Ю.П. Аксенов, Д.Ю. Аксенов, А.П. Прошлецов, И.В. Ярошенко (ЗАО «ДИАКС»)
В.В. Титовец (ОАО «Концерн Росэнергоатом»)
Из опыта эксплуатации мощных высоковольтных трансформаторов (330-750кВ) в период 70-80гг. отмечались, в основном, повреждения изоляции. Подробный анализ причин повреждений изоляции по факту наличия ЧР даны в работе [1]. Уменьшение длительной прочности трансформаторной изоляции связывалось со старением бумаги, однако практика показала [2], что старение бумаги не является определяющим фактором. Анализ результатов испытаний и разборки трансформаторов после вывода из эксплуатации показывает, что фиксируется значительное число трансформаторов с признаками спекания участков пакета, причем в ряде случаев это не приводит к значительному газовыделению [3].
При ослаблении прессовки пакетов возможны нарушения изоляции стяжных шпилек или накладок на бандажах, на амортизаторах, домкратах и прессующих кольцах. Повреждения изоляции сопровождаются разрядными явлениями в форме ЧР или ПЧР. Вибрация листов пакета и в сердечнике возникает из-за процесса деградации со снижения среднего давления прессовки и появления местных ослаблений прессовки. Следствием ослабления прессовки являются локальные проскальзывания листов. С течением времени ширина зоны скольжения может увеличиться. Скольжение листов способствует истиранию изоляционных покрытий. Последнее указывает на важность контроля виброявлений в пакете активной стали.[4, 5]
Вибрационные явления в силовом маслонаполненном оборудовании (МНО) являются наиболее важными для определения его надежности. Вместе с тем, виброметрия МНО не разработана в достаточной степени, есть общие критерии [6, 8] по абсолютным величинам (виброперемещений, виброскорости), с превышением которых необходимо проводить гармонический анализ. Однако, что делать со спектрами, какие спектры относятся к тому или иному виду дефекта, в [6, 8] не уточняется. Все это потребовало самостоятельных исследований на дефектных трансформаторах с возможностью их последующей разборки.
Таким образом, практика показывает, что анализ технического состояния трансформаторов следует проводить с учетом «сценария» формирования и развития дефектов в пакетах активной стали силовых трансформаторах. Проведение технического диагностирования необходимо выполнять в несколько этапов, отличающихся по используемым методам измерений [5÷7], которые приводятся ниже на основе следующего сценария развития дефекта во времени по этапам:
1. Методы технического диагностирования
В данной работе приведены результаты технического диагностирования двух трансформаторов ТЦ 250000/500 с наличием развитых дефектов. Данные трансформаторы обозначены Т№1 и Т№3. Порядок технического диагностирования определен имеющимися нормативными документами и описан в специальной литературе [5÷8]. Блок-схема используемых средств диагностирования приведена на рис.1. Точки установки датчиков для измерений характеристик и локации электроразрядных и вибрационных дефектов указаны на рис.2, точки даны условно.
Рис.1 Применение измерительного комплекса «ДИАКС-ДКЧР-2» для контроля и локации разрядной активности: I – Измерение ЧР активности в вводах; II – Локация дефектов по баку; III – Измерения n(Q).
Рис.2 Расположение точек установки датчиков для съема сигналов по электроразрядной активности и виброконтролю на колоколе трансформаторов.
1) Выполнение виброметрии
Измерения проводятся по стандартной схеме установки датчиков (30 точек), точки на рис.2. При этом при виброметрии выполняется спектральный анализ, по которому рассчитывались виброэнергии, включая:
а) суммарную виброэнергию четных гармоник в данной точке –\( \sum \) Рч.г., включая при измерениях на колоколе узел верхнего ярма (точки 1-10), среднюю часть (11-20) и нижнее ярмо (21-30);
б) усредненную по всем точкам данного узла суммарную виброэнергию четных гармоник – \( \sum P{ч.г.}_{}\left(дБ \right) \);
в) виброэнергию интергармоник в точке – Ри.г. (дБ);
г) усредненную по всем точкам данного узла суммарную виброэнергию интергармоник – \( \sum P{ч.г.}_{}\left(дБ \right) \).
д) среднюю виброэнергию на частоте 100Гц – P100Гц (дБ).
2) Выполнение измерений электроразрядной активности (ЭРА)
Методы технического диагностирования определены [5, 6], использовался диагностический комплекс «ДКЧР-2», приведенный на рис.1. Для измерений использовались электромагнитные датчики, устанавливаемые на колокол трансформатора. Измерения проводились осциллографом и анализатором. Общий анализ по точкам контроля проводился по распределениям n(Q) и мощности ЭРА, измеряемых анализатором. По осциллографу определялась форма электроразрядных явлений (ЧР, ЧР по поверхности – ПЧР, искрения).
3) Анализ растворенных в масле газов
Анализ растворенных в масле газов периодически проводился в течение срока эксплуатации трансформатора в соответствии с РД. [7]
4) Особенности режимов работы трансформаторов при проведении диагностики
В режиме ХХ, когда есть только поток намагничивания, при ослаблении прессовки имеется возможность вибрации («хлопанья») листов пакета. Однако при работе на мощности появляется поток рассеяния, который оказывает некоторое прессующее воздействие на пакет и «хлопанье» уменьшается. Под воздействием указанных потоков магнитного поля, в зависимости от состояния прессовки пакетов, возникает вибрация как в поперечном, так и в продольном направлении, т.е. вдоль пластин пакета в ярмах и сердечниках.
2. Характеристики вибрации узлов по результатам диагностики и по визуальному контролю в режимах Рном и РХХ (трансформатор Т№1)
В качестве модельного объекта использовался длительно эксплуатируемый трансформатор ТЦ 250000/500, работающий в циклическом режиме, на котором были обнаружены значительные вибрационные явления. Эти явления были зафиксированы в узле стыка пакетов ф.С (вертикального ярма и сердечника) и верхнего ярма – основной вибрационный дефект. Другие узлы стыков ярем с сердечниками значительных ослаблений прессовки не имели. Кроме того, на этом трансформаторе была и распрессовка обмоток. Таким образом, данный трансформатор являлся удобным объектом испытаний для отработки подходов и критериев для виброметрии трансформаторов.
2.1 Влияние режима работы трансформатора на явления в активной части
1) Получены следующие результаты при переходе с ХХ на Рном в дефектном узле (узел стыка верхнего ярма с сердечником ф.С или вертикальным ярмом):
а) Обнаружено наличие интенсивных искровых разрядов в режиме Рном (т.е. когда пакет продпрессовывался потоком рассеяния) и отсутствие искрений при ХХ, когда пакет «свободно хлопает». Это следует из сопоставления диаграмм мощности ЭРА (рис.3).
б) Обнаружено наличие вибрационных дефектов, указанные на рис.4, где показаны также точки установки датчиков.
в) Имеет место резкое изменение вибрационных характеристик:
2) Изменение характеристик вибрации пакета по точкам контроля на колоколе трансформатора
Установлены значительные изменения вибрационных характеристик для режимов ХХ и Рном при выполнении последовательных измерений по точкам на колоколе в области дефекта и при удалении от него.
а) В режиме ХХ при удалении от зоны дефекта при контроле по высоте сердечника имеет место:
- для Р100Гц - уменьшение на 30-40дБ;
- для \( \sum \) SРч.г. - также уменьшение.
б) В режиме Рном при удалении от зоны дефекта:
- для Р100Гц - уменьшение на 25-35дБ для продольной вибрации, почти постоянная величина Р100Гц для поперечной вибрации;
- для SРч.г. - значительное изменение с максимумом в зоне дефекта и снижением при удалении от дефекта.
Рис.3 Диаграмма распределения мощности ЭРА на колоколе: а – режим Рном; б – режим ХХ. Имели место два дефекта – искрения в пакете (т.4, 5, 6) и разряды во вводе ф.С (т.12, 13), точки контроля указаны на рис.4.
Рис.4 Точки контроля на колоколе трансформатора с обозначением зоны наибольшей вибрации и наличия электроразрядных явлений (искрений).
3) Признаки вибрации обмотки
В обследованном трансформаторе, кроме вибрации узла пакета имелась и значительная вибрация обмоток ВН и НН, в верхней части, особенно со стороны ВН. Анализ SРч.г., Р100Гц в разных режимах при ХХ (в этом режиме нет вибрации обмоток) и на Рном показали, что по данным характеристикам ( \( \sum \)SРч.г. и Р100Гц) нет значимых различий, т.е. данные характеристики не являются информативными для локации вибрации обмоток.
Рис.5 Изменение P100Гц и \( \sum \)SРч.г. по точкам контроля на трансформаторе (рис.2) по обе стороны верхнего ярма и со стороны ВН (т.2, 3, 4) и НН (т.6, 7, 8) при сопоставлении режимов ХХ и Рном: сторона ВН – а, в; сторона НН – б, г. Сопоставление виброэнергии на 100Гц: а, б. Сопоставление для SРч.г.: в, г.
Возрастание электромагнитной вибрации на полной мощности, что может быть отнесено к вибрации обмоток, фиксируется по характеристике виброэнергий интергармоник \( \sum \)Ри.г. со стороны ВН (точки 2, 3, 4), и это зона вибрации обмотки. Из анализа деструкции (виброэнергии интергармоник) следует, что наибольшие признаки разрушений также со стороны ВН в точках 2, 3 и 4 (рис.6). Причем имеет место рост к т.4, где разрушения максимальны. Таким образом, из анализа амплитуд электромагнитной вибрации обмоток и деструкции следует, что степень разрушения креплений значима и имеет место их рост от ф.А к ф.С, в последней (по данным диагностики) наибольшая вибрация и степень разрушения прессовки обмоток.
Рис.6 Изменение величин виброэнергии интергармоник в верхней части колокола, затрачиваемой на деструкцию (разрушение) креплений обмотки:
кривая 1 – со стороны ВН (максимальная на ф.С, меньшие на ф.В и ф.А);
кривая 2 – со стороны НН (примерно постоянный уровень по всей длине верхней части).
2.2 Сопоставление результатов виброметрии с данными визуального контроля при ремонте
1) Состояние прессовки пакетов
При визуальном контроле при снятии колокола были обнаружены ослабления прессовки верхнего ярма. По этой причине была проведена подтяжка винтов, так как имело место ослабление ~30-40%.
Обнаружены следы искрений на винтах стяжки между поджимающей пластиной и винтом – рис.7 на верхнем ярме. Искрения аналогичного характера имеют место на нескольких винтах крепления.
2) Состояние прессовки обмотки
Определение состояния прессовки обмоток проводилось по сопоставлению с нормальным состоянием, т.е. когда установлены все клинья. Из анализа общего состояния прессовки обмоток следует, что имеет место ухудшение прессовки обмоток по следующим показателям:
а) По НН величина прессовки составляло 20% от начальной.
б) По ВН величина прессовки составляло 40% от начальной.
3) Повреждения систем прессовки обмоток даны на фотографиях, при этом обнаружено выпадание прессующих клиньев, зоны выпадания даны на рис.8:
- на ф.А, В – 2 (два) разрушения из шести;
- на ф.С – 4 (четыре) разрушения из шести.
Рис.7 Винты на пакете, следы искрений: 1 – винт (заземлен на корпус); 2 – пластина под «свободным» потенциалом; 3 – следы искрений.
Рис.8 Условное обозначение участков разрушения и выпадания клиньев на обмотках ф.А÷ф.С (вид сверху) – «а», фото выпавших клиньев – «б, в».
Фактическое представление разрушений узлов крепления дано на фотографии, где показано отклонение на верхней части обмоток, в том числе разрушения на ф.С, обмотка НН, на рис.8-б,в показаны несколько выпавших клиньев.
4) Вывод по анализу прессовки обмоток
Из сопоставления данных визуального контроля, рис.8, следует, что наибольшие разрушения на ф.С (выпадение 4-х клиньев из шести). По данным измерений SРи.г. (характеристика разрушения) в режиме Рном для точек 2, 3 и 4 виден значительный рост для ф.С, рис.6. Таким образом, имеет место корреляция результатов диагностики (рис.6) с фактическим состоянием (рис.8).
3. Результаты виброметрии и контроля величины магнитного поля при измерении на колоколе в режимах ХХ и Рном для трансформатора Т№3 с аномально высокими уровнями вибрации
Анализировался трансформатор ТЦ 250000/500 (Т№3) со значительными отклонениями по механическим характеристикам, в сопоставлении с другими трансформаторами в «норме», имели место:
а) аномально высокие величины вибрационных явлений (наибольшие вибрации в режиме ХХ);
б) значительная величина магнитного поля у поверхности колокола. (Наибольшие значения магнитного поля фиксируются на Рном).
Для проведения виброметрии были использованы отличающиеся по принципам действия датчики. Датчик «ИВП» фиксировал только механические виброперемещения, датчик «RC-3» - только магнитное поле, и универсальный «ДВМ» - и виброперемещения - по четным гармоникам, и магнитное поле – по нечетным гармоникам. Точки установки датчиков даны на рис.9.
Рис.9 Расположение точек установки датчиков на баке трансформатора Т№3. Точки М1÷М12 располагаются между ребрами бака для проведения углубленной вибродиагностики.
3.1 Результаты измерений напряженности магнитного поля вдоль колокола трансформатора
Полученные данные приведены на рис.10 для режима ХХ (измерения датчиком «RC-3»).
1) На рис.10 для ХХ приведены основные данные измерений датчиком магнитного поля «RC-3», т.е. осциллограмма «а» и спектр «б», а также показаны зависимость основных характеристик (амплитуды магнитного поля) при измерении по точкам контроля («в»).
2) Сопоставление магнитных полей для двух трансформаторов в норме Т№1 и с наличием отклонений Т№3 дано на рис.11.
Рис.10 Характеристики магнитных полей на Т№3 датчиком RC-3 в режиме ХХ: а – форма сигнала – осциллограмма в точке 6; б – спектр из осциллограммы «а»; в – амплитуда магнитного поля по точкам контроля в средней части колокола со стороны НН.
Рис.11 Сопоставление магнитных полей по колоколу трансформаторов (Т№1 в «норме», Т№3 с наличием дефектов) со стороны НН в режиме ХХ и Рном при измерениях датчиком магнитного поля “RC-3” на частотах 50 и 250Гц на колоколах трансформаторов в точке М2.
3) Из результатов рис.10 следует:
а) По осциллограмме «а» видно, что доминируют 50 и 250Гц (в норме должно быть в основном 50Гц).
б) На спектре «б» основными также являются 50 и 250Гц, при этом 250Гц> 50Гц, что является аномальным.
в) По измерениям двойного размаха синусоиды в режиме «ХХ» по всему колоколу «в» возможно определить изменения Н в зависимости от точки контроля. Как видно из «в», наибольшие значения по краям (т.1÷3 и 10÷12) и в центре (т.8).
4) На номинальной мощности магнитное поле в сравнении с ХХ возрастает на порядок, при этом имеет место преобладание влияния 1-й гармоники. Однако в нескольких зонах с амплитудами 1-й гармоники сопоставимы величины 5-й гармоники. (Для трансформатора в норме Т№1 влияние 5-й гармоники отсутствует). По косвенной (сопоставление сигналов “RC-3” и «ДВМ» в одинаковых условиях) оценке напряженность магнитного поля около ф.С составляет ~2500А/м (±15%) (нормированное значение 600А/м).
3.2 Результаты измерений характеристик вибрации трансформатора Т№3
1) На рис.12 даны результаты виброметрии для режимов Рном и ХХ при измерениях датчиками ИВП (фиксирует только виброперемещения) и ДВМ (фиксирует и перемещение, и магнитное поле). Особенности измеряемых сигналов от ИВП («а,б,г,д»). Изменения вибрации от частоты для 10 точек контроля, при измерении по точкам контроля для разных частот – «е».
2) Как следует из результатов - вибрация стенки колокола со стороны НН имеет экстремально высокие значения:
а) для ХХ виброперемещения (до 150мкм) превосходят нормированные величины (по СТО РусГидро 02.03.77-2011 – 100мкм);
б) наибольшие уровни вибрации стенок - напротив сердечников активной стали ф.А, В и С – рис.12-е;
в) в режиме Рном вибрация (виброперемещения) уменьшается с изменением спектрального состава – с уменьшением вибрации на 100Гц и с ростом вибрации на высоких гармониках.
3) Из анализа структур сигналов с датчиков (осциллограмм) в двух режимах: ХХ – «а» и Рном – «г» следует, что вибрационные явления изменяются качественно и количественно:
а) Для ХХ по спектру «в» видно, что значимыми являются 2, 4 и 6 гармоники.
б) При Рном по «г» появляются значимые величины вибрации на 50Гц, 200, 300Гц (при этом следует учитывать, что ИВП высокие гармоники измеряет с погрешностью).
4) Соотношение амплитуд виброскорости от частоты («д») для всех точек контроля при измерении датчиком «ДВМ» отличается незначительно.
5) Изменение вибрации по точкам контроля – «д» показывает, что значимый вклад в виброперемещения от 100Гц, при этом максимальные значения в точках 1, 2 – около ф.; т.5 – ф.В и т.11 – ф.А.
Рис.12 Результаты вибрационного контроля трансформатора со стороны НН в режимах Рном и ХХ с анализом спектра вибрации и формы сигнала на тензорезистивном вибропреобразователе типа «ИВП» «а»- «г», данные по изменениям виброскорости («д») с применением универсального датчика «ДВМ».
3.3 Анализ результатов измерений вибрации стенок колокола и магнитного поля на Т№3
Основные фундаментальные отличия в явлениях, а также в величинах магнитного поля и вибрации в зависимости от режима работы трансформатора приведены на рис.10, 11 и 12. Из анализа полученных данных, а также из сопоставления трансформатора в «норме» Т№1 и Т№3 с дефектом следует:
1) На трансформаторе Т№3 зафиксированы критические уровни вибрации на колоколе с величинами виброперемещений ~150мкм, превышающих нормированную величину.
2) Величина магнитного поля на трансформаторе Т№3 (см.рис.11) значительно (на порядок) превышает такие значения на трансформаторе в «норме» Т№1, напряженность магнитного поля ~2500А/м, также превышающих норму (600А/м).
3) На трансформаторе Т№3 имеет место значимое изменение характеристик от величины мощности трансформатора:
а) По величине напряженности магнитного поля:
- наибольшие величины напряженность Н на первой гармонике (50Гц);
- на Рном магнитные поля увеличиваются в сравнении с ХХ на несколько порядков и достигают 2500А/м (норма по СТО РусГидро 02.03.77-2011 - 600А/м);
- величина Н изменяется по точкам контроля на колоколе.
б) По виброскорости:
- в отличие от магнитного поля по вибрации наибольшие величины вибрации в режиме ХХ на частотах 100, 200Гц;
- при изменении режима работы имеет место изменение вибрации по спектру частот и по амплитуде и по точкам контроля.
Выводы:
1) Проведены обследования силовых трансформаторов с использованием комплексного диагностирования, включая измерения и локацию вибрационных и электроразрядных явлений, а также анализ растворенных в масле газов.
2) Показано, что вибрация в значительной степени определяет развитие дефектов возникновением электроразрядных явлений и появление растворенных в масле газов, зоны вибрации пакетов совпадают с зонами искрений.
3) Определены вибрационные характеристики, по которым возможна локация зон дефектов и определение узла с вибрацией, включая пакеты активной стали и обмотки.
4) Произведено сопоставление влияния на вибрацию, измеряемую на колоколе, внешнего магнитного поля, а также изменений вибрационных и электроразрядных характеристик в режиме холостого хода и на номинальной мощности трансформатора.
Список литературы:
