close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка и обоснование применения критерия оценки состояния бумажно-масляной изоляции трансформаторов по содержанию метанола в трансформаторном масле

код для вставкиСкачать
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Силовые трансформаторы (СТ) являются одним
из основных видов оборудования электрических станций и подстанций. Важной проблемой,
требующей научно обоснованного решения как в Российской Федерации, так и во всем мире,
особенно в условиях существенного старения парка трансформаторного оборудования,
является оценка остаточного срока службы СТ в эксплуатационных условиях. В настоящее
время принято, что срок службы СТ главным образом определяется состоянием его
внутренней изоляции, в первую очередь, бумажно-масляной изоляции (БМИ), которое можно
оценить по показателю степени полимеризации (СП) изоляционной бумаги – компонента
БМИ. Изоляционная бумага в СТ в процессе эксплуатации не может быть заменена на новую
без проведения капитального ремонта трансформатора, в отличие от масла, которое можно
либо заменить, либо регенерировать по мере необходимости.
Одним из наиболее распространенных методов оценки старения изоляционной бумаги
является определение СП изоляционной бумаги. В соответствии с действующими
нормативными документами СП изоляционной бумаги определяется вискозиметрическим
методом. В основу этого метода, положено уравнение Марка-Куна-Хаувинка, основанное на
определении вязкости раствора целлюлозы (основного компонента изоляционной бумаги).
Однако на практике этот метод не нашел широкого применения для оперативной
оценки состояния БМИ силовых трансформаторов на электрических станциях и подстанциях.
Для определения СП изоляционной бумаги вискозиметрическим методом требуется отбор
проб изоляционной бумаги из СТ, что, в свою очередь, приводит к необходимости вывода
трансформатора в ремонт и его вскрытию. Кроме того, для получения достоверных
результатов отбор пробы изоляционной бумаги необходимо проводить из наиболее нагретой
точки (например, верхней части обмотки НН), с последующим восстановлением изоляции.
Выполнение этой процедуры требует высокой квалификации персонала, в противном случае
не гарантируется качественное восстановление изоляции.
В эксплуатационных условиях оценку состояния БМИ проводят, как правило,
косвенными методами, основанными на анализе маркеров старения – продуктов деградации
БМИ, растворенных в трансформаторном масле. В настоящее время условно различают
маркеры старения трех поколений: к маркерам старения первого поколения относят воду,
оксид и диоксид углерода, а к маркерам старения второго поколения – фурановые
производные. К маркерам третьего поколения относят спирты, а в частности, метиловый спирт
(метанол). Известно, что на скорость образования маркеров старения всех трех поколений
влияет множество факторов, например, температура масла, конструкция трансформатора, тип
бумаги и ее влагосодержание, концентрация кислорода в масле.
Оценка состояния БМИ возможна по зависимостям, устанавливающим связь между СП
изоляционной бумаги и количеством образовавшихся и растворившихся в трансформаторном
масле маркеров старения. Такие зависимости получают, как правило, экспериментальным
путем. Однако, для маркеров старения первого и второго поколений установить однозначную
связь между их количеством и СП изоляционной бумаги в СТ в эксплуатационных условиях
не удается. Так, например, увеличение содержания воды и диоксида углерода в СТ может
происходить не только при старении БМИ, но и за счет проникновения этих компонентов из
3
окружающего силовой трансформатор атмосферного воздуха. Кроме того, СО и СО2 являются
не только продуктами деструкции БМИ, но образуются еще и в процессе старения
трансформаторного масла, а в некоторых случаях также при химическом взаимодействии
материалов, из которых изготовлен СТ. Обратная картина наблюдается для маркеров старения
второго поколения: в силовых трансформаторах, оснащенных адсорбционными или
термосифонными фильтрами, фурановые производные могут разлагаться в присутствии
силикагеля, что приводит к снижению их концентрации в трансформаторном масле. Таким
образом, маркеры, как первого, так и второго поколения не обеспечивают достоверной оценки
состояния БМИ силовых трансформаторов.
Актуальность темы диссертации обусловлена острой необходимостью в исследовании
новых маркеров старения для оперативной и достоверной оценки состояния бумажномасляной изоляции СТ без вывода оборудования из работы.
Степень разработанности темы исследования. Исследования продуктов разложения
изоляции (ПРИ), растворенных в трансформаторном масле, и их взаимосвязи с состоянием
БМИ и выявлением дефектов на ранней стадии их развития начались в 70-х годах прошлого
столетия. Несмотря на большое число публикаций в этой области и развитие технологий за
последние 50 лет, исследования образования ПРИ продолжаются в исследовательских центрах
(IREQ, EPRI, SIEMENS, ABB, ALSTOM) многих стран мира (Канада, Франция,
Великобритания, США, Китай), а также в рамках инженерных сообществ, таких как IEEE, IEC,
CIGRE. Развитие этих исследований ведется в направлениях усовершенствования
существующих методик интерпретации результатов измерений маркеров старения, а также
поиска новых маркеров старения БМИ.
