Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса по теме исследования. Обоснование и формулирование цели и задач исследования старения БМИ 10
1.1 Химический состав электроизоляционной бумаги 10
1.2 Процесс и продукты старения БМИ 13
1.3 Методы оценки степени старения БМИ 18
1.4 Анализ методик и конструкций испытательных ячеек, применяемых при проведении экспериментальных исследований разложения БМИ 24
1.4.1 Анализ методик, применяемых при проведении исследований образования метанола при старении БМИ 24
1.4.2 Анализ конструкций испытательных ячеек для проведения экспериментальных исследований образования метанола при разложении БМИ 25
1.5 Выводы к первой главе 28
Глава 2. Разработка методики проведения экспериментального исследования старения БМИ и выявление связи между степенью полимеризации изоляционной бумаги и количеством образовавшегося метанола 30
2.1 Методика проведения экспериментальных исследований 30
2.2 Экспериментальное исследование разложения БМИ под действием электрического поля 2.2.1 Описание испытательной ячейки 34
2.2.2 Подготовка объекта к эксперименту 35
2.2.3 Выбор условий проведения эксперимента 36
2.2.4 Описание испытательной установки 37
2.2.5 Проведение эксперимента 37
2.2.6 Обработка полученных результатов 40
2.2.7 Выводы по эксперименту 40
2.3 Экспериментальное исследование образования метанола при тепловом воздействии на трансформаторное масло 41
2.3.1 Описание исследуемого объекта 41
2.3.2 Подготовка к эксперименту 43
2.3.3 Проведение эксперимента 43
2.3.4 Обработка полученных результатов 44
2.3.5 Выводы по эксперименту 45
2.4 Экспериментальное исследование образования метанола при тепловом воздействии на БМИ 46
2.4.1 Подготовка к эксперименту 46
2.4.2 Проведение эксперимента 50
2.4.3 Результаты эксперимента 51
2.4.4 Выводы по результатам исследований образования метанола при тепловом воздействии на БМИ 61
2.5 Выводы ко второй главе 61
Глава 3. Разработка критерия оценки степени старения БМИ силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях по содержанию метанола в трансформаторном масле 63
3.1 Особенности конструкции силовых трансформаторов 63
3.2 Особенности условий эксплуатации силовых трансформаторов 66
3.3 Разработка критерия оценки степени старения бумажно-масляной изоляции СТ в эксплуатационных условиях по содержанию метанола в трансформаторном масле 67
3.4 Выводы к третьей главе 74
Глава 4. Ранжирование силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях по разработанному критерию 75
4.1 Применение метанола для оценки состояния изоляционной бумаги силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях 75
4.2 Основные принятые допущения при расчёте удельного объёма метанола в исследуемых СТ 78
4.3 Оценка состояния силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях по разработанному критерию 79
4.4 Выводы к четвертой главе 82
Заключение 83
Список литературы 85
Приложение 1 96
Приложение 2 100
- Методы оценки степени старения БМИ
- Результаты эксперимента
- Разработка критерия оценки степени старения бумажно-масляной изоляции СТ в эксплуатационных условиях по содержанию метанола в трансформаторном масле
- Оценка состояния силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях по разработанному критерию
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Силовые трансформаторы (СТ) являются одним из основных видов оборудования электрических станций и подстанций. Важной проблемой, требующей научно обоснованного решения как в Российской Федерации, так и во всем мире, особенно в условиях существенного старения парка трансформаторного оборудования, является оценка остаточного срока службы СТ в эксплуатационных условиях. В настоящее время принято, что срок службы СТ главным образом определяется состоянием его внутренней изоляции, в первую очередь, бумажно-масляной изоляции (БМИ), которое можно оценить по показателю степени полимеризации (СП) изоляционной бумаги – компонента БМИ. Изоляционная бумага в СТ в процессе эксплуатации не может быть заменена на новую без проведения капитального ремонта трансформатора, в отличие от масла, которое можно либо заменить, либо регенерировать по мере необходимости.
Одним из наиболее распространенных методов оценки старения изоляционной бумаги является определение СП изоляционной бумаги. В соответствии с действующими нормативными документами СП изоляционной бумаги определяется вискозиметрическим методом. В основу этого метода, положено уравнение Марка-Куна-Хаувинка, основанное на определении вязкости раствора целлюлозы (основного компонента изоляционной бумаги).
Однако на практике этот метод не нашел широкого применения для оперативной оценки состояния БМИ силовых трансформаторов на электрических станциях и подстанциях. Для определения СП изоляционной бумаги вискозиметрическим методом требуется отбор проб изоляционной бумаги из СТ, что, в свою очередь, приводит к необходимости вывода трансформатора в ремонт и его вскрытию. Кроме того, для получения достоверных результатов отбор пробы изоляционной бумаги необходимо проводить из наиболее нагретой точки (например, верхней части обмотки НН), с последующим восстановлением изоляции. Выполнение этой процедуры требует высокой квалификации персонала, в противном случае не гарантируется качественное восстановление изоляции.
В эксплуатационных условиях оценку состояния БМИ проводят, как правило, косвенными методами, основанными на анализе маркеров старения – продуктов деградации БМИ, растворенных в трансформаторном масле. В настоящее время условно различают маркеры старения трех поколений: к маркерам старения первого поколения относят воду, оксид и диоксид углерода, а к маркерам старения второго поколения – фурановые производные. К маркерам третьего поколения относят спирты, а в частности, метиловый спирт (метанол). Известно, что на скорость образования маркеров старения всех трех поколений влияет множество факторов, например, температура масла, конструкция трансформатора, тип бумаги и ее влагосодержание, концентрация кислорода в масле.
Оценка состояния БМИ возможна по зависимостям, устанавливающим связь между СП изоляционной бумаги и количеством образовавшихся и растворившихся в трансформаторном масле маркеров старения. Такие зависимости получают, как правило, экспериментальным путем. Однако, для маркеров старения первого и второго поколений установить однозначную связь между их количеством и СП изоляционной бумаги в СТ в эксплуатационных условиях не удается. Так, например, увеличение содержания воды и диоксида углерода в СТ может происходить не только при старении БМИ, но и за счет проникновения этих компонентов из
окружающего силовой трансформатор атмосферного воздуха. Кроме того, СО и СО2 являются не только продуктами деструкции БМИ, но образуются еще и в процессе старения трансформаторного масла, а в некоторых случаях также при химическом взаимодействии материалов, из которых изготовлен СТ. Обратная картина наблюдается для маркеров старения второго поколения: в силовых трансформаторах, оснащенных адсорбционными или термосифонными фильтрами, фурановые производные могут разлагаться в присутствии силикагеля, что приводит к снижению их концентрации в трансформаторном масле. Таким образом, маркеры, как первого, так и второго поколения не обеспечивают достоверной оценки состояния БМИ силовых трансформаторов.
Актуальность темы диссертации обусловлена острой необходимостью в исследовании новых маркеров старения для оперативной и достоверной оценки состояния бумажно-масляной изоляции СТ без вывода оборудования из работы.
Степень разработанности темы исследования. Исследования продуктов разложения изоляции (ПРИ), растворенных в трансформаторном масле, и их взаимосвязи с состоянием БМИ и выявлением дефектов на ранней стадии их развития начались в 70-х годах прошлого столетия. Несмотря на большое число публикаций в этой области и развитие технологий за последние 50 лет, исследования образования ПРИ продолжаются в исследовательских центрах (IREQ, EPRI, SIEMENS, ABB, ALSTOM) многих стран мира (Канада, Франция, Великобритания, США, Китай), а также в рамках инженерных сообществ, таких как IEEE, IEC, CIGRE. Развитие этих исследований ведется в направлениях усовершенствования существующих методик интерпретации результатов измерений маркеров старения, а также поиска новых маркеров старения БМИ.
Метанол стали рассматривать как альтернативный и надежный маркер с 2007-го года после обширных исследований, начатых в 2001-м году в лаборатории IREQ (Канада). За десятилетие исследований опубликовано несколько десятков работ в открытых источниках. Существенный вклад в изучение метанола, как маркера старения 3-го поколения, внесли зарубежные специалисты: Jocelyn Jalbert, Roland Gilbert, Pierre Tetreault, Brigitte Morin, Marie-Claude Lessard, Schaut Annelore, Eeckhoudt Steve, Oscar H. Arroyo, Issouf Fofana и другие. Однако, до сих пор не полностью изучены особенности образования метанола в трансформаторном масле при старении БМИ, отсутствуют нормативные документы как в части методики выполнения анализа метанола, растворенного в трансформаторном масле, так и в части интерпретации результатов этого анализа. Методы экспериментальных исследований в лабораторных условиях, на наш взгляд, не полностью соответствуют реальным условиям эксплуатации силовых трансформаторов. Следует отметить также, что в настоящее время отсутствуют критерии оценки состояния бумажно-масляная изоляция СТ, которые могут быть применены для различных классов напряжения и конструкций силовых трансформаторов. В российской исследовательской практике отсутствуют работы в области изучения образования метанола, как маркера старения БМИ силовых трансформаторов, изготовленной из изоляционной бумаги К-120 и трансформаторного масла ГК.
Целью работы является разработка критерия оценки состояния бумажно-масляной изоляции силовых трансформаторов для их ранжирования по содержанию метанола в трансформаторном масле.
Объектом исследования является бумажно-масляная изоляция силовых трансформаторов.
Предметом исследования являются количественные показатели содержания метанола в трансформаторном масле при старении бумажно-масляной изоляции силовых трансформаторов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
-
Анализ состояния вопроса по теме исследования. Обоснование и формулирование цели и задач исследования старения БМИ.
-
Разработка методики проведения экспериментального исследования старения БМИ и выявление связи между степенью полимеризации изоляционной бумаги и количеством образовавшегося метанола.
-
Разработка критерия оценки состояния БМИ силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях по содержанию метанола в трансформаторном масле.
-
Ранжирование силовых трансформаторов, работающих в эксплуатационных условиях, по разработанному критерию.
Соответствие паспорту специальности
Научные положения, отраженные в диссертации, полностью соответствуют формуле специальности 05.14.12 «Техника высоких напряжений». Они входят в пункт 6 области исследования: «Разработка методов и средств диагностики состояния изоляции электроустановок высокого напряжения».
Научная новизна результатов. На основании сформулированных и реализованных цели и задач исследования получены новые научные результаты:
1. Впервые с применением разработанной методики на моделях БМИ получена
эмпирическая зависимость, устанавливающая связь между степенью полимеризации изоляционной бумаги марки К-120 и количеством метанола, образующегося при старении БМИ под тепловым воздействием. Впервые выявлено, что под действием на БМИ отдельно электрического поля и отдельно теплового воздействия на трансформаторное масло метанол не образуется.
-
Получена эмпирическая зависимость, устанавливающая связь между степенью полимеризации БМИ из изоляционной бумаги марки К-120 и масла ГК и количеством метанола, образовавшегося при ее старении при тепловом воздействии. Сопоставление с аналогичными данными, полученными зарубежными исследователями показывает, что характер полученных зависимостей идентичен. Однако количества образовавшегося метанола при одной и той же степени полимеризации изоляционной бумаги отличаются, что объясняется отличием в химических составах изоляционных бумаг различных изготовителей, а также особенностями конструкций испытательных ячеек.
-
Впервые разработан и обоснован критерий «удельный объём метанола», позволяющий ранжировать силовые трансформаторы по состоянию БМИ.
4. Предложены и обоснованы верхние и нижние границы допустимых значений удельного объёма метанола в трансформаторном масле. Практическая значимость результатов работы:
1. Применение разработанного критерия оценки состояния бумажно-масляной
изоляции силовых трансформаторов по содержанию метанола в масле позволяет ранжировать силовые трансформаторы в эксплуатационных условиях.
-
Результаты работы использованы в АО «Техническая инспекция ЕЭС» при разработке проекта нормативного документа «Методические рекомендации по определению состояния бумажной изоляции силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях по содержанию метанола в трансформаторном масле».
-
Применение разработанного критерия «удельный объём метанола» для оценки состояния 94-х силовых трансформаторов классов напряжения 35 и 110 кВ, находящихся в эксплуатации, позволило выявить трансформатор в предаварийном состоянии.
4. Методика оценки состояния бумажно-масляной изоляции силовых
трансформаторов по содержанию метанола в масле при дальнейшем развитии работ по этому
направлению может стать важной составляющей диагностики состояния трансформаторного
оборудования.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования являются фундаментальные положения электрофизических основ техники высоких напряжений.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика выполнения лабораторных исследований образования метанола в БМИ и требования к конструкции испытательных ячеек и условиям старения моделей бумажно-масляной изоляции.
-
Результаты экспериментальных исследований образования метанола в моделях бумажно-масляной изоляции под действием электрического поля и теплового воздействия.
-
Критерий «удельный объём метанола».
-
Результаты оценки состояния (ранжирования) БМИ силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях по содержанию метанола в масле.
Степень достоверности
Достоверность результатов достигается за счет корректного использования электрофизических основ техники высоких напряжений и соответствием результатов экспериментальных исследований автора с результатами, опубликованными в литературе.
Личный вклад автора
-
Разработка методики проведения экспериментальных исследований. Обоснование и разработка конструкций испытательных ячеек.
-
Разработка и изготовление моделей бумажно-масляной изоляции.
-
Обработка результатов экспериментальных исследований.
-
Участие в разработке критерия оценки состояния БМИ силовых трансформаторов и в ранжировании силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях.
Апробация результатов работы. Научные и практические результаты диссертационной работы были представлены на следующих научно-практических конференциях и заседаниях кафедры «Техника и Электрофизика Высоких Напряжений» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».
1) IV Научно-практическая конференция «Контроль состояния оборудования
объектов электроэнергетики» (6 декабря 2017, Москва);
2) IV Международный коллоквиум «Исследование трансформаторов и управление
активами» (10-12 мая 2017, Пула, Хорватия);
-
III Научно-практическая конференция «Контроль состояния оборудования объектов электроэнергетики» (6 декабря 2016, Москва);
-
Научно-практическая конференция «Нефтяные масла в электроэнергетике: актуальные вопросы применения и контроля качества-2016» (25-27 мая 2016, Москва);
-
Научно-практическая конференция «Общие проблемы диагностирования силового электрооборудования» (18-21 апреля 2016, Снежинск);
-
Международная научная конференция «АТОМТЕХ-2015. Электрофизика» (17-19 ноября 2015, Москва).
-
Заседания кафедры «Техника и электрофизика высоких напряжений» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в 2016, 2017 и 2018 годах.
Публикации по теме диссертации
Основные результаты диссертации опубликованы автором в 5 печатных работах, в том числе 2 статьи, одна из которых входит в Перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК Российской Федерации, а вторая в журнале, входящем в приравненную к Перечню ВАК, международную базу цитирования SCOPUS. В публикациях статей личный вклад соискателя составляет не менее 50%.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка литературных источников из 116 наименований. Основная часть работы изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 16 таблиц и 2 предложение.
Методы оценки степени старения БМИ
Существующие в настоящее время подходы к оценке состояния бумажно-масляной изоляции СТ так или иначе базируются на построении корреляций между результатами прямого определения СП изоляционной бумаги, входящей в состав БМИ, и различными косвенными показателями. В последнем случае широко используются физические методы, основанные на определении диэлектрических свойств БМИ с использованием источников постоянного [107, 109, 114] и переменного [65, 91, 106, 112] тока.
Уровень старения изоляционной бумаги может быть определён также исходя из её механической прочности. В частности, согласно РДИ 34-38-058-91 оценка старения изоляционной бумаги определяется количеством изгибов испытуемых образцов. По результатам испытаний образцов изоляционной бумаги присваивают один из четырёх классов механической прочности: 1-й класс - изоляция эластичная; 2-й класс - изоляция твёрдая; 3-й класс - изоляция хрупкая; 4-й класс - изоляция ветхая, при сгибе до прямого угла изоляция ломается.
В последнее время разрабатываются также методы «визуализации» состояния изоляционной бумаги, в которых оптический сигнал с помощью волновода подается на поверхность обмотки, а отражённый сигнал передается на детектор для последующего анализа [86, 95]. Результат выдается в виде значения СП.
Одним из наиболее простых и доступных методов измерения СП целлюлозы представляется вискозиметрический метод [56]. В основу данного метода, положено уравнение Марка-Хаувинка [62]:
[т]] = Кх(СП) (1.3)
где [] - характеристическая вязкость раствора, СП - средневязкостная степень полимеризации, К - вязкостно-молекулярная константа, зависящая от температуры и природы растворителя и полимера, - постоянная для системы полимер-растворитель, значение которой зависит от конформации макромолекул в растворе.
Измерения СП проводятся согласно стандартизованным методикам [6, 70], в соответствии с которыми подготовленные образцы изоляционной бумаги растворяют в кадоксене или этилендиамине меди, измеряют времена истечения растворов (р-ра) и чистого растворителя (р-ля) через капилляр вискозиметра известного диаметра. Далее, исходя из усреднённых значений времён р-ра и р-ля, рассчитывают величины удельной (уд) или относительной (отн) вязкостей растворов. Средневязкостную СП изоляционной бумаги рассчитывают из уравнения Марка-Хаувинка c использованием справочных значений констант К и ( = 0,94, К = 0,0071 для системы целлюлоза/кадоксен; = 1, К= 0,0075 для системы целлюлоза/раствор этилендиамин) [6, 56].
В работах [30, 59] показано, что прочность бумаги на разрыв пропорциональна значению СП. Новая изоляционная бумага имеет среднюю СП от 1000 до 1500, а ее прочность на разрыв составляет около 1200 Нм/г. При снижении значения СП до 1000-450 прочность бумаги практически не изменяется, поэтому степень её изношенности считается умеренной. При дальнейшем снижении СП происходит критическое снижение механической прочности бумаги, сопровождающееся изменением цвета до темно-коричневого. Считается, что бумага со СП 150-200 не имеет механической прочности [73, 88, 101, 103, 104]. Соотношение между СП изоляционной бумаги и её механической прочностью представлено в таблице 2.
Несмотря на то, что вискозиметрическое определение СП целлюлозы в качестве характеристики изоляционной бумаги СТ является общепринятым и взято за основу российских и международных стандартов [6, 70], существует ряд работ, рассматривающих различные факторы, которые могут привести к ошибкам в определении СП стандартными методами [56]. Принятие в расчёт данной информации позволяет повысить точность и эффективность применения стандартных методик для определения качества изоляционной бумаги.
Определение СП, а также механической прочности - наилучшие критерии оценки фактического старения целлюлозных материалов. Однако эти методы не являются методами оперативной диагностики, так как требуют отбора проб бумаги, для чего необходим вывод трансформатора в ремонт и его вскрытие. Кроме того, для получения достоверных результатов необходимо проводить отбор пробы изоляционной бумаги из наиболее нагретой точки (например, верхней части обмотки НН) с последующим восстановлением изоляции, что является дорогостоящим и рискованным мероприятием, требующим высокой квалификации персонала, производящего отбор изоляционной бумаги.
Одним из наиболее перспективных направлений оценки СП изоляционной бумаги является применение физико-химических методов анализа, базирующиеся на качественном и количественном определении продуктов деградации БМИ - маркеров старения, как правило, аккумулирующихся в трансформаторном масле. Маркеры старения 1-го (СО и СО2, Н2О) и 2-го (фурановые производные: фурфурол (2-FAL), 2-20 фурилметанол (2-FOL), 5-гидроксиметил-2-фурфурол (5-HMF), 5-метил-2-фурфурол (5-MEF) и 2-ацетилфуран (2-ACF)), поколений, как было указано во введении, не позволяют однозначно определить СП изоляционной бумаги. В связи с этим, в настоящее время активно исследуется возможность использования в качестве индикаторов состояния бумажно-масляной изоляции СТ других химических соединений - продуктов разложения бумаги. За последнее десятилетие в технической литературе появилось более десятка сообщений о маркере старения изоляционной бумаги третьего поколения - метиловом спирте - после публикации результатов обширного исследования лаборатории IREQ (Канада) в 2007 году [68].
При исследовании продуктов деполимеризации бумаги в поисках нового потенциального маркера старения авторами статьи [68] были выдвинуты к нему следующие требования:
хорошая растворимость в масле;
образование только в результате разрыва 1,4--гликозидных связей целлюлозы;
присутствие в масле независимо от класса нагревостойкости бумаги;
достаточная для практических целей химическая стабильность.
На основании спектрометрического анализа продуктов старения бумаги, не пропитанной маслом, было обнаружено 30 различных химических соединений [68]. При анализе состаренного масла было обнаружено 10 из 30-ти продуктов старения бумаги и одно соединение, характерное только для масла (всего 11). При анализе продуктов старения пропитанной маслом бумаги было обнаружено 14 соединений из 30-ти, характерных для бумаги, и одно характерное только для масла (всего 15).
Из анализа хроматограмм авторами [68] был сделан вывод о том, что компоненты, имеющие время удерживания более 30 минут, малопригодны в качестве маркеров старения бумаги. В итоге было выделено 4 химических соединения для дальнейшего изучения: ацетон, метанол, этанол и 1-бутанол.
В ходе испытаний на стабильность предложенных индикаторов старения бумаги, условия которых были приближены к эксплуатационным условиям для СТ со свободным дыханием, было выявлено, что при тепловом воздействии 110С и выше при отсутствии бумаги концентрация ацетона в масле увеличивается, поэтому он был признан непригодным в качестве химического маркера старения изоляционной бумаги. Концентрация остальных химических соединений при этом несколько снизилась, что объясняется их равновесным выходом из масла в воздух при изменении температуры.
Результаты эксперимента
В таблице 2.3 представлены результаты измерений значения СП изоляционной бумаги и концентрация метанола, образовавшегося в ячейках, в соответствии со временем старения.
Из графиков видно, что уже на третьи сутки после начала эксперимента метанол был зарегистрирован в испытательных ячейках как с образцами изоляционной бумаги с влагосодержанием 2 %, так и с влагосодержанием 0,5 %. Следует отметить, что получаемые концентрации метанола при снижении значения СП изоляционной бумаги с 1270 ед. до 1136 ед. четко регистрировались. Это свидетельствует о том, что даже на начальных стадиях старения изоляционной бумаги или при небольшом снижении СП образуется достаточное для измерения количество метанола.
В условиях фактической продолжительности ускоренных испытаний (44 суток) снижение СП кабельной бумаги до 250 ед. наблюдалось только на образцах изоляционной бумаги с влагосодержанием 2 %. СП изоляционной бумаги с влагосодержанием 0,5 % в идентичных условиях эксперимента снизилась только до 780 ед.
Интересно отметить, что в начале эксперимента старение (деполимеризация) кабельной бумаги проходит интенсивней, чем при приближении к значению СП в 250 единиц. Например, при влажности кабельной бумаги 2 % за первые 9 дней ускоренных испытаний СП снизилась, примерно, в 2,7 раза (с 1270 до 474 единиц), тогда как за последующие 25 дней - только в 1,9 раза: с 474 до 244 единиц. Аналогичная ситуация наблюдается и при значениях влагосодержания кабельной бумаги, равных 1 % и 0,5 %.
На рис. 2.16 представлены зависимости СП от концентрации образовавшегося метанола для образцов изоляционной бумаги с разным влагосодержанием.
Из приведенного рисунка можно сделать предположение, что влагосодержание изоляционной бумаги влияет только на скорость её старения и не влияет на количество метанола, образующегося при достижении СП этой изоляционной бумаги определённого значения.
Обработка полученных результатов. Для проверки принадлежности 3-х выборок, соответственно трём значениям влагосодержания образцов, точки на рисунке 28 выделили и рассматривали по диапазонам значений СП изоляционной бумаги. Учитывая, что количество метанола, образовавшегося при различном влагосодержании БМИ, не отличается более, чем на 10% при одном и том же значении СП, представляется обоснованным в дальнейшем рассматривать зависимости СП изоляционной бумаги от концентрации метанола в трансформаторном масле для образцов бумаги влажностью 0,5 %, 1 % и 2 % в совокупности, т.е. принять, что вся выборка принадлежит одной генеральной совокупности (таблица 2.4).
Зависимость СП изоляционной бумаги от концентрации метанола в масле может аппроксимироваться линейной функцией в виде: СПмат=АСм+В, где А и В - некоторые постоянные; СПмат - математическое ожидаемое значение степени полимеризации изоляционной бумаги, ед.; См - концентрация метанола в масле, ppb. Количество измерений n=19.
Используя метод наименьших квадратов, постоянные А и В вычисляются по следующим формулам [2]
Оценка коэффициента детерминации аппроксимирующей функции. Для оценки степени корреляции линейных зависимостей в статистике наиболее часто используют коэффициент корреляции Пирсона r, который называется также линейной корреляцией, так как измеряет степень линейных связей между переменными. Коэффициент корреляции Пирсона г вычисляется по следующей формуле [13]
Квадрат коэффициента корреляции Пирсона r2 представляет собой коэффициент детерминации - долю вариации, общую для двух переменных (иными словами, «степень» зависимости или связанности двух переменных). Коэффициент детерминации корреляции отражает её значимость и представляет собой главный источник информации о надёжности корреляции. Расчёт коэффициента детерминации для данных, приведенных на рисунке 2.19, даёт значение r20,91. Коэффициент детерминации r2 даёт предварительную оценку качества модели и, учитывая, что он может принимать значения в промежутке от 0 (наихудшая модель) до 1 (наилучшая модель), следует сделать вывод, что предлагаемая модель линейной зависимости между СП изоляционной бумаги и удельным объёмом образовавшегося метанола близка к наилучшей модели. Сопоставление результатов. При сопоставлении полученных результатов с результатами, полученными зарубежными исследователями при проведении подобных исследований с разными типами материалов, обнаружено совпадение характеров зависимости СП изоляционной бумаги от содержания образовавшегося метанола в трансформаторном масле [34, 36] (рис. 2.20).
Однако количество образовавшегося метанола при одной и той же степени полимеризации изоляционной бумаги отличается. Например, при значении СП 400 концентрации метанола для зарубежных бумаг составляют 1400-1500 ppb, а для бумаги К-120 - 2200 ppb. Разница в абсолютных значениях полученных концентраций метанола, растворенного в трансформаторном масле при одинаковых СП изоляционной бумаги, может быть объяснена следующими факторами:
эксперименты по ускоренному старению образцов изоляционной бумаги проведены в испытательных ячейках разных конструкций;
исследованию подвергались разные марки, как изоляционной бумаги, так и трансформаторного масла;
выбранное для экспериментов соотношение массы изоляционной бумаги к массе трансформаторного масла различно.
Разработка критерия оценки степени старения бумажно-масляной изоляции СТ в эксплуатационных условиях по содержанию метанола в трансформаторном масле
Из ранее полученной зависимости (рис. 2.19), устанавливающей связь между СП бумаги и количеством образовавшегося метанола, выраженной через его концентрацию в масле, можно рассчитать СП бумаги в БМИ по концентрации метанола в трансформаторном масле. Однако для практического применения полученной зависимости, с учётом условий проведения лабораторных исследований (отношение массы бумаги к массе масла 1:18), необходима её «нормализация». Она позволит применить эту зависимость для разных конструкций трансформаторов, в которых отношение массы бумаги к массе масла может значительно (в 2 и более раза) отличаться от выбранных в эксперименте. «Нормализация» полученной экспериментальной зависимости представляется в виде построения новой зависимости, устанавливающей связь между СП изоляционной бумаги и удельным объёмом метанола, выделившегося в испытательных ячейках, рассчитанным как отношение суммарного количества образовавшегося метанола к массе изоляционной бумаги.
Для учёта проанализированных выше особенностей конструкции и условий эксплуатации СТ предложено понятие «удельный объём образовавшегося метанола» Q0уд. Его значение вычисляется как суммарный объём метанола Q0, образовавшийся в результате старения изоляционной бумаги СТ за всё время эксплуатации СТ, отнесённый к массе изоляционной бумаги СТ, в результате старения (деполимеризации) которой образовался этот объем метанола. Тогда «нормализация» полученной экспериментальной зависимости представляется в виде построения новой зависимости, устанавливающей связь между СП изоляционной бумаги и удельным объёмом метанола. Такой подход позволит использовать результаты выполненных исследований для практического применения.
Для расчёта суммарного количества метанола необходимо учитывать количество метанола, находящегося внутри СТ. Кроме этого, для трансформаторов «негерметичной» конструкции необходимо принимать во внимание часть метанола, которая может «уходить» в атмосферу.
Приведенный выше анализ особенностей конструкции трансформаторов показал, что метанол, выделяясь из изоляционной бумаги СТ, распределяется внутри СТ по трём системам:
трансформаторное масло;
изоляционная бумага СТ;
сорбент термосифонного/ адсорбционного фильтра. Таким образом, суммарный объём метанола, образовавшегося при разложении изоляционной бумаги за время с момента выпуска СТ на заводе до момента проведения обследования СТ, равняется сумме объёма метанола внутри СТ и его потерь (рис. 3.3).
При недостатке исходных данных расчёт Q0уд можно выполнить, воспользовавшись следующими данными:
- См.дег. учитывают для тех СТ, в которых масло подвергалось обработке за время эксплуатации СТ. Измеряют См.дег. непосредственно перед обработкой масла либо используют значения, измеренные не ранее, чем за три месяца до обработки;
- См.зам. учитывают для тех СТ, в которых заменялся сорбент в термосифонном/адсорбционном фильтре за время эксплуатации СТ. Измеряют Смзам. непосредственно перед заменой сорбента в термосифонном/адсорбционном фильтре либо используют значения, измеренные не ранее, чем за три месяца до замены сорбента;
- в случае сушки, дегазации и регенерации масла рекомендуется применять коэффициент из диапазона 0,75-0,85 [12, 82], а в случае замены масла применяют коэффициент, равный 1;
- mм - масса масла в СТ указана на шильдике и в паспорте СТ;
- м - плотность трансформаторных масел (ТКп, Т-1500У, ГК, ВГ, АГК) при температуре 20С находится в пределах 885-895 кг/м3;
- mбум - масса изоляционной бумаги в СТ классов напряжения 35-110 кВ, оснащённых воздухоосушителем, оценочно может быть принята как 1/20 от массы масла в СТ;
- бум - плотность изоляционной бумаги может быть принята равной 915 кг/м3;
- mсорб - масса сорбента в термосифонном/адсорбционном фильтре СТ оценочно принимается как 1% массы масла в СТ;
- сорб - насыпная плотность сорбента в термосифонном/адсорбционном фильтре СТ может варьироваться в пределах 720-780 кг/м3. При использовании схемы (рис. 3.3) для расчёта суммарного количества метанола, образовавшегося в испытательных ячейках, можно рассматривать ячейки как «упрощённые модели» трансформаторов, в которых присутствуют только 2 компоненты - трансформаторное масло и изоляционная бумага. Таким образом, в каждой ячейке весь образовавшийся метанол растворился в трансформаторном масле и сорбировался в бумаге. Расчётная формула определения удельного объёма метанола Q0yd, мкл/кг в испытательной ячейке имеет вид:
Q0yfl= [Смет Ум+Кр.бум(Т)-Смет-Убум] / Шбум (3.7)
где Смет - измеренная концентрация метанола в трансформаторном масле, ppb; VM - объём масла в испытательной ячейке, л; V6yM - объём образца изоляционной бумаги в ячейке; Кр.бум(Т) - коэффициент распределения метанола между трансформаторным маслом и изоляционной бумагой; Т - температура трансформаторного масла при отборе проб, С; Шбум - масса образца изоляционной бумаги, г.
В соответствии с формулой (3.7) для расчёта удельного объёма метанола необходимо знать коэффициент распределения метанола между трансформаторным маслом и изоляционной бумагой. Отметим, что в литературе присутствуют сведения о коэффициентах распределения метанола в рассматриваемой системе [25]. Коэффициент распределения метанола в бумажно-масляной изоляции СТ в интервале температуры (25-90)С можно определить из выражения:
Кр6ум(Т) = 114,7-е- опт (3.8)
где Т - температура трансформаторного масла при отборе проб, С. В проведенном эксперименте теплового разложения БМИ известны следующие данные:
габариты полосы изоляционной бумаги: длина полосы 2 м, ширина полосы 6,25 см, толщина 120 мкм, объём образца изоляционной бумаги приблизительно равен: Убум = 20-0,625-120-10-5 = 15-10-3 (л);
объём трансформаторного масла VM = (270 - 15)-10-3 = 0,255 (л);
коэффициент распределения метанола между бумагой и трансформаторным маслом при температуре 25С отбора проб масла Кр.бУм(25С) = 114,7-е"0 01225 = 85;
масса образца изоляционной бумаги тбум = 12,6 (г).
Поставляя эти значения в формулу (24) для каждого значения измеренной концентрации метанола в масле Смет, вычисляем значение удельного объёма метанола в испытательной ячейке. Результаты расчётов удельного объёма метанола в испытательных ячейках представлены в таблице 3.1.
Оценка состояния силовых трансформаторов в эксплуатационных условиях по разработанному критерию
При вышеперечисленных допущениях вычисляется значение удельного объёма метанола Q0уд для каждого исследуемого СТ, далее в соответствии с рассчитанным Q0уд вычисляется СП изоляционной бумаги по формуле (3.6). На основании этих результатов по соответствующей степени полимеризации определяется группа состояния изоляционной бумаги по таблице 3.2. Общие результаты ранжирования состояния 94-х силовых трансформаторов представлены в таблице 4.2.
На рис. 4.4 представлен график распределения СП изоляционной бумаги силовых трансформаторов в соответствии с их сроком службы.
По результатам измерений у одного СТ выявлена чрезвычайно высокая концентрация метанола в масле по сравнению с другими СТ, находящихся в эксплуатации (на рис. 4.4 ухудшенный силовой трансформатор отмечен пунктирной линей). При этом значение СП, рассчитанное в соответствии с формулами (3.6, 3.9) по результатам анализа метанола, составило 368 единиц. В связи с этим было предложено вывести СТ из работы для проведения оперативного обследования.
СТ был выведен в ремонт для осмотра активной части и определения степени полимеризации изоляционной бумаги методом оптической спектроскопии. Конструкция СТ не позволяет провести осмотр активной части без подъёма крышки бака. В связи с этим было проведено измерение степени полимеризации изоляционной бумаги вводов высокого напряжения, доступных для осмотра через люк.
Результаты определения степени полимеризации в нескольких точках вводов представлены в таблице 4.3. Среднее значение СП, полученное методом оптической спектроскопии, составляет 413 единиц. Таким образом, результаты теоретического определения СП отличаются от измеренного значения на 11%, что свидетельствует о правильности принятых допущений, принятых при теоретическом анализе.
Полученные результаты позволяют сделать вывод об успешно проведенных исследованиях и состоятельности предлагаемого к применению на практике маркера старения изоляционной бумаги третьего поколения - метанола.