Силовых трансформаторов

Вода, содержащаяся в твердой изоляции силовых трансформаторов, действует как катализатор в процессе разрушения целлюлозы и ускоряет таким образом процесс старения изоляции. Вакуумная сушка в сочетании с низкочастотным нагревом является эффективным способом, позволяющим на целый порядок снизить затраты времени по сравнению с традиционным методом сушки, основанным на циркуляции масла.

Силовые трансформаторы в сетях первичного электроснабжения неизбежно подвергаются воздействию коротких замыканий. Это в наибольшей степени относится к трансформаторам тяговых подстанций, так как в контактной сети короткие замыкания происходят довольно часто. В результате возникновения токов короткого замыкания обмотки трансформаторов подвергаются значительным силовым воздействиям. В связи с этим большое значение имеет механическая прочность изоляции трансформаторов, особенно бумажной и из прессованного картона.

Известно, что содержащаяся в изоляции влага способствует термокинетическому разложению целлюлозы и ускоряет процесс старения материала. Поэтому при достижении определенного уровня содержания влаги в изоляции трансформатора для обеспечения его дальнейшей надежной работы необходима просушка.

Существуют различные способы сушки. Метод Smart Dry, сочетающий вакуумную сушку обмоток с низкочастотным нагревом (LFH), зарекомендовал себя как наиболее рациональное для трансформаторов мощностью более 10 МВ·А и экономически выгодное техническое решение.

Факторы, влияющие на процесс

старения изоляционных материалов

Механическая прочность изоляции трансформатора в значительной мере определяется так называемой степенью полимеризации, которая оценивается коэффициентом полимеризации DP.

Целлюлоза, образующая основу изолирующих материалов обмоток, состоит из отдельных волокнистых цепочек, в состав каждой из которых первоначально входит более 1000 молекул.

Скорость, с которой уменьшается коэффициент DP, зависит от многих факторов. В первую очередь среди таких факторов необходимо назвать температуру. Известно, что достаточно высокие температуры в значительной степени уменьшают величину коэффициента DP. Одна из термических моделей старения показывает, что повышение или снижение температуры обмотки на 6K по отношению к базовой температуре 98 °C в два раза увеличивает или снижает интенсивность старения.

Другим фактором является воздействие кислот на целлюлозу. Органические кислоты, основной составляющей которых обычно является уксусная, образуются в результате старения или окисления изоляционного масла.

Третий важный фактор — содержание влаги в твердом изоляционном материале, которое увеличивается в процессе эксплуатации в результате воздействия испарений из бака.

Все эти факторы постепенно уменьшают длину волокон целлюлозы в процессе эксплуатации, молекулярные цепочки расщепляются, в результате чего коэффициент DP уменьшается до 200 и ниже. Материал становится хрупким и в меньшей степени может противостоять воздействующим на него силам. Это является основной причиной сокращения срока службы трансформатора. Опыты, проводившиеся в Германии в 1940-х годах, показали, что большинство волокнистых материалов сохраняет значительную электрическую прочность после утери механической.

Метод Smart-Dry

Принцип, положенный в основу метода

Активная часть трансформатора нагревается путем подачи в высоковольтную (первичную) обмотку напряжения низкой частоты (до 1 Гц) при замкнутой накоротко обмотке низшего напряжения (вторичной). Низкая частота в значительной степени уменьшает реактивную составляющую сопротивления цепи короткого замыкания и позволяет за счет этого получить соответствующую величину тока при небольшом напряжении. Индуктивная связь между обмотками при этом сохраняется.

Потери от вихревых токов в обмотках и деталях конструкции при низкой частоте незначительны, за счет чего исключается возможность локального перегрева в этих элементах. Превышение допустимых пределов величин тока и напряжения также становится невозможным благодаря надежности расчетов соответствующих параметров установки. Подача в первичную обмотку напряжения низкой частоты регулируется в зависимости от температуры обмоток, которая определяется путем непрерывного контроля их сопротивления. За счет этого предотвращается возможность дополнительного старения бумажной изоляции под действием нагрева обмоток.

Процесс сушки

Обычно масло силового трансформатора в процессе эксплуатации регулярно подвергается анализу. Если при этом обнаруживается высокое содержание воды, рекомендуется измерение показателя PDC (токов поляризации и деполяризации). На основе установленных значений содержания воды в твердой изоляции и массы этой изоляции с учетом масляной пропитки проводится согласование с заказчиком количества воды, подлежащей удалению в процессе сушки.

На стадии проектирования установки для сушки активной части трансформатора его бак и высоковольтные вводы должны проверяться на вакуумную плотность. Если вводы не обеспечивают нужной герметичности, должны устанавливаться соответствующие дополнительные соединительные фланцы.

Расширительные емкости обычно не обладают вакуумной плотностью, поэтому соединительный трубопровод, соединяющий расширитель с баком, необходимо на время сушки демонтировать и место его ввода в бак закрыть глухим фланцем. Только после этого вторичная обмотка трансформатора может быть закорочена, а в первичную подано напряжение низкой частоты. Предварительно необходимо также смонтировать маслопроводы между баком трансформатора и установкой подготовки и подачи масла, а также включить вакуумный тракт между масляной установкой и баком трансформатора.

