Oбразование и развитие частичных разрядов в бумажно

Oбразование и развитие частичных разрядов в бумажномасляной изоляции высоковольтного оборудования в условиях
эксплуатации
Вдовико В.П.
Проблема образования и развития частичных разрядов (ЧР) в изоляции маслонаполненного
оборудования высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжений в условиях его
эксплуатации представляет большой интерес как для персонала, эксплуатирующего оборудование,
так и для разработчиков оборудования и исследователей электрической изоляции. ЧР
представляют большую опасность для изоляции из-за быстрого ее разрушения в локальных зонах
и последующего пробоя изоляционных промежутков.
Существующая аварийность трансформаторов тока 330-500 кВ и вводов 110-500 кВ, содержащих
бумажно-масляную изоляцию, вследствие образования ЧР в изоляции вызывает потребность
детального анализа причин, приводящих к возникновению ЧР и созданию аварийных ситуаций.
Традиционно считается, что в изоляции трансформаторного оборудования, выдержавшего
испытания в условиях завода-изготовителя, в том числе на отсутствие ЧР, превышающих
нормированный уровень, в условиях эксплуатации ЧР возникают вследствие внесения дефектов в
виде металлических и газовых включений, например, из системы охлаждения.
Проводимые на заводах испытания подтверждают качество изготовленного оборудования и
соответствие его техническим требованиям. При этом предполагается, что выполненные
испытания отражают те наиболее опасные воздействия, которые могут быть при эксплуатации
этого оборудования. В основном все виды испытаний представлены в нормативно-технических
документах [1-11] и в большей степени относятся к электрической изоляции как главному
элементу высоковольтного оборудования, определяющему его эксплуатационную надежность.
Представляет интерес рассмотреть более детально влияние эксплуатационных воздействий на
образование и развитие локальных дефектов в так называемой «бездефектной» изоляции и
выяснить возможность образования в ней ЧР.
На изменение свойств изоляции в условиях эксплуатации существенное влияние могут оказывать
увлажнение, температурное воздействие, динамические усилия, окисление, перенапряжения и др.
Электрическая изоляция трансформаторов тока и вводов является композиционной, состоящей
из твердого диэлектрика (бумага, электротехнический картон) и жидкого диэлектрика
(трансформаторное масло).
Электрическая прочность бумажно-масляной изоляции и масла существенно зависит от таких
эксплуатационных факторов, как нагрев и увлажнение (рис. 1-4) [12-15 и др.].
Рис. 1. Зависимость электрической прочности бумаги от степени сушки
Электрическая прочность хорошо высушенной бумажно-масляной изоляции практически не
зависит от температуры в диапазоне от -40 °С до +120 °С. Плохо высушенная бумажно-масляная
изоляция и даже незначительно увлажненное масло снижают свою электрическую прочность.
Фазовый переход содержащейся в масле влаги при снижении температуры в область +10 - -20°С
приводит к уменьшению электрической прочности масла более чем в 2 раза.
Рис.2. Зависимость электрической прочности бумажно-масляной изоляции
от температуры
В изоляции трансформаторов тока и вводов, имеющих удовлетворительные характеристики,
всегда содержатся масляные прослойки или газовые пузырьки. При этом масляные прослойки
могут иметь протяженный вид или вид диэлектрических клиньев (рис. 5).
Рис. 3. Зависимость электрической
прочности масла от влагосодержания
Рис. 4. Зависимость электрической
прочности масла от температуры
Рис. 5. Структура фрагментов бумажно-масляной изоляции
В бумажно-масляной изоляции максимальная толщина масляных прослоек может достигать одной
или двойной толщины бумажной ленты. Газовые пузырьки имеют диаметр в диапазоне от десяток
до сотен мкм. Газовые пузырьки диаметром от 1 мм и более являются явным дефектом изоляции и
изоляция с такими дефектами не может быть отнесена к изоляции с удовлетворительными
характеристиками.
При воздействии рабочего напряжения средняя напряженность электрического поля Е ср в
рассматриваемых электроизоляционных системах оборудования 220-500 кВ, не имеющих явных
технологических дефектов, может находиться в диапазоне от 2 до 4 кВ/мм. Например, в
трансформаторах тока ТФРМ-500 Еср составляет 3 кВ/ мм. При этом в масляных прослойках и
масляных диэлектрических клиньях наибольшая напряженность поля Емакс может достигать
значения, равного
Емакс =(εб / εм )• Еср ,
где εб — относительная диэлектрическая проницаемость бумаги;
εм — относительная диэлектрическая проницаемость масла, что составляет Емакс= 1,7Еср или Емакс=
(3,4 6,8) кВ/ мм.
Следовательно, масляные прослойки имеют наибольшую напряженность электрического поля.
