Діагностика ізоляції високовольтних трансформаторів струму під робочою напругою

Рубаненко Олександр Євгенійович, доцент кафедри “Електричні станції і системи” Вінницького національного технічного університету МОН України. Провідстанова:донецький національний технічний університет

1. На основі аналізу можливостей, характеристик та недоліків методів і засобів діагностики внутрішньої ізоляції високовольтного електрообладнання запропоновано новий метод діагностики стану ізоляції трансформаторів струму під робочою напругою, реалізація якого забезпечує підвищення завадостійкості засобів діагностики та достовірності інформації про їх стан.

2. Вдосконалено розрахункову модель внутрішньої високовольтної ізоляції трансформаторів струму, що дозволяє більш точно враховувати вплив експлуатаційних чинників (температури, зволоженості, старіння) та елементів схеми вимірювання на характеристики ізоляції та ефективність її діагностики.

3. З метою здійснення комплексної діагностики ізоляції високовольтних трансформаторів струму запропоновано та обґрунтовано можливість проведення вимірювань опору їх ізоляції на постійному струмі та приросту тангенса кута діелектричних втрат під робочою напругою, що дозволяє розширити функціональні можливості та інформативність засобів діагностики.

4. Розроблено методологічні основи побудови функціональних структурних схем пристроїв, що дозволило створити систему комплексної діагностики ізоляції високовольтних трансформаторів струму під робочою напругою.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному: 1) запропоновано новий метод діагностики ізоляції конденсаторного типу високовольтних трансформаторів струму; 2) розроблено розрахункові моделі, що дозволяють виконувати дослідження впливу різних експлуатаційних факторів на стан ізоляції ТС; 3) виконано оцінку рівня перенапруг на вимірному виводі трансформатора струму та надано рекомендації щодо схемного виконання пристроїв захисту вимірних виводів; 4) розроблено комплекс організаційно-технічних рішень щодо побудови систем комплексної діагностики ізоляції ТС 330 кВ та виготовлено дослідний зразок такої системи, яку встановлено на ПС “Львів-Південна” Західної електроенергетичної системи НЕК “Укренерго”; 6) сформульовано рекомендації щодо подальшого розвитку та використання систем діагностики ізоляції трансформаторів струму на підстанціях енергосистем України.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, які містяться в дисертації, одержані автором самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать наступні результати: аналіз методів діагностики діелектричних характеристик електрообладнання під робочою напругою [1, 2, 8, 9]; розробка нового методу діагностики ізоляції конденсаторного типу високовольтного електроустаткування під робочою напругою на основі використання постійного струму [1, 2, 7]; розробка моделей високовольтної ізоляції та проведення лабораторних досліджень діелектричних характеристик високовольтної ізоляції конденсаторного типу [3, 5, 6, 10]; розробка принципів здійснення комплексної діагностики на змінному та постійному струмах ізоляції трансформаторів струму 330 кВ під робочою напругою [5, 6]; оцінка рівнів перенапруг на вимірному виводі “И” ТС та вибір засобів їх обмеження, розробка схем та вибір параметрів системи діагностики ізоляції під робочою напругою, аналіз результатів експериментів та впровадження системи діагностики у дослідну експлуатацію 4.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на: IV Міжнародній науково-практичній конференції „Проблеми економії енергоресурсів”, (8-12 жовтня 2003 р., м. Львів); семінарі-нараді працівників Держнагляду та електротехнічних служб підприємств НЕК “Укренерго” “Передовой опыт эксплуатации и диагностики трансформаторного оборудования, безопасность обслуживающего персонала. Международный опыт эксплуатации”, (10-12 грудня 2003 р., м. Запоріжжя); ІІ Міжнародній науково-практичній конференції „Фізичні та технічні проблеми світлотехніки та електроенергетики”, (16-18 травня 2005 р., м. Харків); V міжнародній науково-технічній конференції „Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств EPQ2005”, (18-20 травня 2005 р., м. Маріуполь); ІІІ Студентській науковій конференції, (23-25 травня 2005 р., м. Вроцлав (Польща)); І Міжнародній науково-технічній конференції “Електрика-2006”, (26-28 червня 2006 р., м. Луцьк); семінарах Наукової Ради НАН України (Львів, жовтень 2006; Київ, жовтень 2007).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 10 наукових праць, у тому числі 6 статей у фахових наукових виданнях, 3 доповіді науково-технічних конференцій та отримано 1 патент на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація викладена на 181 сторінці, складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних першоджерел з 92 найменувань, містить 68 рисунків, 11 таблиць, 5 додатків. Обсяг основного змісту дисертації становить 140 сторінок. Автор висловлює глибоку вдячність доц. Кенсу Юрію Амброзійовичу за цінні поради та допомогу на всіх етапах виконання роботи.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність задачі, що вирішується в дисертаційній роботі, сформульовані мета та завдання дисертаційної роботи, розкриті наукова новизна та практична цінність роботи, викладено відомості про публікацію основних результатів дисертаційних досліджень, а також про їхню апробацію та впровадження у дослідну експлуатацію.

