Снижение уровней изоляции трансформаторов высших классов напряжения

ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ТЕХНИКА

СНИЖЕНИЕ УРОВНЕЙ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ВЫСШИХ КЛАССОВ НАПРЯЖЕНИЯ

А. К. ЛОХАНИ Н, канд. техн. наук ВЭИ имени В. И. Ленина

Снижение уровней изоляции (испытательных напряжений) силовых трансформаторов в последние годы широко обсуждается в мировой практике в связи с появившейся возможностью существенного ограничения перенапряжений благодаря применению оксидно-цинковых ограничителей перенапряжений.
В этом плане рассматриваются два основных вопроса: повышение технико-экономических параметров силовых трансформаторов и надежность их работы.
Для отечественной практики, связанной с развитием электропередач ультравысокого напряжения (1150 кВ), снижение уровня изоляции связано также с возможностью разработки электрооборудования на сверхвысокие параметры.
Эффективность снижения уровня изоляции силовых трансформаторов зависит от многих факторов: класса напряжения, количества обмоток, их параметров и расположения на магнитопроводе, стоимости материалов и потерь и пр. Согласно [1] для трансформаторов 330- 750 кВ каждый процент снижения испытательных напряжений приводит к уменьшению полной массы трансформатора на 0,4—0,7 %, народнохозяйственных затрат — на 0,2—0,3 % и увеличению предельной мощности на 0,6-0,8 %.
Предел эффективного снижения уровня изоляции определяется прочностью при кратковременных воздействиях, которой будет обладать изоляция, выбранная с учетом только длительного воздействия рабочего напряжения.
На основе проведенных в последние годы исследований и результатов опытно-промышленной эксплуатации группы трансформаторов 135 МВ-А, 500 кВ для главной изоляции трансформаторов сверхвысокого, напряжения предельно допустимую рабочую напряженность можно считать рапной 50 кВ/см. При этом для существующих конструкций изоляции отношение одноминутной прочности к прочности при длительном воздействии напряжения составит 1,4, а прочности при коммутационных импульсах к прочности при длительном воздействии — 1,4-1,35 = 1,9, где 1,35 — коэффициент импульса.
Расчеты электрического поля в наиболее напряженных узлах главной изоляции и исследование прочности маслобарьерной изоляции показывают, что отношение прочности изоляции трансформатора при коммутационных импульсах к прочности при грозовых импульсах находится в пределах 0,9 —1,0.
Если принять интервал координации (отношение испытательного напряжения к защитному уровню разрядника) при коммутационных перенапряжениях равным 1,15, а при грозовых 1,25—1,35, то оптимальное соотношение защитных уровней при коммутационных и грозовых перенапряжениях будет составлять

