СКИТ - система контроля состояния трансформаторов

Монастырский А.Е., Пильщиков В.Е. (СПбГТУ, с.-Петербург)

Системы непрерывного мониторинга мощных энергетических объектов, и силовых трансформаторов в том числе, развиваются в последние годы все более быстрыми темпами. Необходимость таких систем очевидна, поскольку существующая система периодического контроля позволяет выявлять лишь медленно развивающиеся дефекты в изоляции, а их количество составляет всего 40 процентов от общего количества дефектов. В настоящем докладе описана система контроля изоляции трансформаторов высших классов напряжения - комплекс СКИТ, разработанная в С-Петербургском Государственном Техническом Университете и предназначенная для измерения параметров, определяющих процессы старения и разрушения изоляции силовых трансформаторов высших классов напряжения.
Комплекс позволяет производить измерения следующих параметров:

1. объемную концентрацию горючих газов, растворенных в масле;
2. влажность масла;
3. концентрацию механических примесей в масле;
4. тангенс угла диэлектрических потерь высоковольтных вводов;
5. амплитуду кажущегося заряда и интенсивность частичных разрядов (ч.р.).

Информация, получаемая в результате измерений перечисленных параметров, позволяет:

1. предотвратить аварийный режим (аварийное повреждение) трансформатора, вызванный старением или развитием местного дефекта в изоляции;
2. производить своевременный ремонт трансформатора, не допуская больших очагов повреждения;
3. иметь представление о текущем состоянии изоляции.

Комплекс может также использоваться для обнаружения места повреждения изоляции трансформатора.
Вышеперечисленные параметры измеряются в следующих пределах в следующих пределах:

1. концентрация растворенных в масле горючих газов              50... 1000 ррм;
2. влажность масла                                                                              10 ... 100 ррм;
3. концентрация механических примесей с размерами в диапазоне 5...500 мкм                до 100 000 шт. в 100 см3;
4. tg δ высоковольтных вводов 0,1... 10%;
5. частичные разряды в изоляции электрическим и акустическим методами с построением амплитудных спектров ч.р. по кажущемуся заряду в диапазоне                                                          10‘9... 3 * 10"5 Кл

и интенсивностью до                                                                                             10+5
имп/с.
Питание комплекса осуществляется от сети переменного тока промышленной частоты 50 Гц напряжением 220 В ±10%.
Потребляемая мощность не более 400 Вт при номинальном напряжении сети.
Рабочий диапазон температур:
датчиков, устанавливаемых на трансформатор -                              -20 ... +40
°С;
центрального прибора и блока встроенных датчиков -                     +5 ... +40
°С.
Вес                                                                                                                            25
кг.
Внешний вид комплекса показан на рис. 1.

Рис.1. Внешний вид комплекса "СКИТ”.

В состав комплекса входят:

1. Блок встроенных датчиков (БВД), выполненный в виде герметичного блока, устанавливаемого на бак трансформатора или трубопроводы системы охлаждения, в состав которого входят: измерители концентрации растворенных в масле горючих газов, влажности масла и концентрации механических примесей.
2. Блок датчиков преобразователей, представляющий собой электрический шкаф с размещенными в нем первичными преобразователями измерителя tg δ и электрических каналов измерителя частичных разрядов.
3. Комплект акустических датчиков со струбцинами крепления их на корпусе трансформатора.
4. Емкостные делители напряжения.
5. Центральный регистрирующий прибор.
6. Вычислительный комплекс нижнего уровня на основе IBM - совместимого компьютера с платой сопряжения и соответствующим программным обеспечением.

Блок - схема комплекса диагностики представлена на рис.2.

