8 ключевых мер для снижения частичных разрядов в силовых трансформаторах

Растущие требования к системам охлаждения силовых трансформаторов и функции охладителей

С быстрым развитием электрических сетей и увеличением напряжения передачи, электросети и потребители электроэнергии предъявляют все более высокие требования к надежности изоляции больших силовых трансформаторов. Поскольку частичные разряды не повреждают изоляцию, но обладают высокой чувствительностью, эффективно обнаруживая врожденные дефекты изоляции трансформатора или угрожающие безопасности дефекты, возникающие при транспортировке и установке, полевые испытания частичных разрядов получили широкое применение. Они были включены в список обязательных тестов при вводе в эксплуатацию для трансформаторов с номинальным напряжением 72,5 кВ и выше.

1. Частичные разряды и их принципы

Частичный разряд, также известный как электростатическая ионизация, представляет собой поток электростатических зарядов. Под определенным приложенным напряжением электростатические заряды вначале подвергаются ионизации в местах с более слабой изоляцией в областях сильного электрического поля, не вызывая полного пробоя изоляции. Этот феномен потока электростатического заряда называется частичным разрядом. Частичный разряд, происходящий вблизи проводников, окруженных газом, называется коронным разрядом.

Частичный разряд — это электрический разряд, происходящий в локализованных местах внутри внутренней изоляции трансформаторов. Поскольку разряд локализован и имеет низкую энергию, он не приводит к немедленному полному пробою внутренней изоляции.

Для испытаний на частичные разряды трансформаторов в Китае изначально требование применялось только для трансформаторов с номинальным напряжением 220 кВ и выше. Позднее новый стандарт IEC установил, что измерение частичных разрядов должно проводиться, когда максимальное рабочее напряжение Um ≥ 126 кВ. Национальный стандарт аналогично указывает, что для трансформаторов с максимальным рабочим напряжением Um ≥ 72,5 кВ и номинальной мощностью P ≥ 10 000 кВА следует проводить измерение частичных разрядов, если не оговорено иное.

Метод испытания на частичные разряды следует положениям ГОСТ 1094.3-2003, где стандартный предел установлен не более 500 пК. Однако, в реальных контрактах клиенты часто требуют пределы ≤300 пК или ≤100 пК. Такие технические соглашения требуют от производителей трансформаторов поддерживать более высокие технические стандарты продукции.

2. Опасности частичных разрядов

Степень опасности частичных разрядов связана с их причинами, местоположением и уровнями начального и конечного напряжений. Более высокие начальное и конечное напряжения означают меньшую опасность, и наоборот. В отношении характеристик разрядов, разряды, влияющие на твердую изоляцию, представляют наибольшую опасность для трансформаторов, снижая прочность изоляции или даже вызывая ее повреждение.

3. Причины частичных разрядов

Факторы, вызывающие частичные разряды, включают недостаточное проектирование, но чаще всего они возникают в процессе производства:

• Острые края и заусенцы на компонентах, которые искажают электрическое поле и снижают напряжение начала разряда;

• Посторонние предметы и пыль, которые вызывают концентрацию электрического поля, приводя к коронному или пробивному разряду под воздействием внешнего электрического поля;

• Влага или пузырьки газа. Из-за более низкой диэлектрической проницаемости воды и газа, разряд происходит в первую очередь под воздействием электрического поля;

• Плохой контакт подвешенных металлических конструкций, формирующих концентрацию поля или вызывающих искровой разряд.

4. Меры по снижению частичных разрядов

4.1 Контроль пыли

Среди факторов, вызывающих частичные разряды, посторонние предметы и пыль являются чрезвычайно важными триггерами. Результаты испытаний показывают, что металлические частицы размером более 1,5 мкм могут создавать объемы разрядов, значительно превышающие 500 пК, под воздействием электрического поля. Как металлическая, так и неметаллическая пыль создают концентрированное электрическое поле, снижая напряжение начала разряда и пробивное напряжение изоляции.

Поэтому важно поддерживать чистоту окружающей среды и корпуса трансформатора во время его производства, а также строго контролировать пыль. Необходимо организовать герметичные пылезащитные цеха в зависимости от степени, в которой продукция может быть затронута пылью во время производства. Например, при выравнивании проводов, обертывании проводов бумагой, изготовлении обмоток, сборке обмоток, укладке сердечника, изготовлении изоляционных компонентов, сборке сердечника и финишной обработке сердечника, абсолютно недопустимо, чтобы какие-либо посторонние предметы или пыль оставались или попадали внутрь.

4.2 Централизованная обработка изоляционных компонентов

Изоляционные компоненты особенно уязвимы к загрязнению металлической пылью, поскольку после того, как металлическая пыль прилипает к изоляционным компонентам, ее крайне сложно полностью удалить. Поэтому необходимо централизованное производство в изоляционном цехе, с выделенной зоной механической обработки, изолированной от других источников пыли.

4.3 Строгий контроль заусенцев на листах из электротехнической стали

Листы сердечника трансформатора формируются путем продольной и поперечной резки, что неизбежно приводит к образованию заусенцев различной степени. Эти заусенцы не только вызывают межламельные короткие замыкания, образуя внутренние циркулирующие токи, увеличивая потери холостого хода, но и фактически увеличивают толщину сердечника, уменьшая количество ламелей. Более того, во время сборки сердечника или работы под вибрацией, заусенцы могут падать на корпус, вызывая разряд. Даже заусенцы, упавшие на дно бака, могут выстроиться под воздействием электрического поля, вызывая разряды на землю. Поэтому заусенцы на листах сердечника должны быть минимизированы. Для продуктов 110 кВ заусенцы не должны превышать 0,03 мм; для продуктов 220 кВ — 0,02 мм.

4.4 Холоднодеформированные терминалы для выводов

Использование холоднотянутых наконечников для выводных проводов является эффективной мерой для снижения количества частичных разрядов. При сварке фосфористой бронзы образуется множество брызг, которые легко рассеиваются по корпусу и изоляционным компонентам. Кроме того, область сварки требует изоляции с помощью асбестового шнура, смоченного водой, что вводит влагу в изоляцию. Если после обмотки изоляции влага не будет полностью удалена, она увеличится количество частичных разрядов трансформатора.

4.5 Закругление кромок деталей

Закругление кромок деталей служит двум целям: 1) улучшение распределения электрического поля и увеличение напряжения начала разряда. Поэтому металлические конструктивные элементы в сердечнике, такие как зажимы, тяги, подставки, опоры, пресс-пластины, кромки выводов, стенки клеммников и магнитозащитные пластины на внутренних стенках бака, должны быть закруглены. 2) предотвращение трения, которое вызывает образование железной стружки. Например, контактные части между отверстиями для подъема зажимов и веревками или крюками требуют закругления.

4.6 Среда производства и окончательная сборка сердечника

После вакуумной сушки сердечника перед установкой бака необходимо выполнить окончательную сборку сердечника. Для продуктов большего размера и более сложной структуры требуется больше времени на сборку. Поскольку прижим сердечника и затяжка крепежных элементов выполняются при его экспозиции воздуху, может произойти поглощение влаги и загрязнение пылью в этот период. Поэтому окончательная сборка сердечника должна проводиться в пылезащищенной зоне. Если время сборки (или время экспозиции воздуху) превышает 8 часов, требуется повторная сушка.

После окончательной сборки сердечника устанавливается верхняя часть бака, затем осуществляется откачка вакуума и заливка маслом. Поскольку изоляция сердечника поглощает влагу во время сборки, необходимо провести дегидратацию, которая достигается путем откачки вакуума. Это важная мера для обеспечения прочности изоляции высоковольтных продуктов. Уровень вакуума определяется на основе влажности сердечника и окружающей среды, а также стандартов содержания влаги, а продолжительность вакуума определяется на основе времени выхода из печи, температуры окружающей среды и влажности.

4.7 Вакуумная заливка маслом

Цель вакуумной заливки маслом — через откачку вакуума устранить мертвые зоны в изоляционной структуре трансформатора, полностью вытеснить воздух, а затем заполнить трансформаторное масло в условиях вакуума, чтобы обеспечить полное пропитывание сердечника. После заливки масла трансформаторы должны стоять как минимум 72 часа перед тестированием, так как степень пропитывания изоляционного материала зависит от толщины изоляционного материала, температуры масла и времени погружения. Лучшее пропитывание уменьшает вероятность разрядов, поэтому достаточное время ожидания является необходимым.

4.8 Герметизация бака и компонентов

Качество герметизирующих конструкций напрямую влияет на утечки трансформатора. Если существуют точки утечки, вода обязательно попадет внутрь трансформатора, вызывая поглощение влаги трансформаторным маслом и другими изоляционными компонентами — это один из факторов, вызывающих частичные разряды. Поэтому необходимо гарантировать надлежащую герметичность.