Метанол стали рассматривать как альтернативный и надежный маркер с 2007-го года
после обширных исследований, начатых в 2001-м году в лаборатории IREQ (Канада). За
десятилетие исследований опубликовано несколько десятков работ в открытых источниках.
Существенный вклад в изучение метанола, как маркера старения 3-го поколения, внесли
зарубежные специалисты: Jocelyn Jalbert, Roland Gilbert, Pierre Tetreault, Brigitte Morin, MarieClaude Lessard, Schaut Annelore, Eeckhoudt Steve, Oscar H. Arroyo, Issouf Fofana и другие.
Однако, до сих пор не полностью изучены особенности образования метанола в
трансформаторном масле при старении БМИ, отсутствуют нормативные документы как в
части методики выполнения анализа метанола, растворенного в трансформаторном масле, так
и в части интерпретации результатов этого анализа. Методы экспериментальных
исследований в лабораторных условиях, на наш взгляд, не полностью соответствуют
реальным условиям эксплуатации силовых трансформаторов. Следует отметить также, что в
настоящее время отсутствуют критерии оценки состояния бумажно-масляная изоляция СТ,
которые могут быть применены для различных классов напряжения и конструкций силовых
трансформаторов. В российской исследовательской практике отсутствуют работы в области
изучения образования метанола, как маркера старения БМИ силовых трансформаторов,
изготовленной из изоляционной бумаги К-120 и трансформаторного масла ГК.
Целью работы является разработка критерия оценки состояния бумажно-масляной
изоляции силовых трансформаторов для их ранжирования по содержанию метанола в
трансформаторном масле.
4
Объектом исследования является бумажно-масляная изоляция силовых
трансформаторов.
Предметом исследования являются количественные показатели содержания метанола
в трансформаторном масле при старении бумажно-масляной изоляции силовых
трансформаторов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решены
следующие задачи:
1. Анализ состояния вопроса по теме исследования. Обоснование и формулирование
цели и задач исследования старения БМИ.
2. Разработка методики проведения экспериментального исследования старения БМИ
и выявление связи между степенью полимеризации изоляционной бумаги и количеством
образовавшегося метанола.
3. Разработка критерия оценки состояния БМИ силовых трансформаторов в
эксплуатационных условиях по содержанию метанола в трансформаторном масле.
4. Ранжирование силовых трансформаторов, работающих в эксплуатационных
условиях, по разработанному критерию.
Соответствие паспорту специальности
Научные положения, отраженные в диссертации, полностью соответствуют формуле
специальности 05.14.12 «Техника высоких напряжений». Они входят в пункт 6 области
исследования: «Разработка методов и средств диагностики состояния изоляции
электроустановок высокого напряжения».
Научная новизна результатов. На основании сформулированных и реализованных
цели и задач исследования получены новые научные результаты:
1. Впервые с применением разработанной методики на моделях БМИ получена
эмпирическая зависимость, устанавливающая связь между степенью полимеризации
изоляционной бумаги марки К-120 и количеством метанола, образующегося при старении
БМИ под тепловым воздействием. Впервые выявлено, что под действием на БМИ отдельно
электрического поля и отдельно теплового воздействия на трансформаторное масло метанол
не образуется.
2. Получена эмпирическая зависимость, устанавливающая связь между степенью
полимеризации БМИ из изоляционной бумаги марки К-120 и масла ГК и количеством
метанола, образовавшегося при ее старении при тепловом воздействии. Сопоставление с
аналогичными данными, полученными зарубежными исследователями показывает, что
характер полученных зависимостей идентичен. Однако количества образовавшегося метанола
при одной и той же степени полимеризации изоляционной бумаги отличаются, что
объясняется отличием в химических составах изоляционных бумаг различных изготовителей,
а также особенностями конструкций испытательных ячеек.
3. Впервые разработан и обоснован критерий «удельный объём метанола»,
позволяющий ранжировать силовые трансформаторы по состоянию БМИ.
5
4. Предложены и обоснованы верхние и нижние границы допустимых значений
удельного объёма метанола в трансформаторном масле.
Практическая значимость результатов работы:
1. Применение разработанного критерия оценки состояния бумажно-масляной
изоляции силовых трансформаторов по содержанию метанола в масле позволяет ранжировать
силовые трансформаторы в эксплуатационных условиях.
2. Результаты работы использованы в АО «Техническая инспекция ЕЭС» при
разработке проекта нормативного документа «Методические рекомендации по определению
состояния бумажной изоляции силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях по
содержанию метанола в трансформаторном масле».
3. Применение разработанного критерия «удельный объём метанола» для оценки
состояния 94-х силовых трансформаторов классов напряжения 35 и 110 кВ, находящихся в
эксплуатации, позволило выявить трансформатор в предаварийном состоянии.
4. Методика
оценки
состояния
бумажно-масляной
изоляции
силовых
трансформаторов по содержанию метанола в масле при дальнейшем развитии работ по этому
направлению может стать важной составляющей диагностики состояния трансформаторного
оборудования.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования
являются фундаментальные положения электрофизических основ техники высоких
напряжений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика выполнения лабораторных исследований образования метанола в БМИ и
требования к конструкции испытательных ячеек и условиям старения моделей бумажномасляной изоляции.