У першому розділі розглянуто особливості високовольтної ізоляції та її характеристики, вказано основні фактори, що призводять до погіршення стану високовольтних конструкцій.

Проведений аналіз існуючих методів і способів діагностики ізоляції високовольтного електрообладнання показує, що під час його діагностики методами випробувань без виводу обладнання з роботи вдається визначити факт погіршення стану ізоляції за оптимальних для виявлення дефектів умов, бо контрольований об'єкт знаходиться в реальних експлуатаційних умовах. Разом з тим аналіз використання систем контролю ізоляції високовольтних вводів під робочою напругою, на основі досвіду експлуатації більш ніж 25 років, показує, що контроль сигналу струму небалансу за допомогою пристроїв “КІВ” ефективний лише за значного розвитку дефекту. Зокрема, проміжок часу від появи сигналу до вимкнення об'єкта за зміни струму витоку від 5-7% до 20-25% складає десятки хвилин. Тому використання таких пристроїв для вводів 110-750 кВ в якості діагностичних можливе лише після істотного підвищення чутливості та розширення функціональних можливостей, спрямованих на визначення дефектного вводу, приросту тангенса кута діелектричних втрат і ємності. А централізовані системи, змонтовані 15-25 років тому для діагностики ізоляції ТС, на сьогоднішній день майже всі виведені з експлуатації, оскільки відбраковок ТС з їх допомогою практично не було, а неперервний балансовий контроль з використанням нерівноважно-компенсаційного методу в існуючому вигляді непридатний для експлуатації та вимагає доопрацювання. Ефективним міг би бути періодичний балансовий контроль. Однак, він може застосовуватись на підстанціях і відкритих розподільчих злагодах (ВРЗ) електростанцій, якщо напруга на обмотках розімкнутого трикутника кожного трансформатора напруги за нормальних та ремонтних схем ВРЗ не перевищує 0,5 В. При цьому відносний струм за відсутності дефектів в ізоляції вводів не перевищить значення 0,005. Про недостатню ефективність методу та цих схем контролю свідчить те, що достовірних випадків вибраковки ізоляції вводів і ТС в енергосистемах України не зафіксовано.

Аналіз рішень, пропонованих в Європі та світі, показує, що на сьогоднішній день немає стовідсотково достовірних методів та систем діагностики високовольтного електроустаткування. Саме тому намагаються створювати багатофункціональні системи діагностики з використанням мікропроцесорної техніки, що дозволятиме одночасно контролювати кілька діагностичних параметрів з оцінкою динаміки їх зміни та врахуванням впливу експлуатаційних факторів.

Тому, через недостатню ефективність відомих методів та системи діагностики, необхідна розробка нових методів і засобів діагностики високовольтної ізоляції конденсаторного типу, які забезпечували б необхідну точність та достовірність результатів.

У другому розділі запропоновано новий метод контролю ізоляції конденсаторного типу оливонаповнених високовольтних ТС, суть якого полягає в прикладанні невеликої постійної напруги до ізоляції випробовуваного апарату. Це дає змогу вимірювати постійну складову струму, яка протікає по опору ізоляції незалежно від величин змінних струмів і здійснювати об'єктивну оцінку стану ізоляції контрольованого об'єкта. За рівнем контрольованої величини можна робити висновки як про відносну зміну опору ізоляції, так і про конкретну його величину в будь-який момент часу.

