Разработка методов оценки влияния частиц примесей на характеристики изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования

Актуальность темы

В электроэнергетических системах в эксплуатации находится большое количество высоковольтного маслонаполненного оборудования (MHO) (трансформаторное оборудование, высоковольтные вводы, измерительные трансформаторы, выключатели), в значительной степени определяющего эффективность передачи и распределения электрической энергии. Основными электроизоляционными средами в этих аппаратах являются трансформаторное масло и электроизоляционная бумага, поэтому процессы, протекающие в изоляции, и методы контроля такого оборудования во многом носят общий характер. Результаты эксплуатации MHO свидетельствуют о том, что основной причиной его отказов является снижение электрической прочности маслосодержащей изоляции.

В процессе эксплуатации MHO выявились случаи нарушения его электрической прочности по причине формирования разрядного канала по поверхности твердого диэлектрика (вводы, трансформаторы). Это явление во многом определяется процессами оседания частиц примесей из объёма трансформаторного масла на поверхность твёрдой изоляции, так как они инициируют возникновение частичных разрядов (ЧР), а затем и развитие сквозного разряда по поверхности. С увеличением времени работы оборудования увеличивается количество примесей в результате физико-химического старения трансформаторного масла, а также образования углеродосодержащих частиц в масле при коммутациях в выключателях и устройствах регуляторов напряжения под нагрузкой (РПН) силовых трансформаторов. Это приводит к ускорению процессов, обусловливающих снижение характеристик изоляции в эксплуатации.

Существующие традиционные методы оценки характеристик маслосодержащей изоляции высоковольтного MHO не в полной мере учитывают влияние частиц примесей в объёме масла и осадка из частиц на поверхности твёрдой изоляции на снижение качества изоляции в процессе эксплуатации оборудования.

В этих условиях для повышения эффективности эксплуатации MHO, особенно с большим сроком службы, необходимы новые подходы к оценке влияния твёрдых частиц примесей на снижение характеристик изоляции маслонаполнен-ного оборудования.

Данное исследование проводилось в соответствии с планами НИР ИГЭУ, ФЦП «Интеграция» (тема № Б-0092- 2002, 2003 гг.), а также планами договоров с энергетическими предприятиями России.

Объект исследования — масло содержащая изоляция высоковольтного маслонаполненного оборудования.

Предмет исследования — физические и математические модели поведения заряженных частиц примесей в неоднородном переменном электрическом поле и методы оценки их влияния на техническое состояние маслосодержащей изоляции высоковольтного оборудования.

Цель работы — разработка методов оценки влияния частиц примесей на характеристики изоляции маслонаполненного оборудования на основе исследования особенностей поведения заряженных частиц в неоднородном переменном электрическом поле и формирования осадка из частиц на поверхности твёрдой изоляции.

Задачи исследования.

1. Анализ режимов работы и повреждаемости MHO в эксплуатации. Выявление особенностей и характерных мест формирования осадка из частиц примесей и развития разряда на поверхности изоляции высоковольтного оборудования. Определение направлений по созданию эффективных методов оценки влияния частиц примесей на характеристики изоляции MHO.

2. Разработка математической модели движения заряженных частиц в пространственно неоднородном переменном электрическом поле, учитывающей физические характеристики частиц примесей и трансформаторного масла применительно к масляным каналам, характерным для маслонаполненного оборудования.

3. Разработка метода оценки времени формирования осадка из частиц примесей на поверхности твёрдой изоляции, приводящего к снижению её технического состояния при характерных условиях эксплуатации MHO.

4. Разработка методов нахождения и прогнозирования статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла по результатам эксплуатационных испытаний в стандартном маслопробойнике.

5. Получение экспериментальных результатов, отражающих закономерности движения трансформаторного масла, содержащего частицы примесей, в характерных для маслонаполненного оборудования каналах с учётом влияния температуры и параметров канала.

6. Разработка алгоритмов и программ расчёта на ЭВМ, реализующих предложенные методы оценки технического состояния изоляции MHO.

