Диагностические статистические характеристики пробивных напряжений масла действующих силовых трансформаторов 110 кВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Диагностические статистические характеристики пробивных напряжений масла действующих силовых трансформаторов 110 кВ

Ю.А. Митькин, О.С. Мельникова

Аннотация

пробивной напряжение эксплуатационный маслопробойник

Состояние вопроса: Совершенствование методов диагностики внутренней изоляции маслонаполненных трансформаторов обусловило применение для диагностирования этой изоляции статистических характеристик электрической прочности масла, которые определяются по результатам его испытаний в стандартном маслопробойнике. Эффективность применения таких диагностических характеристик зависит от их изученности и установления их нормативных параметров, отражающих особенности работы электрооборудования в эксплуатации.

Материалы и методы: Использовались результаты эксплуатационных испытаний трансформаторного масла в маслопробойнике из действующих трансформаторов, которые обрабатывались методами теории вероятностей и математической статистики.

Результаты: Определены диагностические статистические характеристики пробивных напряжений эксплуатационных масел в маслопробойнике по традиционной методике и с применением параметров распределения Гнеденко-Вейбулла, установлены пределы изменения значений этих характеристик и их соответствие нормативным значениям. Выявлено, что нормативное значение коэффициента вариации среднего пробивного напряжения обусловливает снижение требований к качеству эксплуатационного масла трансформаторов. Показано, что значения нижнего предела пробивного напряжения масла отражают наличие частиц примесей в масле.

Выводы: Установлено, что полученные значения диагностических статистических характеристик пробивных напряжений эксплуатационных масел и их пределов изменения могут использоваться при выборе более обоснованных нормативных показателей диагностических характеристик внутренней изоляции трансформаторов в целях повышения их эксплуатационной надёжности.

Ключевые слова: диагностика, трансформатор, трансформаторное масло, пробивное напряжение, электрическая прочность, статистические характеристики.

Abstract

Background: Improvement of internal insulation diagnostic methods oil filled transformers caused by an application for the diagnosis of the statistical characteristics of insulation an electric strength of oil, which determined by the results of its tests in the standard oil-testing device. Efficiency of such diagnostic performance depends on their research and establishing their legal parameters showing the characteristics of operating electrical equipment.

Materials and methods: Existing transformers oil tests in the oil-testing device performed and been processed using methods of probability theory and mathematical statistical theory.

Results: Defined diagnostic statistical characteristics in oil-testing device of operational oils breakdown voltage according to traditional methods with using the parameters of the Weibull-Gnedenko distribution, confines of these characteristics and their regulatory values determination. Revealed that a normative value of the breakdown voltage average variation coefficient causes reduction in requirements for operational quality transformers oil. It was shown that the breakdown voltage lower limit value demonstrate oil impurities particles existence inside the oil.

Conclusions: Founded the values of operational oil breakdown voltage diagnostic statistical characteristics and their changes used to set up a reasonable limit of internal isolation transformer diagnostic in order to increase transformer operational reliability.

Keywords: diagnostics, transformer, transformer oil, breakdown voltage, electrical strength, statistical performance

Анализ эксплуатационной надёжности силовых маслонаполненных трансформаторов [1, 2] показал, что основной причиной их отказов является снижение электрической прочности внутренней изоляции. При ограниченных возможностях замены оборудования актуальным становится вопрос о разработке новых методов обеспечения работоспособности силовых трансформаторов в эксплуатации [3, 4].

В нормативных документах России и зарубежных стран при определении технического состояния внутренней изоляции силовых трансформаторов в качестве диагностического параметра предусмотрено применение среднего пробивного напряжения трансформаторного масла, определяемого по результатам его испытаний в стандартном маслопробойнике. Для обеспечения заданного уровня электрической прочности изоляции различных категорий электрооборудования нормативные значения среднего пробивного напряжения масла установлены с учётом их классов напряжений.