На рис. 1 наведено спрощену схему неперервного вимірювання постійного струму спливу в ізоляції ТС під робочою напругою. Постійна напруга від джерела уніполярної напруги Ud = +100200 В (відносно „землі”) через еталонний резистор R2 і резистор R1 підводиться до вимірного виводу (ВВ) „И” ТС. Вивід „З” ТС - заземлений.

Між вимірним виводом „И” ТС та землею нами увімкнено ємність С4 = 4,0 мкФ, яка призначена для обмеження величини змінної напруги між ВВ „И” та землею. За промислової частоти 50 Гц реактивний опір цієї ємності становитиме 795,8 Ом . Нагадаємо, що для ТС ТФКН-330 значення ємностей ізоляції становлять: С1 = 71060 пФ; С2 = 320005000 пФ; С3 = 1600350 пФ. Максимальна напруга промислової частоти на виводі „И” відносно землі за ввімкнення ємності С4 визначатиметься за виразом (1) і становитиме:

де - номінальна фазна напруга електромережі 330 кВ.

Додаткове під'єднання R-C ланки R1 = 3 MOм і С5 = 1 мкФ паралельно конденсатору С4 практично не впливає на величину напруги UИ, оскільки R1 = 3 МОм >> XС4 = 795,8 Ом. Ланка R1-C5 необхідна для зведення до мінімуму змінної складової напруги промислової частоти f мережі UC5(50), яка підводиться через резистор R2 до джерела постійної напруги Ud від ВВ „И” ТС.

Модуль цієї напруги визначається за виразом (2) і становитиме 0,0117 В. При цьому, через резистор R2 протікатиме практично постійний струм без пульсацій.

Запропонована схема (рис. 1) дозволяє контролювати сумарний струм спливу в ізоляції ТС, який надходить до ВВ „И” від джерела Ud, за умови, що опори ізоляції Ri4 i Ri5 конденсаторів відповідно С4 і С5 (разом з опорами ізоляції проводів кабелів RКК, які сполучають відповідні елементи схеми (рис. 1) будуть стабільними та співмірними з опорами контрольованої ізоляції ТС - Ri1 i Ri2. Для компенсації сумарного струму спливу в опорах ізоляції Ri4 i Ri5 в електронному блоці (ЕБ) передбачена регульована напруга компенсації Uк. Після компенсації та під'єднання схеми (рис. 1) до виводу „И” трансформатора струму, напруга U2 від сумарного струму спливу Іі в ізоляції становитиме:

Для ТС типу ТФУМ (ТФКН)-330 номінальні опори ізоляції окремих ланок становлять: основної ізоляції (С1) - Ri1 = 10000 МОм; ізоляції між вимірювальною „И” і заземленою „З” обкладками (С2) - Ri2 = 5000 МОм.

За номінальних величин опорів ізоляції ТС типу ТФУМ-330 значення напруги U2 становитиме 30 мВ. Цю величину напруги можна приймати за основу для визначення вибраковувального критерію контрольованого ТС.

Важливо також оцінити точність вимірювання величини напруги U2 в схемі (рис. 1). Ідеалізована схема для оцінки величини опору ізоляції ТС за значенням напруги U2 наведена на рис. 2, а на рис. 3 наведено розрахункову схему для оцінки похибок системи діагностики ізоляції на постійному струмі. В схему (рис. 3) входять лише ті елементи, параметри яких впливатимуть на точність вимірювання контрольованої напруги U2.

Дійсне значення напруги U2 визначається зі схеми (рис. 2) за виразом:

Тоді, відносна похибка вимірювання становитиме:

Розрахунки показують, що за вимірювання величин опору ізоляції контрольованого трансформатора струму, близьких до номінальних, похибка вимірювань може перевищувати 50%. Це пов'язано з тим, що опір ізоляції елементів вимірної системи є співмірним із контрольованим опором. Однак за умови, що опори елементів вимірної системи є відомими та їх величини стабільні, внесена похибка вимірювань може бути усунена шляхом калібрування всієї вимірної схеми. В роботі запропоновано два способи калібрування: 1) одноразове (з певною періодичністю); 2) під час кожного вимірювання. Проведенням одноразового калібрування можна звести похибку вимірювань до величини, що не перевищуватиме 9%, а за використання багаторазового калібрування похибка вимірювань не перевищуватиме 1%.