2. Результаты экспериментальных исследований образования метанола в моделях
бумажно-масляной изоляции под действием электрического поля и теплового воздействия.
3. Критерий «удельный объём метанола».
4. Результаты оценки состояния (ранжирования) БМИ силовых трансформаторов в
эксплуатационных условиях по содержанию метанола в масле.
Степень достоверности
Достоверность результатов достигается за счет корректного использования
электрофизических основ техники высоких напряжений и соответствием результатов
экспериментальных исследований автора с результатами, опубликованными в литературе.
Личный вклад автора
1. Разработка методики проведения экспериментальных исследований. Обоснование
и разработка конструкций испытательных ячеек.
2. Разработка и изготовление моделей бумажно-масляной изоляции.
3. Обработка результатов экспериментальных исследований.
4. Участие в разработке критерия оценки состояния БМИ силовых трансформаторов
и в ранжировании силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях.
6
Апробация результатов работы. Научные и практические результаты
диссертационной работы были представлены на следующих научно-практических
конференциях и заседаниях кафедры «Техника и Электрофизика Высоких Напряжений»
ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».
1) IV Научно-практическая конференция «Контроль состояния оборудования
объектов электроэнергетики» (6 декабря 2017, Москва);
2) IV Международный коллоквиум «Исследование трансформаторов и управление
активами» (10-12 мая 2017, Пула, Хорватия);
3) III Научно-практическая конференция «Контроль состояния оборудования
объектов электроэнергетики» (6 декабря 2016, Москва);
4) Научно-практическая конференция «Нефтяные масла в электроэнергетике:
актуальные вопросы применения и контроля качества-2016» (25-27 мая 2016, Москва);
5) Научно-практическая конференция «Общие проблемы диагностирования силового
электрооборудования» (18-21 апреля 2016, Снежинск);
6) Международная научная конференция «АТОМТЕХ-2015. Электрофизика»
(17-19 ноября 2015, Москва).
7) Заседания кафедры «Техника и электрофизика высоких напряжений» ФГБОУ ВО
«НИУ «МЭИ» в 2016, 2017 и 2018 годах.
Публикации по теме диссертации
Основные результаты диссертации опубликованы автором в 5 печатных работах, в том
числе 2 статьи, одна из которых входит в Перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК
Российской Федерации, а вторая в журнале, входящем в приравненную к Перечню ВАК,
международную базу цитирования SCOPUS. В публикациях статей личный вклад соискателя
составляет не менее 50%.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического
списка литературных источников из 116 наименований. Основная часть работы изложена на
100 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 16 таблиц и 2 предложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведены основные характеристики диссертационного исследования.
В первой главе «Анализ состояния вопроса по теме исследования. Обоснование и
формулирование цели и задач исследования старения БМИ» проанализированы
существующие подходы по оценке состояния бумажно-масляной изоляции на основе анализа
продуктов разложения изоляции – маркеров старения. Приведено краткое описание механизма
образования метанола в БМИ под тепловым воздействием, в том числе и анализ методик
проведения лабораторных исследований.
На основании проведенного анализа можно сделать следующий вывод. Существующие
в настоящее время маркеры старения БМИ можно условно разделить на 3 поколения.
Маркеры 1-го (вода, окись и двуокись углерода) и 2-го (фурановые производные)
поколений имеют ряд существенных недостатков, как было отмечено выше, которые не
7
позволяют с достаточной точностью оценивать состояние БМИ. В связи с этим многие
исследователи считают наиболее перспективным маркер 3-го поколения – метанол. При этом
существует нескольких принципиально отличающихся друг от друга методик проведения
экспериментальных исследований, направленных на изучение процесса образования метанола
при разложении БМИ. Их отличие состоит в применении не только различных марок
изоляционной бумаги и трансформаторного масла, но и различных соотношений их масс в
моделях БМИ. Другим отличием являются условия проведения исследований (температура и
продолжительность теплового воздействия). И, наконец, существенно отличаются
конструкции испытательных ячеек и моделей БМИ. Все эти отличия не позволяют выявить
обоснованные критерии, позволяющие оценивать состояние БМИ с учетом особенностей
конструкции силовых трансформаторов различных классов напряжения.
Таким образом, разработка методики проведения экспериментальных исследований
образования метанола при старении БМИ, учет особенностей конструкции силовых
трансформаторов, в том числе и применяемых материалов, разработка критерия и оценка
состояния силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях с применением
разработанного критерия являются важной и актуальной задачей.
Результаты исследования состояния вопроса позволили сформулировать цель и задачи
исследования, приведенные в разделе «Общая характеристика работы».
Во второй главе «Разработка методики проведения экспериментального
исследования старения БМИ и выявление связи между степенью полимеризации
изоляционной бумаги и количеством образовавшегося метанола» представлены
разработанная методика, включающая программу проведения экспериментальных
исследований, описание лабораторных установок, испытательных ячеек и моделей БМИ.
