Исследование механизма выхода из строя внутренней изоляции трансформаторов тока с «газовой подушкой»

Исследование механизма выхода из строя внутренней изоляции трансформаторов тока с «газовой подушкой». * Л.А. ДАРЬЯН Приведен анализ работоспособности внутренней высоковольтной изоляции ТТ с «газовой подушкой» при различных видах эксплуатационных воздействий, приводящих к нарушению молекулярно-кинетического равновесия системы «газ – трансформаторное масло» (МКР). В работе на примере серийно выпускаемых трансформаторов тока с «газовой подушкой» рассмотрен механизм его выхода из строя, связанный с образованием и ростом микропузырьков в трансформаторном масле. Проанализированы различные случаи изменения МКР, имеющие место при эксплуатации трансформаторов тока, в частности изменения температуры и возникающие при этом изменения давления в ТТ. Для проверки расчетных данных была разработана и реализована программа экспериментальных исследований на серийном образце трансформатора тока класса напряжения 145кВ. Даны общие рекомендации по оптимизации конструкции ТТ и другого МНО c «газовой подушкой». 1. Введение В последние годы все большей популярностью у производителей высоковольтного маслонаполненного электрооборудования (МНО), преимущественно измерительных трансформаторов тока (ТТ) и напряжения, а также высоковольтных вводов, пользуется система компенсации температурного расширения трансформаторного масла (ТМ) (или другой изоляционной жидкости) в виде «газовой подушки» (ГП) над поверхностью ТМ. Использование такой системы технологически более выгодно по сравнению с существующими системами компенсации, позволяет упростить конструкцию МНО, и снизить его себестоимость. Оценка работоспособности внутренней изоляции МНО с «газовой подушкой» является актуальной проблемой, т.к. при изменении температурного режима МНО, вызванного перепадами наружной температуры, либо изменениями нагрузки самого аппарата, меняется газовое равновесие между газом, растворенным в масле и газом «газовой подушки». Указанное нарушение равновесного состояния приводит к изменению давления в МНО и, при определенных условиях, появлению и росту газовых включений во внутренней изоляции. Целью настоящей работы явилось изучение процессов образования газовых включений и развития частичных разрядов (ч.р.) в изоляционной системе трансформаторов тока (ТТ) с «газовой подушкой». Газовое равновесие в МНО В МНО газовой средой ГП, как правило, является азот. Теоретически возможно применение и других инертных газов или газовых смесей, если это оправдано экономически. В некоторых случаях в качестве газовой среды используется также и воздух. Однако, использование воздуха в высоковольтных конструкциях наименее предпочтительно, так как содержащийся в воздухе кислород создает благоприятные условия для прохождения окислительных реакций в материалах изоляционной системы, что, в свою очередь, приводит к интенсификации процесса старения этих материалов и сокращению срока службы внутренней изоляции МНО. Известно, что увеличение температуры и давления в системе «азот - трансформаторное масло» приводит к увеличению растворимости азота в трансформаторном масле. Результаты последних исследований [1] показывают, что в диапазоне температуры от 20 до 450С удельное увеличение растворимости азота составляет от 0,2 до 0,8 % на каждый градус увеличения температуры в зависимости от марки используемого масла, его химического состава и степени старения (рис.1). Рис.1. Растворимость азота для различных марок трансформаторных масел в диапазоне температуры (20-45)0С Коэффициент растворимости К(Т) определяется соотношением концентраций газов в жидкой Сж и газообразной Сг фазах: К(Т)= Сж/Сг На основе определенных в работе [1] экспериментальных данных можно получить эмпирические зависимости растворимости газов в трансформаторном масле от температуры. Термодинамический коэффициент распределения К(Т) экспоненциально зависит от обратной абсолютной температуры Т:   K (Т) = A expH/RT), где: А – эмпирический коэффициент; T = t +273,15; H – энергия активации; R – газовая постоянная. В нешироком диапазоне температуры - диапазоне рабочей температуры МНО - можно использовать более формализованный вид температурной зависимости:     K(Т)  =  A  expВ/T), где А и В – эмпирические коэффициенты. Например, для широко используемого трансформаторного масла типа Nytro 11 GX, зависимость коэффициента распределения азота от температуры будет иметь вид: K  =  3,3exp-1061,8/T) (1) Эти данные относятся к замкнутой герметичной системе «азот – ТМ» и по определению соответствуют состоянию равновесия при атмосферном давлении. При снижении температуры окружающей среды в указанной системе происходит снижение давления азота в ГП над ТМ, что приводит к выходу системы «азот – ТМ» из молекулярно-кинетического равновесия; концентрация азота в ТМ соответствует пересыщенному состоянию, и тем самым создаются условия для спонтанного образования газовых пузырьков в ТМ. Другими факторами, способствующими перенасыщению масла азотом (или другим газом ГП), помимо снижения температуры, являются: - наличие механических примесей в масле, являющиеся «центрами» образования зародышей газовых включений; - механические вибрации в масле, являющиеся следствием магнитострикционных явлений, а также вибраций обкладок в изоляции конденсаторного типа под действием кулоновских и электродинамических сил [2] Дальнейшие рассуждения по оценке возможности образования газовых включений в ТМ основаны на предположении, что в трансформаторном масле, помимо механических примесей, всегда присутствуют устойчивые микропузырьки газа, расположенные, как правило, на границе раздела жидкой и твердой сред (бумага-ТМ, песок-ТМ, внутренние металлические элементы конструкции МНО-ТМ, и т.д.). Условие механического равновесия пузырька радиусом r в жидкости можно записать в виде: , (2) где: - давление газа в пузырьке; - давление насыщенного пара; - коэффициент поверхностного натяжения; - гидростатическое давление, складывающееся из давления столба жидкости и внешнего давления (давления газовой подушки) : = + Рост газовых микропузырей происходит при условии: (3) Система «газ - ТМ» находится в состоянии равновесия, т.е. давление газа над поверхностью ТМ и растворенного в нем газа одинаковы. Допустим, в результате внешнего воздействия (тепло, ч.р. и т.д.) в жидкости образуется микропузырек. Дальнейшее поведение пузырька будет определяться процессами установления механического и молекулярно-кинетического равновесия. Механическое равновесие устанавливается за очень короткие времена – порядка (10-5 10-6) сек и определяется выражением (2). Молекулярно-кинетическое равновесие определяется соотношением концентраций газа в пузырьке Сг и в ТМ Сж. При этом, если парциальное давление газа в пузырьке меньше давления газа, при котором было установлено равновесие, то газ из ТМ диффундирует в пузырек, который увеличивается до размеров, при которых устанавливается равновесие. При обратном соотношении концентраций газов в пузырьке и в ТМ, наблюдается процесс уменьшения размера пузырька за счет диффузии газа из пузырька в жидкость. Эти процессы достаточно медленные и их длительность составляет несколько минут [3]. Дальнейший рост образовавшегося пузырька возможен в результате развития в нем ч.р. и образования газообразных продуктов разложения изоляции. Рост газовых пузырьков сопровождается дальнейшим увеличением интенсивности ч.р., что приводит, в конечном итоге, к пробою изоляции. Следует отметить, что весьма важным обстоятельством, влияющим на условия образования газовых пузырей в жидкости, является не только абсолютное значение изменения температуры внешней среды, но и ее скорость. Так, например, в соответствии с ГОСТ 15156-69, регламентирующего климатические факторы внешней среды, для оборудования категории исполнения У и УХЛ, время достижения минимального значения температуры внешней среды минус 400С может составить 8 часов. В то же время в некоторых районах России в 2005-2006 годах наблюдались аномальные изменения температуры окружающей среды: температура воздуха приближалась к минус 600С (рис.2). При этом скорость ветра достигала нескольких метров в секунду, что также значительно влияло на теплоотвод и, следовательно, скорость падения давления в «газовой подушке». Предварительные оценки показывают, что падение давления в ГП при указанной скорости ветра эквивалентно падению давления при температуре ниже минус 700С и отсутствии ветра. При этом, чем выше температура теплоотдающей поверхности МНО, тем ниже эквивалентная температура. Рис.2. Аномальные изменения температуры окружающей среды в период 2005-2006гг. Результатом образования газовых включений в изоляционной системе МНО является снижение напряжения возникновения ч.р., а также повышение их интенсивности. Согласно литературным данным, приведенным в [4] для насыщенного азотом трансформаторного масла, снижение значения давления от 1-ой атм. до 0,8 атм. приводит к снижению значения напряженности возникновения ч.р. почти в 2 раза. В то же время для дегазированного масла, при прочих одинаковых условиях, снижение напряженности возникновения ч.р. составляет только 25%. Расчет давления в ГП при различных условиях эксплуатации МНО Рассмотрим, на примере трансформатора тока, следующие четыре возможных на практике случая, при котором происходит изменение давления в ТМ, которое может привести к появлению в нем микропузырьков, частичным разрядам в них и пробою высоковольтной изоляции. 1-ый случай. Рассматривается случай, когда имеет место неравномерное распределение температуры по объему ТТ, в частности, температуры ГП и объема масла. Этот случай возможен, например, в странах с жарким климатом, при выпадении дождя, на сильно нагретую поверхность верхней части ТТ. Тогда быстрое снижение температуры верхней части ТТ, в котором находится ГП, может достигнуть нескольких десятков градусов (примем максимально возможный перепад температуры – 500С). Такой же перепад температуры возможен и при эксплуатации ТТ в условиях резко континентального климата Сибири (рис.2). Величина давления в газовой подушке при изменении температуры азота в системе «азот - ТМ», в случае пренебрежения диффузионными процессами перехода азота в ТМ и обратно, подчиняется закону Шарля: , (4) где, – текущее и исходное значение давления; Т0 и Т1 – исходное и текущее значение температуры, (К). Если принять, что снижение температуры по сравнению с исходным состоянием составляет, например, 500К, то уменьшение давления в ГП составит, примерно, 15%. 2-ой случай. Указанный случай распространяется на условия эксплуатации ТТ, когда изменение температуры равномерно по всему объему ТТ. Все расчеты основаны на универсальном газовом законе Менделеева - Клайперона: , (5) где - число молей газа в газовой подушке, P, V, T – соответственно давление, объем и температура в газовой подушке, R – универсальная газовая постоянная R = 8,314 Дж/(). Учтем изменение объема жидкости за счет теплового расширения. В данном случае, когда происходит относительно медленное снижение температуры, в ТТ имеет место уменьшение объема масла и, как следствие, расширение объема газовой подушки. При этом справедливо следующее выражение для расчета изменения объема масла: , (6) где TkV=710-4 1/K – объемный температурный коэффициент расширения трансформаторного масла; Vm, Vm0 – объемы ТМ при температуре T1 и T0. Если учесть, что при изменении объема масла происходит изменение объема газовой подушки, то можно получить выражение: (7) где, Vgo – объем газовой подушки при исходной температуре. В соответствии с технологией изготовления ТТ, его герметизация проводится при комнатной температуре 200С. При этом давление в газовой подушке составляет 1 атм. Анализ выражения (7) показывает, что при соотношении объема ГП к объему трансформаторного масла при 200С, =Vgo/Vmo=0,15, давление в ГП при минус 600С составит 0,55 атм., т.