Тепловые методы

УДК 620.179.13

КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ

ВВОДОВ КОНДЕНСАТОРНОГО ТИПА

¹ ФГАОУ ДПО «ПЭИПК» Министерства энергетики Российской Федерации, Россия 196135 Санкт-

Петербург, ул. Авиационная, 23

E-mail:^* s-151075@yandex.ru; ^**nazarythev@mail.ru

Поступила в редакцию 22.01.2019; после доработки 01.06.2019

Принята к публикации 07.06.2019

Проведен анализ конструктивных особенностей высоковольтных вводов с RIP-изоляцией, с последующей оценкой

эффективности применяемых регламентированных диагностических мероприятий. Обнаружен новый критерий косвен-

ной оценки ухудшения изоляционных характеристик высоковольтных вводов с RIP-изоляцией и внешней полимерной

изоляцией — появление локальной точки нагрева (приоритетно температурой более 3°С). Продемонстрировано влияние

фактора «напряжение» на результативность тепловизионных измерений высоковольтных вводов с полимерной изоляци-

ей. Метод лабораторного моделирования дефекта высоковольтного ввода предложен как вспомогательный для под-

тверждения наличия и определения места локализации дефекта на поверхности ввода при решении вопросов претензи-

онного характера.

Ключевые слова: ввод, напряжение, тепловизионное измерение, испытание, нагрев.

DOI: 10.1134/S0130308219100075

ВВЕДЕНИЕ

Тренды современной диагностики ориентированы на поиск методов, направленных на раннее

выявление дефектов. Принимая во внимание, что в оборудовании с полимерной изоляцией дефек-

ты развиваются стремительно, данная задача становится особо актуальной. Важным и достаточно

объективным методом диагностики высоковольтного оборудования является обследование под

рабочим напряжением в инфракрасном диапазоне с помощью тепловизора [1, 2].

Согласно технической политике ПАО «Россети» [3], в современной энергетике приоритет в приме-

нении высоковольтных вводов 110 кВ отдается вводам с твердой RIP-изоляцией. Вместе с этим в обзоре

технологических нарушений [4] отмечена ощутимая аварийность данных функциональных узлов.

В общем количестве нарушений в работе электрооборудования (далее ЭО) повреждения вво-

дов занимают особое место. По оценкам независимых экспертов, по вине вводов происходит

до 30 % отказов силовых трансформаторов как в России, так и за рубежом [5]. В отношении вводов

с RIP-изоляцией, согласно [4], выявлено 8 случаев повреждения высоковольтных вводов 110 кВ

силовых трансформаторов типа ГКТ, ГКТП, находящихся в эксплуатации менее 5 лет с основной

причиной повреждения — заводской дефект изготовления. Указанное свидетельствует о том, что

проблема надежной эксплуатации вводов стоит как перед эксплуатирующими организациями, так

и перед производителями данной продукции.

По статистике, полученной на основании [6], в ДЗО ПАО «Россети» за период 2003 — 2016 гг.

зафиксировано 158 случаев аварийного повреждения вводов с RIP-изоляцией и случаев их ранней

отбраковки, при этом 147 вводов с RIP-изоляцией оставлено на учащенном контроле и являются

потенциально опасными объектами эксплуатации. Следовательно, участившиеся в последнее время

случаи аварий трансформаторного оборудования, оснащенного вводами с твердой RIP-изоляцией,

значительное количество ранней выбраковки вводов (задолго до завершения нормативного срока

эксплуатации) определяют необходимость вновь вернуться к вопросу эффективного достоверного

диагностирования. Учитывая преимущества тепловизионного контроля, как метода диагностирова-

ния ЭО «под нагрузкой», интересным для изучения представляется вопрос наличия связи результа-

тов диагностирования методами ИК-контроля и традиционными электрическими измерениями.

АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ И ОЦЕНКА ДЕФЕКТНОСТИ

ФАРФОРОВЫХ И ПОЛИМЕРНЫХ ВВОДОВ С RIP-ИЗОЛЯЦИЕЙ

В современных вводах между слоями фольги, называемых обкладками, расположены слои

RIP-изоляции (Resin Impregnate Paper), которая состоит из слоев специализированной бумаги, про-

питанной специальными компаундами. Конструктивно ввод напоминает концентрический коакси-

С.П. Высогорец, А.Н. Назарычев

альный конденсатор, в котором высокий потенциал, от токопроводящего стержня до крышки бака

трансформатора, равномерно распределен между обкладками. Последней, внешней обкладкой

такого конденсатора является металлическое конструкционное кольцо ввода, при помощи которо-

го сам ввод монтируется в отверстии бака трансформатора. По мере удаления от проводящего

стержня ширина (высота) проводящих обкладок уменьшается. Это сделано для того, чтобы высо-

кий потенциал рабочего напряжения обмотки трансформатора распределялся по максимально

длинному пути. Кроме того, необходимо, чтобы емкость отдельных элементарных конденсаторов

была одинаковой, что важно для равномерного распределения напряжения в радиальном направ-

лении [7, 8].