Проанализированы результаты экспериментальных исследований.
В разработанной методике проведения исследований особое внимание обращено на
изучение особенностей образования метанола с учетом роли каждого из компонентов БМИ, а
также при воздействии отдельно электрического поля и под тепловым воздействием.
Исследование образования продуктов разложения БМИ под действием
электрического поля. Исследование выполнено на моделях БМИ конденсаторного типа. БМИ
подвергалась воздействию импульсного напряжения, что исключает нагрев испытуемого
образца вследствие потерь энергии в диэлектрике. Тем самым обеспечивается старение БМИ
под действием только электрического поля.
Электрическая схема, в соответствии с которой выполнялся эксперимент, представлена
на рис. 1а. Испытуемая модель БМИ, реализованная в виде конденсаторной секции Соб,
заряжалась выпрямленным током до достижения напряжения на обкладках 10 кВ. В качестве
источника тока использовался
однофазный испытательный
маслонаполненный
трансформатор Т. Для выпрямления тока применялся лавинный диод VT. Конденсатор С играл
роль сглаживающего фильтра. При достижении на испытуемом объекте напряжения 10 кВ
пробивался воздушный промежуток разрядника Р и объект разряжался на «землю».
Напряжение, воздействующее на секцию, измерялось с помощью осциллографа через
делитель напряжения Д.
8
Осциллограмма единичного импульса разряда представлена на рис. 1б. Длительность
цикла «заряд-разряд» составляла 18 секунд. При этом напряженность поля в изоляционной
бумаге (в области равномерного поля) составляла 200 МВ/м.
б)
а)
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки (а) и форма напряжения на модели БМИ (б)
Испытательная ячейка (рис. 2) представляет собой стеклянный сосуд объёмом 750 мл
со специально разработанной герметично закрывающейся крышкой из оргстекла. На крышке
предусмотрены два электрода для подачи высокого напряжения на объект исследования, а
также две алюминиевые трубки с трехходовыми кранами для заполнения сосуда
трансформаторным маслом и отбора проб масла.
б)
а)
в)
Рисунок 2. Испытательная ячейка для исследования образования метанола при воздействии
электрического поля (а), схематичное изображение (б) и конденсаторная секция в струбцине
(в). 1 – стеклянный сосуд; 2 – алюминиевый электрод; 3 – трубка с трехходовым краником;
4 – конденсаторная секция; 5 – медная фольга; 6 – струбцина.
Исследуемая в этом эксперименте модель БМИ конденсаторного типа представляла
собой плоско-прессованную с помощью струбцин секцию, состоящую из двух обкладок из
алюминиевой фольги с расположенными между ними четырьмя листами бумаги марки
МКОН-1. В качестве токоотводов применялась медная фольга толщиной 0,25 мм. Перед
сборкой модель была высушена при температуре 80°С в течение 5-и суток, после чего
пропитывалась под вакуумом свежим трансформаторным маслом при температуре 23-25°С в
течение 5-и суток.
Отбор проб трансформаторного масла на определение растворенных в масле газов и
метанола производился через 200-400 импульсов «заряд - разряд». Анализ проб
трансформаторного масла на хроматографическом комплексе «КристалЛюкс-4000М» показал
9
наличие «диагностических» газов, концентрации которых увеличивалась пропорционально
числу воздействующих на образец БМИ импульсов.
Зависимости
полученных
экспериментальных
значений
концентраций
«диагностических» газов от количества импульсов хорошо аппроксимируются линейными
функциями (рис. 3а). В то же время зависимость отношения концентраций СО2/СО, которое
свидетельствует о повреждении изоляционной бумаги, от количества импульсов хорошо
аппроксимируется экспоненциальной функцией (рис. 3б).
а)
б)
Рисунок 3. Зависимости концентрации «диагностических» газов (а) и соотношения
концентраций СО2/СО (б) от количества импульсов, воздействующих на БМИ
Из приведенной зависимости видно, что к концу срока службы образцов БМИ
соотношение СО2/СО меньше 3, что хорошо согласуется с литературными данными.
Несмотря на факт разложения изоляционной бумаги, метанол в трансформаторном масле не
был обнаружен.
Отметим, что на минимизацию погрешностей определения метанола обращалось
особое внимание. В связи с этим для отбора проб масла из испытательных ячеек,
пробоподготовки и ввода пробы трансформаторного масла в хроматографическую систему
проводились с использованием специализированных пробоотборников, метрологические
характеристики которых важны для суммарной погрешности метода измерения. Исследования
показали, что суммарная погрешность объёма дозирования проб масла не превышала 1,8%.
Это обеспечивает достоверность полученных результатов хроматографического анализа
«диагностических» газов и метанола, растворенных в трансформаторном масле.