е., примерно, 50% от исходного значения. Из выражения (7) следует, что при увеличении значения диапазон изменения давления в ГП уменьшается. Это обстоятельство необходимо учитывать при конструировании МНО с ГП. Как будет следовать из дальнейших рассуждений, увеличение значения позволяет уменьшить риск возникновения и развития ч.р. во внутренней изоляции. 3-ой случай. Анализируется процесс установления газового равновесия в ТТ при медленном изменении температуры ТТ. Принимаем, что скорость изменения температуры настолько мала, что газовое равновесие успевает установиться. Рассмотрим различные варианты изменения плотности газа и давления, с учетом изменения коэффициента распределения газа между газовой и жидкой фазами. Если при температуре Т0, при которой заполнялся аппарат газом, установившиеся концентрации газа в газовой фазе и газа в жидкой фазе связаны соотношением Сж= К(Т0)Сг, то после нагревания, например в штатном режиме работы ТТ, концентрация газа изменится: изменятся: , (8) Выражение (8) можно уточнить, дополнительно учитывая изменение объема масла с изменением температуры: (9) Подставив полученное выше эмпирическое выражение (1) в (9) получим окончательную формулу для концентрации газа в ГП, пригодную для дальнейшего анализа: (10) Для удобства рассуждений, приведем выражение для давления газа в ГП: (11) 4-ый случай. Рассмотрим последний, наиболее опасный для изоляции ТТ, случай. Если, после изготовления трансформатора, условия хранения, транспортировки и установки на место эксплуатации были таковы, что не происходило интенсивного растворения газа и ГП в масле, следовательно, газовое равновесие в аппарате не установилось. В этом случае трансформаторное масло, на момент ввода ТТ в эксплуатацию, оказалось недонасыщенным газом, и его насыщение будет происходить в условиях эксплуатации. Для этого случая можно получить выражение, аналогичные (10 и 11). (12) (13) Подставив в (13) значения постоянных величин для испытуемого ТТ, окончательно получим (14) Наиболее опасная ситуация с ТТ может возникнуть при совпадении двух из 4-х вышерассмотренных случаев: 4-го и 1-го. На практике это реализуется при наибольшей нагрузке, когда в результате температурного воздействия концентрация газа в ГП достигает минимального значения в соответствии с выражением (8), и относительно быстром охлаждении (когда не успевает установиться молекулярно-кинетическое равновесие между газом, растворенным в жидкости, и ГП). Выбор диапазона давлений в ГП серийно производимого ТТ при разработке методики эксперимента, проводился на основе полученных выражений (11) и (13) с учетом (4). При этом было принято, что перепад температуры между ГП и ТМ при быстром охлаждении ТТ составлял 500С. Рис.3. Зависимость давления в ТТ, возникающего при относительно быстром охлаждении аппарата. (1- (3-й+1-ый) случаи, равновесие газа в ГП и масле установилось до ввода в эксплуатацию 2 – (4-ый +1-ый) случаи – равновесие газа в ГП и масле не установилось до начала эксплуатации. На рис.3 по оси x отложена средняя температура МНО при номинальной нагрузке, а по оси y – давление в МНО. Нетрудно заметить, что в зависимости от условий установления равновесия между газом в ГП и ТМ, значение давления в МНО колеблется, примерно, от 0,5 до 0,8 бар. Экспериментальная часть. Объект испытаний. Объектом испытаний был выбран ТТ класса напряжения 145 кВ серийного исполнения. Газовой средой в ГП является азот. Трансформатор прошел все типовые и приемо сдаточные испытания в соответствии со стандартом МЭК 60044 1. Уровень ч.р. в ТТ при напряжении 275 кВ в течение 1 мин., не превышал 5 пК. После проведения испытаний трансформатор хранился на открытом воздухе в течение почти 4-х лет. В течение этого времени никаких других операций с ТТ не проводилось. Особенности конструкции ТТ. В отличие от многих других видов ТТ, изоляционная система испытуемого ТТ состояла из 4-х компонентов: бумаги, трансформаторного масла, кварцевого песка и азота. Соотношение весов кварцевого песка и трансформаторного масла составляло, примерно, 1,65. Объем «газовой подушки» при атмосферном давлении составлял, примерно, 15% от объема масла. Следует отметить, что в процессе