Электрическая прочность масляных прослоек Епр1 толщиной до 0,5 мм составляет не менее 20
кВ/мм (сухое масло при температуре плюс 60°С) [12-15 и др.], что значительно больше
максимальной напряженности электрического поля во включениях Емакс = (3,4  6,8) кВ/мм и
свидетельствует (при хорошем состоянии масла) о достаточности электрической прочности
масляных прослоек в рабочем режиме. Образующееся при перенапряжениях до 2Upa6 повышение
напряженности поля Емакс пер в масляных прослойках до 13,6 кВ/мм также не приведет к их
пробою, так как при этом максимальная напряженность электрического поля во включениях
Емакс пер меньше электрической прочности диэлектрика (масла) во включении, Емакс пер < Епр1, или
13,6 кВ/мм < 20 кВ/мм. При этих условиях в изоляции не могут образоваться Ч Р.
Увлажнение изоляции трансформаторного оборудования существующих конструкций является
частым явлением в их эксплуатации. В случае незначительного увлажнения масла его
электрическая прочность при температуре в диапазоне от минус 30 0 С до плюс 10 0 С может
составлять 7,5 – 10 кВ/мм. Такая температура масла может быть при включении оборудования под
напряжение после перерывов в эксплуатации в зимних условиях и в оборудовании, не
обеспечивающем соответствующего нагрева масла в рабочем режиме, например, измерительные
трансформаторы тока и напряжения. Следовательно, в таком температурном диапазоне при
перенапряжениях, равных 2,25 Uраб , и Еср = 2 кВ/мм или при перенапряжениях, равных 1,15 Uраб ,
и Еср = 4 кВ/мм прослойки увлажненного масла могут пробиваться, так как электрическая
прочность масляных прослоек будет меньше воздействующей напряженности поля, Е макс. пер. > Епр 1
, что приведет к образованию ЧР.
Таким образом, перенапряжения при определенном тепловом состоянии и увлажнении масла могут
играть определяющую роль в образовании разрядных явлений в бумажно-масляной изоляции.
Рассмотрим более подробно влияние условий, которые могут приводить к образованию ЧР.
Возникновение ЧР приводит к термическому разрушению диэлектриков в зоне ЧР и образованию
газовой фазы, замещающей масло. Образование газовых включений в виде пузырьков или полостей
[17, 18 и др.] приводит к созданию в них напряженности поля, равной Евкл = 1,3 ЕСР — для включения
сферической формы и Евкл = εб ЕСР — для протяженных газовых полостей. В этих случаях при
воздействии рабочей напряженности поля в газовых включениях напряженность поля будет равна
Евкл = (2,6  16,4) кВ/мм. Электрическая прочность газовых промежутков толщиной 120-240 мкм
воздуха от толщины промежутка может быть меньше 16,4 кВ/мм при атмосферном давлении (рис. 6)
и в них могут развиваться ЧР.
Следовательно, при образовании в результате перенапряжений протяженных газовых полостей в
композиционной изоляции в них уже при рабочем напряжении могут развиваться ЧР. Процесс ЧР в
газовых полостях может сохраняться длительное время за счет постоянного образования газа поля
во включениях Емакс = (3,4 или прекратиться в случае растворения газа в масле и исключения в таком
случае условий для образования и развития ЧР. Постоянное газообразование в результате
разрушения жидкого или твердого диэлектриков ЧР может приводить к устойчивости процесса ЧР, а
интенсивное газопоглощение и растворение газовых включений в масле — к затуханию ЧР. К
затуханию процесса ЧР может приводить и образование повышенного давления в газовых включениях,
находящихся в замкнутом объеме изоляции. Известно, что электрическая прочность газа
увеличивается с ростом давления [13, 17, 18 и др.] (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость электрической прочности воздушных промежутков от давления
В связи с этим по мере снижения давления в газовых полостях и достижения электрической
прочности газа значения напряженности во включении процесс ЧР может возобновиться.
Возобновлению процесса ЧР может способствовать также и последующее образование
перенапряжений. Таким образом, процесс ЧР во времени может носить прерывистый характер.
Исследования ЧР в режиме мониторинга показали, что процесс ЧР в изоляции трансформаторного
оборудования, в том числе в силовых трансформаторах 220-500 кВ, измерительных
трансформаторах тока 500 кВ, шунтирующих реакторах 500 кВ и вводов. 110-500 кВ, имеет
прерывистый характер [22] (рис. 7). Так, например, в блочных трансформаторах ОДЦГ-210 000/
500, находившихся в эксплуатации более 32 лет, характер прерывистости процесса ЧР и
изменения интенсивности имеют различный вид. Обращают на себя внимание результаты
регистрации ЧР в трансформаторе фазы С: в этом трансформаторе интенсивность процесса ЧР
значительно ниже, чем в других трансформаторах. Следовательно, среди трансформаторов,
превысивших гарантийный срок эксплуатации 25 лет, могут находиться трансформаторы,
электрическая изоляция которых по характеристикам ЧР имеет удовлетворительное состояние.
