмотрены основные физико-химические свойства бумажно-масляной изоляционной системы трансформаторов, влияние факторов оказывающих воздействие на изоляционные свойства такой системы, а также наиболее распространенные методы диагностики с описанием области при менения и способами обработки и интерпретации данных, полученных на их основе.
Бумага является основной твердой компонентой изоляции силовых трансформаторов находящихся в эксплуатации 30-40 лет. Свойства изоляционной бумаги зависят от свойств целлюлозы, так как ее содержание в бумаге составляет около 90% [2, 3].
Длинные волокна целлюлозы обеспечивают высокую механическую прочность бумаги. Однако, для получения высокой плотности, которая обеспечивает повышенную электрическую прочность и диэлектрическую проницаемость, длина волокон должна быть короче [4]. Поэтому достижение хороших электрических свойств связано со значительными ослаблениями механической прочности изоляционной бумаги.
Важнейшими диэлектрическими свойствами бумаги, которые определяют качество изоляции, являются диэлектрическая проницаемость 8, тангенс угла диэлектрических потерь tgS и проводимость а. Сухая бумага имеет очень высокое объемное сопротивление порядка 10 - 10 Ом см [3]. Однако, из-за ее высокой поглощающей способности, необходима защита от прямого контакта с влагой, для поддержания хороших диэлектрических свойств.
Поэтому основной целью использования минерального масла является пропитка изоляционной бумаги, для исключения прямого контакта бумаги с воздухом и влагой. Масло также является теплоотводящей средой, так как в трансформаторах наблюдается неизбежный рост температуры, обусловленный потерями энергии в проводниках, магнитопроводе и диэлектрических материалах [5, 6].
Для достижения хороших охлаждающих и изоляционных свойств трансформаторное масло должно иметь высокую электрическую прочность, малую вязкость, высокую теплоемкость и малый коэффициент линейного расширения. Чтобы исключить электрические разряды, в масле не должно содержаться воды, газов, химических примесей и механических включений. В табл. 1.1 представлены предельно допустимые значения электрических свойств нового трансформаторного масла [7].
Как отмечалось ранее, бумага показывает не высокие диэлектрические свойства, что обусловлено ее пористой структурой. Под пористостью понимается присутствие воздушных включений. В этом случае диэлектрическая прочность бумаги в основном определяется ионизацией газа внутри газообразных включений. Повышенные температуры, контакт с влагой и воздухом приводят к ускорению процессов старения в бумажной изоляции [3]. Чтобы уменьшить влияние перечисленных выше факторов, бумажную изоляцию пропитывают маслом. Пропитка представляет собой сложный процесс, и современные технологии не позволяют достигнуть полной 100 % пропитки [4]. Плохая пропитка может служить причиной повреждения изоляции во время ее работы. Это может произойти за счет действия частичных разрядов, которые развиваются в газовых включениях между слоями или волокнами бумаги. Большинство диэлектрических свойств пропитанной бумаги, за исключением пробивного напряжения, в большей мере зависят от диэлектрических свойств сухой бумаги, так как доля масла мала по сравнению с долей бумаги.
Влага является одним из ключевых факторов, который способствует быстрому старению изоляционных конструкций трансформаторов. Поэтому рассмотрим более детально влияние влаги на бумажно-масляную изоляцию трансформатора в целом и в отдельности на ее компоненты.
Вода в бумаге может находиться в трех состояниях: в виде молекул воды адсорбированных на поверхности, в виде паров и в виде свободной воды в капиллярах [8, 9]. Количество влаги в бумаге в основном зависит от температуры и давления паров воды в равновесном состоянии. Содержание воды увеличивается с ростом давления паров и снижается с увеличением температуры [9, 10].
Для получения бумаги с оптимальными электрическими и механическими свойствами, необходимо минимизировать содержание влаги в ней. Для этого во время производства трансформатора, изоляционная бумага подвергается процессу сушки, в результате чего содержание влаги снижается до 0,5 - 1%. Во время эксплуатации содержание влаги в бумаге не должно превышать 2,5% [10, 11]. Увеличение содержания влаги на 0,5 - 1% снижает безопасное время эксплуатации изоляции, а следовательно и трансформатора в целом, примерно в 2 раза. Более того, повышенное содержание влаги увеличивает проводимость бумаги, что приводит к росту диэлектрических потерь [12].
В трансформаторном масле вода может существовать в трех состояниях [9, 13]. Большая часть воды находится в растворенном состоянии. Некоторая часть воды находится в состоянии, при котором молекулы воды и масла сильно связаны между собой, причем число связанных молекул увеличивается с увеличением времени эксплуатации. Помимо этих двух состояний вода в масле может находиться в виде свободных капель. Это состояние наблюдается в том случае, когда насыщение масла водой достигает предела. Из рассмотренных состояний самой опасной считается свободная вода, так как ее наличие обеспечивает создание пробивных путей для электрического разряда.