За відомими значеннями параметрів схеми (рис. 3) оцінено вплив на похибки вимірювання напруги u2 змін опорів ізоляції ємностей Ri4, Ri5, Ri6, опору ізоляції коаксіального кабеля RiКК, нестабільності опорів R1, R2, R3, а також нестабільності напруги Ud. Для цього в роботі використано розклад нелінійних функцій приростів похибок напруги у ряд Тейлора, а саме:

де

В результаті проведених обчислень отримаємо:

Як видно з, на похибки контрольованої напруги найбільший вплив мають зміни величин еталонного опору R2 та постійної напруги Ud. Значно менший, однак відчутний, вплив має нестабільність опорів ізоляції конденсаторів та вхідного опору електронного вимірного блоку. Якщо в якості джерела напруги Ud використати стабілізоване джерело з високим коефіцієнтом стабілізації, то приростом похибки від змін напруги Ud можемо знехтувати. За таких умов сумарна похибка вимірювання не перевищуватиме 5%. діелектричний ізоляційний напруга трансформатор

У розділі також наведено результати експериментальних досліджень впливу експлуатаційних факторів на характеристики паперово-оливної ізоляції та трансформаторної оливи. Показано, що оцінка стану внутрішньої ізоляції електричних апаратів з герметичним виконанням ізоляції можлива лише шляхом використання, так званих, опосередкованих методик визначення зволоженості паперово-оливної ізоляції (ПОІ) за допомогою кривих рівноваги Fabre-Pichona чи Oommena за визначеним заздалегідь вмістом вологи в оливі. Наведено принципи формування та розроблено розрахункові моделі для дослідження впливу змін параметрів ізоляції під дією експлуатаційних факторів (старіння, зволоженість та температура) та елементів вимірної схеми на працездатність розробленого методу діагностики ізоляції ТС.

У третьому розділі наведено результати досліджень системи діагностики на постійному струмі ізоляції ТС під робочою напругою. Зокрема, досліджено рівні грозових та комутаційних перенапруг на ВВ “И” ТС типу ТФУМ (ТФКН)-330, оскільки ці режими є визначальними з точки зору безпечної роботи як самого ТС, так і під'єднаної до нього системи діагностики.

Для обмеження рівня напруги на вимірному виводі ТС використовуються пристрої приєднання (ППР), в яких можуть використовуватись або резистори (як прийнято в більшості використовуваних діагностичних систем), або конденсатори.

Проведені розрахунки перенапруг на вимірному виводі “И” ТС для випадків, коли для обмеження рівня напруги встановлено набір резисторів RППР= 520 Ом (як пропонують автори А.В. Григорьев, Г.В. Шинкаренко, В.А. Онищенко та ін.), або конденсатор ємністю СППР = 4 мкФ (як запропоновано в роботі), для різних значень вхідного опору пристрою. Розрахунки показують, що за використання конденсатора, грозова перенапруга на вимірному виводі не перевищуватиме 75 В, а за використання резисторів - може сягати 20 кВ і вище, що може спричинити пошкодження ТС і під'єднаного діагностичного обладнання.

Проведені розрахунки комутаційних перенапруг показують, що за амплітуди перенапруг 430 В (за ввімкнення між вимірним виводом та землею конденсатора 4 мкФ), що відповідає 120% напруги спрацювання розрядника, що встановлюється в ППР, перенапруга на виводі “И” ТС за встановлення набору резисторів 520 Ом сягатиме 26,27 кВ, що є недопустимим з точки зору безпечної експлуатації трансформатора струму.

В розділі також виконано дослідження чутливості запропонованого методу діагностики на постійному струмі до процесів погіршення властивостей високовольтної ізоляції ТС типу ТФУМ-330 під дією зволоженості та температури.

