Экспериментальное исследование контроля состояния обмоток высоковольтных трансформаторов на основе коммутационных импульсов

Abstract

Актуальность исследования. На всех этапах технологической цепи добычи, транспортировки и последующего использования геологических ресурсов применяется широкий спектр высоковольтного оборудования, существенную часть которого составляют высоковольтные трансформаторы различных типов, назначений и классов напряжения. Поэтому общая энергетическая эффективность и надежность производства геологических ресурсов существенно зависит от состояния высоковольтного трансформаторного оборудования. Дефектное состояние одной трансформаторной единицы часто является причиной внезапной аварийной остановки всей технологической цепи комплексного производственного процесса. Результатом подобного инцидента является пожар, сопровождаемый взрывом высоковольтного ввода, разлив масла, загрязнение окружающей среды и материальный ущерб, исчисляемый многомиллионными суммами. К возникновению дефектного и, как следствие, аварийного состояния приводит ряд электрофизических и эксплуатационных факторов, воздействующих на изоляцию и активную часть трансформаторов. В свою очередь наиболее проблемным элементом активной части трансформатора оказываются обмотки как высокого, так и низкого напряжения, в которых появляются механические смещения как результат воздействия пондеромоторных сил токов короткого замыкания. Подобные дефекты могут развиваться длительное время, и трансформатор может находиться в работе в номинальном режиме. На некотором этапе развития дефект становится критическим, повреждения изоляции обмотки при очередном коротком замыкании ведут к возгоранию с последующей аварией. Для предупреждения подобных ситуаций необходима эффективная технология контроля состояния обмоток. Стандартные методы являются малоэффективными для выявления дефектов обмотки на ранних стадиях развития. Среди новых и рекомендованных международными экспертными институтами МЭК и СИГРЭ являются модификации импульсного метода, прежде всего метод частотного анализа. Однако, не смотря на признание как наиболее достоверного и перспективного, указанный метод далеко не всегда позволяет обнаружить дефекты обмоток, особенно на ранних этапах развития. Кроме того, обязательным условием применения технологии метода частотного анализа является полное снятие напряжения, расшиновка трансформатора и использование специальной аппаратуры контроля. При этом для получения достоверных результатов диагностики необходимо наличие специальных эталонных сигналов - нормограмм, которые отсутствуют практически для всего парка трансформаторов, используемых в технологических процессах добычи и переработки геологических ресурсов. Эти факторы снижают общую эффективность технологии метода частотного анализа. Поэтому в настоящее время вопрос по исследованию и разработке технологии контроля состояния обмоток под рабочим напряжением является в полной мере актуальным. Цель: экспериментальное исследование принципиальной возможности контроля состояния обмоток трансформатора на основе процессов коммутации в высоковольтной сети. Методы: метод моделирования на реальном физическом объекте. В трансформаторе НТМИ-6 на одной фазе созданы дефекты механического смещения обмоток. Две другие фазы имеют исправное состояние. При помощи специальной схемы трансформатор включался в сеть. С помощью электронного осциллографа Tektronix типа TDS-2012 осуществлялась регистрация напряжения на первичной обмотке и сигнала отклика с одноименной фазы вторичной обмотки. Измерения повторялись для двух других фаз по такой же схеме. Результаты. На реальном трансформаторе типа НТМИ-6 экспериментально исследована и установлена принципиальная возможность осуществления контроля механического состояния его обмоток при использовании отклика напряжения на вторичной обмотке трансформатора при включении трансформатора в сеть. Таким образом, показано, что при включении трансформатора в сеть подключаемое напряжение может служить диагностическим импульсом, пригодным для зондирования механического состояния обмоток трансформатора по методу низковольтных импульсов.

The importance of the research is driven by the exceptional importance of stable work of electrical equipment complex which is used at production, transportation and processing of geo-resources. Effectiveness and reliability of such geological production strongly depend on high voltage transformer condition. Failure of such a transformer can cause serious breakage of the whole electrical energy system and even breakdown. This, in its turn, leads to serious ecological and material losses. Fail of active transformer part, especially winding, is one of the reasons of accident due to the influence of over-voltage waves and short circuit electro-dynamic forces on the winding. To prevent emergence situations with high voltage transformers and production stop losses an effective technology of winding condition control is necessary. Standard methods are ineffective for detecting winding fails at early stages of development. Among the new ones and those recommended by the international expert institutes of IEC and CIGRE are modifications of the pulse method, primarily the frequency analysis method. But, despite the recognition as the most reliable and promising, this method does not always allow revealing fails of the windings, especially in the early stages of development. Moreover, a prerequisite for the use of frequency analysis method technology requires the complete removal of voltage, the transformer spacing and the use of special monitoring equipment. At the same time, to obtain reliable diagnostic results, it is necessary to have special reference signals - normograms, which are absent practically for the whole range of power transformers. These factors reduce the common effectiveness of frequency analysis method technology. That is why, at present, the issue of research and development of technology for monitoring the state of windings under operating voltage is fully relevant. The main aim of the study is an experimental research of the principal possibility of monitoring the transformer winding condition on the basis of switching processes in the high voltage grid. Objects of the research are the windings of real transformer in two conditions - with and without fault. Methods: the simulation method on a real physical object. In the transformer NTMI-6 a fail of the mechanical winding shift was developed on one phase. The other two phases are in normal condition. With the help of a special circuit, the transformer was connected to the network. Using a Tektronix TDS-2012 electronic oscilloscope, the voltage on the primary winding and the response signal from the samename secondary winding were measured. The measurements were repeated for the other two phases in the same way. Results. On a real transformer of the NTMI-6 type, the principal possibility of controlling high voltage transformer winding condition by means of switching impulses was experimentally researched. It is established that monitoring of mechanical state of windings using the switching impulses could be effectively realized. It is shown that when the transformer is turned on in the network, the operating voltage can serve as a diagnostic impulse suitable for probing the mechanical condition of the transformer windings using the low-voltage impulse method.