Методы исследования. Применялись методы физического и математического моделирования электрофизических и гидродинамических процессов, характерных для маслосодержащей изоляции высоковольтного оборудования, а также методы теории вероятностей и математической статистики для разработки методов оценки влияния частиц примесей на характеристики изоляции MHO.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель движения заряженных частиц в пространственно неоднородном переменном электрическом поле, позволяющая рассчитать траекторию и скорость движения частиц в масляном канале с учётом влияния электрофизических характеристик частиц примесей и трансформаторного масла, а также технологических параметров высоковольтного маслонаполненного оборудования.

2. Разработан метод оценки времени формирования осадка из заряженных частиц примесей на поверхности твёрдой изоляции под действием неоднородного переменного электрического поля, приводящего к снижению её электроизоляционных характеристик в эксплуатации, учитывающий влияние характеристик частиц, трансформаторного масла, электрического поля, а также динамики старения масла и технологических режимов, характерных для маслонаполненного оборудования.

3. Разработаны методы нахождения статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла по результатам эксплуатационных испытаний в стандартном маслопробойнике, позволяющие определять нижний предел пробивного напряжения и прогнозировать его изменение в процессе эксплуатации оборудования при дифференцированном учёте ограниченного числа данных эксплуатационного мониторинга.

4. Получены экспериментальные результаты, отражающие закономерности движения трансформаторного масла и частиц примесей в характерных для мас-лонаполненного оборудования каналах с учётом влияния температуры и параметров канала, включая его пространственное расположение.

Достоверность основных научных положений и выводов работы обеспечивается применением фундаментальных положений электрофизики, электротехники и гидродинамики, обоснованностью выбора физических и математических моделей, применением результатов эксплуатационных испытаний, необходимым объемом литературных и полученных в работе лабораторных экспериментальных данных, адекватностью расчетных и экспериментальных результатов.

Личный вклад автора определяется постановкой цели и задач исследования, разработкой физических и математических моделей, проведением вычислительного и лабораторного экспериментов с обработкой их результатов, формулировкой выводов и рекомендаций.

Практическая ценность:

— разработаны методики и программы расчета на ЭВМ нижнего предела пробивного напряжения трансформаторного масла по результатам эксплуатационных испытаний в стандартном маслопробойнике, определяющего электрическую прочность большого объёма масла в действующем MHO, а также прогнозирования изменения пробивных напряжений трансформаторного масла в эксплуатации по результатам ограниченного числа эксплуатационных испытаний;

— разработана методика расчёта концентрации частиц в осадке на поверхности твёрдой изоляции, которая достигается к заданному времени эксплуатации MHO;

— разработана методика расчёта времени формирования осадка из частиц примесей на поверхности твёрдой изоляции высоковольтного маслонаполнен-ного оборудования в процессе его эксплуатации, начиная с которого происходит снижение электроизоляционных параметров изоляции;

— получены экспериментальные результаты, отражающие особенности конвективного движения трансформаторного масла в характерных каналах MHO.

Внедрение. Научные и практические результаты работы внедрены в Ивановском филиале ОАО ТГК № 6- филиале «Ивановские ПГУ» ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС» — филиале «Калининградская ТЭЦ-2» ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС» — в учебный процесс ИГЭУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Электрическая изоляция — 2006» (СПб., 2006), Международных научно-технических конференциях: «XI Бенардосовские чтения» (Иваново, 2003), «XII Бенардосовские чтения» (Иваново, 2005), «XIII Бенардосовские чтения» (Иваново, 2006), «XIV Бенардосовские чтения» (Иваново, 2007) и «XV Бенардосовские чтения» (Иваново, 2009) — а также на научно-технических семинарах кафедры ВЭТФ ИГЭУ.

Публикации по материалам диссертации — 17 печатных работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объём работы составляет 169 страниц, содержит 61 рис., 24 табл.

Список литературы

состоит из 102 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана математическая модель движения заряженных частиц в пространственно неоднородном переменном электрическом поле, позволяющая рассчитать траекторию и скорость движения частиц в масляном канале с учётом влияния электрофизических характеристик частиц примесей и трансформаторного масла, а также технологических параметров высоковольтного маслонаполненного оборудования.

