Диагностическая модель трансформатора

На основе эксплуатационных данных можно выделить следующие причины, приводящие к снижению и потере работоспособности трансформаторов:

повышенный нагрев элементов активной части силовых трансформаторов, вызванный нагревом металлических деталей, вихревыми токами, перегрузками и перенасыщением магнитопровода, их старением;

нарушение изоляции между элементами конструкции и образование контура для циркулирующих токов из-за нарушения изоляции стяжных шпилек остова, замыкания ярмовых балок на бак трансформатора;

увлажнение изоляции в эксплуатации;

наличие газа в масле из-за газовыделения в местах повышенного нагрева или повышенной напряженности электрического поля (частичные разряды);

старение изоляции под воздействием катализаторов, кислорода и электрического поля;

частичные деформации обмоток при прохождении сквозных токов КЗ;

повреждение обмоток (витковые замыкания) из-за грозовых перенапряжений;

износ, нагрев контактов переключающих устройств;

отказ защиты трансформатора;

заводские дефекты (дефект сварки отводов и обмоток), некачественный ремонт;

увлажнение вводов;

частичные разряды в изоляции.

Для трансформаторов класса напряжений 35–110 кВ дефектами являются увлажнение изоляции и повреждение токоведущих соединений. Дефектами для трансформаторов 220 кВ и выше могут стать развивающиеся повреждения из-за повышенного нагрева токоведущих соединений, элементов конструкций, увлажнение и сопутствующие им частичные разряды. Поэтому преимущественным направлением диагностирования для трансформаторов 35–110 кВ является оценивание увлажнения, старения, межвитковых замыканий, а для трансформаторов выше 220 кВ – оценивание интенсивности частичных разрядов и развивающихся дефектов. Условия ухудшения состояния изоляции трансформаторов условно можно разделить на три группы.

Первая группа ухудшения состояния изоляции характеризуется разложением углеводородов трансформаторного масла под действием температуры, электрического поля и катализаторов, а также молекул кислорода. В результате образуются молекулы воды и активные радикалы (молекулярное растворение воды в материале изоляции). К этой группе относится увлажнение изоляции непосредственным путем миграции влаги из атмосферы через прокладки бака и других элементов трансформатора.

Вторая группа сопровождается образованием активных химических соединений, т.к. при наличии молекул воды и активных радикалов образуются полярные соединения (свежее трансформаторное масло является не полярным веществом). Процесс поляризации происходит вследствие гидролиза молекул материала изоляции. Интенсивность окисления материала изоляции увеличивается под воздействием электрического поля, катализаторов и концентрации влаги. Контроль состояния изоляции в этом случае существующими средствами затруднен и мало эффективен. Известны, например, случаи противоречивых показаний приборов из-за миграции влаги из твердой изоляции в жидкую и наоборот. Подобное происходит и при миграции областей с насыщенными низко- и высокомолекулярными соединениями.

Третья группа вызывает изменения физических свойств и химического состава изоляции, в результате чего образуются шламы, изменяются цвет, температура вспышки масла, ускоряются процессы газообразования и др. Анализ существующих методов, способов и средств испытаний показал, что контроль состояния изоляции основан на выявлении образовавшихся продуктов, концентрация которых значительна и ощутима физически. При этом появляются побочные признаки, обнаруживающие ухудшение характеристик изоляции, например, частичные разряды. Аварии и отбраковки происходят из-за превышения предельных параметров.

Диэлектрическая постоянная изоляции меняется как в первом, так и во втором случаях. Технико-экономически обоснованными являются неразрушающие способы контроля параметров, основанные, например, на измерении эквивалентной диэлектрической постоянной (измерение емкостных характеристик). Эти параметры технически трудно зафиксировать непосредственным измерением из-за малых изменений физических величин, но, используя косвенные способы (нелинейные зависимости сопротивлений, напряжений на обмотке трансформатора от частоты тестового напряжения, близких к собственным частотам обмотки), удается четко фиксировать изменение малых величин.

С точки зрения контроля изоляции параметры схемы замещения обмотки силового трансформатора изменяются при изменении частоты приложенного напряжения от 0 до :

,

где R – активное сопротивление току утечки изоляции; L – индуктивность слоя катушки или всей обмотки; C – емкость изоляции.

Для отражения состояния неоднородной изоляции схема усложняется цепочкой Сr – емкостью и активным сопротивлением (рис.15.25.) При частотах, близких к собственной частоте среднего слоя или катушки обмотки, схема замещения представляется сложной матричной формой, состоящей из ячеек контуров RLC. Зависимость входного сопротивления обмотки, а также тока или напряжения, приложенного к обмотке, от частоты представляет собой кривую с ярко выраженными экстремальными точками. Эти точки отражают резонансные явления в витках, слоях, катушках обмотки. Активные сопротивления тока утечки и емкости являются переменными. Индуктивность, определяющая конструкцию обмотки, величина – практически постоянная. Экстремальные точки смещаются от степени изменения состояния внутриобмоточной изоляции, т.к. при этом изменяются собственные частоты витка, слоя, катушки или обмотки в целом. Резонансные характеристики трансформаторов исследованы в нашей стране и за рубежом, но они были рассмотрены в свете импульсной прочности, высокочастотной связи и для других целей.

Для целей диагностирования находит применение частотно-резонансный метод, который позволяет определить степень ухудшения состояния изоляции обмоток трансформатора по изменению резонансной частоты.

Проанализируем упрощенную схему замещения обмотки, приведенную на рис.15.25. Для указанной схемы замещения запишем формулу входного сопротивления:

где – угловая частота, L – индуктивность обмотки, C – емкость изоляции, R – сопротивление току утечки изоляции.

Из этого выражения видно, что входное сопротивление изменяется в зависимости от параметров Dсr, определяющих состояние изоляции.

Рассматривая элемент dU = dZ dY dX внутреннего объема обмотки с параметрами h/D>2 (отношение высоты обмотки к диаметру), можно записать систему уравнений:

на основании d_iU_j=0 с краевыми условиями:

; ;

где: U – приложенное к обмотке синусиодальное напряжение; С_x(y) – поперечная емкость; С_z – продольная емкость; j(x,y,z) – токи по координатным осям; М(x,y,z) – функции взаимной индуктивности; l = h – высота обмотки по оси z; = а; =b – внутренний и наружный радиусы обмотки.

Для обмотки с параметрами h/D<10 уравнение будет иметь вид

; ;

краевые условия: ;

При дефектах в трансформаторах (витковые замыкания, однофазные замыкания) возникают внутренние перенапряжения, сопровождающиеся высокочастотными переходными процессами. Основные требования к схеме замещения трансформатора в диапазоне частот от десятков до нескольких тысяч герц следующие: величина и зависимость от частоты входного сопротивления схемы со стороны обмотки НН и ВН должны соответствовать реальному трансформатору; величина и зависимость от частоты коэффициента передачи схемы, как от обмотки НН к ВН, так и от обмотки ВН к НН также должны соответствовать реальному трансформатору. Схема, удовлетворяющая этим требованиям, приведена на рис.15.26. Она состоит из идеализированного трансформатора (без потерь), эквивалентных емкостей обмотки ВН (С₁) и НН (С₂), а также параллельного сопротивления R₁, эквивалентного потерям холостого хода (х.х.). Индуктивности обмоток L приняты равными индуктивности, приведенной к числу витков обмотки НН.

Часть параметров этой схемы C₁, C₂, L_p (индуктивность рассеяния), R₁ не зависит ни от частоты (в заданном диапазоне), ни от величины напряжения (индукции). Остальные параметры L (индуктивность х.х.), М (взаимная индуктивность обмоток) зависят от напряжения и частоты. Для силовых трансформаторов при < индуктивность рассеяния существенно меньше индуктивности х.х. На основе анализа схемы замещения можно записать формулы для расчета эквивалентного волнового сопротивления трансформатора и основной частоты, соответствующей воздействию на обмотку единичного импульса тока f₁:

;

.

Собственная частота трансформатора (частота колебаний на обмотке ВН при подаче на обмотку НН единичного импульса напряжения) определяется выражением:

.

Таким образом, в диапазоне внутренних перенапряжений силовой трансформатор можно заменить схемой замещения, которая представляет собой колебательный контур, работающий в диапазоне от нескольких кГц до нескольких сотен кГц. Изменение параметров схемы оценивается по изменению частот собственных колебаний на обмотках.