Воздействия коммутационных перенапряжений на ТТ сверхвысокого напряжения

И. А. Фомина, ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»

Постановка исследований

Измерительный трансформатор тока (ТТ) - один из самых широко используемых типов оборудования в энергетике. ТТ сверхвысокого напряжения имеют фарфоровую покрышку и внутреннюю бумажно-масляную изоляцию конденсаторного типа. Некоторые из них недостаточно надежны. Основной причиной отказов ТТ является пробой внутренней изоляции. В свою очередь, причины пробоя могут быть различными: производственные дефекты, увлажнение, старение под действием частичных разрядов, действие токов короткого замыкания и т. д. Но действие высокочастотных перенапряжений - одна от главных причин, ускоряющих процесс старения изоляции. Они появляются при коммутациях разъединителей и могут достигать высоких кратностей.

Известно, что электрическая прочность бумажно-масляной изоляции снижается в несколько раз при увеличении частоты воздействующего напряжения с 50 Гц до 100 кГц. Частотный диапазон перенапряжения при работе разъединителей может достигать сотен килогерц. Следует отметить, что начальные повреждения не проявляются при внешнем осмотре и стандартных испытаниях трансформаторов тока. В этих случаях наиболее эффективным является физико-химический анализ проб масла, отобранного из ТТ.

На ПС «Итатская-1150 кВ» имели место неоднократные случаи выхода из строя (повреждения) трансформаторов тока типа ТФРМ-500 в результате электрического пробоя изоляции. После частичной замены трансформаторов тока ТФРМ-500 на трансформаторы типа IMB-550 в марте 2003 г. произошло аналогичное повреждение уже вновь установленного трансформатора IMB-550. Предварительно предполагались следующие возможные причины повреждений ТТ: во-первых, заводские дефекты, связанные с конструкцией или же нарушением технологии изготовления ТТ; во-вторых, ненормированные воздействия высокочастотных перенапряжений на трансформаторы тока при коммутациях разъединителей; в-третьих, наложение уже перечисленных причин, а именно повреждение ТТ в результате ненормированных воздействий при наличии заводских технологических дефектов ТТ.

Целью представленной работы является оценка коммутационных перенапряжений, воздействующих на измерительный ТТ шла IMB-550 (фирма ABB). Также приводятся и разъясняются результаты химического анализа трансформаторного масла и образование в бумажно-масляной изоляции Х-воска, взятые из ТТ IMB-550, проработавшего на ПС «Итатская» более полугода, и из другого ТТ, прошедшего цикл испытаний в СибНИИЭ.

Перенапряжения, воздействующие на изоляцию ТТ при коммутациях разъединителей

Ненормированные воздействия на трансформаторы тока в виде ВЧ перенапряжений, возникающих при коммутациях разъединителей, рассматривались в качестве одной из возможных и наиболее вероятных причин повреждений ТТ в эксплуатации. Целью исследований являлось определение параметров перенапряжений, воздействующих на изоляцию трансформаторов тока при коммутациях разъединителей в типовых схемах переключений на ПС, осуществляемых при выводе в ремонт оборудования.

Наиболее неблагоприятный режим с точки зрения перенапряжений, воздействующих на ТТ, - это коммутация шинного разъединителя. Характерные осциллограммы процессов для этого случая показаны на рис. 1.

При коммутации разъединителя кратность перенапряжений достигала 1,25· Г/ф м., которые сопровождались протеканием импульсного тока в цепи заземления нулевой обкладки, амплитуда его достигала 1300-1500 А, а частота колебаний составляла 500-700 кГц.

В лабораторных испытаниях и измерениях было выполнено несколько опытов, в результате которых были определены параметры первичной обмотки:

1. емкость изоляции - 1250 пФ;
2. индуктивность - 4,9 мкГн;
3. проходная емкость 36 пФ.

Рис. 1. Осциллограммы напряжения (1) и тока (2) во время отключения разъединителей

Частотные характеристики первичной обмотки были проверены в диапазоне частот 0,2-4 МГц. На рис. 2 приведена зависимость модуля входного сопротивления от частоты. Там же приведена теоретическая зависимость.

Рис. 2. Зависимость модуля входного сопротивления первичной обмотки от частоты

Из эксперимента видно, что фактическая частота резонанса (1,4 МГц) меньше расчетной (2 МГц). Это связано с индуктивностью заземляющей шины. Она была выполнена из широкой медной полосы. Несмотря на это, ее индуктивность оказалась приблизительно равной индуктивности первичной обмотки, т. е. 5 мкГн. Поэтому полная индуктивность схемы была около 10 мкГн, что привело к снижению резонансной частоты до 1,4 МГц.