Методы моделирования изоляционной конструкции силовых маслонаполненных трансформаторов
Скорость старения бумажно-масляной изоляции зависит от термических, окислительных, гидролитических, электрических и механических условий в изоляционной конструкции [18].
Трансформатор в процессе эксплуатации постоянно находится во включенном состоянии, и на его изоляцию длительное время воздействует электрическое поле, соответствующее номинальному рабочему напряжению. Такое электрическое воздействие изоляция должна без повреждений выдерживать неограниченно длительное время.
При работе трансформатора в электрической сети возможны также кратковременные перенапряжения, возникающие вследствие нормальных коммутационных процессов (например, включение и выключение больших мощностей) или процессов аварийного характера (короткое замыкания), а также импульсные волны перенапряжений, возникающие вследствие грозовых атмосферных разрядов. Изоляция трансформаторов должна выдерживать эти перенапряжения.
В изоляции трансформатора, представляющей собой сложный диэлектрик, под действие приложенного напряжения происходят потери мощности (возникают так называемые диэлектрические потери), вследствие чего изоляция нагревается. Обмотки трансформатора при работе нагреваются, что также приводит к нагреву изоляции. Воздействие высоких температур приводит к ускорению процессов деструкции целлюлозы, вследствие чего изоляционная бумага теряет эластичность, становится хрупкой, снижается электрическая прочность. Деструкция представляет собой химическую реакцию скорость, которой подчиняется закону Аррениуса [3, 19]. Повышенные температуры также приводят к ускорению процессов окисления трансформаторного масла. Кроме того, повышение температуры изоляции приводит к снижению удельного сопротивления материала изоляции и его электрической прочно 21 сти, а также может привести к тепловому пробою, который для твердой изоляции является необратимым. Теплостойкость изоляции, позволяющая обеспечить длительную безаварийную работу трансформатора, достигается ограничением температуры обмоток и изоляции, применением изоляционных материалов соответствующего класса, а также конструкцией обмоток и деталей изоляции, обеспечивающей их нормальное охлаждение.
При протекании тока по обмоткам и другим токоведущим частям между ними возникают механические силы. Не оказывая существенного воздействия на обмотки и изоляцию при номинальных токах, механические силы в аварийных случаях (короткое замыкание) достигают существенных значений, способных вызвать разрушающие деформации в изоляции.
Сложные физико-химические воздействия на изоляцию возникают в результате взаимодействия изоляционных материалов с посторонними примесями (влага, кислород и др). Согласно исследованиям скорость старения бумаги пропорциональна количеству воды в изоляции трансформатора, а присутствие кислорода ускоряет процессы старения примерно в 2,5 раза [3, 19, 20]. При контакте с кислородом происходят процессы окисления трансформаторного масла. Скорость окисления масла зависит от таких параметров как температура, воздействие света и наличие катализаторов. При повышенных температурах и в присутствии активных металлов, таких как медь и свинец, было обнаружено ускорение процессов окисления масла [21].
Еще одним процессом, приводящим к старению бумажно-масляной изоляции, является процесс ионизации газовых включений. При обработке невозможно полностью удалить из изоляции весь поглощенный ею газ, поэтому во время эксплуатации области, в которых имеются пузырьки газа, подвергаются действию высокого напряжения. Когда напряженность поля в пузырьке газа становится больше, чем его пробивная прочность, внутри изоляции возникает разряд. Молекулы масла поглощают энергию таких разрядов и превращаются в углеводороды и водород. Если масло насыщено газами, то высвобождающийся водород может создавать большие пузырьки, которые, увеличиваясь, со временем ухудшают изоляционные свойства масла. Аналогично разряд развивается в полостях изоляционной бумаги, приводя к образованию проводящих углеродных частичек [6, 22].
Поскольку перечисленные воздействия оказывают существенное влияние на состояние бумажно-масляной изоляции силовых трансформаторов, то контролируя уровень таких воздействий (количество влаги, количество растворенного в масле газа, степень полимеризации бумаги и т.д.) можно оценить степень изношенности изоляции, а, следовательно, и ее фактическое состояние.
Особенности обработки экспериментальных данных и применения метода «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» для изоляционной системы физической модели
Дано описание процессов старения диэлектрических материалов, формирующих изоляционную систему высоковольтных трансформаторов при длительной работе в реальных эксплутационных условиях. Показано, что скорость старения бумажно-масляной изоляции зависит от термических, окислительных, гидролитических, электрических и механических условий в изоляционной конструкции.