2. Получено выражение для определения критического радиуса частиц, начиная с которого изменяется направление движения заряженной частицы в неоднородном переменном электрическом поле. Показано, что с увеличением температуры масла и напряженности электрического поля диапазон размеров заряженных частиц, которые выталкиваются из области максимальной напряженности электрического поля расширяется. Выявленные закономерности находятся в соответствии с результатами экспериментальных данных.

3. Показано, что заряженная коллоидная частица в неоднородном переменном электрическом поле выталкивается из области с максимальной напряженностью поля. Получены выражения для траектории и скорости апериодического дрейфа коллоидной частицы. Практический интерес представляет учёт движения мелких частиц, расположенных вблизи стенки канала.

4. Получены экспериментальные результаты, отражающие закономерности движения трансформаторного масла и частиц примесей в характерных для маслонаполненного оборудования каналах с учётом влияния температуры и параметров канала, включая его пространственное расположение. Установлено, что конвективное движение масла в модели ввода с бумажно-масляной изоляцией представляет собой два замкнутых гидродинамических потока, расположенных в верхней и нижней частях ввода, между которыми не происходит заметного массообмена. При подаче высокого напряжения на модель ввода распределение гидродинамических потоков масла осталось без изменения.

5. При отсутствии внешнего электрического поля частицы примесей движутся в канале вместе с маслом. При подаче высокого напряжения на модель ввода частицы, расположенные вблизи поверхности металлической трубы без бумажного покрытия, оседают на поверхность трубы, получают заряд и выталкиваются из области максимальной напряженности электрического поля. Аналогично ведут себя частицы вблизи бумажного покрытия, однако время их пребывания на поверхности изоляции значительно больше.

6. Показано, что при формировании потока частиц из пограничного слоя на стенку канала процессы движения частиц имеют статистическую природу и описываются уравнением диффузии для стационарного процесса. На основе этого получены выражения для определения количества частиц, оседающих на единицу поверхности стенки канала и времени, за которое на единице поверхности стенки канала осядет заданное количество частиц. Показано, что расчётные и эксплуатационные данные находятся в соответствии.

7. Разработан метод оценки времени формирования осадка из заряженных частиц примесей на поверхности твёрдой изоляции под действием неоднородного переменного электрического поля, приводящего к снижению её электроизоляционных характеристик в эксплуатации, учитывающий влияние физических параметров частиц и трансформаторного масла, динамику старения масла и технологических режимов, характерных для маслонаполненного оборудования. Отмечается соответствие результатов расчёта времени работы MHO до момента ухудшения качества его изоляции с данными эксплуатации.

8. Разработан метод нахождения статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла по результатам эксплуатационных испытаний в стандартном маслопробойнике, позволяющий определять нижний предел пробивного напряжения на основе распределения Гнеденко-Вейбулла.

Разработана программа расчёта нижнего предела пробивного напряжения, позволяющая одновременно выполнять расчёты по традиционной методике. Общая картина получаемой информации представляется на экране монитора компьютера в цифровом и графическом виде. Выполненные расчёты показали соответствие полученных результатов с эксплуатационными данными.

9. Разработан метод прогнозирования изменения среднего пробивного напряжения и нижнего предела пробивного напряжения в процессе эксплуатации MHO, позволяющий дифференцированно учитывать ограниченное число данных эксплуатационных испытаний. При этом экспериментальные данные учитываются с весовым коэффициентом, значения которого увеличиваются при приближения к участку прогнозирования. Показано также, что на ограниченном отрезке времени, на котором осуществляется прогнозирование, можно применить кусочно-линейную аппроксимацию тренда для изменения пробивного напряжения, применяемую каждый раз на разных отрезках времени. Расчётами по разработанной программе показано, что предложенный метод позволяет уменьшить погрешность прогноза пробивных напряжений.

10. Разработанные программы расчёта на ЭВМ, реализующие предложенные методы оценки влияния частиц примесей на качество изоляции MHO, нашли практическое применение на электроэнергетических предприятиях.