Исследование процессов, происходящих внутри трансформатора тока -550

Первичная обмотка трансформатора тока -550 состоит из одного витка ГУ-образной формы, выполнена с бумажно-масляной изоляцией конденсаторного типа, в которой требуемое равномерное распределение напряжения осуществляется при помощи металлических обкладок, закладываемых в изоляцию в процессе ее намотки. Общая длина первичной обмотки составляет почти 10 м и соответственно может обладать значительной индуктивностью. На рис. 3 приведены конструктивные размеры первичной обмотки ТТ -550.

Параметры схемы замещения были получены в результате расчетов: стержень был разбит на 11 частей, две части из которых по 0,5 м без изоляции и остальные по 1 м, а также было принято пять слоев изоляционной бумаги толщиной 2 мм каждый. Суммарное значение индуктивности первичной обмотки трансформатора тока Ll = 4,9 мкГн, что совпадает с измеренным значением. Суммарное значение емкости изоляции Су = 1358 пФ, что не сильно отличается от измеренного значения.

Рис. 3. Конструкция первичной обмотки ТТ -550

Расчет напряжений на изоляции велся в схеме, которая смоделирована в прикладном пакете Pspice. На исследуемую схему подавался прямоугольный импульс бесконечной длительности с увеличением напряжения до = 428,7 кВ с фронтом 0,5 мкс. Расчетная осциллограмма приведена на рис. 4.

Рис. 4. Осциллограмма переходных процессов при = 0,5 мкс

На осциллограмме видно, что при воздействии на первичную обмотку прямоугольного импульса в ней возникает резонанс напряжений с наибольшей амплитудой 460,8 кВ в середине обмотки, что соответствует 1,1 Г/фм. Ближе к нулевой обкладке амплитуда напряжения уменьшается до 204,5 кВ. Возникновение внутреннего резонанса напряжений может быть очень опасным для изоляции из-за внутренних перенапряжений и их колебаний.

Произвели также расчет, подавая на первичную обмотку прямоугольный импульс с различной длительностью фронта. По результатам опытов стало очевидно наличие резонанса напряжений, но в каждом случае с различными амплитудами. Наибольшие амплитуды наблюдаются при крутых фронтах импульса Г/фм = 494,1 кВ и Г/фи = 481,6 кВ соответственно при = 0,2 мкс и = 0,3 мкс. Сглаживая фронт импульса, амплитуда и частота резонанса уменьшаются и становятся неопасными для изоляции первичной обмотки трансформатора тока.

Результаты анализа химического состава трансформаторного масла ТТ

Из результатов проведенных опытов по искусственному старению модельных углеводородов декалина и ундекана [2] следует, что нафтеновые углеводороды более склонны к образованию стабильных перекисных соединений при окислении. Доля перекисных соединений среди прочих продуктов окисления (свободных кислот, эфиров, спиртов, карбонильных соединений) трех типов углеводородов ТМ наиболее велика для нафтеновых углводородов. В шведских маслах нафтеновые компоненты преобладают над парафиновыми. Таким образом, литературные данные в совокупности с полученными в [2] результатами исследования искусственного старения и состава Х-воска указывают на повышенную склонность этих масел к образованию осадков (олигомеров первичных продуктов окисления), в том числе на бумажной изоляции. Не исключено, что этому процессу может способствовать длительное хранение трансформаторов, заправленных трансформаторным маслом, при отрицательных температурах. По данным [3], при низких температурах в органических материалах, стабилизированных стерически обедненными фенолами, происходит образование относительно устойчивых перекисных соединений хинолидной структуры. В результате процесс «антиокислительной работы» присадки тормозится на промежуточной стадии, а происходящие из нее хинолидные перекиси становятся потенциальными окислителями, способными инициировать полимеризацию углеводородов.

Термин «Х-воск» широко используется для обозначения воскоподобных продуктов, образующихся (осаждающихся) на различных внутренних поверхностях трансформаторов в процессе их эксплуатации, которые, как правило, обнаруживают после выхода трансформатора из строя. При этом следует отметить, что в литературе отсутствует единая точка зрения на причины образования Х-воска. К ним относят низкие температуры, увлажнение бумажной изоляции и частичные разряды. Чаще всего Х-воск фиксируют на поверхностях высоковольтных фарфоровых вводов и бумажной изоляции. Его присутствие существенно ухудшает изоляционные характеристики материалов [2]. Анализируя имеющиеся в литературе данные, можно предполагать, что большей склонностью к образованию Х-воска на бумаге обладают газовыделяющие масла, в частности европейские, и масло ГК.