Весь процесс сушки складывается из трех циклов:

нагрев током низкой частоты (LFH);

выпуск масла и создание вакуума;

сушка пульсирующим током низкой частоты.

В зависимости от производительности используемого насоса масло в течение нескольких часов откачивается из трансформатора и попадает в емкость для промежуточного хранения. Бак трансформатора вакуумируется, после чего начинается процесс сушки. При этом в зависимости от содержания влаги среднюю температуру обмоток ступенями по 5К повышают до максимальной (90 °C), а затем снова снижают (рис. 1).

Рис. 1. Приближенное отображение процессов, происходящих при вакуумной сушке

в сочетании с низкочастотным нагревом обмоток трансформатора:

P — давление в баке трансформатора; q — средняя температура обмоток; V — суммарный выход воды; V/t — удельный выход воды на единицу времени; I — ток

Максимальное напряжение в первичной обмотке трансформатора во время нагрева составляет 760 В. Чтобы полностью исключить опасность электрического пробоя во время подачи тока, глубину вакуума повышают до 40 – 60 мбар (30 – 45 мм ртутного столба). Следует отметить, что подаваемое в первичную обмотку напряжение слишком мало, чтобы вызвать пробой изоляции, уровень которой рассчитан на 100 и более киловольт. При давлении в баке 1 мбар и заданных изоляционных расстояниях возможность пробоя в процессе сушки полностью исключается.

Сушка заканчивается после удаления установленного количества воды, при этом масло заправляется в бак, когда он еще находится под вакуумом. После демонтажа электрических и гидравлических соединений, измерения сопротивления изоляции, восстановления всех демонтированных соединений и откачки из бака воздуха трансформатор выдерживают определенное время и затем сдают в эксплуатацию.

Остаточная влажность определяется с помощью последующего измерения показателя PDC. Весь ход процесса и полученные результаты подробно отражаются в документации.

Установка для вакуумной сушки

На рис. 2 в упрощенном виде представлена структура системы для вакуумной сушки активной части силового трансформатора. Из схемы видно, что вторичная обмотка закорочена, а в первичную подается напряжение низкой частоты. Измеряемые значения напряжения U и тока I используются для управления и регулирования, а также для определения среднего значения сопротивления первичной обмотки.

Рис. 2. Конфигурация установки для вакуумной сушки обмоток трансформатора

с низкочастотным нагревом:

f1 — сетевая частота 50 Гц; f2 — частота тока нагрева; U, I — приборы для измерения напряжения

и тока, сигналы которых используются в схеме регулирования системы

Количество удаляемой воды регистрируется прибором VZ402 компании Micafil и дополнительно измеряется в конденсаторе — емкости для конденсации продуктов откачки. В нем удаляемая из бака парообразная смесь переходит в жидкую фазу. Конденсат состоит почти исключительно из воды. Он содержит лишь небольшую долю кислотных составляющих, преимущественно уксусную кислоту. Удаление последней в процессе сушки активной части трансформатора является дополнительным положительным эффектом помимо удаления воды.

Еще одним достоинством рассматриваемого способа сушки является то, что при полном вакуумировании бака удаляется также свободная вода, которая иногда в значительном количестве собирается на дне.

Применение метода

и полученные результаты

Общий обзор результатов

С апреля 1997 г. способ Smart Dry был с успехом применен для сушки в общей сложности 25 трансформаторов для напряжений по первичной стороне 30 – 400 кВ номинальной мощностью от 12, 5 до 300 МВ·А. Остаточное содержание влаги в изоляции трансформаторов после сушки составляло в среднем 2 %. Выборочные пробы, проведенные через несколько лет после сушки, показали лишь незначительное увеличение содержания влаги.

Значительная часть этих трансформаторов принадлежит компании DB Energie, входящей в холдинг железных дорог Германии (DBAG). Некоторые из них эксплуатируются на тяговых подстанциях частотой 16, 7 Гц и в составе статических преобразователей, питающих тяговую сеть однофазным напряжением частотой 16, 7 Гц от трехфазных сетей частотой 50 Гц. Остальные трансформаторы используются на электростанциях, оборудованных машинными преобразователями, в сетях с частотами 50 и 16, 7 Гц. В таблице приведены результаты сушки трансформаторов, принадлежащих DB Energie. Количество удаленной воды определялось в конденсаторе, КПД которого составлял 80 %.

На всех восьми трансформаторах с частотой 16, 7 Гц количество удаленной воды было менее 10 л. Эта относительно малая величина при массе изоляции на один трансформатор до 100 кг соответствует снижению содержания воды в среднем на 1, 5 – 2 %. В трансформаторах, работающих в сетях с частотой 50 Гц, количество выделившейся воды в среднем было несколько бó льшим из-за увеличенной массы изоляции.

Результаты сушки

трансформатора мощностью 30 MB·A

На рис. 3 показано изменение основных параметров в процессе сушки одного из пяти трансформаторов компании DB Energie, работающих на частоте 50 Гц. Для сушки потребовалось около шести дней, но необходимость в подготовительных работах потребовала отключить трансформатор в общей сложности на 9 сут. На графике отчетливо видно, как при каждом включении нагрева (кривая 1) в баке трансформатора повышается давление. Диапазон изменения давления, иллюстрируемый кривой 2, обеспечивает наиболее эффективную сушку.

Рис. 3. Изменение параметров процесса сушки трехфазного трансформатора мощностью

30 МВ·А с первичным напряжением 110 кВ, частотой 50 Гц:

V1 — удельный выход воды на единицу времени и единицу массы изоляционного материала. Обозначение остальных позиций, как на рис. 1

Количество отделяемой воды зависит от массы изоляции, которая в данном случае составляет около 450 кг. Как видно из характера кривых 3 и 4, отделение воды во время начальной фазы нагрева почти полностью отсутствует. В конце фазы сушки оно также мало, несмотря на низкое давление, что является верным признаком того, что процесс сушки подходит к концу.

Содержание воды в материале изоляции определялось путем измерения PDC непосредственно перед сушкой (рис. 4). Измеренная с этой целью величина тока поляризации в диапазоне времени t > 1000 c, необходимом для корректной оценки, находилась между расчетными значениями тока для показателей содержания воды 3 и 4 %. Она опускалась и несколько ниже, но оставалась достаточно близкой к значениям, рассчитанным для показателя 3, 5 %. Расчет токов поляризации основан на характеристиках материалов и геометрических параметрах изоляционной системы.

Рис. 4. Кривые тока поляризации Ip в функции времени t, полученные при определении содержания воды в твердой изоляции трехфазного трансформатора перед сушкой с помощью расчета (сплошные линии) и на основе измерения (штриховая линия)

По отношению к массе твердой изоляции среднее содержание воды 3, 5 % соответствует 15, 7 л. При сушке было получено 5 л конденсата, т. е. удалено около 6, 2 л воды. Таким образом, остаточное содержание воды после сушки составило 9, 5 л. В пересчете на массу изоляции это в среднем составляет 2, 1 % влаги. Такой показатель означает, что силовой трансформатор, изготовленный в 1967 г., высушен до состояния, которое он имел после нескольких лет (менее 10) эксплуатации.

Дальнейшее развитие метода

Весной 2003 г. с участием компаний E.ON Netz, Siemens, Artec Energie- und Umwelttechnik, Weidmann (Рапперсвиль, Швейцария) и Института электроэнергетических систем и высоковольтной техники при университете в Карлсруэ было проведено широкомасштабное исследование по более точному определению распределения воды в изоляции и дальнейшему совершенствованию метода сушки Smart Dry.

В качестве объекта исследования был выбран предназначенный для утилизации трехфазный трансформатор 110 кВ/60 кВ/20 кВ мощностью 31, 5 МВ·А, выпущенный в 1954 г. и работавший на частоте 50 Гц. Его обмотки детально исследовали до сушки и после, а также брали пробы изоляционных материалов для анализа. Последняя фаза сушки проводилась при значительно более высокой температуре (до 110 °C). Результаты первых анализов материала, использованного для изоляции стержня трансформаторного сердечника, показали, что такое повышение температуры не оказало отрицательного воздействия на величину коэффициента DP (коэффициента полимеризации) и, следовательно, на структуру изоляции. Полученный результат соответствует теоретическим расчетам. Таким образом, средняя температура обмоток, превышающая 100 °C, не приводит к заметному сокращению срока службы трансформатора, если процесс сушки протекает в течение относительно короткого промежутка времени. Однако при этом за счет повышения температуры достигается существенная экономия времени, так как отделение воды в этих условиях происходит быстрее.

Выводы

Содержание влаги в изоляции трансформаторов играет решающую роль в процессе ее старения. Но до сих пор этому фактору уделялось недостаточно внимания.

Многие силовые трансформаторы, которые находятся в эксплуатации в настоящее время, имеют возраст 30 и более лет. Вакуумная сушка в сочетании с технологией нагрева LFH является эффективным способом продления срока службы таких трансформаторов. При использовании данного способа сушки время отключения трансформатора может быть сокращено до 10 – 16 сут вместо нескольких недель, которые требуются при традиционных методах сушки с помощью циркуляции масла. Благодаря такой существенной экономии времени способ Smart Dry представляет особый интерес для систем тягового электроснабжения железных дорог, а также для электростанций, подстанций и промышленных предприятий.

Опасения, что этот способ слишком жесткий и может привести к короблению изоляции, не подтвердились. Из практики известен случай, когда один из просушенных трансформаторов после сдачи в эксплуатацию подвергся воздействию близкого короткого замыкания в сети и выдержал его без повреждения. Еще один трансформатор сразу же после просушки в рамках испытательной программы подвергался многократным воздействиям пиковых нагрузок и также выдержал их без повреждений.