Однако в РД 34.45-51.300-97 не предусмотрен диагностический параметр, отражающий влияние разброса пробивного напряжения масла на статистические характеристики электрической прочности изоляции силовых трансформаторов и особенности работы электроизоляционных жидкостей в высоковольтном электрооборудовании. Вместе с тем при повышенном разбросе пробивных напряжений трансформаторного масла происходит увеличение вероятности пробоя масляных каналов в изоляции трансформаторов при меньших значениях воздействующего напряжения, что обусловливает снижение эксплуатационной надёжности трансформаторов [5, 6].

Здесь следует отметить, что при испытаниях жидких электроизоляционных материалов на пробой по ГОСТ 6581-75 предусмотрено определение среднего пробивного напряжения по 6 пробоям и его коэффициента вариации, характеризующего разброс пробивного напряжения. По этому стандарту предельное значение коэффициента вариации установлено 20%. Однако, в этом случае коэффициент вариации пробивного напряжения от его среднего значения при числе пробоев в опыте n = 6 составляет 48,99% [7], что существенно больше соответствующих значений коэффициента вариации пробивного напряжения трансформаторного масла от его среднего значения для технически чистых минеральных масел, которые достигают 10 - 15% [8, 9]. Таким образом, применение нормативного значения коэффициента вариации 20 % применительно к маслу означает значительное снижение требований к качеству эксплуатационного трансформаторного масла, приводящее к возрастанию вероятности пробоя масляных каналов изоляции трансформаторов.

Вышеприведённые традиционные статистические характеристики пробивных напряжений масла являются параметрами нормального закона распределения случайной величины. За последнее время в качестве диагностических параметров изоляции электрооборудования рассматриваются параметры трёхпараметрического распределения Гнеденко-Вейбулла [5,10], который отвечает физическому смыслу формирования пробоя в трансформаторном масле и содержит важный параметр - нижний предел пробивного напряжения [11].

Одновременно с этим проводятся работы по совершенствованию нормативно-технической документации [12], направленной на повышение качества изоляции силовых трансформаторов в эксплуатации.

Важно также отметить, что в специальной научно-технической литературе мало уделяется внимания анализу результатов статистических характеристик пробивных напряжений эксплуатационных трансформаторных масел в маслопробойнике, что затрудняет выбор и разработку более обоснованных диагностических статистических характеристик пробивных напряжений масла силовых трансформаторов и их нормативных показателей.

С учётом вышеизложенного в данной статье поставлены и решены задачи по определению статистических характеристик пробивных напряжений эксплуатационных масел в маслопробойнике, выявлению их диапазонов изменения и корреляционных связей этих диагностических характеристик для действующих силовых трансформаторов 110 кВ.

Методика исследования. Для исследований по результатам эксплуатационных испытаний была создана база данных пробивных напряжений трансформаторного масла из силовых трансформаторов с номинальным напряжением 110 кВ. В целом было исследовано масло из 74 трансформаторов, установленных в электрических сетях и на электростанциях.

Определение и анализ статистических характеристик пробивных напряжений трансформаторного масла проводились с применением стандартной методики³ и методов математической статистики [7]. При этом определялись следующие традиционные статистические характеристик пробивных напряжений масла:

среднее арифметическое значение пробивного напряжения:

(1)

среднее квадратическое отклонение среднего арифметического значения пробивного напряжения:

(2)

коэффициент вариации среднего пробивного напряжения:

(3)

среднее квадратическое отклонение пробивного напряжения от его среднего значения:

(4)

коэффициент вариации пробивного напряжения:

(5)

По методике [13] определялись статистические характеристик пробивных напряжений масла с применением трёхпараметрического распределения Гнеденко-Вейбулла:

(6)

где U₀ - пробивное напряжение, при котором F(U₀) = 1-e^-1; U_н - нижний предел пробивного напряжения; - безразмерный параметр.

Статистические характеристики пробивных напряжений эксплуатационных трансформаторных масел. Исследование изменения традиционных диагностических статистических параметров показало, что средние пробивные напряжения эксплуатационных трансформаторных масел для всех исследуемых трансформаторов удовлетворяют нормативным требованиям³ - (<U_пр>) > 35 кВ (рис. 1). Среднее арифметическое значение среднего пробивного напряжения составляет 57 кВ, минимальное и максимальное значения соответственно - 40 и 74 кВ.