Рис. 7. Значения максимального кажущегося заряда (R=0,5), зарегистрированные в
режиме мониторинга в течение 9 месяцев в группе трансформаторов ОДЦГ -210
000/500. Периодичность регистрации — 1 раз в сутки.
Перенапряжения в высоковольтном оборудовании ОРУ ПС могут образоваться как в результате
внешних воздействий (грозовые явления, короткие замыкания за пределами ОРУ и др.), так и в
результате штатных коммутаций в схеме ОРУ. В частности, коммутации разъединителями в
ячейках ОРУ могут приводить также к высоким перенапряжениям.
Аналитические и экспериментальные исследования перенапряжений в ячейках ОРУ 500 кВ
показали, что при коммутации разъединителями на шинах ОРУ могут возникать высокочастотные
перенапряжения, достигающие и превышающие 2Upa6 и имеющие частоту собственных
колебаний 0,7- 2,5 МГц. При этом перенапряжения в ОРУ зависят от схемного и конструктивного
исполнения и могут иметь локальный характер.
Экспериментальные исследования изменения интенсивности ЧР в изоляции трансформаторов тока
500 кВ после коммутации разъединителями и образования перенапряжений свидетельствовали о
росте кажущегося заряда ЧР. В пяти из девяти трансформаторов тока, подвергавшихся
воздействию перенапряжений, наблюдался рост кажущегося заряда ЧР. В остальных четырех
трансформаторах тока таких изменений не было обнаружено.
Известно [17, 20 и др.], что электрическая прочность органических диэлектриков существенно
снижается по мере роста частоты воздействующего на изоляцию высокого напряжения.
Следовательно, высокочастотные перенапряжения создают более благоприятные условия для
образования ЧР.
Из изложенного выше следует, что при эксплуатации трансформаторного оборудования могут
образовываться реальные условия возникновения перенапряжений даже при штатных
коммутациях оборудования. В результате действия перенапряжения в масляных прослойках могут
образоваться ЧР, которые в свою очередь образуют газовые включения и в них могут развиваться
ЧР уже при воздействии рабочего напряжения после окончания процесса перенапряжения.
Определенный интерес представляют результаты мониторинга ЧР в изоляции трансформаторов
тока 500 кВ. При мониторинге ЧР в большой группе трансформаторов тока производились
штатные переключения в отдельных ячейках ОРУ, содержащих трансформаторы тока. После
включения трансформаторов тока под напряжение производилось измерение ЧР, характеристики
которых сопоставлялись с характеристиками, соответствующих периоду до коммутации.
На рис. 8 выборочно представлены результаты измерения ЧР в трех трансформаторах тока в
течение 100 сут.
Рис. 8. Результаты мониторинга ЧР в трансформаторах тока ТФРМ-500. В качестве
характеристики ЧР использовался кажущийся заряд
Периодичность измерения ЧР составляла 1-8 час. В зависимости от интенсивности ЧР периодичность
измерения ЧР изменялась; при высокой интенсивности ЧР периодичность (частота) измерения
увеличивалась. В качестве контролируемой характеристики принималось максимальное значение
кажущегося заряда ЧР, имеющих регулярность R*, равную 0,5 (* — регулярность процесса ЧР R
представляет собой отношение числа периодов напряжения, в которых возникают ЧР
определенного кажущегося заряда q, к общему числу периодов напряжения при регистрации ЧР).
В рассмотренных случаях после коммутаций в трансформаторах тока наблюдался значительный
рост интенсивности ЧР (кажущегося заряда). При этом период затухания ЧР (снижение их
интенсивности) в рассмотренных трех объектах отличается существенно: от 2 до 80 сут.
Таким образом, достаточно простой анализ структуры трансформаторной изоляции и физических
процессов в этой изоляции при эксплуатационных воздействиях показывает, что в оборудовании,
не имеющем опасных ЧР в рабочем режиме, при определенных условиях одновременного
воздействия температуры, увлажнения и перенапряжения могут образовываться ЧР достаточно
высокой интенсивности, создающие опасность для изоляции.