Отсюда следует, что снижение защитного уровня при коммутационных перенапряжениях ниже, чем (1,9/1,15 = 1,65)а при грозовых ниже, чем (1,9/1,35 = 1,4)что соответствует испытательным напряжениям при грозовых и коммутационных импульсахне дает существенного экономического эффекта.
Оценки , данные в [2], исходили из отношения прочности при одноминутном воздействии к длительной, равного 1,75.
Снижение уровней изоляции систематически проводится как в СССР, так и за рубежом. Если взять в качестве базисной величины испытательное напряжение полного грозового импульса (оно, как правило, определяет основные изоляционные промежутки в трансформаторе). то при переходе от класса напряжения 220 кВ к классу 1150 кВ отношение (К) испытательного напряжения полного грозового импульса к амплитуде рабочего напряжения было снижено с 3,7 до 2,8. В практике США значения К, близкие к 2,8, применяются для классов напряжения 330—750 кВ. В пересматриваемом проекте Публикации 71 МЭК "Координация изоляции" указаны еще более низкие значения А (до 2,3).
В США ведутся исследования по созданию силовых трансформаторов на напряжение 500 кВ с К = 2,3 -f 2,4.
На коллоквиуме Исследовательского комитета 33 СИГРЭ ("Перенапряжения и координация изоляции") в 1987 г. рассматривался вопрос о снижении уровня изоляции электрооборудования в связи с пересмотром публикации МЭК 71. Однозначного мнения не было выявлено. Например, специалисты ФРГ считают, что поскольку применение ограничителей перенапряжений не приводит к существенному уменьшению защитного уровня при грозовых воздействиях, являющихся определяющими для электрооборудования, нельзя осуществить заметное снижение уровня изоляции и получить существенный экономический эффект. Японские специалисты указывали на намечаемое снижение уровня изоляции для силовых трансформаторов и КРУЭ в сети 500 кВ на 20—30 %. Определенная осторожность в широком применении сниженных уровней изоляции объясняется также возможностью роста аварийности электрооборудования.
Безусловно, уменьшение размера изоляционных промежутков при снижении уровня изоляции приводит к увеличению рабочих напряженностей.
Поэтому снижение испытательных напряжений основывается не только на совершенствовании способов ограничения перенапряжений, оно требует также совершенствования конструкции изоляции, технологии производства, заводских испытаний, мер по поддержанию необходимого качества изоляции в условиях эксплуатации.
Часто причиной повреждений изоляции считают снижение значения испытательных напряжений.
Например, массовые аварии с трансформаторами класса напряжения 330 кВ в СССР связывались с недостаточно высоким уровнем их изоляции (полный грозовой импульс 1050 кВ, одноминутное испытательное напряжение 460 кВ) Однако детальный анализ характера повреждений изоляции показал, что они были обусловлены наличием грубых отклонений в производстве обмотки и технологии изготовления изоляции в условиях более высоких напряженностей, а также недостатками применяемых материалов и изделий (обмоточного провода, погружных насосов, вводов и др.), метода контрольных испытаний (неполное выявление повреждений изоляции под действием испытательного напряжения), а также монтажа и эксплуатации.
Опыт эксплуатации трансформаторов напряжением 330 кВ показал, что изоляция не повреждалась в результате воздействия грозовых перенапряжений, что не было повреждений изоляции, причиной которых было бы воздействие внутренних перенапряжений.

 Неполадок с изоляцией, которые прямо или косвенно выявляли бы недостаточность значений нормированных испытательных напряжений, не было.
Например, из выпуска 1966—1970 гг. шесть трансформаторов класса напряжения 330 кВ вышли из строя из- за недостатков конструкции переключающего устройства РПН на стороне обмотки 110 кВ. Среди этих недостатков — попадание воды в контактор. Еще пять трансформаторов вышли из строя из-за пробоя узла соединения концентров обмотки 330 кВ на землю, обусловленного резким снижением электрической прочности этого узла в условиях эксплуатации вследствие неудачной конструкции изоляции и специфическим расположением узла внизу бака трансформатора.
В трехфазных трансформаторах 330 кВ, как и 220 кВ, были неполадки с междуфазной изоляцией. Характер повреждений изоляции показывает, что их нельзя относить к воздействию внутренних перенапряжений. Причина повреждений — несовершенство конструкции дистанцирующих элементов междуфазной изоляции, не стойкой по отношению к воздействию длительного рабочего напряжения.
Шесть повреждений продольной изоляции обмоток 330 кВ были вызваны дефектами обмоточного провода и изоляции и не были связаны с повышенными воздействиями напряжения.
Устранение этих дефектов резко снизило аварийность трансформаторов этого класса напряжения. При этом уровни изоляции трансформаторов остались неизменными.
Опыт эксплуатации силовых трансформаторов высших классов напряжения показал также, что проведение только одноминутного испытания напряжением промышленной частоты является недостаточным для обеспечения эксплуатационной надежности оборудования.
Обязательным (наряду с одноминутным испытанием) является проведение длительных испытаний (в течение не менее 30 мин) повышенным рабочим напряжением с измерением интенсивности частичных разрядов (с допустимым уровнем 3-10-10 Кл).
Многолетний опыт эксплуатации подтверждает эффективность таких испытаний [4].
По-видимому, аналогичная ситуация имеет место в последнее время с трансформаторами 765 кВ в США и Канаде [5, 6].
Таким образом, вопрос о выборе и проверке работоспособности изоляции при длительном воздействии рабочего напряжения приобретает все возрастающее значение
В 1978 г. ВИТ совместно с ВЭИ имени В. И. Ленина разработал, а ПО "Запорожтрансформатор" изготовил группу опытно-промышленных трансформаторов ОРЦ 135000/500 с резко сниженным уровнем испытательных напряжений, значения которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