Исследования показывают, что Х-воск, образующийся на бумажной изоляции, по фрагментному составу алифатических углеводородов близок к образцам масел, взятых из ТТ IMB-550, проработавшего на ПС «Итатская» более полугода, и из ТТ IMB-550, находящегося на испытаниях в СибНИИЭ. В то же время содержание ароматических соединений в нем меньше, чем в масле. Х-воск состоит из олигомеризованных углеводородов масел, содержащих активные перекисные и полярные карбонильные и карбоксильные группы. Установлено, что на холоде агидол практически перестает работать, а нафтены, наоборот, реагируют с кислородом.

Рекомендации по режимам эксплуатации ТТ, исключающим образование Х-воска

Как установлено в ходе анализов, масло, взятое из ТТ IMB-550, исходно имеет хорошие для эксплуатации характеристики. Но в отличие от масла ГК оно имеет в несколько раз большую концентрацию нафтеновых углеводородов, что может способствовать большей скорости его старения, в том числе накоплению перекисных соединений при контакте с кислородом. Поэтому главным в процессе эксплуатации ТТ являются надежная герметизация, тщательное слежение за уровнем влагосодержания бумажной изоляции и предотвращение частичных разрядов в ней. Следует отметить, что окисление нафтеновых углеводородов и накопление перекисных соединений имеют характер цепной химической реакции. Даже весьма незначительные количества кислорода, появившиеся в процессе производства при каких-либо нарушениях технологического процесса или в эксплуатации, могут привести к быстрому старению масла и снижению его диэлектрических характеристик.

Пероксидированные углеводороды являются первичными и достаточно устойчивыми продуктами окисления ТМ. Они могут служить чувствительным индикатором состояния ТМ. Иными словами, величина перекисного числа (ПЧ) способна указать на возможность последующего быстрого развития процессов старения ТМ без продолжительного индукционного периода. Поэтому для профилактики аварийности ТТ IMB-550 представляется обоснованным введение проверки ТМ на устойчивость к развитию процессов окисления путем определения ПЧ по известным методикам как перед вводом трансформатора тока в эксплуатацию после длительного хранения, так и при дозаливке новыми порциями масла. Также пероксидированные углеводороды являются сильнейшими взрывчатыми веществами, способными детонировать при любом нагреве или от действия частичных разрядов. Это обстоятельство дополнительно обостряет проблему старения изоляции и подтверждает необходимость контроля ПЧ масла.

Антиокислительные присадки агидол (ионол) в присутствии значительных концентраций нафтеновых углеводородов уступают им в эффективности перехвата молекул кислорода. Более того, при отрицательных температурах эти присадки практически теряют свои функции. Понятно, что при эксплуатации невозможно исключить все температурные воздействия, но хранить аварийный запас трансформаторов или вновь поступившие трансформаторы до их монтажа рекомендуется в помещениях при комнатных температурах.

Выводы

1. Индуктивность первичной обмотки трансформатора тока -550 достаточно высока из-за большой длины: L = 5 мкГн. Существует основной резонанс напряжений на частоте около 2 МГц. Несмотря на относительно небольшую кратность расчетного значения амплитуды перенапряжения (1,15 Г/фм), внутренний резонанс напряжений может быть очень опасным для изоляции из-за высокой частоты колебаний.
2. Исследованное масло склонно к образованию Х-воска при разгерметизации аппарата. Одним из индикаторов этой опасной для изоляции стадии процесса является перекисное число. Поэтому рекомендуется в дополнение к проводимым методам физико-химического анализа трансформаторного масла ввести как обязательную оценку его перекисного числа.

1. Протокол предварительных измерений перенапряжений и токов при коммутациях разъединителей ПС «Итатская» Красноярского предприятия МЭС Сибири. Обследование проведено бригадой НСПБ БП «Электросетьсервис». Новосибирск, 2003.
2. Химический состав и качество образцов трансформаторных масел: НИР «Аналитического сервисного центра» НИОХ СО РАН. Новосибирск, 2005.
3. Рогннскнй В. А. Фенольные антиоксиданты. М.: Наука, 1988.
4. Лнтитенн Р. ., Шахнович . II. Трансформаторное масло. М.: Энергоатомиздат, 1983.