Исследование образования метанола при тепловом воздействии – первая часть
эксперимента: объект – трансформаторное масло. Исследованиям подвергалось свежее
дегазированное под вакуумом (давление 1 мм рт. ст.) при комнатной температуре (23-25°С)
трансформаторное масло марки ГК с влагосодержанием 12 г/т. Тепловому воздействию масло
подвергалось в испытательной ячейке специально разработанной конструкции (рис. 4б) на
основе сильфона из нержавеющей стали. Внутренний объём ячейки составляет 270 мл.
Эта часть эксперимента проведена с целью подтверждения предположения о том, что
метанол не образуется при старении трансформаторного масла под тепловым воздействием в
10
отсутствии изоляционной бумаги. В эксперименте шесть испытательных ячеек были
заполнены свежим трансформаторным маслом и помещены в сушильный шкаф. Старение
масла проводилось при температуре 130°С. Через 4, 8, 15, 22, 29, 36 суток после начала
эксперимента из сушильного шкафа извлекали по одной испытательной ячейке для отбора
пробы масла и проведения хроматографического анализа на содержание в нем
«диагностических» газов и метанола.
в)
б)
г)
а)
Рисунок 4. Циркуляционный термостат (а) с испытательными ячейками (б), пробка (в) и
шайба с двойным уплотнением (в)
В результате проведенных исследований выявлено, что тепловое воздействие на
трансформаторное масло при отсутствии изоляционной бумаги также не приводит к
образованию метанола. При этом имеет место процесс старения трансформаторного масла, о
чём свидетельствует рост концентраций «диагностических» газов пропорционально
продолжительности старения трансформаторного масла.
Исследование образования метанола при тепловом воздействии – вторая часть
эксперимента: объект – модели бумажной-масляной изоляции. Исходное влагосодержание
изоляционной бумаги марки К-120 в моделях БМИ составляло менее 0,5%, 1% и 2%.
Отношение массы бумаги к массе масла в испытательных ячейках было выбрано 1:18, что
соответствует среднему значению этого параметра для силовых трансформаторов.
Одновременно испытывалось 30 моделей БМИ, размещенных в такое же количество
испытательных ячеек. Все испытательные ячейки размещались в циркуляционный термостат,
обеспечивающий поддержание температуры 130°С с погрешностью до 0,1°С. Образование
метанола в трансформаторном масле испытательных ячеек было выявлено уже через 3 суток
после начала эксперимента. На рис. 5 показаны концентрации метанола в трансформаторном
масле и степень полимеризации изоляционной бумаги из испытательных ячеек в зависимости
от продолжительности испытаний и исходного влагосодержания. Следует отметить, что
скорость образования метанола и, соответственно, скорость деполимеризации изоляционной
бумаги зависят от исходного влагосодержания изоляционной бумаги. Тем самым
подтверждается известная зависимость скорости старения БМИ от ее влажности.
11
а)
б)
Рисунок 5. Зависимость концентрации метанола (а) и СП изоляционной бумаги (б) от
продолжительности старения БМИ при тепловом воздействии
Учитывая, что количество метанола, образовавшегося при различном влагосодержании
БМИ, не отличается более, чем на 10% при одном и том же значении СП, представляется
обоснованным в дальнейшем рассматривать зависимости СП изоляционной бумаги от
концентрации метанола в трансформаторном масле для образцов бумаги влажностью 0,5 %,
1 % и 2 % в совокупности, т.е. принять, что вся выборка принадлежит одной генеральной
совокупности (таблица 1).
Таблица 1. СП и концентрация метанола для БМИ с различным влагосодержанием
Области сопоставления
Влажность
I
II
III
IV
бумаги, %
Метанол,
Метанол,
Метанол,
Метанол,
СП
СП
СП
СП
ppb
ppb
ppb
ppb
0,5
1050
179
794
635
1,0
1050
193
816
664
438
1766
310
2507
2,0
1136
196
374
1599
320
2516
При установлении корреляции между концентрацией метанола, образовавшегося при
тепловом старении, и степенью полимеризации изоляционной бумаги выявлено, что степень
полимеризации изоляционной бумаги обратно пропорциональна количеству метанола,
образовавшегося в масле. Зависимость степени полимеризации изоляционной бумаги от
концентрации метанола Смет, ppb, в масле хорошо аппроксимируется линейной функцией:
СП=1064 – 0,3·Смет
(1)
Анализ результатов аналогичных исследований, опубликованных в зарубежных
источниках, показал, что характер зависимости для БМИ различных изготовителей идентичен
(рис. 6).
12
Рисунок 6. Зависимости СП изоляционной бумаги от концентрации метанола в
трансформаторном масле по результатам данного и зарубежных исследований
Однако количество образовавшегося метанола при одной и той же степени
полимеризации изоляционной бумаги отличается. Указанное обстоятельство можно
объяснить двумя причинами: с одной стороны, разницей в химическом составе бумаги, а с
другой - особенностями конструкций испытательных ячеек.