Для защиты этих трансформаторов были разработаны и изготовлены специальные ограничители перенапряжений ОПНГ-500У1, обеспечивающие требуемые защитные уровни
Принятые значения испытательных напряжений предполагали выбор размеров основных изоляционных промежутков в трансформаторе только по длительному воздействию рабочего напряжения.
В табл. 1 приведены сравнительные технико-экономические характеристики опытно-промышленного трансформатора ОРЦ 135000/500 и аналогичного серийного трансформатора, разработанного на испытательные напряжения по ГОСТ 1516.1-76. Снижение испытательных напряжений привело к уменьшению потерь х.х. на 31 %, массы — на 27 %.
Конструкция трансформатора была выполнена в традиционном исполнении блочных трансформаторов СВН.
Изоляция основных узлов выбиралась исходя из принятых испытательных напряжений с учетом комплекса исследований по допускаемым напряженностям в изоляции при рабочем напряжении. В результате по сравнению с серийно выпускаемыми блочными трансформаторами 500 кВ изоляционные промежутки в трансформаторе ОРЦ-135000/500 были снижены: между обмотками ВН и НН — на 33 %, от обмотки ВН до бака — на 20%. от экрана ввода 500 кВ до бака — на 12 %.
Три фазы были изготовлены по технологии, применяющейся при изготовлении трансформаторов 750 кВ.
Все три фазы успешно выдержали приемо-сдаточные испытания, а головной образец — приемочные. Интенсивность ч. р. при одночасовом напряжении не превышала 3· 10-10 Кл.
В конце 1979 — начале 1980 г группа опытно-промышленных трансформаторов, успешно в полном объеме прошедшая комплекс заводских типовых и приемосдаточных испытаний, была смонтирована и введена в эксплуатацию на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина.
Трансформаторы оборудованы пленочной защитой масла от окисления и увлажнения. Кроме того, в процессе эксплуатации предусмотрена непрерывная очистка масла с помощью специального фильтра (8 мкм), обеспечивающего фильтрацию всего объема масла за 30 ч.
После ввода трансформаторной группы в эксплуатацию (март 1980 г.) проводились постоянные наблюдения за режимом их работы, автоматически регистрировался уровень перенапряжений, контролировалось состояние внутренней изоляции путем проведения нормированных профилактических испытаний и комплекса дополнительных испытаний.
Группа трансформаторов практически постоянно находилась в работе. Достаточно часто происходили коммутации с отключением трансформаторов, в том числе и в холодное время года. Последнее представляется весьма важным для апробации работоспособности изоляции, так как при низких температурах возможно снижение электрической прочности, обусловленное процессами миграции влаги между твердой изоляцией и маслом.
Для регистрации перенапряжений, воздействующих на изоляцию трансформаторов в процессе эксплуатации, на опытно-промышленной группе ОРЦ-135000/500 были установлены регистраторы. Эти приборы позволяют производить непрерывный автоматический контроль перенапряжений на вводах 500 кВ. В качестве датчиков используются ПИНы вводов 500 кВ, к этим датчикам подсоединены блоки, фиксирующие перенапряжения любой формы и длительности. Устройство позволяет вести регистрацию перенапряжений по пяти ступеням кратности в пределах от 1,3 до 1,7.

Наибольшие измеренные кратности перенапряжений на опытно-промышленной группе составили

В процессе эксплуатации группы опытно-промышленных трансформаторов постоянно велось наблюдение за состоянием их внутренней изоляции, работающей в условиях высокой рабочей напряженности и раннее обнаружение ч. р.
Для решения этой задачи в первую очередь использовалась методика, основанная на анализе состава и концентрации газов, растворенных в масле работающего трансформатора. В качестве дополнительных средств использовались результаты измерений интенсивности ч.р. в эксплуатации и данные нормированных профилактических испытаний. Результаты этих испытаний показывают практически полное отсутствие каких-либо изменений характеристик в эксплуатации по сравнению с заводскими [7].
Пробивное напряжение масла в стандартном разряднике в процессе эксплуатации практически не изменилось и для всех трех трансформаторов лежит в пределах 75—80 кВ. Влагосодержание масла в процессе эксплуатации не превышало 10 г/т.