производства герметизация ТТ (финишная операция) производится при комнатной температуре и атмосферном давлении. Радиальная и продольная составляющие напряженности электрического поля в изоляционной системе конденсаторного типа при наибольшем рабочем напряжении 145/3 кВ не превышают, соответственно 6 кВ/мм и 0,15 кВ/мм. Распределение напряженности электрического поля показано на рис.4 а,б. Рис.4а. Радиальная составляющая напряженность в изоляции ТТ при наибольшем рабочем напряжении Рис.4б. Продольная составляющая напряженность в изоляции ТТ при наибольшем рабочем напряжении Для проведения испытаний ТТ был незначительно модифицирован, а именно: в верхней части ТТ, где находится ГП, были установлены манометр для контроля давления в «газовой подушке», а также переходной клапан, обеспечивающий регулирование давления в «газовой подушке». Соединение с вакуумным насосом осуществлялось через штуцер (рис.5). Манометр Клапан Штуцер для соединения с вакуумным насосом Рис. 5. Модификации ТТ, проведенные перед испытаниями Схема и методика испытаний.

Похожие:

	Рефераты публикуемых статей Закономерности старения изоляции и оценка срока службы силовых конденсаторов. Александрова Н. П., Манн А. К., Мамина Р. Н. – Исследование...		Радикальное энергетическое совершенствование трансформаторов и электрических... Аэм. Рассматриваются методы и устройства их энергетического совершенствования на основе принципа циркуляции реактивной мощности и...
	Основы Конституционного строя России Ведущий 1: Конституция – основной закон государства и общества, регулирующий важнейшие стороны их внутренней организации		Рефераты публикуемых статей Совершенствование методов ресурсных испытаний высоковольтных силовых кабелей с бумажно-масляной изоляцией. Гречко О. Н., Казачек...
	Рефераты №4 Исследование механизма образования трещин и разрушения рабочих лопаток турбин аэс		Физика п. 51, конспект, по желанию – презентации «Получение и передача... Цель тренинга: формирование установки и накопление необходимых знаний и опыта для конструктивного выхода из конфликтных ситуаций
	Дипломный проект тема Исследование динамических свойств автоматической... Тема Исследование динамических свойств автоматической системы регулирования тока тяговых двигателей электровоза 2ЭС6		Рабочая программа учебной дисциплины «расчет, конструирование и системы электрической изоляции» Целью дисциплины является формирование знаний о принципах и особенностях конструирования и эксплуатации систем электрической изоляции...
	Министерство образования Российской Федерации Санкт Петербургский... Определение высоковольтной проводимости и конвективного механизма тока. Знакомство с эгд-технологиями и устройствами. Особенности...		Исследование процесса рафинирования сплавов хрома при помощи газовой и шлаковой обработки Диссертационная работа выполнена на кафедре Металлургии Стали и Ферросплавов Национального исследовательского технологического университета...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Образовательные расширить знания учащихся о работе тока, его действиях, потребителях тока. Сформировать понятие мощности постоянного...		Лекция Гесенко Глава Заземление и защитные меры электробезопасности... Правил распространяется на все электроустановки переменного и постоянного тока напряжением до 1 кВ и выше и содержит общие требования...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Образовательная: способствовать формированию представлений о физической величине, называемой силой тока; формирование познавательного...		Совершенствование организационно-экономического механизма управления... Охватывает как внутреннюю, так и внешнюю кредитно-инвестиционную среду. Во внешней среде происходит мобилизация кредитных ресурсов,...
	Схема Стратегия центрального банка Процентный канал трансмиссионного механизма Российский рынок межбанковского кредитования как элемент трансмиссионного механизма денежно-кредитной политики		Исследование параметров детонации, а также механизма ударно-волнового... ...