На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:
1. Разработана методика проведения исследований образования метанола при
старении БМИ под действием электрического поля и под тепловым воздействием,
позволяющая учитывать роль каждого компонента БМИ в образовании метанола при
воздействии электрического поля и под тепловым воздействием. При этом показано, что:
 метанол не образуется при воздействии только электрического поля на БМИ;
 метанол не образуется при старении только трансформаторного масла под
тепловым воздействием (при отсутствии изоляционной бумаги).
2. Получена экспериментальная зависимость, устанавливающая связь между
количеством метанола, образующегося при старении БМИ из изоляционной бумаги марки
К-120 и трансформаторного масла ГК под тепловым воздействием и степенью
полимеризации изоляционной бумаги. Сопоставление с аналогичными данными,
полученными зарубежными исследователями для БМИ других изготовителей показывает,
что характер полученных зависимостей идентичен. Однако количества образовавшегося
метанола при одной и той же степени полимеризации изоляционной бумаги отличаются, что
объясняется отличием в химических составах изоляционных бумаг различных
изготовителей, а также особенностями конструкций испытательных ячеек.
13
В третьей главе «Разработка критерия оценки состояния БМИ силовых
трансформаторов в эксплуатационных условиях по содержанию метанола в
трансформаторном масле» предложен критерий отнесения силовых трансформаторов к
определенной группе видов состояния. Рассмотрены особенности распределения метанола в
силовых трансформаторах в эксплуатационных условиях, позволяющие рассчитать
суммарное количество метанола, образующееся в них с момента ввода в эксплуатацию.
Из ранее полученной зависимости (рис. 6), устанавливающей связь между степенью
полимеризации бумаги и количеством образовавшегося метанола, выраженной через его
концентрацию в масле, можно рассчитать степень полимеризации бумаги в БМИ по
концентрации метанола в трансформаторном масле. Однако для практического применения
полученной зависимости с учетом условий проведения лабораторных исследований
(отношение массы бумаги к массе масла 1:18), необходима ее «нормализация», которая
позволит применить ее для разных конструкций трансформаторов, в которых отношение
массы бумаги к массе масла может значительно (в 2 и более раза) отличаться от выбранных в
эксперименте. «Нормализация» полученной экспериментальной зависимости представляется
в виде построения новой зависимости, устанавливающей связь между степенью
полимеризации изоляционной бумаги и удельным объёмом метанола, выделившегося в
испытательных ячейках, рассчитанным как отношение суммарного количества
образовавшегося метанола к массе изоляционной бумаги.
Для силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях температура БМИ
определяется их нагрузкой с одной стороны, и условиями охлаждения – с другой. Колебания
температуры приводят к перераспределению метанола между изоляционной бумагой,
силикагелем термосифонного (адсорбционного) фильтра и трансформаторным маслом за счет
процессов сорбции. Кроме того, для трансформаторов «негерметичной» конструкции
необходимо принимать во внимание часть метанола, которая может уходить в атмосферу. Для
расчёта суммарного количества метанола, образовавшегося в силовом трансформаторе с
момента его ввода в эксплуатацию, можно воспользоваться схемой расчёта, приведенной на
рис. 7.
Рисунок 7. Схема расчёта суммарного количества метанола, образовавшегося в силовом
трансформаторе
14
В этом случае удельный объём метанола можно вычислить по формуле:
Q0 уд 
mм

м
Q0
mбум
m

m
m
Сизм   м  бум  К р.бум (Т )  сорб  К р.ф. (Т ) 
сорб
  м  бум
 

mбум
  i 1i  C м.дег.i 
k
mсорб
сорб
(2)
  j 1 K р.ф. (Т ) j  C м. зам. j
n
mбум
где Q0уд - удельный объём метанола, мкл/кг; Q0 – суммарный объём метанола, мкл;
Сизм - измеренное значение концентрации метанола в пробе масла из бака СТ, ppb; mм - масса
масла в СТ, кг; ρм - плотность масла, кг/м3; mбум - масса изоляционной бумаги в СТ, кг; ρбум плотность
изоляционной
бумаги,
кг/м3;
mсорб
масса
сорбента
в
термосифонном/адсорбционном фильтре СТ, кг; ρсорб - насыпная плотность сорбента в
термосифонном/адсорбционном фильтре СТ, кг/м3; Кр.бум.(Т) - коэффициент распределения
метанола между маслом и бумагой как функция от температуры; См.дег. - измеренное значение
концентрации метанола в пробе масла из бака СТ перед обработкой масла (сушка, дегазация,
регенерация, замена), ppb; η – коэффициент, отражающий эффективность удаления метанола
при обработке масла (сушка, дегазация, регенерация, замена); k - количество обработок масла
(сушка, дегазация, регенерация, замена) за время эксплуатации СТ; Кр.ф.(Т) - коэффициент
распределения метанола между маслом и сорбентом термосифонного/адсорбционного
фильтра как функция от температуры; n - количество замен сорбента в
термосифонном/адсорбционном фильтре за время эксплуатации СТ; См.зам. - измеренное
значение концентрации метанола в пробе масла из бака СТ перед заменой сорбента в
термосифонном/адсорбционном фильтре, ppb.
При применении такой схемы (рис. 7) для расчёта суммарного количества метанола,
образовавшегося в ячейках возможно рассматривать их как «упрощенные модели»
трансформаторов, в которых присутствуют только 2 компоненты – трансформаторное масло
и изоляционная бумага.
Таким образом в каждой ячейке весь образовавшийся метанол растворился в
трансформаторном масле и сорбировался в бумаге. Расчётная формула определения удельного
объёма метанола Q0 уд , мкл/кг в испытательной ячейке имеет вид:
Q0уд= [Смет·Vм+Kр.бум(Т)‧Смет‧Vбум] / mбум
(3)
где Cмет - измеренная концентрация метанола в трансформаторном масле, ppb; Vм объём масла в испытательной ячейке, л; Vбум - объём бумажного образца в ячейке; Kр.бум(Т) коэффициент распределения метанола между трансформаторным маслом и изоляционной
бумагой; Т - температура трансформаторного масла при отборе проб, ℃; mбум - масса
бумажного образца, г.
В соответствии с формулами (2) и (3) для расчёта удельного объёма метанола
необходимо знать коэффициент распределения метанола между трансформаторным маслом и
изоляционной бумагой. Отметим, что в литературе присутствуют сведения о коэффициентах
распределения метанола в рассматриваемой системе. Коэффициент распределения метанола
15
во БМИ силовых трансформаторов в интервале температуры (25-90)℃ можно определяется
из выражения:
К р .бум (Т )  114, 7  е 0,012Т
(4)
где Т – температура трансформаторного масла при отборе проб, °С.
На рис. 8 представлена зависимость степени полимеризации изоляционной бумаги от
удельного объёма метанола, вычисленного по формуле (3) в испытательных ячейках.
Аппроксимирующая функция, построенная по экспериментальным данным, имеет вид:
СП = 1064–2,51·Q0уд
(5)
Следует отметить, что линейная аппроксимация по (3), выполненная методом
наименьших квадратов, обеспечивает коэффициент детерминации R2≈0,91 (рис. 8), что
свидетельствует о приемлемости предлагаемой зависимости.
Рисунок 8. Зависимость СП изоляционной бумаги от удельного объёма метанола,
выделившегося в испытательной ячейке
С учетом полученной эмпирической зависимости (5), а также определения групп
состояния силовых трансформаторов по степени полимеризации изоляционной бумаги,
согласно работе Shroff D.H. и Stannett A.W., предлагается определять группы состояний
силовых трансформаторов по удельному объёму метанола в трансформаторном масле
(таблица 2).
Таблица 2. Значения СП и удельного объёма метанола в зависимости от вида состояния БМИ
Степень полимеризации Граничные значения удельного
Вид состояния БМИ
бумаги, ед.
объёма метанола, мкл/кг
более 1000
менее 25
Хорошее
451-1000
25-245
Удовлетворительное
250-450
245-324
Ухудшенное
менее 250
Более 324
Предаварийное
16
На основании проведенных исследований предложены:
1. Критерий оценки вида состояния БМИ силовых трансформаторов в
эксплуатационных условиях - «удельный объём метанола», значение которого вычисляется
как отношение суммарного объёма метанола в исследуемом силовом трансформаторе, к массе
изоляционной бумаги. Указанный показатель позволяет применить результаты лабораторных
исследований для оценки состояния БМИ силовых трансформаторов в условиях
эксплуатации;
2. Формула расчёта суммарного количества метанола, образовавшегося при тепловом
старении изоляционной бумаги в силовых трансформаторах в эксплуатационных условиях;
3. Граничные значения удельного объёма метанола, определяющие вид состояния
БМИ силовых трансформаторов.
В
четвертой
главе
«Ранжирование
силовых
трансформаторов
в
эксплуатационных условиях по разработанному критерию» приведены результаты
исследования 94-х силовых трансформаторов классов напряжения 35 и 110 кВ,
эксплуатируемых в электрических распределительных сетях Российской Федерации.
Отбор проб масла для проведения анализа метанола производился через сливной кран
СТ в нижней части бака. Пробы отбирались в специализированные пробоотборники
трансформаторного масла объёмом 20 мл, метрологические характеристики которых
определялись в рамках настоящей работы. Фактически отбор проб масла на
хроматографический анализ растворенных в масле газов и определение содержания метанола
идентичен. Следует отметить, что при применении любого метода оценки состояния СТ
основанного на анализе продуктов разложения изоляции приняты следующие допущения:
концентрация ПРИ во всём объёме масла, в том числе в месте отбора пробы
трансформаторного масла одинакова.
Количественные показатели ПРИ в трансформаторном масле, в том числе и метанола,
не определяют локальный источник ПРИ. Однако указывают на наиболее интенсивные
процессы, имеющие места в СТ.
Для оценки состояния БМИ обследованных трансформаторов использовались
граничные значения критерия, полученные в предыдущей главе.