Оцінюючи отримані залежності бачимо, що зміна зволоженості з 1 до 4% при 20 0С спричинить зміну контрольованої напруги з 31 мВ до 615 мВ, що еквівалентно зменшенню опору ізоляції трансформатора струму з 3350 МОм до 170 МОм. Одночасно, важливим є врахування зміни температури навколишнього середовища, а відповідно й зміни температури ізоляції. Оскільки, за зволоження 3% та температури 20 0С еквівалентний опір ізоляції становить 500 МОм, що ще є гранично допустимим для подальшої експлуатації ТС, то за підвищення температури до 50 0С, еквівалентний опір ізоляції становитиме 150 МОм, що є вже недопустимим.

Відповідно до вимог нормативних документів, під час проведення діагностики ізоляції високовольтних ТС під робочою напругою необхідно контролювати приріст тангенса кута діелектричних втрат () або зміну повної комплексної провідності (), тому нами запропоновано здійснювати комплексну діагностику високовольтної ізоляції як на змінному, так і на постійному струмах.

,

де - геометрична різниця векторів напруг Uж та UИ.

Результати розрахунків наведено в табл. 2.

Таблиця 1 Вплив зволоженості та температури ізоляції на значення діагностичних параметрів

За результатами розрахунків встановлено, що використання в пристрої ППР конденсатора ємністю 4 мкФ не дозволяє проводити виміри абсолютних значень ізоляції. Однак за умови, що параметри цього конденсатора залишатимуться практично незмінними, можлива оцінка стану ізоляції за приростом величини тангенса кута діелектричних втрат . Розрахунки показали, що встановлення для обмеження напруги на вимірному виводі “И” ТС як набору резисторів 520 Ом, так і конденсатора ємністю 4 мкФ, не впливає на оцінку стану ізоляції за величиною . Зокрема, порівняння між собою значень Дtg д, % (RППР) та Дtg д, % (CППР) (табл. 2) показує, що максимальна різниця між ними е (Дtg д), % не перевищує 4%.

Враховуючи тенденції розвитку діагностичних систем в країнах Західної Європи та те, що на стан паперово-оливної ізоляції значно впливають часткові розряди (ЧР), в розділі наведено розроблені моделі та проведено дослідження цих процесів в ізоляційних конструкціях. Показана необхідність застосування спеціальних заходів для виділення імпульсів струмів ЧР.

З метою перевірки працездатності запропонованого методу діагностики ізоляції в реальних експлуатаційних умовах розроблено фізичну модель пристрою контролю ізоляції та у високовольтній лабораторії ВАТ “Львівобленерго” створено діючий стенд, на якому виконано дослідження стану ізоляції високовольтних вводів 110 кВ та ТС.

Аналізуючи результати стендових вимірювань опору ізоляції розробленим методом діагностики та порівнюючи їх з результатами вимірювань за допомогою мегаомметра бачимо, що отримані значення опорів ізоляції відрізняються між собою не більш ніж на 6%. Це дозволяє зробити висновки про працездатність пропонованого методу, а також можливість його використання для оцінки динаміки змін опору ізоляції ТС 330 кВ під час моніторингу їх стану в умовах поточної експлуатації під робочою напругою.

У четвертому розділі описано принципи побудови функціональної структури системи комплексної діагностики ізоляції (СКДІ) конденсаторного типу високовольтного електрообладнання під робочою напругою. Структурна схема СКДІ наведена на рис. 9, де ЕА1…ЕАn - контрольовані електричні апарати; ППР1…ППРn - пристрої приєднання, які призначені обмеження напруги на вимірному виводі та захисту від перенапруг; СДІЗС - система діагностики ізоляції на змінному струмі; СДІПС - система діагностики ізоляції на постійному струмі; ПРЧР - пристрій реєстрації часткових розрядів, ПКіВ - пристрій керування та вимірювання, КВВ - коробка вторинних виводів ТС.