По результатам оценки закупочной кампании одного из ДЗО ПАО «Россети» установлено, что

общее количество приобретенных вводов 110 кВ за период с 2005 по 2013 гг. составило 53 шт.,

среди которых 81 % составили вводы с полимерной внешней изоляцией и 19 % вводы с фарфоро-

вой внешней изоляцией

При проведении плановых испытаний в вышеуказанном субъекте электроэнергетики проана-

лизировано 53 высоковольтных трансформаторных ввода напряжением 110 кВ со сроком эксплуа-

тации до 5 лет с полимерной внешней изоляцией и внутренней RIP-изоляцией, ряд из которых был

отбракован. Причиной отбраковки послужило ухудшение электрических характеристик изоляции:

изменение емкости (ΔС₁) и рост тангенс угла диэлектрических потерь основной изоляции в срав-

нении испытаниями после монтажа и заводскими испытаниями соответственно.

Исходя из года выпуска, отбраковка вводов с внешней полимерной изоляцией проводилась в

следующих количествах: 2006 г. — 1 шт.; 2007 г. — 5 шт.; 2008 г. — 3 шт.; 2009 г. — 3 шт. С целью

устранение выявленных дефектов были проведены следующие работы: замена вводов по завод-

ской гарантии (гарантия 3 года) — 6 шт.; ремонт вводов в заводских условиях — 1 шт.

Первый отбракованный в 2010 г. ввод ГКПТ-II-60-110/630 (2006 г.в.) был отремонтирован в

заводских условиях и в 2012 г. повторно смонтирован на трансформатор, введен в работу. В 2013 г.

по результатам тепловизионных измерений вышеуказанный ввод вновь был отбракован.

Межремонтный период составил 1 год, что указывает на низкую эффективность проведенного

ремонта.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕГЛАМЕНТИРОВАННЫХ

ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ

С точки зрения электрической схемы замещения трансформаторный ввод представляет собой

цепь из последовательно включенных конденсаторов, образованных проводящими обкладками ввода.

Верхний конец этой последовательной цепи конденсаторов подключен к высокому потенциалу —

проводящему стержню, а нижний конец соединен с корпусом бака трансформатора. От последней

обкладки перед корпусом трансформатора сделан специальный вывод. Данный вывод («test tap» или

«измерительный вывод») предназначен для проведения измерений параметров изоляции ввода [7].

Диагностирование высоковольтных вводов с RIP-изоляцией осуществляется на основании

[9, 10, 11], согласно которых, оценка технического состояния вводов проводится по результатам

электрических измерений: сопротивления изоляции измерительного вывода (R_из.в.), емкости основ-

ной изоляции (С₁), тангенса угла диэлектрических потерь основной изоляции (tgδ₁), а также по

результатам тепловизионных измерений (далее ТВИ). При этом в отношении организации и интер-

претации результатов измерений высоковольтных вводов с RIP-изоляцией отмечены следующие

недостатки в действующих нормативно-технических документах:

в части электрических измерений, указанные в разделе 23 документа [9], нормативные значе-

ния не согласуются с рекомендациями завода-изготовителя [10];

в части ТВИ в документах [9, приложение 3] и [11, приложение Д] вообще отсутствуют требо-

вания к высоковольтным вводам с RIP-изоляцией; также отсутствуют рекомендации по тепловизи-

онному обследованию высоковольтных вводов с RIP-изоляцией в широко применяемом в электро-

энергетике нормативном документе [12].

Единственным документом, содержащим комплекс более или менее полно изложенных требо-

ваний к диагностированию вводов с RIP-изоляцией, является документ [10].