На рис. 2 представлена гистограмма распределения коэффициентов вариации V_<Uпр> и V_Uпр. Отмечается, что в эксплуатации наиболее вероятные значения коэффициента вариации V_<Uпр> находятся в диапазоне (5,52 - 6,33)%, среднее арифметическое значение V_<Uпр> составляет 4,7%, минимальное и максимальное значения соответственно - 0,65% и 8,8%. Полученные значения коэффициента вариации V_<Uпр> эксплуатационных масел существенно меньше нормативного значения³ 20%. Это указывает на то, что ГОСТ 6581-75³ по диагностическому параметру V_<Uпр> допускает заниженное качество для эксплуатационных масел.

Рис. 1. Гистограмма распределения средних пробивных напряжений эксплуатационных трансформаторных масел

На рис.3. представлены гистограммы распределения коэффициента вариации среднего пробивного напряжения трансформаторного масла в маслопробойнике при различных границах интервалов отклонений средних пробивных напряжений. Из приведённых данных следует, что фактически для всех интервалов коэффициента вариации V_<Uпр> наблюдаются наибольшие значения вероятности появления параметра V_<Uпр> при повышенных значениях средних пробивных значений трансформаторного масла.

Диагностические статистические характеристик пробивных напряжений масла с применением трёхпараметрического распределения Гнеденко-Вейбулла представлены на рис. 4, 5 и 6. Из рис.4 следует, что в эксплуатации значения отношения U₀/U_н наблюдаются с вероятностью более 20% в диапазоне 1,04 - 1,51, причём с вероятностью наблюдения 30% значения этого отношения находятся в диапазоне 1,04 - 1,27, максимальное значение отношения U₀/U_н составляет 3,4.

На рис. 5. представлена гистограмма распределения нижнего предела пробивных напряжений U_н эксплуатационных трансформаторных масел. Среднее арифметическое значение пробивного напряжения U_н составляет 37,8 кВ, что превышает значение среднего пробивного напряжения 35 кВ, установленного нормативом³. Вместе с тем наименьшие значения U_н наблюдаются с вероятностью 27,5% в диапазоне 20 - 25 кВ, что указывает на наличие в пробах масла крупных частиц примесей, приводящих к снижению пробивных напряжений этих масел [5,14].

Рис. 2. Гистограмма распределения коэффициентов вариации V_<Uпр> и V_Uпр

Рис. 3. Гистограммы распределения коэффициента вариации среднего пробивного напряжения трансформаторного масла в маслопробойнике при различных границах интервалов отклонений средних пробивных напряжений

На рис. 6. представлены гистограммы распределения отношения U₀/U_н трансформаторного масла в маслопробойнике при различных границах интервалов отклонений параметра б. Из рис. 6 следует, что для всех интервалов отношения U₀/U_н наблюдаются наибольшие значения вероятности появления отношения U₀/U_н при значениях параметра б в диапазоне 3,5 - 4,0.

Исследование корреляционных связей традиционных диагностических параметров и аналогичных параметров при использовании распределения Гнеденко-Вейбулла показали, что между параметрами <U_пр> и U₀ имеет место ярко выраженная положительная корреляция:

<U_пр> = 0,966 U₀ (7)

Коэффициент корреляции составляет 99,5 %. Различие параметров <U_пр> и U₀ находится в пределах 3 - 4%.

Между отношением U₀/U_н и коэффициентом вариации V_<Uпр> имеет место (рис. 7) положительная корреляция:

(8)

Коэффициент корреляции составляет 96,4 %.

Рис. 4. Гистограмма распределения отношения U₀/U_н

Рис. 5. Гистограмма распределения нижнего предела пробивных напряжений эксплуатационных трансформаторных масел

Рис. 6. Гистограммы распределения отношения U₀/U_н трансформаторного масла в пробойнике при различных границах интервалов отклонений параметра б

Рис. 7. Корреляционная связь отношения U₀/U_н и коэффициента вариации V_<Uпр>

В ходе исследования отмечено также некоторое различие в значениях диагностических статистических параметров эксплуатационных трансформаторных масел из действующих силовых трансформаторов, установленных в электрических сетях и на электростанциях, причём по исследованным диагностическим параметрам качество масел для станционных трансформаторов было выше.

Заключение

Для всех исследованных трансформаторов традиционные диагностические статистические характеристики пробивных напряжений эксплуатационных масел удовлетворяют нормативным требованиям.

Наибольшие значения коэффициента вариации среднего пробивного напряжения исследованных образцов масла в действующих трансформаторах не превышают 9%, что значительно меньше его нормативного значения³ - 20%. Это подтверждает заниженные нормативные требования к качеству эксплуатационных масел.

Показано, что между средним пробивным напряжением <U_пр> и параметром U₀ имеет место линейная корреляция. Различие между ними находится в пределах (3 - 4)%. Установлена также корреляционная зависимость отношения U₀/U_н от коэффициента вариации V_<Uпр>. Отношение параметров U₀/U_н находится в пределах 1,04 - 3,4, а наибольшая вероятность его появления - при значениях 1,0 - 1,51.

Среднее арифметическое значение нижнего предела пробивного напряжения U_н превышает значение среднего пробивного напряжения, установленного нормативом³. Вместе с тем для некоторых проб масла наблюдается заметное снижение значений U_н, что указывает на наличие в этих пробах масла крупных частиц примесей.

Список литературы

1. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110 -500 кВ в эксплуатации / Б.В. Ванин, Ю.Н. Львов, М.Ю. Львов и др. // Электрические станции. - 2001. - №9. - С. 53 - 58.

2. Лоханин А.К., Соколов В.В. Обеспечение работоспособности маслонаполненного оборудования после расчетного срока службы // Электро. - 2002. - №1. - С. 10 - 16.

3. Соколов В.В. Актуальные задачи развития методов и средств диагностики трансформаторного оборудования под напряжением // Изв. РАН, Энергетика. - 1997. - №1. - С. 155 - 168.

4. Алексеев Б.А. Крупные силовые трансформаторы. Эксплуатационная надежность, контроль состояния и оценка работоспособности. // Энергетика за рубежом: прил. к журн. «Энергетик». - М. - 2008. - Вып. 2. - С. 3 - 56.

5. Электрофизические основы техники высоких напряжений: учеб. для вузов / под ред. И.П. Верещагин, В.П. Ларионова. - М.: Энергоатомиздат, 1993 . - 543с.

6. Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю., Шифрин Л.Н. Эксплуатация силовых трансформаторов при достижении предельно допустимых показателей износа изоляции обмоток // Электрические станции. -2004. -№ 2. - С. 63 - 65.

7. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. - М.: Наука, 1965. - 512 с.

8. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). - М.: ГИФМЛ, 1958. - 907 с.

9. Техника высоких напряжений: учеб. для вузов / И.М. Богатенков, Ю.Н. Бочаров, и др.; под ред. Г.С. Кучинского. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2003. - 608 с.

10. Бортник И.М. Физические свойства и электрическая прочность элегаза. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 77 с.

11. Гумбель Э. Статистика экстремальных значений. М.: Мир,1965. - 351 с.

12. Львов М.Ю., Львов Ю.Н., Черезов А.В. Развитие системы нормативно-технической документации для обеспечения эксплуатационной надёжности силовых трансформаторов и автотрансформаторов напряжением 110 кВ и выше // Электрические станции. - 2013. -№11. - С. 54 -59.

13. Митькин Ю.А., Мельникова О.С. Метод определения статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла с применением распределения Гнеденко-Вейбулла по результатам малой экспериментальной выборки //Вестник ИГЭУ. - 2014. - Вып. 2. - С.18 - 25.

14. Kok J.A. Electrical breakdown of insulating liquids. - New York: Interscience Publishers, 1961. - 132 с.

Размещено на Allbest.ru