До виводів “И” та “З” в КВВ кожного ЕА двома екранованими кабелями під'єднуються відповідно пристрій ППР та системи СДІПС й ПРЧР, а також передбачено можливість під'єднанння, за допомогою накладок S1…Sn, системи СДІЗС. Керування пристроями СДІЗС, СДІПС та ПРЧР здійснюється за допомогою пристрою ПКіВ, який встановлюється на щиті управління підстанції (ЩУ ПС).

Використання такого підходу дозволяє шляхом застосування різних систем діагностики здійснювати дистанційне керування та вимірювання параметрів ізоляції як на змінному (tgд, , Сіз), так і постійному струмах (Rіз), а також відслідковувати величину та інтенсивність імпульсів ЧР, причому існує можливість одночасної діагностики одразу декількох електричних апаратів.

В дисертації розроблено систему діагностики ізоляції під робочою напругою (СДІПРН) для одночасної діагностики трьох ТС 330 кВ (з можливим перспективним зростанням до будь-якої їх кількості, залежно від кількості приєднань на даній підстанції). Система СДІПРН складається із пристроїв ППР, пристрою контролю ізоляції ПКІ та блоку вимірювання щитового ПКІ-1БВЩ.

До виводів “И” та “З” в КВВ кожного ТС двома екранованими кабелями під'єднуються відповідно пристрій ППР та вхід пристрою контролю ізоляції ПКІ. З виходів пристрою ПКІ до затискачів “И” ТСА, ТСВ, ТСС підводиться стабілізована напруга +100 В. Спад напруги, спричинений протіканням струму спливу в ізоляції ТС через еталонний резистор R2 вимірюється пристроєм ПКІ та підводиться до блоку вимірювання ПКІ-1БВЩ, який встановлюється на щиті управління підстанції. За виміряним значенням напруги пристроєм ПКІ або ПКІ-1БВЩ розраховують величину опору ізоляції ТС.

Пристрій ППР призначений для обмеження рівня напруги між затискачем “И” ТС та землею в процесі вимірювань (розімкнутий вихід ПКІ) до рівня 40 В, 50 Гц - за відсутності комутацій на ВРЗ 330 кВ, а також до 350 В ампл, що має місце під час комутацій на ВРЗ. За відсутності вимірювань ізоляції ТС виходи ПКІ постійно закорочені на екрани кабелів, які заземлені в КВВ кожного ТС, тому перенапруг на виводі “И” ТС не виникатиме.

Пристрій ПКІ-1БВЩ встановлюється на ЩУ ПС та призначений для керування пристроєм ПКІ і вимірювання величини контрольованого параметра.

За результатами вимірювань визначають величини опорів ізоляції ТС фаз А, В та С. Параметри схеми каналу вимірювання підібрані так, щоб за струму спливу, який відповідає опору ізоляції ТС Ri = 100 МОм, напруга, що висвітлюється на світловому індикаторі пристрою ПКІ-1БВЩ становила UVp= 10 В.

Розраховані значення опорів порівнюють із нормативним та з результатами попередніх вимірювань і роблять висновок про можливість подальшої експлуатації діагностованих ТС.

В розділі подано опис функціональної схеми СДІПРН ТС, принципові схеми її структурних частин, розглянуті основні режими роботи системи, досліджено вплив нестабільності параметрів конденсаторів, що встановлюються в пристроях ППР, на похибку вимірювань Дtgд. Показано можливість здійснення комплексної діагностики ізоляції ТС під робочою напругою, оскільки в діапазоні температур від -2 0С до +60 0С приріст Дtgд, спричинений змінами ємностей конденсаторів, не перевищуватиме 0,15%. Також наведені результати випробувань дослідного зразка системи СДІПРН на ВРЗ 330 кВ підстанції “Львів-Південна” Західної електроенергетичної системи НЕК “Укренерго”.

У додатках наведено розрахунки часткових похідних, що входять у вирази контрольованої напруги від параметрів розрахункової схеми; параметри заступної схеми високовольтної ізоляції ТС типу ТФУМ-330 для різних значень зволоженості та температури; порядок виконання калібрування та проведення вимірювань дослідним взірцем пристрою контролю ізоляції; результати експериментальних досліджень температурних коливань параметрів конденсаторів типу МЕТ; акти впроваджень результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