На рис. 9 показано распределение силовых трансформаторов на карте видов состояния,
определяемых степенью полимеризации (удельным объёмом метанола) в трансформаторном
масле. Из приведенного рисунка видно, что в одном из силовых трансформаторов аномально
высокое значением удельного объёма метанола. Значение СП, рассчитанное в соответствии с
формулами (2, 4, 5) по результатам анализа метанола в трансформаторном масле, составило
368 единиц. Этот СТ (рис. 10а) был вскрыт для обследования его активной части. При осмотре
активной части подтверждено ухудшенное состояние изоляционной бумаги (рис. 10б).
Необходимо отметить, что среднее значение СП изоляционной бумаги по результатам
измерения методом оптической спектроскопии составило 413 единиц, т.е. результаты
теоретического определения СП отличаются от измеренного на 11%, что свидетельствует об
обоснованности допущений, положенных в основу исследований.
17
Вид состояния БМИ
Хорошее
Удовлетворительное
Ухудшенное
Предаварийное
Рисунок 9. Определение вида состояния БМИ трансформаторов в эксплуатационных
условиях
а)
б)
Рисунок 10. Силовой трансформатор (а – внешний вид) и бумажно-масляная изоляция
(б – после вскрытия)
На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы.
1. Проведена оценка состояния 94-х силовых трансформаторов в эксплуатационных
условиях с применением разработанного критерия.
2. Выявлен трансформатор со состоянием БМИ - «ухудшенное».
18
3. Сравнение значений степени полимеризации БМИ силового трансформатора в
«ухудшенном» состоянии, измеренного оптическим методом после его вскрытия с
результатами определения СП по содержанию метанола в трансформаторном масле показало
отличие на 11%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В соответствии с поставленной целью и задачами исследования в диссертационной
работе получены следующие основные результаты.
1. На основании анализа вопроса по теме исследования сформулированы цель и задачи
исследования.
2. Разработана методика экспериментальных исследований старения БМИ и
проведены исследования силовых трансформаторов, позволившие выявить связь между СП
изоляционной бумаги и количеством образующегося метанола. Установлено, что под
действием на БМИ отдельно электрического поля и отдельно теплового воздействия на
трансформаторное масло метанол не образуется.
3. Получена эмпирическая зависимость, устанавливающая связь между степенью
полимеризации БМИ из изоляционной бумаги К-120 и трансформаторного масла ГК и
количеством метанола, образовавшегося при ее старении при тепловом воздействии.
Сопоставление с аналогичными данными, полученными зарубежными исследователями
показывает, что характер полученных зависимостей идентичен. Однако количества
образовавшегося метанола при одной и той же степени полимеризации изоляционной бумаги
отличаются, что объясняется отличием в химических составах изоляционных бумаг
различных изготовителей, а также особенностями конструкций испытательных ячеек.
4. Обоснован критерий «удельный объём метанола», предложенный в качестве
критерия оценки состояния БМИ силовых трансформаторов по содержанию метанола в
масле.
5. Применение разработанного критерия «удельный объём метанола» для оценки
состояния 94-х силовых трансформаторов классов напряжения 35 и 110 кВ, находящихся в
эксплуатации, позволило выявить трансформатор в предаварийном состоянии.
6. Результаты работы использованы в АО «Техническая инспекция ЕЭС» при
разработке проекта: «Методические рекомендации по определению состояния бумажной
изоляции силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях по содержанию метанола
в трансформаторном масле».
7. Методика
оценки
состояния
бумажно-масляной
изоляции
силовых
трансформаторов по содержанию метанола в масле при дальнейшем развитии работ по этому
направлению может стать важной составляющей диагностики состояния трансформаторного
оборудования.
19
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в рецензируемых научных изданиях по перечню ВАК:
1) Л.А. Дарьян, Л.Х. Ле. Физико-химические критерии оценки состояния
высоковольтных импульсных конденсаторов // Ядерная физика и инжиниринг – 2015. – том 6,
№ 11–12. – с. 562–567.
Публикации в рецензируемых научных изданиях по перечню SCOPUS:
2) L.A. Darian, R.M. Obraztsov, A.V. Maksimchenko, L.K. Le. The Research of Methanol
Generation in Aging Paper Insulation // Procedia Engineering 202 (2017) 13–19.
Публикации на научных изданиях:
3) Л.А. Дарьян, А.В. Максимченко, Л.Х. Ле. Исследование образования метанола при
проведении ускоренных испытаний бумажной изоляции в трансформаторном масле //
Электроэнергия. Передача и распределение – Ноябрь-Декабрь, 2016. – №6 (39) – с.126–131.
4) L.A. Darian, R.M. Obraztsov, A.V. Maksimchenko, L.K. Le. The Research of Methanol
Generation in Power Transformers Being in Service at Substations of Distribution Network // 4th
International Colloquium "Transformer Research and Asset Management" – Pula, Croatia, May 10–
12, 2017.
5) Darian L.A., Maximchenko A.V., Le Khac Lam. Formation of Methanol under
Accelerated Aging of Paper Insulation in Transformer Oil // EPU Journal of Science and Technology
for Energy – № 12 (May 2017). – pp. 1–8.
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа