Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ хроматографических методов диагностики высоковольтного маслонаполненного электрооборудования 12
1.1 Проблемы эксплуатации высоковольтного маслонаполненного электрооборудования и совершенствование хроматографического анализа газов, растворенных в масле 12
1.2 Процессы, происходящие в трансформаторном масле 15
1.3 Основные методы интерпретации ХАРГ
1.3.1 Метод Дорненбурга 30
1.3.2 Метод Роджерса 32
1.3.3 Сравнение методов Дорненбурга и Роджерса 34
1.3.4 Стандарт МЭК 60599 (2007 год) 36
1.3.5 Метод «ключевого» газа (МКГ) 37
1.3.6 Метод номограмм (МН) 40
1.3.7 РД 153-34.0-46.302-00 45
1.3.8 Треугольник Дюваля 49
1.3.9 Сопоставление диагностических значений с результатами вскрытия, которые приведены в статье DiGiorgio 53
1.3.10 Выводы по методам диагностики 60
1.4 Особенности диагностики различных видов маслонаполненного электрооборудования 62
1.5 Проблемы диагностики шунтирующих реакторов 70
1.6 Выводы по первой главе и постановка задач исследования 72
ГЛАВА 2. Совершенствование методов харг 73
2.1 Анализ ошибок при заборе проб 73
2.1.1 Оценка отрицательного гидростатического давления 74
2.1.2 Оценка размера пузырька 76
2.1.3 Определение отношения полученной концентрации газов к исходному газосодержанию 77
2.2 Определение коэффициентов диффузии основных диагностических газов 80
2.2.1 Необходимость определения коэффициентов диффузии 80
2.2.2 Предыдущие попытки определения коэффициентов диффузии газов в трансформаторном масле 80
2.2.3 Расчет коэффициента диффузии водорода в трансформаторном масле различными методами 82
2.2.4 Способы измерения коэффициентов диффузии 85
2.2.5 Экспериментальная установка 88
2.2.6 Эксперимент по определению коэффициентов диффузии основных диагностических газов 91
2.2.7 Расчет коэффициентов диффузии на основе экспериментальных данных 95
2.3 Математическая модель и программа по расчету коэффициентов диффузии газов в трансформаторном масле 101
2.4 Оценка роли диффузии в распространении газов по объему силового маслонаполненного электрооборудования 111
2.5 Выводы по второй главе 114
ГЛАВА 3. Проблемы повышенного газообразования шунтирующих реакторов 115
3.1 Шунтирующие реакторы в электрической сети 115
3.2 Анализ повреждаемости и наиболее характерных дефектов броневых шунтирующих реакторов типа РОДЦ-60000/500 116
3.3 Характерные отличия устройства броневых и бронестержневых шунтирующих реакторов 122
3.4 Анализ особенностей газообразования в реакторах 136
3.5 Экспериментальные исследования газообразования на модели реактора 143
3.5.1 Разработка и изготовление модели реактора 143
3.5.2 Эксперименты по газообразованию в трансформаторном масле 146
3.5.3 Изучение вибрации в модели реактора 155
3.5.4 Сопоставление модели и реального реактора 159
3.6 Анализ полученных результатов по газообразованию в модели реактора 160
3.7 Обработка данных ХАРГ реакторов типа РОМБС методом номограмм 161
3.8 Выводы по третьей главе 166
Заключение 167
Список использованных источников 168
Приложение Акт внедрения
- Процессы, происходящие в трансформаторном масле
- Определение отношения полученной концентрации газов к исходному газосодержанию
- Математическая модель и программа по расчету коэффициентов диффузии газов в трансформаторном масле
- Анализ полученных результатов по газообразованию в модели реактора
Введение к работе
Актуальность работы. Высоковольтное маслонаполненное электрооборудование является основной и неотъемлемой частью Единой энергетической системы России, обеспечивающей непрерывное бесперебойное электроснабжение. В настоящее время наблюдается значительный износ существующего парка электрооборудования как в России, так и за рубежом. Экономически нецелесообразно заменять весь парк электрооборудования, отработавшего нормативный срок. Гораздо эффективнее совершенствовать и развивать существующие методы диагностики, которые в основном направлены на контроль изоляции, в частности, трансформаторного масла, являющегося наиболее информативной средой. Однако используемые способы контроля изоляции зачастую дороги и не всегда дают достоверный результат.
При диагностировании высоковольтного маслонаполненного электрооборудования важно выявить дефект, развивающийся в электрооборудовании, что позволит своевременно его отремонтировать, продлить срок службы, а также предотвратить аварийные ситуации.
В настоящее время используется много диагностических методов, но основным является хроматографический анализ газов, растворенных в масле (ХАРГ). Проведенный обзор литературных источников позволяет сделать заключение, что этот метод давно используется, хорошо себя зарекомендовал и актуальной задачей является его совершенствование. После проведения ХАРГ важно правильно интерпретировать полученные результаты и дать заключение о том, какие процессы протекают в маслонаполненном электрооборудовании и как его дальше эксплуатировать.
Целью работы является совершенствование хроматографического метода диагностики высоковольтного маслонаполненного электрооборудования и исследование причин повышенного газообразования в шунтирующих реакторах при их диагностике.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
проанализировать существующие методы интерпретации ХАРГ и выявить пути совершенствования диагностических заключений;
проанализировать процессы газораспределения и определить роль диффузии при проведении ХАРГ;
провести экспериментальные исследования процессов растворения пузырьков диагностических газов и оценить их коэффициенты диффузии;
разработать физическую модель шунтирующего реактора и математическое описание процесса газообразования в ней;
выяснить возможные причины повышенного газообразования в масле шунтирующих реакторов на основе экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях;
разработать предложения по совершенствованию нормативной базы интерпретации результатов ХАРГ в части выявления новых «образов», характеризующих газообразование.
Объект исследования. Высоковольтное маслонаполненное электрооборудование.
Предмет исследования. Особенности метода хроматографического анализа газов, растворенных в масле, специфические особенности их образования и распределения по объему масла.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе теоретического и экспериментального методов исследования.
Теоретический метод включает: анализ существующих методик интерпретации результатов ХАРГ и выявление нового «образа», соответствующего кавитации в масле при работе электрооборудования; анализ процессов диффузии газов в высоковольтном маслонаполненном электрооборудовании и выявление возможных ошибок при проведении ХАРГ; анализ возможных причин газообразования в шунтирующих реакторах различных конструкций.
Экспериментальный метод включает: разработку ячейки для изучения динамики растворения пузырьков водорода, метана, этана; определение коэффициентов диффузии; разработку модели реактора и изучение процессов газообразования в ней.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена сочетанием теоретических исследований с проведением экспериментов, использованием адекватного исследуемым процессам математического аппарата. Результаты теоретических расчетов качественно согласуются с экспериментальными данными.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:
определены значения коэффициентов диффузии трех газов: водорода, метана и этана в трансформаторном масле;
предложен механизм образования пузырьков, который может реализоваться при вибрации в реакторах и трансформаторах, вызванной эффектом магнитострикции в магнитопроводе и магнитными силами, возникающими в трансформаторной стали;
получен новый образ по результатам ХАРГ, соответствующий кавитационным процессам в масле.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
Результаты работы позволяют повысить надежность диагностических заключений по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в трансформаторном масле, путем:
оптимизации устройств пробоотбора трансформаторного масла и ввода проб диагностических газов в хроматограф;
устранения противоречий, возникающих при интерпретации данных ХАРГ, согласно РД 153-34.0-46.302-00;
получения достоверного диагностического заключения при возникновении кавитационных процессов в маслонаполненных шунтирующих реакторах.
Результаты работы использованы производителем пробоотборников ООО «Инжиниринговый центр ЭЛХРОМ» при разработке узла герметизации пробоотборного устройства.
Личный вклад. Научные результаты, представленные в диссертации, получены автором. Постановка цели работы и задач исследования выполнена совместно с научным руководителем С.М. Коробейниковым. Экспериментальные исследования по определению коэффициентов диффузии проведены совместно со студентами. Обработка экспериментальных данных по диффузии основных диагностических газов в трансформаторном масле проводилась автором единолично, а анализ полученных результатов выполнен совместно с С.М. Коробейниковым. Программная реализация расчетов коэффициентов диффузии с учетом движения жидкости проводилась совместно с Ю.Г. Соловейчиком и Д.В. Вагиным. Экспериментальные исследования процесса газообразования в модели реактора и анализ полученных результатов проводились совместно со студентами. Обработка данных хроматографического анализа газов, растворенных в масле модели реактора, выполнена автором единолично с использованием различных методов интерпретации. Также автором методом номограмм обработаны данные по реакторам, находящимся в эксплуатации, и проведен сравнительный анализ полученных результатов с результатами на модели реактора, в результате чего был выявлен новый образ. Формулировка основных выводов и результатов работ выполнена совместно с С.М. Коробейниковым.
Апробация работы. Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались на пятнадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» г. Томск (2009), XI Всероссийской научно-технической конференции «НПО-2010», Международной научно-технической конференции «Трансформаторы: эксплуатация, диагностирование, ремонт и продление срока службы» г. Екатеринбург (2010), на семнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» г. Москва (2011), второй Всероссийской молодежной конференции с международным участием «Безопасность жизнедеятельности глазами молодежи», г. Челябинск (2011), VI-ом научно-практическом Семинаре по диагностике, г. Новосибирск (2011), на XV Международной научной конференции «Физика импульсных разрядов в конденсированных средах» г. Николаев (2011), на Международной молодежной научно-технической конференции «Управление, информация и оптимизация в электроэнергетических системах (2011)». Работа выполнялась в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», руководителем одного из проектов являлась Рыжкина А.Ю.
Публикации. По результатам работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 2 научных статьи в рецензируемых изданиях, входящих в перечень
рекомендованных ВАК РФ; 1 статья в сборнике научных трудов, 12 статей в материалах международных и всероссийских научных конференций.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников из 106 наименований и приложения. Работа изложена на 182 страницах основного текста, иллюстрируется 66 рисунками и 16 таблицами.
Процессы, происходящие в трансформаторном масле
Под действием температуры в углеводородных соединениях масла начинаются процессы термохимической деструкции молекул с образованием активных радикалов. При этом на первом этапе старения происходит окисление радикалов с образованием гидроперекисей, которые в ходе дальнейшего окислительного процесса приводят к образованию устойчивых продуктов окисления - органических кислот, карбонильных соединений, спиртов, фенолов. Дальнейшее старение масла приводит к появлению продуктов конденсации - простых и сложных эфиров, смолистых веществ. При глубоких формах старения образуются также летучие продукты-окислы углерода, воды и другие компоненты [28 - 29].
В соответствии с законом Вант-Гоффа скорость всех химических процессов, в том числе реакций окисления возрастает в 2 - 4 раза при повышении температуры на каждые 10 С. Таким образом, температура влияет на процессы, происходящие в масле. В работающем электрооборудовании (даже без учета «горячих точек») она может достигать 90 С. Ясно, что это ускоряет процессы старения.
Вода также оказывает достаточно сильное каталитическое воздействие на процессы окисления масла [29]. Вода в масле может быть в растворенной, связанной и эмульсионной формах, которые находятся между собой в состоянии динамического равновесия. При охлаждении масла происходит образование эмульсионной воды, которая представляет собой коллоидный раствор, состоящий из мельчайших (от единиц до десятков микрон) капель воды в масле. Эмульсионная вода в масле является основным источником слоевой воды в нормально работающем оборудовании, образующейся на поверхности раздела жидких и твердых элементов конструкции электрооборудования. Эмульсионная и слоевая вода являются источниками растворенной, а через нее и связанной воды в масле. Под растворенной водой подразумевается та вода, молекулы которой распределяются между углеводородными молекулами масла, не взаимодействуя с ними. С ростом температуры растворимость воды в масле растет. Другим фактором увеличения растворимости воды в масле является содержание в нем ароматических углеводородов и других соединений, способных вступать в те или иные взаимодействия с водой. Среди них кислородсодержащие продукты окисления масла, такие как спирты, альдегиды, кетоны, кислоты и тому подобное, которые способны образовывать ассоциаты с молекулами воды, находящимися в масле в растворенной форме [30]. В данном случае молекулы воды могут образовывать легко разрушаемые водородные связи с указанными продуктами окисления масла, и такая вода называется связанной.
Образование низкомолекулярных кислот приводит к увеличению скорости старения масла и других компонентов изоляции, коррозии металлов. Образование продуктов конденсации приводит к появлению нерастворимых в масле соединений, которые выпадают в виде шлама. Смолистые вещества и шлам осаждаются на элементах конструкции аппаратов и их изоляции, вызывая ухудшение условий теплоотвода, рост диэлектрических потерь и в конечном итоге увеличивают скорость старения оборудования [29].
Механические примеси являются заряженными частицами. Они имеют возможность агрегации с другими полярными компонентами, что приводит к образованию более крупных заряженных частиц (так называемых мицелл), которые еще более усугубляют цоложение. Они же являются источником шлама. В исследованиях, проведенных в лаборатории ОАО «Свердловэнергоремонт» было показано, что шлам состоит на 40-60 % из воды, 30-50 % из окисленного масла и около 10-15 % механических примесей. И это хорошо согласуется с представлениями физической и коллоидной химии о механизме шламообразования и осаждения. Но влияние механических примесей во многом зависит от их природы. Естественно, что проводящие компоненты приводят к резкому снижению диэлектрической прочности и создают благоприятные условия для пробоя. Скорость процессов старения в масле не постоянна. На первом этапе эксплуатации, который носит название индукционного периода, скорость мала и почти не увеличивается. В дальнейшем, по мере накопления продуктов старения, скорость резко увеличивается [29].
Известно, что что минеральные трансформаторные масла представляют собой смеси различных молекул углеводородов. При тепловых или электрических дефектах электрооборудования происходят процессы разложения этих углеводородов. Возникает разрыв связей углерод-водород и углерод-углерод. Образуются активный атом водорода и углеводородный компонент. Эти свободные радикалы могут взаимодействовать друг с другом, образуя газы, молекулярный водород, метан, этан и т.д., а также с остатками материнской молекулы либо с соседними, образуя новые молекулы. Дальнейшее разложение и перегруппировка приводят к образованию таких продуктов, как этилен и ацетилен и, в крайнем случае, к образованию твердых углеродных частиц [33-34].
Эти процессы зависят от состава углеводородов масла, распределения энергии и температуры в области дефекта, и от времени, в течение которого масло подвергалось термическому или электрическому воздействию. Эти реакции протекают стехиометрически, поэтому конкретный состав разложившихся углеводородных групп трансформаторного масла и условия, соответствующие определенному дефекту, не могут быть точно определены исходя из химической кинетики реакций. Галетед предложил модель, в соответствии с которой все углеводороды в масле разлагаются в сумму продуктов, и каждый продукт в ней находится в равновесии с остальными. Термодинамическая модель позволяет рассчитать парциальное давление каждого газообразного продукта в зависимости от температуры, с использованием известных констант равновесия для соответствующих реакций разложения. Пример использования такого подхода показан на рисунке 1.2 в соответствии с Галстедом. Количество образующегося водорода относительно высокое и слабо зависит от температуры, формирование ацетилена становится заметным только при температурах, близких к 1000 С [34].
Определение отношения полученной концентрации газов к исходному газосодержанию
Коэффициент диффузии водорода в масле определялся только в одной работе [70] и получился равным Ю-7 м2/с. Концентрация водорода определялась оптическим способом, газ извлекали из цилиндрического сосуда, частично заполненного маслом. Толщина слоя масла составляла 8 см. Цилиндр предварительно вакуумировали, либо заполняли воздухом, потом газ переходил из нижней части сосуда, заполненной маслом в верхнюю, вакуумную, либо газовую фазу. В первом случае происходило почти полное выделение газа из масла примерно за 0,5 час. Во втором случае концентрация водорода в газовой фазе за полчаса не достигала и пяти процентов. Обработку данных проводили, считая процесс диффузии квазистационарным, то есть поток газа из масла определяли через коэффициент диффузии, умноженный на концентрацию растворенного газа и деленный на толщину слоя масла. Но есть несколько моментов, которые заставляют усомниться в корректности этого коэффициента. Во-первых, он оказался аномально высоким. Коэффициент диффузии воды в масле по некоторым данным - Ю-11 м2/с. Коэффициенты диффузии газов в воде, известны давно и составляют порядка 10"9 м2/с. Так как масло более вязкая жидкость, этот коэффициент для газов в трансформаторном масле должен быть еще меньше, а приведенное авторами работы [70] значение представляется сильно завышено.
Во-вторых, с точки зрения диффузии потоки диффундирующего вещества в предварительно откачанный объем и в объем с газом должны быть одинаковыми. А в работе [70] они отличаются почти на два порядка (без использования ультразвука).
В-третьих, в анализируемой работе предполагается квазистационарное распределение водорода в трансформаторном масле (когда поток определяется делением концентрации на размер области). А на самом деле там должен происходить глубоко нестационарный процесс.
В четвертых, если взять коэффициент диффузии из работы [70] - пузырек размером 100 мкм должен растворяться в ненасыщенном масле примерно за 0,2 сек, тогда как согласно экспериментальным данным [2], он растворялся примерно за 13 секунд. Два порядка - это слишком много. Таким образом, можно сделать вывод, что вероятнее всего в интерпретации экспериментов, описанных в работе [70] авторы ошиблись. По моему мнению, результаты работы [2] по растворению пузырьков можно использовать при разработке методики определения коэффициента диффузии газов в трансформаторном масле.
Когда нет экспериментальных значений, приходится рассчитывать или предсказывать. Термин «предсказывать» несет в себе честное признание того, что результат может быть правильным лишь отчасти. Для достижения целей данной работы следует рассчитать коэффициенты диффузии на основе комбинации известных теоретических предположений и корреляции экспериментальных данных, выявить теорию наиболее соответствующую условиям диффузии газов в трансформаторном масле. Добавка эмпирических данных должна позволить лучше увидеть корреляцию между полученными значениями. Многие методики расчета разрабатываются на основе корреляций, выявленных при таком подходе [74]. , Общий подход к расчётным методам такой. Идеальная система расчета должна: - выдавать точный результат при минимальном количестве исходных данных; - указывать возможную ошибку; - минимизировать время расчета.
Как правило, лучше использовать простой закон, дающий результат с минимальными затратами и лишь в крайнем случае, имеет смысл отдать предпочтение более сложному и точному методу [74].
Коэффициент диффузии мало зависит от давления и линейно увеличивается с температурой в узком интервале температур [75]. Рассчитать коэффициент диффузии (В) можно, используя различные теоретические выражения, приведенные ниже. Наибольший интерес представляет расчет этого коэффициента для водорода, который является наиболее летучим. 1. Метод Эйнштейна [75]. k N 1 D=(- ) (-) , (2.10) 2-IT-JU V где к - постоянная Больцмана, равная 1,38-10"16 эрг/К; N - число Авогадро, равное 6,02-1023; Т - температура. К; V - мольный объем растворенного вещества (водорода) при нормальной температуре кипения (для Нг = 14,3 см3/моль); р - вязкость, П.
Рассчитанное по этому выражению значение коэффициента диффузии получилось равным 2-10 10м2/с. 2. Метод Ли и Чанга [75]] D= , (2.11) ріг где г - радиус молекулы водорода. А; ц. - вязкость, сП. Кинетический диаметр а молекулы водорода можно рассчитать, воспользовавшись выражением из газовой теории [76]: 4=І-0+т), (2.12) где От - диаметр при Т; Т - температура; о - диаметр межмолекулярного взаимодействия при весьма высокой температуре; С -постоянная Сезерленда.
Если подставить значение радиуса, полученное по выражению (2.12) в уравнение (2.11), найдем значение коэффициента диффузии. Оно примерно в три раза отличается от того, что было получено по методу Эйнштейна и составляет 7-10 м /с.
3. Метод Уилка и Чанга [75]] Z = 7,4-W-s-(X-Mp)i/2/(M-V 6), (2.13) где Т - температура, К; (j, - вязкость растворителя, сП; Мр - молекулярная масса растворителя; V - мольный объем растворенного вещества (водорода), см3/моль; X - параметр ассоциации растворителя (трансформаторного масла).
При расчете по уравнению (2.13) получили коэффициент диффузии равный 3-Ю"10 м2/с. При этом параметр ассоциации принимался равным единице. Для ассоциированных растворителей X = 1. Параметр ассоциации много больше единицы для дипольных жидкостей. Для масла он будет немного отличным от единицы и при извлечении квадратного корня небольшой разброс значений X практически не повлияет на коэффициент диффузии.
Математическая модель и программа по расчету коэффициентов диффузии газов в трансформаторном масле
Шунтирующие реакторы предназначены для улучшения функционирования электрических сетей. Передача электроэнергии на дальние расстояния связана со значительными сложностями. Они обусловлены потоками реактивной мощности вдоль линии при отклонениях передаваемой мощности от натуральной [90]. Реактивная мощность линии равна нулю в частном случае равенства мощностей электрического и магнитного полей, а протекающий при этом ток называется натуральным (естественным) током линии. Соответствующий режим работы линии называется натуральным. Если ток в линии не совпадает с натуральным, то при токе меньшем натурального, на линии имеется избыток реактивной мощности. Напротив, при токе, большем натурального, линия потребляет реактивную мощность, при этом по отношению к источнику напряжения линия представляет собой как бы мощный реактор и нуждается в источнике реактивной мощности [91].
Отклонения передаваемой мощности от натуральной неизбежны на любой линии электропередачи из-за изменения нагрузки потребителя, а также в результате аварийных набросов или сбросов нагрузки при отключении параллельных связей или разрыве линии на каком-то ее участке. В нормальных (не аварийных) режимах передаваемая по линии мощность в часы провала графика нагрузки уменьшается на 50 % и более по сравнению с максимальной. При этом линия генерирует реактивную мощность, которая при больших длинах линии может составлять значительную долю от натуральной мощности. Поддержание неизменного напряжения при изменении нагрузки может быть обеспечено только при равномерном размещении вдоль линии шунтирующих реакторов, потребляющих избыточную зарядную мощность линии [90].
Постоянно включенные шунтирующие реакторы ограничивают пропускную способность линий, поэтому проектировщики стремятся ограничить степень компенсации зарядной мощности линий до 50...60%. Это в свою очередь при малых нагрузках приводит к повышению напряжения в электрических сетях сверх наибольшего рабочего. При этом пропускная способность линий снижается, не достигая естественного предела, определяемого натуральной мощностью линий.
Возможность изменения индуктивности реакторов обеспечит значительное улучшение условий эксплуатации электрических сетей [91].
В работе [92] был проведен анализ повреждаемости и наиболее характерных дефектов шунтирующих реакторов типа РОДЦ-60000/500.
Реактор РОДЦ однофазный, шунтирующий, масляный, с принудительной циркуляцией масла, охлаждаемого направленным потоком воздуха. Предназначен для компенсации реактивной мощности линии электропередачи 500 кВ. Активная часть шунтирующего реактора включает в себя обмотку с 8-образными магнитными шунтами, помещенную в бак с трансформаторным маслом. Внутри обмотки расположена этажерка из фарфоровых изоляторов, служащих для создания жесткого раскрепления магнитных шунтов.
Производство шунтирующих реакторов РОДЦ-60000/500 началось в конце 60-х годов, изготовитель - Московский «Электрозавод» (МЭЗ). Наибольшее число повреждений приходится на 70-е годы и начало 80-х годов. Часть повреждений аналогична повреждениям трансформаторов. Это витковые замыкания из-за дефектов провода; перекрытия изоляции из-за загрязнения ее металлической пылью из дефектных насосов типа ЭТЦ-63/10 Бендеровского завода; «классические» повреждения ввода 500 кВ, включая алюминиевую пыль из дефектных баков давления; течи масла, неправильное показание стрелочного маслоуказателя; несовершенство конструкции предохранительного клапана. Другая часть дефектов - специфические, например, перекрытия обмотки по длинным прошивным рейкам. Завод (МЭЗ) разработал и внедрил усовершенствованную конструкцию обмотки с короткими прошивными рейками, изменил конструкцию входной зоны обмотки, внедрил переплетенную обмотку и т.п. Подробный перечень усовершенствований приведён ниже. Кроме того, реакторы РОДЦ-60000/500, изготовленные до 1987 года, имели недостаточный объем расширителя, что приводило к их выходу из работы, особенно в районах с резкими колебаниями температуры. С 1987 года МЭЗ увеличил объем расширителя.
В 1995-1996 гг. в связи с отказом от монолитного эпоксидного закрепления магнитных шунтов, резким ухудшением качества изготовления обмотки (в том числе - отказ от элементарных приемов полувековой давности, резко снижавших дефекты паек обмоточного провода) и т.п., выпущена партия реакторов с резко повышенной повреждаемостью.
Компактная общая принципиальная конструкция отечественных шунтирующих реакторов 500 кВ (и 750 кВ) достигнута за счет того, что нижняя часть ввода 500 кВ (или 750 кВ) расположена внутри обмотки. При этом некоторая экономия масла и т.п. получена за счет чрезмерно напряженных условий работы ряда элементов. В частности, реакторный ввод 500 кВ (или 750 кВ) было невозможно изготовить с традиционными обкладками из алюминиевой фольги, необходимыми для обеспечения равномерного распределения электрического поля, так как мощный магнитный поток наводил бы в них слишком большие потери. Полупроводящее покрытие, заменяющее фольгу, неустойчиво, поэтому повреждаемость реакторных вводов очень велика. Другие дефекты реакторов РОДЦ изложены ниже.
По совокупности этих и других обстоятельств в конце 90-х годов МЭЗ перешел на бронестержневую конструкцию и сейчас вместо РОДЦ-60000/500 выпускает РОДБС-60000/500 или РОМБС-60000/500, где буквы «БС» означают «бронестержневой». В этой конструкции используются обычные трансформаторные вводы 500 кВ.
Далее рассматривается характерный период (1981-1988гг.) повреждений шунтирующих реакторов РОДЦ-60000/500 (далее ШР-500). Такой период выбран по двум причинам: 1) за это время внедрены наиболее важные усовершенствования, определившие некоторое повышение надежности ШР-500 к концу 80-х годов; 2) в этот период времени был изготовлен диагностируемый реактор.
Повреждения РОДЦ-60000/500 в 1981-1988 гг.
В 1981 г. одно из повреждений ШР-500 произошло из-за «дугового» перекрытия верхней половины обмотки (с наружной стороны) между емкостным кольцом и верхней катушкой обмотки, а именно по следам ползущего разряда на прилегающем к обмотке цилиндре. Вероятной причиной возникновения и развития ползущего разряда явилось ослабление изоляционного промежутка из-за уменьшения первого масляного канала и загрязнения элементов обмотки металлической пылью, попавшей из поврежденного маслонасоса. По итогам расследования этого повреждения выполнены следующие мероприятия: - усовершенствована конструкция закрепления прошивных реек; - улучшены форма и технология выполнения переходов между емкостным кольцом и катушкой; - во второй половине 80-х годов освоены экранированные маслонасосы. В 1981-1983 гг. продолжались начатые ранее мероприятия по повышению надежности РОДЦ-60000/500: замена дефектных баков давления (вводы 500 кВ), в которых при трении кромок об алюминиевые стойки образовывалась алюминиевая пыль, а также промывка остовов эксплуатируемых вводов от накопившихся таким образом частиц;
Анализ полученных результатов по газообразованию в модели реактора
Площадь модели реактора составляет 0,6 см , тогда интенсивность газообразования в 1 л масла равна 0,6 см2/л.
Таким образом, возможна высокая интенсивность газообразования в реальном реакторе, при условии ослабления (разбалтывания) стяжек магнитопровода, которая примерно в 100 раз больше, чем в модели. Если пересчитать концентрацию, полученную при хроматографическом анализе, на реальный реактор с учетом посчитанной выше возможной интенсивности газообразования, то концентрация водорода может превысить граничное значение уже в начальный период работы реактора.
Как было показано выше, пузырьки наблюдались в опытах с моделью реактора в случае, когда масло является недегазированным и стяжка магнитопровода ослаблена. О чем это говорит? Возникновение вибраций в магнитопроводе с ослабленной стяжкой неизбежно приводит к появлению микрозазоров, которые образуются на стадии сжатия магнитопровода. При образовании микрозазора в жидкости, находящейся в нем, возникает отрицательное давление, образуются пузырьки, в них происходит диффузия газа. На стадии уменьшения зазора пузырек не успевает раствориться и выталкивается из зазора в жидкость, после чего всплывает. В случае дегазированного масла пузырек, на наш взгляд, тоже должен образовываться, но ввиду отсутствия газа в нем он просто охлопывается на стадии уменьшения зазора, генерируя при этом импульс давления.
Поскольку кавитация была выявлена в модели реактора и был получен образ, соответствующий ей, была сделана попытка найти похожие образы в данных хроматографического анализа в реальных шунтирующих реакторах. В работе при обработке данных было рассмотрено 30 реакторов типа РОМБС, по данным хроматографического анализа газов которых построены 453 номограммы состояния в динамике за несколько лет. Некоторые интересные для анализа реакторы приведены ниже.
У данного реактора из 12 случаев выявлено 4 типовых образа, где основным газом является метан, а характер повреждения - нагрев при плохих контактах, токах утечки. Но также в половине случаев встретился и новый образ, последовательность газов у которого не совпадает с типовыми. СКО от типовых у этих образов составляет более 15 %. Этот новый образ представлен на рисунке 3.20.
У данного реактора из 13 случаев выявлено 8 типовых образов, среди которых преобладают образы, где основным газом является метан, а характер повреждения - нагрев при плохих контактах, токах утечки и нагрев, переходящий в частичные разряды (ЧР). Также обнаружены новые образы (последовательность газов у которых отличается от типовых образов и СКО от типовых составляет более 15 %) в 2 случаях. Этот новый образ с основным газом - метаном идентичен тому, что представлен на рисунке 3.20. Также он повторился еще в 7 реакторах.
Западно-Сибирское ПМЭС РЭС: Подстанции 500 кВ ПС: ПС-500 кВ Рубцовская Р-2ф.А Бак Фаза: А. У данного реактора из 31 случая выявлено 23 новых образа с той же последовательностью газов, что изображена на рисунке 3.20. Омское ПМЭС РЭС: Подстанции 500 кВ ПС: ПС-500 кВ Таврическая Р-534 ф В Бак Фаза: В.
У данного реактора из 14 случаев выявлено 3 типовых образа, среди которых преобладают образы, где основным газом является метан, а характер повреждения - нагрев при плохих контактах, токах утечки. Также обнаружены образы в 11 случаях, где одинаковая с типовыми последовательность газов, но их СКО более 15 %. Новыми их считать нельзя. Омское ПМЭС РЭС: Подстанции 500 кВ ПС: ПС-500 кВ Заря Р-532 ф. А Бак Фаза: А. У данного реактора во всех 14 случаях образы типовые основной газ -метан и соответствуют высокотемпературному нагреву и нагреву, а также нагреву, переходящему в разряды.
Суммарно при обработке данных в 277 случаях за основной газ был принят метан, в 142 случаях - этилен, в 32 случаях - водород. В 2 случаях наибольшую концентрацию имел этан, но типовых образов, где основным газом является этан, нет. Результатов вскрытия для данных реакторов не было. Из построенных номограмм видно, что наиболее часто встречается образ, связанный с нагревом, переходящим в разряды, где основной газ этилен (111 случаев). Далее по встречаемости идет образ, связанный с нагревом, переходящим в ЧР, где основной газ метан (75 случаев). В 30 случаях был получен образ нагрева при плохих контактах, токах утечки и др., основной газ - метан. Наличие большого числа дефектов, связанных с нагревом, обусловлено тяжелым температурным режимом работы шунтирующих реакторов. В 228 случаях не идентифицированы образы, их среднеквадратическое отклонение (СКО) от типовых больше 15%. Также было выявлено, что еще один из образов (см рис. 3.21) отличается от типового и повторяется суммарно около 15 раз в 10 реакторах. Обобщенные данные обработки методом номограмм приведены на рисунке 3.22.
Образы, полученные при анализе данных ХАРГ реакторов РОМБС методом номограмм: 1 - нагрев, переходящий в разряды; 2 - нагрев, переходящий в ЧР; 3 - нагрев при плохих контактах, токах утечки и др.; 4 - не идентифицированы образы; 5 -образ, представленный на рис.3.21.
Также для сравнения было рассмотрено 35 реакторов типа РОДЦ и построены их номограммы состояния. Для них наиболее часто встречается образ, связанный с нагревом при плохих контактах, токах утечки и т.д. где основной газ метан (23 случая). Следующим по встречаемости, как и у РОМБС, идет образ, связанный с нагревом, переходящим в разряды - основной газ этилен (20 случаев). Также есть образ, отвечающий за высокотемпературный нагрев - основной газ этилен (12 случаев). В 60 случаях дефекты идентифицированы не были. Их СКО от типовых образов составляло 15% и более.
