Надежность силовых трансформаторов

Министерство  образования и  науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

  высшего профессионального образования

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Электротехнический  факультет

Кафедра электроснабжения 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ:

   Надежность  силовых трансформаторов 
 
 

    Выполнил:                   студент группы ЭПА-41                       Шубин И.Н. 

                                                                                          

    Проверил:                                                                                    Холманских В.М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Киров

    2006 

  Одной из проблем, связанных с надежностью  и развитием электрических сетей, является надежность работы силовых трансформаторов. Основное количество трансформаторов энергосистем России было введено в эксплуатацию в 70-е и начале 80-х годов XX в. В настоящее время накоплен достаточно большой опыт эксплуатации, позволяющий провести анализ и дать рекомендации по повышению надежности работы силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше.

  Анализ  повреждаемости трансформаторов и  автотрансформаторов напряжением 110 - 500 кВ мощностью 63 MB-А и более, эксплуатируемых на предприятиях электрических сетей, включая межсистемные сети России, за период 1998-2002 гг. показывает, что удельное число технологических нарушений в работе указанных трансформаторов, приведших к их отключению действием автоматических защитных устройств или вынужденному отключению персоналом по аварийной заявке, составляет 1,8% в год. При этом около 30% общего числа этих технологических нарушений сопровождались возникновением внутренних коротких замыканий в трансформаторе.

  Основными причинами технологических нарушений, не сопровождавшихся внутренними КЗ, но приведших к отключению действием автоматических защитных устройств или вынужденному отключению персоналом по аварийной заявке, являются (в процентах общего числа нарушений):

нарушения в  работе РПН - 20%;

течи масла  из вводов - 16%;

  течи  и упуск масла из трансформатора из-за нарушения сварных соединений и резиновых уплотнений-                            13%;

  повреждение двигателей маслонасосов системы охлаждения - 4%;

  повышение давления в высоковольтных герметичных вводах - 3%;

повреждение оболочки пленочной защиты - 2%.

  На  рис. 1 построена зависимость удельной повреждаемости трансформаторов, отключенных действием защит или выведенных из работы персоналом по аварийной заявке, от срока службы. Следует отметить, что характер зависимости полностью соответствует классической фундаментальной зависимости числа отказов при функционировании различных технических систем, которая характеризуется периодами приработки, стабильного функционирования и старения.

  Основными причинами технологических нарушений, сопровождавшихся внутренним КЗ в трансформаторе, являются (в процентах общего числа повреждений трансформаторов, сопровождавшихся внутренними КЗ):

  пробой  внутренней изоляции высоковольтных вводов - 48%;

недостаточная стойкость при КЗ - 14%;

износ изоляции обмоток - 12%;

пробой изоляции обмоток - 7%;

  пробой  изоляции отводов, нарушения контактного соединения отвода обмотки, обрыв части проводников гибкой связи, замыкание на ярмовую балку магнитопровода и корпус бака - 5%;

повреждения РПН - 5%.

50

 

Рис. 1. Удельная повреждаемость силовых трансформаторов (автотрансформаторов) напряжением 110 — 500 кВ мощностью 63 MBА и более, отключенных действием защит или выведенных из работы персоналом по аварийной заявке 

Рис. 2. Удельная повреждаемость с внутренними  КЗ силовых трансформаторов (автотрансформаторов) напряжением 110 — 500 кВ мощностью 63 MBА и более 

  Из  имевших место повреждений с  внутренними КЗ 24% происходили с возгораниями и пожарами трансформаторов. При этом удельная повреждаемость силовых трансформаторов и автотрансформаторов напряжением 110 - 500 кВ мощностью 63 MB-А и более, эксплуатируемых на предприятиях электрических и межсистемных сетей, сопровождавшаяся внутренними КЗ, составляет 0,45% в год.

  На  рис. 2 изображена зависимость удельной повреждаемости трансформаторов с внутренними КЗ от срока эксплуатации. Полученный график указывает на монотонный рост удельной повреждаемости трансформаторов, сопровождающейся внутренними КЗ, в зависимости от срока эксплуатации.

  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                            0-5    5-10 10-15  15-20 20-2525-30 30-35 35-4040-45 45-50 50-55

  Продолжительность эксплуатации, лет

Рис. 3. Относительное число силовых  трансформаторов и автотрансформаторов напряжением 11О — 500 кВ мощностью 63 MBА и более в зависимости от срока службы 

  На  рис. 3 показано распределение парка  силовых трансформаторов и автотрансформаторов напряжением 110-500кВ мощностью 63 МВ-А и более, эксплуатируемых на предприятиях электрических и межсистемных сетей, по срокам эксплуатации. Как видно из указанного распределения, около 32% трансформаторов отработали установленный ГОСТ 11677-85 минимальный нормированный срок службы 25 лет.

  Одной из проблем при развитии энергообъединений является рост уровней токов КЗ. Частота КЗ с токами, близкими к экстремальным значениям, зависит главным образом от числа присоединений [1,2]. Автотрансформатор в отличие от трансформатора имеет присоединения не только на стороне высшего и низшего, но и на стороне среднего напряжения, поэтому он находится в более тяжелых условиях, чем трансформатор. Отметим, что автотрансформаторы имеют, как правило, меньшее сопротивление короткого замыкания по сравнению с трансформаторами.