Приведен анализ методик оценки, и диагностики состояния изоляции высоковольтного оборудования, получивших наиболее широкое распространение на практике. Их можно разделить на две большие группы: химический анализ и электрические методы. Хотя химический анализ обеспечивает прямой информацией о таких важных параметрах, как содержание влаги в изоляции, степени полимеризации бумаги, количестве газа растворенного в масле и так далее, но большинство из таких анализов могут быть выполнены только в лабораторных условиях и только после отбора образцов бумаги и масла, что подразумевает вывод оборудования из эксплуатации на достаточно длительный срок и нарушение его герметичности. К тому же для некоторых химических методов нет единых подходов к интерпретации экспериментальных результатов. К таким методам можно отнести анализ растворенного газа в масле и измерение степени полимеризации бумажной изоляции. Несмотря на все эти недостатки, химический анализ широко применяется на практике для оценки состояния изоляции высоковольтных трансформаторов. В отличие от химического анализа электрические методы оценки состояния изоляции не дают прямой информации о содержании влаги в изоляции, степени полимеризации бумаги и других параметрах, но являются более предпочтительными, так как могут выполняться в полевых условиях и не требуют длительного вывода оборудования из эксплуатации.
Из приведенного анализа методов оценки состояния изоляции маслона-полненного высоковольтного оборудования видно, что проблема диагностики изоляции в настоящее время актуальна, несмотря на большое количество существующих методов. При этом особое внимание обращают на себя электрические методы оценки состояния. Поэтому целью данной работы является разработка эффективных методов оценки состояния изоляционных промежутков, как уровня качества эксплуатируемого энергетического оборудования, на основе информации, полученной при исследовании основных закономерностей развития поляризационных процессов в диэлектрических системах с резко неоднородной структурой в электрических полях повышенной напряженности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1. Описание процессов старения диэлектрических материалов, формирующих изоляционную систему маслонаполненного высоковольтного оборудования при его длительной работе в реальных эксплуатационных условиях;
2. Анализ известных методов оценки состояния изоляции маслонаполненного энергетического оборудования, получивших наиболее широкое применение на практике;
3. Описание методов моделирования изоляционной конструкции масло-наполненных силовых трансформаторов, позволяющих сложную изоляционную конструкцию свести к модели двухслойного диэлектрика, использование которой дает возможность по экспериментально измеренной зависимости тока абсорбции от времени выделить участки, описывающие диэлектрические свойства каждой компоненты двухслойной изоляции в отдельности;
4. Разработка метода диагностики состояния изоляционного промежутка, основанного на измерении уровня тока деполяризации и его изменения во времени, названного в работе методом «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области»;
5. Разработка метода расчета «Обобщенного показателя состояния» изо ляционного промежутка, основанного на контроле достаточно широкого спектра электрических характеристик, и его графического исполнение в виде «Диаграммы состояния», т.е. представление обширного объема информации в виде единой логической структуры в матричной форме;
6. Разработка соответствующего программного обеспечения для по строения «Диаграммы состояния» и реализации метода «Обобщенного пока зателя состояния», позволяющее упростить процесс обработки и анализа экс периментальных данных;
7. Экспериментальное подтверждение обнаруженных закономерностей и предлагаемых в работе механизмов старения с помощью физических моделей изоляционных промежутков и в условиях реально эксплуатируемого обору дования.
В главе рассмотрены классификация и устройство изоляции масляных трансформаторов. Дано описание конденсаторов типа МБГО-2, изоляция которых была выбрана в качестве физической модели бумажно-масляной изоляции. Также описаны методики получения экспериментальных данных: лабораторный метод измерения токов деполяризации изоляционных промежутков и метод измерения сопротивления изоляционных промежутков, индекса поляризации (PI), коэффициента диэлектрической абсорбции (DAR), емкости, тока утечки и коэффициента диэлектрического разряда (DD) с помощью мегомметра С. А 6547, и методики обработки и интерпретации экспериментальных данных: метод «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» и метод расчета «Обобщенного показателя состояния» изоляционного промежутка.
Трансформаторы - это электромагнитные статические преобразователи электрической энергии, имеющие две и большее число индуктивно связанных обмоток, и предназначенные для изменения напряжения переменного тока [67]. В современной электроэнергетике они применяются на всех стадиях выработки, передачи и использования электроэнергии. На рис.24 представлена фотография трансформатора марки ТДТН, срок службы которого 30 лет.
Расчет «Обобщенного показателя состояния» и построение «Диаграммы состояния» для изоляционных промежутков силового трансформатора
Тогда задача оценки состояния изоляционного промежутка по экспериментально полученной зависимости є"(і) сводится к определению степени соответствия полученной зависимости одной из реперных ее аналогов (рис.39), система которых сформирована в виде некоторой шкалы оценок.