Можно выделить три основных диагностических признака, позволяющих выявлять дефекты

состояния высоковольтных трансформаторных вводов [7]:

tgδ₁— наименее информативный параметр. Причины этому две — слабое влияние потерь в

локальной зоне дефекта на параметры всей изоляции ввода и периодическое снижение параметра

при шунтировании зоны дефекта пробоем изоляционного промежутка;

Дефектоскопия

№ 10

2019

Критерий оценки состояния изоляции высоковольтных вводов конденсаторного типа

частичные разряды в изоляции. Сложность использования этого диагностического параметра

заключается также в периодическом появлении и исчезновении разрядов в зоне дефекта, обуслов-

ленном пробоем дефектного изоляционного промежутка;

C₁— наиболее информативный параметр, позволяющий обеспечить эффективное диагности-

рование вводов трансформаторов. Изменение С₁ в сравнении с результатами измерений после

монтажа (далее ΔС₁) позволяет надежно определить опасный дефект, предотвращая аварию ввода,

обычно имеющую тяжелые последствия. Величина tgδ₁ и частичные разряды этого не обеспечива-

ют, так как могут иметь значения, соответствующие нормальным, даже в том случае, когда уже

идет необратимое разрушение изоляции ввода.

Важным является то, что обеспечить необходимую точность измерения С₁, позволяющую

достоверно регистрировать ухудшение технического состояния высоковольтных вводов, согласно

[10], для ряда диагностического персонала затруднительно, что ведет к игнорированию такого диа-

гностического параметра, как ΔC₁. При этом наиболее удобным и информативным методом диа-

гностики высоковольтного оборудования является обследование под рабочим напряжением в

инфракрасном диапазоне с помощью тепловизора.

Вышеизложенные обстоятельства указывают на необходимость в проведении научного анали-

за результатов эксплуатационных измерений с целью формирования новых обоснованных требо-

ваний для организации эффективного диагностирования высоковольтных вводов с RIP-изоляцией.

В ходе планового диагностирования было обнаружено появление локальных нагревов в зави-

симости от уровня рабочего напряжения:

при линейном напряжении сети 110 кВ у ряда вводов, имеющих ухудшенные электрические

характеристики, локальные нагревы не выявлялись. Ряд вводов с ухудшенными электрическими

характеристиками позволял найти некоторый слабо выраженный локальный нагрев, возможность

обнаружения которого зависела от степени развития дефекта;

при линейном напряжении сети 116 кВ и более легко выявлялись локальные нагревы, напри-

мер, у трех вводов, установленных на силовых трансформаторах ТМТН 6300/110-71-У1 (место

нагрева 2-3 и 4-5 юбки вводов, U_л = 116 кВ; U_ф= 67,05 кВ; ΔТ = 5,3 °С, рис. 1).

Рис. 1. Термограмма ввода 110 кВ ПС 94 Т-1 ф.С.

Тепловизионный контроль проводился в соответствии с основными положениями Методики

инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ [12] тепловизором ThermoProТМ TP8

(матрица 384×288 элементов, спектральный диапазон 8-14 мкм, ±1 % от показаний)

МЕТОД ЛАБОРАТОРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ ВВОДОВ С RIP-ИЗОЛЯЦИЕЙ

Для изучения влияния напряжения на результативность ИК-контроля в ходе исследования при-

менено построение физической модели. При физическом моделировании использованы высоко-

вольтные вводы, демонтированные с действующих энергообъектов и ранее отбракованные по

результатам плановых электрических измерений (ΔС₁ и tgδ₁) в одном из ДЗО ПАО «Россети».

Целью данной работы являлось исследование влияния приложенного напряжения на выявляе-

Дефектоскопия

№ 10

2019

С.П. Высогорец, А.Н. Назарычев

мость дефекта высоковольтного ввода с полимерной изоляцией методами инфракрасной термо-

графии, а также определение наличия зависимости результатов тепловизионных и электрических

измерений.

Моделировании процесса в лабораторных условиях предполагало подачу напряжения установ-

кой УИВ-100 с ДН-100Е на высоковольтный ввод типа ГКТП (ГКПТ)-110 кВ предположительно с

дефектом с параллельным проведением тепловизионных измерений. Работы проводили в два

этапа. Этап 1: на изолированный от земли высоковольтный ввод с RIP-изоляцией поочередно пода-

валось испытательное напряжение U_ф равное 63, 70, 73, 100 кВ с частотой 50 Гц в течение 30 мин

с параллельным тепловизионным измерением. Этап 2: далее к вводу прикладывалось напряжение

с шагом 1 кВ, начиная с напряжения 65 кВ с параллельным тепловизионным измерением.

Тепловизионные измерения проводили тепловизором ThermoProТМ TP8 в соответствии с требо-

ваниями [12] при температуре окружающей среды в диапазоне 16—20 °С.

Обнаружено влияние приложенного напряжения на результат тепловизионного измерения:

при реализации этапа 1 установлено появление на поверхности ввода локального нагрева при

U_ф от 70 кВ и более;

при реализации этапа 2 выявлен порог напряжения равный 66 кВ (U_ф), при котором надежно

обнаруживался локальный нагрев (установлено для всех испытуемых вводов — 9 шт.). При увеличе-

нии напряжения более 66 кВ (U_ф) наблюдался рост температуры пятна локального нагрева, при

снижении напряжения ниже 66 кВ (U_ф) выявлено полное исчезновение пятна локального нагрева.

Установлен экспоненциальный характер зависимости изменения температуры пятна нагрева от

приложенного напряжения, R² не менее 0,9 (рис. 2).

y = 2,0167 e0.2635x

R² = 0.8799

— линия тренда

7,6

8,1

6,6

5,7

3,5

2,1

Подано

напряже-

ние 60 кВ

ние 65 кВ

ние 70 кВ

в течение

1—2 мин

10 мин

1—2 мин

10 мин

1—2 мин

10 мин

Рис. 2. Зависимость изменения температуры нагрева локального пятна ввода 110 кВ ГКДПТ-II-60-110/630 О1

зав. № П11525 от величины приложенного напряжения и времени его воздействия.

Следует отметить, что в ходе моделирования во всех наблюдаемых случаях был зафиксирован

рост tgδ₁ по сравнению с заводскими испытаниями независимо от исходного значения tgδ₁, при

этом исходное значение ΔС₁ в каждом подобном случае было более 5 %. Изменение tgδ₁указывает

на то, что приложенное воздействие (напряжение) на ввод способствует более яркому проявлению

дефекта, увеличению его зоны.

В ходе изучения лабораторной модели дефекта высоковольтного ввода с RIP-изоляцией уста-

новлено влияние фактора «напряжение» на результат тепловизионных измерений. В существую-

щей редакции [12] в разделе 2 среди перечисленных факторов, влияющих на ИК-измерение, фак-

тор «напряжение» отсутствует, соответственно фактор «напряжение» подлежит к включению в

перечень факторов, рекомендованных к учету при организации ИК-контроля.

На рис. 3 представлена диаграмма рассеяния отклика Dt₁ — температуры пятна нагрева от

фактора ΔС₁ высоковольтного ввода. Диаграмма рассеяния построена по результатам измерений

девяти высоковольтных вводов, имеющих схожее место локализации нагрева/дефекта: между 2 и

3 или между 4 и 5 юбками ввода.

На точечной диаграмме (см. рис. 3) сформирован кластер, а также экспертно выделена заштри-

хованная область — зона отсутствия локальных нагревов. Опираясь на выделенную зону, сформи-

рован количественный критерий дефекта — температура пятна локального нагрева, равная 3 °С,

косвенно указывающая на ухудшение изоляции ввода.

Дефектоскопия

№ 10

2019

Критерий оценки состояния изоляции высоковольтных вводов конденсаторного типа

ΔС₁, %

Рис. 3. Диаграмма рассеяния фактора ΔС₁ и отклика Dt₁: о — результат измерения.

Высоковольтные вводы, в которых были установлены ухудшенные изоляционные характери-

стики, а также обнаружено наличие локального нагрева (дефекта между 2 и 3 или между 4 и 5

юбками ввода) были подвержены осмотру со вскрытием.

При вскрытии кремнийорганической покрышки было выявлено (рис. 4): некачественное при-

клеивание к остову ввода; наличие скрытых незаполненных полостей; некачественное изготовле-

ние в части алюминиевых обкладок — «волновой эффект»; некачественный схлест с видимым

зазором при соединении в кольцо.

Некачественное

Скрытые незаполненные

приклеивание

полости

к остову ввода

«Волновой

эффект»

Соединение алюминие-

вых обкладок с види-

мым зазором при соеди-

нении в кольцо

Рис. 4. Фотография обработанного места спила ввода между 4 и 5 юбками.

С учетом результатов вскрытия испытуемых вводов доказано, что обнаружение локальной

точки нагрева на поверхности высоковольтного ввода с RIP-изоляцией и внешней полимерной изо-

ляцией является надежным косвенным признаком ухудшения изоляционных характеристик данно-

го функционального узла.

Применение данного подхода в ПАО «МРСК Северо-Запада» позволило своевременно обнару-

жить 18 дефектных вводов.

ВЫВОДЫ

В ходе проведенных исследований установлено, что обнаружение локальной точки нагрева на

поверхности высоковольтного ввода с RIP-изоляцией и внешней полимерной изоляцией является

критерием, косвенно определяющим ухудшение изоляционных характеристик данного функцио-

нального узла трансформатора.

Дефектоскопия

№ 10

2019

С.П. Высогорец, А.Н. Назарычев

Исследовано влияние фактора «напряжение» на результативность тепловизионных измерений

высоковольтных вводов с полимерной изоляцией: выявлен порог напряжения равный 66 кВ (U_ф),

при котором надежно обнаруживался локальный нагрев, при этом при увеличении напряжения

более 66 кВ наблюдался рост температуры пятна локального нагрева. Установлен экспоненциаль-

ный характер зависимости изменения температуры пятна нагрева от приложенного напряжения.

Соответственно фактор «напряжение» подлежит к включению в перечень факторов, рекомендо-

ванных к учету при организации ИК-контроля согласно РД 153-34.0-20.363-99 [12].

Метод лабораторного моделирования дефекта высоковольтного ввода можно рекомендовать

как вспомогательный для подтверждения наличия и определения места локализации дефекта на

поверхности ввода при решении вопросов претензионного характера.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Михеев Г.М. Электростанции и электрические сети. Диагностика и контроль электрооборудова-

ния. М.: Додэка-ХХI, 2010. 224 с.: ил.-ISBN 978-594120-225-6.

2. Высогорец С.П., Назарычев А.Н., Таджибаев А.И., Горец И.А., Кузнецов Е.П., Сулыненков И.Н.,

Чекмарев С.Ю., Антонио Педро. Основы стратегии и организации диагностики на предприятиях элек-

трических сетей. Часть 1. Организация диагностики на предприятиях электрических сетей / Под ред.

А.И. Таджибаева. СПб.: ПЭИПК, 2018. 75 с. [Библиотека специалиста по ТДНК объектов энергетики,

Серия 1. «Методические основы ТДНК», Выпуск 1.6 (16), часть 1].

3. Положение ПАО «Россети» «О единой технической политике в электросетевом комплексе».

М.: МИК, 2017. 272 с.

4. Обзор технологических нарушений (аварий), произошедших в ДЗО ПАО «Россети» в декабре

2015 г., связанных с повреждением нового оборудования, значимыми повреждениями оборудования,

ошибками персонала и повторяющимися отключениями ВЛ 110 кВ и выше. М., 2016. 8 с.

5. Материалы XI Международной научно-практической конференции «Трансформаторострое-

ние-2005» (Запорожье, Украина). Запорожье: НИЦ «ЗТЗ — Сервис», 2005.

6. Протокол заседания рабочей группы по анализу эксплуатации на объектах ДЗО ПАО «Россети»

высоковольтных вводов производства ООО «Масса» / 16.06.2016, ПАО «Россети», г. Москва.

7. Ботов С.В., Русов В.А. Особенности организации защиты и мониторинга трансформаторных

вводов с RIP-изоляцией // Информационно-аналитический журнал «ЭнергоЭксперт». 2011. № 6 (29).

С. 56—61.

8. Высоковольтные вводы с изоляцией конденсаторного типа для силовых трансформаторов и реак-

торов. ООО «Масса». Публикация 01.2010. 20 с.

9. РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования / Под общ. ред. Б.А. Алек-

сеева, Ф.Л. Когана, Л.Г. Мамиконянца. 6-е изд., с изм. и доп. М.: ЭНАС, 2007. 256 с.

10. Методические указания по эксплуатации высоковольтных вводов с RIP-изоляцией производства

ООО «Масса»-завод «Изолятор» / Утверждены распоряжением ПАО «Россети» от 24.06.2016 № 752 р.

М., 2016. 22 с.

11. СТО 34.01-23.1-001-2017 Объем и нормы испытаний электрооборудования Утверждены распо-

ряжением ПАО «Россети» от 26.05.2017 № 280р «Об утверждении стандарта организации». М. 241 с.

12. РД 153-34.0-20.363-99. Основные положения методики инфракрасной диагностики электрообо-

рудования и ВЛ. ОАО «Фирма ОРГРЭС». М., 2000. 140 с.

Дефектоскопия

№ 10

2019