  Рост  уровней токов КЗ при вводе  новых генерирующих мощностей и развитии сетей энергосистем вызывает необходимость периодического уточнения нормируемых показателей, определяющих требуемую стойкость автотрансформаторов к воздействию сквозных токов КЗ. В настоящее время рекомендации стандарта МЭК IEC 60076 - 5 [3] и требования действующего в России ГОСТ 11677-85 [4] в части стойкости при КЗ достаточно близки. Результаты статистического анализа кратностей токов КЗ в обмотках автотрансформаторов напряжением 220 - 750 кВ показали, что при имеющих место тенденциях развития мощных энергосистем в России нет оснований ожидать в обозримом будущем существенного роста кратностей токов КЗ в этих цепях [5].

  Вместе  с тем, в настоящее время в  эксплуатации находится достаточно много трансформаторов, изготовленных в соответствии с ГОСТ 11677-65 [6], имеющих расчетную мощность трехфазного КЗ в 2,5 раза меньше принятой в ГОСТ 11677-85 [4], на которых возможны существенные превышения значений допустимых для них токов КЗ.

  Для указанных трансформаторов имеет  место фактор риска их повреждения вследствие протекания сквозных токов КЗ, что требует применения целенаправленных мероприятий, позволяющих снизить риск как в части вероятности повреждения трансформатора, так и в части возможных убытков.

  Как указано в [7], в практике координации  уровней токов КЗ применяются различные мероприятия по ограничению сквозных токов КЗ автотрансформаторов энергосистем при достижении токами 80% нормированного уровня и более:

  изменения схемы сети, обеспечивающие снижение токов КЗ;

стационарное  деление сети;

  введение  реакторов и резисторов в нейтраль автотрансформаторов;

  ограничение опасных воздействий токов КЗ на обмотки автотрансформаторов путем выбора очередности АПВ линий электропередачи и даже, в обоснованных случаях, блокировки АПВ;

применение методов  и средств диагностики.

   К мероприятиям, оказывающим прямое влияние на величину возможных убытков в случае возникновения аварийной ситуации, относятся действия персонала в соответствии с инструкциями, эффективность работы автоматической системы пожаротушения, работа релейной защиты и наличие необходимого резерва оборудования.

  Учитывая  значительную аварийность автотрансформаторов в эксплуатации при возникновении внешних КЗ, для повышения электродинамической стойкости автотрансформаторов принимаются специальные меры при их проектировании.

  В последние годы трансформаторными  заводами разработаны и изготавливаются трансформаторы с применением новых технических решений, конструктивных материалов и технологии производства.

  Проблема  обеспечения электродинамической  стойкости трансформаторов при КЗ - комплексная задача, включающая в себя:

  выполнение  электромагнитных расчетов с целью определения радиальных pi осевых сил в обмотках и максимального снижения осевых сил;

  выбор материалов и конструктивного исполнения обмоток, обеспечивающих механическую прочность обмоток при КЗ;

  выбор материалов и конструкции элементов  прессовки обмоток (ярмовые балки, прессующие кольца), обеспечивающих механическую прочность этих элементов при КЗ;

  внедрение технологического процесса обработки обмоток, обеспечивающего заданные усилия прессовки обмоток в эксплуатации.

  Следует отметить разработанные и реализуемые в настоящее время основные конструктивные и технологические решения, направленные на повышение электродинамической стойкости автотрансформаторов:

  применение транспонированных проводов с эпоксидным покрытием элементарных проводников, что значительно (не менее чем в 1,5 раза) повышает радиальную и осевую устойчивость обмоток при КЗ, в первую очередь применительно к обмоткам среднего напряжения;

  в регулировочных обмотках, которые наиболее подвержены повреждениям в эксплуатации, принимаются следующие меры: намотка на бакелитовый цилиндр, бандаж стеклолентой и пропитка лаком.

  Учитывая, что обеспечение заданных сил  прессовки обмоток в эксплуатации в ряде случаев определяет электродинамическую стойкость трансформаторов, необходимо внедрение такого технологического процесса обработки обмоток, который бы свел до минимума процент снижения сил прессовки обмоток в эксплуатации (не более 10 - 15%). Для этого необходимо:

  применять в обмотках только жесткий электрокартон марки В по ГОСТ 4194-88;

  проводить сушку обмоток (стабилизировать) под большим постоянным давлением не менее 48 ч;

  до  насадки на стержень обмотки не должны находиться на воздухе более 72 ч;

  при окончательной сборке трансформатора прессовка всех обмоток всех стержней должна проводиться заданными усилиями одновременно.

  Указанные решения реализованы в ХК "Электрозавод" при внедрении трансформаторов нового поколения [8].

  Одним из требований, предъявляемым к конструкции современных трансформаторов и автотрансформаторов, эксплуатируемых в электрических сетях, является возможность автоматизированного регулирования коэффициента трансформации под напряжением, необходимого для повышения эффективности находящих все большее применение средств компенсации реактивной мощности.

  Принципиальные  схемы регулирования напряжения и расположения обмоток, применяемые в трансформаторах и автотрансформаторах, показаны на рис. 4, 5. Все трансформаторы напряжением 220 - 330 кВ общепромышленного назначения (двух- и трехобмоточные) выполняются с устройством РПН (рис. 4, в и г), установленным в нуле обмотки высшего напряжения.