Д.т.н. профессор Серебряков А.С.,

Нижегородский филиал Московского государственного

университета путей сообщения (МИИТ), Россия

аспирант Семенов Д.А.

Нижегородский государственный инженерно-экономический институт

Профилактический контроль состояния корпусной изоляции трансформаторов по напряжению

саморазряда и возвратному напряжению

Распределительные трансформаторы напряжением 6-10 кВ являются одним из важнейших устройств систем электроснабжения. Трансформаторы, как и другие электрические установки могут нормально работать лишь с исправной изоляцией. В процессе эксплуатации из-за увлажнения, перегрева, динамических нагрузок и перенапряжений происходит общее старение изоляции, т.е. ухудшение ее физико-химических характеристик. В изоляции возникают распределенные и местные (сосредоточенные) дефекты, которые в конечном итоге приводят к пробою изоляции.

Ресурс изоляции, как правило, определяет и ресурс трансформаторов. Многочисленные исследования показали, что в подавляющем числе случаев причиной отказов распределительных трансформаторов является нарушение работы его изоляционной системы. При этом более 25% отказов приходится на долю корпусной или главной изоляции трансформаторов.

Чтобы своевременно выявлять развивающиеся дефекты и не допускать внезапных пробоев электрической изоляции, свойства ее в процессе эксплуатации периодически проверяют. Такие мероприятия обеспечивают поддержание необходимой степени надежности электрооборудования. Периодический контроль с целью прогнозирования расходования ресурса трансформаторного оборудования необходим для обоснования выбора очередности ремонта и замены трансформаторного оборудования. Это особенно важно на современном этапе эксплуатации энергетических систем, когда более 70% основного трансформаторного оборудования уже выработало свой ресурс времени, регламентированный нормативными документами.

Для того, чтобы перейти от системы обслуживания по сроку эксплуатации к системе обслуживания трансформаторов по реальной потребности или по реальному техническому состоянию, нужны современных приборные средства, основанные на надежных и научно обоснованных методах выявления дефектов и позволяющие объективно оценивать техническое состояние изоляции. Именно в такой системе заложены большие резервы повышения эффективности эксплуатации трансформаторов.

Один из эффективных методов тестового контроля состояния главной изоляции основан на использования явления абсорбции. Известно, что о состоянии изоляции и степени ее старения судят по току абсорбции и по коэффициенту абсорбции, который определяют как отношение одноминутного значения сопротивления изоляции к пятнадцатисекундному значению ее.

Коэффициент абсорбции дает объективную оценку состояния изоляции, так как учитывает заряд абсорбции. Однако контроль заряда абсорбции по току абсорбции неудобен тем, что ток абсорбции мал и промышленные помехи сильно искажают его. Поэтому удобнее пользоваться другими методами обнаружения абсорбции, например, применить метод измерения напряжения саморазряда и возвратного напряжения. Рассмотрим подробнее эти явления.

С учетом электропроводности и поляризации схема замещения изоляции может быть представлена как последовательное соединение k параллельных цепочек, содержащих резисторы R_k и конденсаторы С_k. Эти параллельные цепочки представляют собой схемы замещения отдельных слоев изоляции с разными электрическими свойствами. Каждый слой k имеет свою электрическую емкость С_k и свое сопротивление R_k. Если зарядить изоляцию трансформатора (такие последовательно соединенные цепочки) до напряжения U_0,, а затем отключить ее от источника напряжения и оставить разомкнутой, то в каждой k –й цепочке каждый конденсатор С_k будет постепенно разряжаться на свой резистор R_k. При этом напряжение на изоляции , называемое напряжением саморазряда, будет представлять собой сумму затухающих экспонент (рис.1):

. (1)

Здесь начальное напряжение на конденсаторе С_k k –й цепочки, прямо пропорциональное активному сопротивлению k –го слоя, - постоянная времени k-го слоя, Она измеряется в секундах и равна промежутку времени, в течение которого напряжение на конденсаторе С_k уменьшится в е=2,718 раз и составит 0,368U₀. Чем больше постоянная времени цепочки, тем медленнее идет процесс саморазряда. Если представить себе, что в качестве k-го изоляционного слоя используется диэлектрик прямоугольной формы, площадь поперечного сечения которого S_k, а толщина h_k, то формула для постоянной времени примет вид:

. (2)

Здесь - удельное объемное сопротивление диэлектрика, - электрическая постоянная, - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Из формулы (2) следует важный вывод: постоянная времени саморазряда изоляции не зависит от геометрических размеров изоляции, а определяется исключительно свойствами изоляции и . Более строгий анализ показывает, что постоянная времени не зависит и от формы изоляции.