Для реализации данного метода оценки состояния изоляционных систем был сформирован алгоритм, позволяющий, избавится от субъективной оценки оператора производящего анализ. Для этого была сконструирована шкала оценок, представляющая собой набор некоторой совокупности семантических единиц: 1. новая система;
Каждой семантической единице шкалы ставится в соответствие определенное состояние изоляционной системы, которое характеризуется своей собственной зависимостью коэффициента диэлектрических потерь от времени (рис.39).
Каждая кривая совокупности реперных зависимостей задается п точками (на рис.39 п = 12), определяющими ее положение в плоскости координат, а также величинами коэффициентов весомости aij, с помощью которых и фиксируется вид исследуемой функциональной зависимости. С этой целью проводится предварительное ранжирование выбранных на реперных кривых точек. Ранг точки устанавливается по величине ее ординаты. Так точке с координатами [X; Ymax] присваивается ранг 1, ниже следующей точке - ранг 2 и т.д. Тогда используя формулу А.П. Ферапонтова [75] можно найти величину коэффициента весомости рассматриваемой точки. где, Rg - ранг і-ой точки для j-ой кривой, і = 1, 2, ..., n; j = 1, 2, ..., к, к -число реперных кривых, п - число точек. В итоге удается сформировать матрицу М весовых коэффициентов ац для всех точек, задающих положение реперных кривых. M =
В результате вектор Bj, представляющий собой произведение вектора Xj(t) на матрицу М, позволит соотнести кривую X(t) с каждой из семейства эталонных кривых и тем самым идентифицировать состояние изоляционной системы контролируемого электротехнического оборудования.
На рис.40 (а, б, в, г) приведены результаты идентификации некоторых условных состояний изоляционной системы, близкие по своим характерным особенностям к 1 - новой изоляции; 2 - б/у изоляции; 3 - состаренной; 4 -критической, которые были представлены соответствующими векторами: Xi(t), X2(t), X3(t) и X4(t). Значения этих векторов даны в табл. 2.2, а значения весовых коэффициентов для данных кривых (рис. 39) в табл. 2.3.
Результаты идентификации основных состояний изоляционных конструкций. На всех четырех диаграммах рис.40 номер столбика, соответствующего максимальному значению вектора Bj, идентифицирует степень износа изоляции и тем самым оценивает ее состояние. Так на рис. 40 (а) максимальную величину имеет первое значение bi = 0,288. Это свидетельствует о том, что вектор Xi(t) в большей степени соответствует реперной кривой, которая характерна для новой изоляции.
Анализ всех четырех диаграмм, приведенных на рис. 40, показывает, что данные подходы устанавливают четкое различие между состоянием, характерным для новой изоляции, и ее критическим состоянием (рис. 40 (а) и рис. 40 (г)). Различие между состоянием б/у и состоянием состаренной изоляции не такое значительное, хотя вполне различимое. Это свидетельствует о том, что физические процессы, протекающие в объеме изоляции в этих двух случаях, практически идентичны и отличаются только своими количественными показателями.
Таким образом, предлагаемый в работе метод «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» позволяет идентифицировать степень изношенности изоляционной системы в рамках отдельно выбранного типа электротехнического оборудования, имеющего надежно установленную систему реперных кривых. Эти подходы целесообразно использовать в качестве предварительного анализа состояния изоляционной системы, когда необходимо принять решение о необходимости разворачивания дорогостоящих диагностических исследований и формирования эффективных корректирующих мероприятий. 2.5.2. Метод расчета «Обобщенного показателя состояния» изоляционного промежутка
Как было отмечено использование метода «Оценки степени деформации поляризационного спектра в выделенной временной области» для диагностики состояния изоляционного промежутка целесообразно в качестве предварительного анализа состояния изоляционной системы. Для формирования более полного заключения о состоянии изоляционного промежутка необходим комплексный подход, который будет формировать заключение не на основании одной величины, пусть даже достаточно информативной, а на целом ряде параметров изоляции, которые представляют собой систему, а не отдельно измеренные величины.
Поэтому в работе предлагается метод анализа изоляционного промежутка основанный на контроле достаточно широкого спектра электрических характеристик: величина омического сопротивления изоляционного участка (RH3), величина емкости (Сш), уровень тока утечки (Іуг), доминирующая величина времени релаксации процесса разрядки заряженного промежутка (т). Одновременно фиксируются параметры, характеризующие интенсивность релаксационных процессов, развивающихся в контролируемом промежутке: индекс поляризации (РІ), коэффициент диэлектрической абсорбции (DAR), коэффициент диэлектрического разряда (DD) и, наконец, сформированный в работе обобщенный индекс поляризации (ТРІ - total polarization index), величина которого находится по формуле:
