Известия РАН. Энергетика, 2020, № 4, стр. 37-48

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Образцы витковой изоляции силовых трансформаторов различных типов и с различной нагрузкой отбирались при ремонте или подсливе масла через люки в доступных местах одной из верхних катушек обмотки. Вырезался фрагмент или несколько крайне небольших фрагментов общей массой 0.3–0.5 г внешнего слоя витковой изоляции таким образом, чтобы не происходило прорезание других слоев. При этом вырезаемая площадь образцов была меньше площади внешней поверхности витка (располагалась внутри с некоторым отступом между верхним и нижним краем витка) с одной стороны и не выходила за ширину намоточной бумаги (чтобы не нарушить плотность намотки).

При наличии хрупкой и ветхой изоляции внешнего слоя витка аккуратно отделяли необходимый фрагмент (или несколько фрагментов) внешнего слоя в месте ее отслоения.

Отобранный образец изоляции помещался в чистую и просушенную стеклянную емкость с притертой крышкой и заливался маслом из бака обследуемого трансформатора. Емкости с образцами изоляции, помещенными в трансформаторное масло, хранились при комнатной температуре в защищенном от света месте.

Подготовка пробы к анализу, согласно [13], включала в себя отмывку пробы целлюлозной изоляции без потери ее массы от масла и присадок 1.4-диоксаном и водой при температуре 90°С с последующей осушкой до воздушно-сухого состояния.

Средневязкостную степень полимеризации образцов новых электроизоляционных бумаг и витковой изоляции силовых трансформаторов определяли по вязкости ее растворов в этилендиаминовом комплексе кадмия (кадоксене) [13]. Коэффициент корреляции и среднеквадратичное отклонение для зависимостей обратных значений “текущей” степени полимеризации изоляции обмоток трансформаторов (1/P_V) от срока службы (τ) в виде полулогарифмических анаморфоз рассчитывали аналогично работе [7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В таблице 1 приведены значения степени полимеризации различных типов электроизоляционной бумаги, используемых при изготовлении силовых трансформаторов.

Отметим, что бумаги со средневязкостной степенью полимеризации, равной 1970 и 1600, являются крепированными и используются в России главным образом при изготовлении эпоксидно-целлюлозных пластиков для трансформаторных высоковольтных вводов конденсаторного типа (изоляция типа RIP) [14].

Следует отметить, что в соответствии с ГОСТ 645-89 “Бумага кабельная для изоляции кабелей напряжением от 110 до 500 кВ. Технические условия” значение исходной степени полимеризации электроизоляционной бумаги, используемой для изготовления обмоток силовых трансформаторов, не нормируется.

Электроизоляционные бумаги в России для изготовления обмоток трансформаторов выпускались небольшим числом предприятий с практически неизменными технологией и источниками сырья. Поэтому наиболее вероятный интервал исходной степени полимеризации электроизоляционных бумаг Российского производства известен и составляет 900–1300 (табл. 1) [6–8]. Этот интервал мы используем ниже для оценки эффективной кинетической константы деструкции изоляции трансформаторов и определения остаточного срока службы изоляции по имеющимся экспериментальным данным.

Сотрудниками ИФХЭ РАН совместно с коллегами из АО “НТЦ ФСК ЕЭС” установлено, что для обеспечения срока службы не менее 30 лет, безотносительно нагрузки (согласно ГОСТ Р 52719-2007 “Трансформаторы силовые. Общие технические условия”), силовых трансформаторов, разработанных после 1 января 2008 года, исходная степень полимеризации электроизоляционной бумаги должна составлять не менее 1250 ± 50 ангидроглюкопиранозных мономерных фрагментов целлюлозы [11]. Указанное значение параметра Р_V0 введено в стандарты организаций ПАО “ФСК ЕЭС”, ООО “Тольяттинский Трансформатор” и других энергетических компаний России.

Здесь следует отметить то, что уже небольшое количество экспериментальных данных по степени полимеризации витковой изоляции обмоток, полученное нами ранее [6, 7], позволило определить характер ее зависимости от времени эксплуатации трансформатора.

Известно [6–11], что кинетика деструкции витковой изоляции силовых трансформаторов, произведенных и эксплуатируемых в России, удовлетворительно описывается уравнением полулогарифмической анаморфозы следующего вида:

где P_V – “текущее” (на момент отбора пробы) значение степени полимеризации витковой бумажной изоляции обмоток силового трансформатора, ед.; ${{P}_{{V0}}}$ – исходная (начальная) степень полимеризации витковой бумажной изоляции обмоток, ед.; К_эфф – эффективная “годовая” константа скорости деструкции витковой бумажной изоляции обмоток (год^–1).

Особо отметим, что ресурс бумажной изоляции обмоток считается исчерпанным при снижении степени полимеризации бумаги до 250 единиц ангидроглюкопиранозных мономерных фрагментов целлюлозы. При этом вероятность повреждения трансформатора вследствие деструкции изоляции обмоток при ее степени полимеризации 250 и ниже равна 1 [7–9, 15]. Снижение в процессе эксплуатации степени полимеризации бумажной изоляции обмоток силового трансформаторного оборудования до 250 приводит к не менее чем 4-х кратному снижению механической прочности изоляции обмоток по сравнению с исходной, выделению воды из изоляции, приводящему к повышению влажности масла в оборудовании до 30 г на тонну, и повышению значений концентраций СО₂ и СО в трансформаторном масле и их соотношения ([СО₂]/[СО] > 13) [7, 8, 16].

При достижении предельного состояния изоляции трансформатора возможны:

– разрушение изоляции обмоток от осевого давления или при воздействии токов короткого замыкания;

– снижение электрической прочности между витками при повреждении изоляции на проводе (разрыв или трещина) в 1.5–2 раза;

– местное увеличение концентрации влаги, сопряженное с разогревом участка изоляции диэлектрическими потерями, сопровождающимся прогоранием изоляции под рабочим напряжением [8, 16].

При этом резко возрастает риск повреждения трансформатора из-за возникновения виткового замыкания при воздействии токов короткого замыкания, грозовых и коммутационных перенапряжений, а также под рабочим напряжением [8, 16].

Также отметим, что согласно данным работы [15], граница зоны риска повреждений вследствие деградации витковой изоляции для силовых трансформаторов, произведенных за рубежом, определена при P_V изоляции равной 450. Нами по соотношению P_V наружных и внутренних слоев витковой изоляции из условия достижения внутренними слоями изоляции предельного износа (P_V = 250) определена граница зоны риска при P_V = 400 ± 15 у внешних слоев изоляции верхних катушек обмотки [17].

Из вышесказанного следует, что согласно уравнению (1) при ${{P}_{{V0}}}$, равной “текущему” значению (P_V) степени полимеризации, и P_V = 250, соответствующей полному исчерпанию ресурса бумажной изоляции обмоток, можно определить остаточный срок службы витковой изоляции трансформатора τ_ост (годы) из соотношения:

К настоящему времени существенно расширен массив данных значений показателя степени полимеризации витковой изоляции обмоток эксплуатируемых блочных и сетевых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше, а также трансформаторов промышленных предприятий напряжением 35 кВ. На этой основе в настоящей работе установлены пригодные для прогнозирования остаточного срока службы различных по нагрузке типов силовых трансформаторов значения “годовых” кинетических констант скорости деструкции витковой целлюлозной изоляции обмоток трансформаторов.

В таблице 2 приведены полностью полученные нами результаты измерений степени полимеризации образцов наружных слоев витковой изоляции, отобранных из обмоток блочных трансформаторов, находившихся в эксплуатации.

В таблице 3 также приведены типы, сроки службы, степень полимеризации витковой изоляции обмоток сетевых трансформаторов напряжением до 500 кВ, а также сетевых трансформаторов с промышленной нагрузкой напряжением 35 кВ c мощностью 25 000 кВА.

Из представленных данных видно, что P_V образцов изоляции обмоток как блочных, так и сетевых трансформаторов с длительными сроками эксплуатации существенно ниже значений P_V исходной электроизоляционной бумаги (табл. 1), что обусловлено деструкцией витковой изоляции обмоток в процессе эксплуатации.

На рисунке 1 (а, б) приведены полулогарифмические анаморфозы для обратных значений степени полимеризации витковой изоляции блочных трансформаторов по данным табл. 2, согласно уравнению (1).

Видно, что они удовлетворительно аппроксимируются прямыми линиями. Прямая (а) соответствует среднему значению степени полимеризации исходной электроизоляционной бумаги 900 ± 50, а прямая (б) – 1300 ± 50. При этом константы скорости деструкции витковой изоляции для блочных трансформаторов практически совпадают и составляют 0.04218 ± 0.00377 (а) и 0.04199 ± 0.00412 (б) соответственно. По указанным выше данным в соответствии с соотношением (2) был рассчитан общий срок службы витковой изоляции блочных трансформаторов, приведенный в табл. 4.

Здесь отметим, что поскольку при предельном износе витковой изоляции обмоток, как правило, трансформатор должен быть выведен из эксплуатации и заменен, а его материалы утилизированы, предлагаемый подход позволяет прогнозировать остаточный срок службы не только витковой изоляции обмоток, но и силового трансформатора в целом.

Также отметим, что, согласно данным табл. 3, “текущее” значение степени полимеризации витковой изоляции обмоток сетевых трансформаторов существенно выше, чем у блочных трансформаторов при аналогичных сроках эксплуатации. При этом зависимости обратной степени полимеризации от времени эксплуатации сетевых трансформаторов (рис. 2 и 3), так же как и для блочных трансформаторов, удовлетворительно аппроксимируются полулогарифмическими анаморфозами.

В таблице 4 приведены полностью характеристики процесса деструкции витковой изоляции обмоток различных по нагрузке типов силовых трансформаторов, требуемые для прогнозирования срока их службы.

Из представленных выше данных следует, что константы скорости деструкции витковой изоляции обмоток сетевых трансформаторов с одинаковой нагрузкой так же как и для блочных трансформаторов, в целом, не зависят от исходной степени полимеризации намоточной бумаги и в пределах величины ошибок эксперимента достаточно близки (у сетевых трансформаторов напряжением до 500 кВ) или практически совпадают (у сетевых трансформаторов с промышленной нагрузкой напряжением 35 кВ с мощностью 25 000 кВА). При этом скорость деструкции витковой изоляции сетевых трансформаторов, за исключением агрегатов с промышленной нагрузкой напряжением 35 кВ с мощностью 25000 кВА, существенно ниже, чем скорость деструкции витковой изоляции блочных трансформаторов. Это различие определяет существенно больший общий срок службы сетевых трансформаторов напряжением до 500 кВ (табл. 4).

Отметим, что значения констант скорости деструкции витковой изоляции обмоток трансформаторов, указанные в табл. 4, отличаются от значений, приведенных в [6, 7, 11], на 7–23%. Это весьма существенный момент, связанный с увеличением массива данных значений показателя степени полимеризации витковой изоляции обмоток силовых трансформаторов, для определения общего и остаточного срока службы витковой изоляции обмоток и трансформатора в целом. При этом квадраты коэффициентов корреляции полулогарифмических анаморфоз, описывающих процесс деструкции витковой изоляции обмоток силовых трансформаторов, лежат в пределах от 0.903 до >0.99.

Полученные данные указывают на то, что глубина деструкции витковой изоляции обмоток отечественных силовых трансформаторов, оборудованных фильтрами непрерывной очистки масла, на 91–99% определяется величиной нагрузки и исходной степенью полимеризации намоточной электроизоляционной бумаги, использованной для витковой изоляции обмоток при изготовлении силового трансформатора. Доля влияния всех остальных факторов на деструкцию витковой изоляции обмоток силовых трансформаторов составляет от 1 до 9% [18].

Анализ повреждаемости блочных трансформаторов ТЭС мощностью 63 МВА и более со сроком эксплуатации свыше 25 лет показывает, что примерно 45% общего числа повреждений (без учета повреждений высоковольтных вводов и устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН)), сопровождавшихся внутренними короткими замыканиями, связано с возникновением витковых замыканий при значительном износе изоляции [3]. При этом после 37 лет эксплуатации блочных трансформаторов происходит относительно резкое нарастание удельной повреждаемости, связанное с проявлением факторов старения оборудования. В среднем срок службы витковой изоляции блочных трансформаторов и автотрансформаторов ТЭС напряжением 110–500 кВ составляет 33 года [11]. Это находится в согласии с данными табл. 4, в которой прогнозируемый общий срок службы витковой изоляции блочных трансформаторов в зависимости от исходной степени полимеризации и константы скорости деструкции изоляции определен интервалом 30.5–39 лет.

В процессе эксплуатации деструкция витковой изоляции обмоток трансформаторов промышленных предприятий происходит по аналогичным механизмам, наблюдаемым для блочных трансформаторов. Так, для сетевых трансформаторов с промышленной нагрузкой напряжением 35 кВ с мощностью 25000 кВА прогнозируемый общий срок службы витковой изоляции в зависимости от исходной степени полимеризации и константы скорости деструкции изоляции определен интервалом 34–43 года.

Иная картина наблюдается для сетевых трансформаторов напряжением до 500 кВ. Согласно данным табл. 4 прогнозируемый общий срок службы витковой изоляции обмоток этих трансформаторов в зависимости от исходной степени полимеризации и константы скорости деструкции изоляции определяется интервалом 59–95 (в среднем, 77) лет. Это, как мы отмечали ранее [11], существенно и практически более чем в 2 раза превышает расчетный срок службы витковой изоляции блочных трансформаторов. В силу этого проблема старения изоляции крупных сетевых трансформаторов является несколько отложенной.

ВЫВОДЫ

1. Существенно расширен массив данных значений показателя степени полимеризации витковой изоляции обмоток эксплуатируемых блочных и сетевых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше, а также трансформаторов промышленных предприятий напряжением 35 кВ с мощностью 25000 кВА.

2. Установлены пригодные для прогнозирования остаточного срока службы различных по нагрузке типов силовых трансформаторов значения “годовых” кинетических констант скорости деструкции витковой целлюлозной изоляции обмоток трансформаторов.

3. Разработана методология и проведено прогнозирование общего срока службы витковой изоляции обмоток силовых трансформаторов с различной нагрузкой.

4. Согласно результатам проведенных исследований прогнозируемый общий срок службы изоляции обмоток силовых трансформаторов, определяющий срок службы трансформатора, в среднем составляет:

– для блочных трансформаторов напряжением 110–500 кВ – 35 лет;

– для сетевых трансформаторов с промышленной нагрузкой напряжением 35 кВ с мощностью 25 000 кВА – 38.5 лет;

– для сетевых трансформаторов напряжением до 500 кВ – 77 лет.

Полученные результаты находятся в хорошем согласии с известными данными по повреждаемости силовых трансформаторов [3].