Опыт, в котором наблюдается возвратное напряжение, состоит в следующем. Изоляция заряжается в течение одной минуты при постоянном напряжении U₀. Затем изоляция отключается от источника постоянного напряжения и ее электроды замыкаются накоротко на очень малый промежуток времени Δt, после чего вновь размыкаются. За время Δt геометрическая емкость С_Г изоляции трансформатора полностью разряжается, а заряд абсорбции, накопленный на границах слоев, остается практически неизменным. Этот заряд распределится на емкости отдельных слоев. После размыкания внешних электродов изоляции емкости С_k вновь оказываются соединенными последовательно. Сумма напряжений на конденсаторах будет равна нулю. Конденсаторы будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев c разной скоростью, т.к. постоянные времени слоев неодинаковы. На изоляции появится напряжение u_в, равное алгебраической сумме k экспонент(рис.2). Это напряжение и называют возвратным напряжением.

Полученные параметры u_с и u_в существенно различаются в зависимости от степени старения изоляции и позволяют объективно судить о ее состоянии. Для измерения напряжения саморазряда и возвратного напряжения авторами разработано устройство, снабженное программируемым микроконтроллером и позволяющее измерять указанные параметры изоляции через каждую секунду

На рис.1 показаны зависимости напряжения саморазряда для нового трансформатора при вводе его в эксплуатацию (кривая1) и после 28 лет эксплуатации (кривая 2). Кружками на рис.9.13 показаны измеренные значения.

Рис.1. Кривые напряжения саморазряда нового трансформатора (кривая 1) и трансформатора после 28 лет эксплуатации (кривая2)

Исследования показывают, что кривую 2 на рис.1 можно аппроксимировать суммой трех экспонент:

. (3)

Три экспоненты соответствуют трем слоям изоляции: первая экспонента с постоянной времени =0,5с соответствует слою трансформаторного масла, вторая экспонента с постоянной времени =5с соответствует барьеру между обмотками и третья экспонента с постоянной времени =30с соответствует изоляции обмотки. Эти три слоя изоляции имеют соответственно сопротивления изоляции : ; ; .

Здесь 145 Мом – одноминутное значение сопротивления изоляции рассматриваемого трансформатора.

Электрические емкости указанных слоев изоляции равны:

; ;

.

На рис.2 показаны зависимости возвратного напряжения тех же трансформаторов: нового трансформатора при вводе его в эксплуатацию (кривая1) и после 28 лет эксплуатации (кривая 2). Зависимости на рис.1 и 2 измерены при температуре трансформатора 28ºС.

Как показали исследования, наиболее информативным является напряжение саморазряда, измеренное на 15 секунде и возвратное напряжение, измеренное на 30-й секунде после начала измерения, которые обозначают u_с15 и u_в30.

Из рис.1 и 2 видно, что в течение срока эксплуатации изоляция стареет и напряжение саморазряда и возвратное напряжение снижаются (напряжение саморазряда u_с15 снижается примерно на 28-30 В за год, а возвратное напряжение u_в30 - примерно на 6-7 В за год). Существенно изменяется и момент времени, при котором наблюдается максимум возвратного напряжения.

Трансформаторы, у которых u_с15 меньше 100 В и u_в30 меньше 15 В следует считать изношенными по изоляции более чем на 80% и при возможности заменять их новыми трансформаторами.

Рис.2. Кривые возвратного напряжения нового трансформатора (кривая 1) и трансформатора после 28 лет эксплуатации (кривая2)

Итак, о старении изоляции без ее разрушения, как показали исследования, можно судить по характеру процессов поляризации, а именно по величине возвратного напряжения. Для оценки качества изоляции большое значение имеет изменение ее характеристик во времени. Поэтому с повышением частоты контроля увеличивается вероятность своевременного выявления дефектов.

Литература

1. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. – М.: Маршрут, 2005. 280 с.