Рис.2. Блок - схема диагностического комплекса "СКИТ".
Блок встроенных датчиков представляет собой герметичную полость, соединенную через масляные вентили с маслом трансформатора. Установка блока встроенных датчиков возможна как на баке трансформатора, так и в системе маслоохладителя.
В масляной полости устанавливаются датчики концентрации горючих газов, влажности твердой изоляции и концентрации механических примесей в масле. Электронные схемы измерителей устанавливаются в водонепроницаемой крышке блока.
Измерение концентрации горючих газов в масле (Н2, СН4, СО) основываются на принципе равновесного газосодержания в системе масло-газ, разделенной полупроницаемой маслостойкой мембраной. Датчик представляет собой газовую полость с установленным в ней адсорбционно-чувствительным элементом, меняющим свое электрическое сопротивление в зависимости от концентрации горючих газов окружающих его. Газовая полость отделена от масляного объема БВД полупроницаемой полимерной мембраной. Горючие газы, проникая через мембрану, создают в газовой полости газовую смесь, равновесную с содержанием газа в масле. Измерив концентрацию газа в газовой полости и зная соотношение равновесия можно рассчитать концентрацию растворенных в масле газов.
Акустический датчик состоит из пьезокерамического преобразователя и предварительного усилителя. Цилиндрический корпус датчика с помощью подпятника и струбцины устанавливается на стенке бака трансформатора, плотно прижимается к стенке бака и имеет с ней акустический контакт. Для обеспечения акустического контакта поверхность бака трансформатора в месте прилегания датчика зачищается от краски и шлифуется, а при установке датчика на звуковод наносится несколько капель
касторового масла. При частичных разрядах во внутренней изоляции трансформатора, возникающие акустические колебания воздействуют на пьезокерамический преобразователь, который преобразует акустический сигнал в электрический. Электрический сигнал поступает на предварительный усилитель. Предварительное усиление позволяет соединить акустический датчик с измерителем ч.р. кабелем длиной до 100 м без снижения чувствительности измерений. Питание акустического датчика осуществляется от стабилизированного источника +12 В, расположенного в измерителе ч.р. Измерение характеристик ч.р. может производиться в непрерывном режиме.
Блок датчиков преобразователей представляет собой водонепроницаемый электрический шкаф в котором размещаются входные устройства электрических каналов измерителя частичных разрядов и первичные преобразователи измерителя tg δ высоковольтных вводов. Входы блока подключаются к измерительным выводам высоковольтных вводов, а выходы подключаются с помощью коаксиальных кабелей к центральному регистрирующему прибору.
Центральный регистрирующий прибор смонтирован в стандартном прямоугольном корпусе IBM - совместимого компьютера. Он состоит из измерителя частичных разрядов,          измерителя tg δ высоковольтных вводов, измерителя концентрации механических примесей в масле, а также блоков питания, сопряжения с вычислительным комплексом и других вспомогательных элементов. Измеритель частичных разрядов состоит из блока управления и коммутации, блока фазовой селекции, 3 каналов измерения ч.р., а также входных и выходных разъемов, органов управления и коммутации. Все блоки, кроме блока управления и коммутации, имеют соответствующие разъемы для подсоединения. Сборная плата выполнена с помощью проводного монтажа.
Измеритель имеет три одинаково устроенных канала измерения ч.р. Измерение ч.р. проводятся по восьми уровням амплитуды кажущегося заряда ч.р. Измеряется количество импульсов ч.р. в секунду, превышающих заданный уровень (q^). В результате одного отсчета получается зависимость n(q,)по восьми точкам n(q,), n2(q2) . . • n8(qg). Первый уровень представляет собой порог чувствительности, который ориентировочно равен 10-10 Кл по кажущемуся заряду ч.р. Весь диапазон измерений по амплитуде составляет 70 дБ ( 3,5 порядка) от 10-10 до 3 - 10-7 Кл. Величина п, (количество импульсов в секунду) измеряется в диапазоне от 1 до 105 имп./с.
Блок фазовой селекции позволяет проводить измерения за 1 миллисекунду в заданный момент времени периода промышленной частоты. При включении переключателя «Сумма» блок фазовой селекции выключается и измерения проводятся непрерывно, т.е. за весь период промышленной частоты.
Прибор позволяет проводить измерения в автоматическом (автономном) или в ручном режимах. В ручном режиме выбор фазы (А, В или С) и момента времени измерений ( в пределах периода промышленной частоты) производится оператором вручную.
Вычислительный комплекс нижнего уровня предназначен для сбора, обработки и анализа измерительной информации. Основным элементом ВК является IBM - совместимый компьютер, который соединяется с ЦРП с помощью специального кабеля. Компьютер оснащается платой сопряжения соответствующим программным обеспечением. Программное обеспечение обеспечивает автоматический сбор измерительной информации, предварительную обработку и архивирование ее, анализ получаемой информации и постановку диагноза состояния трансформатора на основе измерительной информации комплекса. Вывод информации и диагнозов возможно производить как с вычислительного комплекса нижнего уровня, так и передавать на более высокие уровни (блочный щит, диспетчерская служба и т.д.) с помощью любых доступных систем связи.
Комплекс прошел промышленную эксплуатацию на блочных трансформаторах Сургутской ГРЭС-2 (1000 MBA 500кВ - более 9 лет) в жестких климатических условиях Крайнего Севера.