Если обратиться к [1-11], то можно отметить, что нормируемые методы испытания, в том числе и
при испытаниях с измерением ЧР, не полностью содержат воздействия, отражающие
эксплуатационные, которые могут приводить к образованию и развитию ЧР. Так, например, не
предусматривается обязательность проведения испытаний с измерением ЧР при температуре
изоляции в диапазоне от минус 20 СС до плюс 10°С, а также одновременное измерение ЧР
непосредственно при испытании высокочастотными колебательными импульсами, грозовыми и
коммутационными импульсами или измерения ЧР при воздействии переменного напряжения
промышленной частоты с наложением высокочастотных колебательных импульсов. Следовательно,
оценка качества изоляции без проведения подобных испытаний не является полной и достоверной:
отсутствие ЧР, имеющих уровень интенсивности выше нормированного при испытаниях по
методике [1-5 и 9-11], не является основанием для заключения об отсутствии возможности
образования опасных ЧР при эксплуатационных условиях.
Результаты выполненных исследований и опыт эксплуатации маслонаполненного
высоковольтного оборудования позволяют более детально представлять процессы образования и
развития ЧР в изоляции и необходимость уточнения требований к методике испытания вводимого в
эксплуатацию оборудования в части воздействия на его изоляцию перенапряжений в условиях низких
температур с одновременной регистрацией ЧР.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электрооборудование переменного тока на напряжение от 1 до 750 кВ. Требования к
электрической прочности изоляции. — Межгосударственный стандарт ГОСТ 1516.3
— 96.
2. Электрооборудование и электроустановки переменного тока на напряжение 3 кВ и
выше. Общие методы испытаний электрической прочности изоляции. —
Межгосударственный стандарт ГОСТ 1516.2 — 97.
3. Трансформаторы силовые. Методы измерения характеристик частичных разрядов
при
испытаниях
напряжением
промышленной частоты. — ГОСТ 21023-75.
Измерительные трансформаторы. Часть 1: Трансформаторы тока. — Международный стандарт
МЭК44-1, 1 издание 1996-12.
4. Измерительные трансформаторы. Часть 2: Индуктивные трансформаторы
напряжения. — Международный стандарт МЭК 60044 — 2, 1 издание 1997-02.
5. Insulated bushings for alternating voltages above 1000 V.—
International standard
IEC 137, 4 edition 1995-12.
6. High-voltage test techniques — Partial discharge measurements. — International standard
IEC 60270, 3 edition 2000-12.
7. Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения характеристик
частичных разрядов. — ГОСТ 20074 — 83.
8. Трансформаторы силовые. Методы измерения характеристик частичных разрядов
при
испытаниях
напряжением
промышленной частоты. — ГОСТ 21023-75.
9. Объем и нормы испытаний электрооборудования. РД 34.45-51.300-97. Изд. 6-е. —
М.: ЭНАС 1998.
10. Трансформаторы силовые.
Измерения частичных разрядов при испытаниях
напряжением промышленной частоты. Руководящие технические материалы.
Главтрансформатор. РТМ ОАА.688.015 -71.
11. Грейсух М.А. и др. Бумажно-масляная изоляция в высоковольтных конструкциях. —
М.-Л.: ГЭИ, 1963.
12. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. — М.:
Энергия, Ленинградское отд., 1979.
13. Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. —
Екатеринбург — Санкт-Петербург, Петербургский ЭИПК Министерства
энергетики РФ, Региональный Совет по диагностике электрооборудования при
Уралэнерго, выпуск 11, 2000.
14. ВдовикоВ.П. и др. Диагностика электрической изоляции трансформаторов тока 220
— 500 кВ под рабочим напряжением с использованием характеристик частичных
разрядов. — В мат. Междунар. Симп. «Состояние, основные направления развития
производства, повышение технического уровня и надежности обслуживания
трансформаторного
оборудования», 28 — 30 сентября 1998, Запорожье, Украина.
15. James R. and others. Challenges for advanced diagnostic techniques faults undetectable by
existing electrical methods. Session CIGRE, rep. 15-306, Paris, August, 2000.
16. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей).-М.: ГИФМЛ, 1958.
17. Бенинг П. Электрическая прочность изоляционных материалов и конструкций. —
М.-Л.: ГЭИ, 1960.
18. Вайда Д. Исследование повреждений изоляции. — М.: Энергия, 1968.
19. Яманов С.А. Химия и радиоматериалы — М.: Изд-во «Высшая школа», 1979.
20. Lundgaard L. on behalf TF 15.01.04. Partial discharges intransformer insulation. —
Session
CIGRE,
rep.
15-302,
Paris,
August, 2000.
21. Банщиков А.И. и др. Диагностика электрической изоляции трансформаторов
сверхвысокого
и
ультравысокого
напряжений в эксплуатации на основе электрического метода измерения частичных
разрядов.
—
В
сб.
докл.
на
V
симп.
«Электротехника 2010 год», том 1, — М.: ВЭИ-ТРАВЭК, 19 —22 октября 1999.