Распределение температурных полей в силовых трансформаторах наиболее распространенных конструкций.

Применительно к наиболее распространенной конструкции трансформаторов с естественной циркуляцией масла (системы охлаждения М и Д) характер изменения температуры по высоте трансформатора и в горизонтальном сечении приведен на рис.3.

 

 

Рис.3 Изменение температуры по высоте трансформатора и в горизонтальном направлении:

а - изменения температуры по высоте; б - распределение температуры в горизонтальном сечении;

1 - температура масла; 2 - температура стенок бака; 3 - температура обмотки; 4 - температура магнитопровода; 5 - магнитопровод; 6 - обмотка НН; 7 - обмотка ВН; 8 - стенка бака; 9 - масло; 10 – воздух.

 

Системы охлаждения трансформаторов представлены на рис. 4.

 

Рис.4 Системы охлаждения трансформаторов:

а - типа М; б - типа Д; в - типа ДЦ;

1 - выемная часть; 2 - бак; 3 - охлаждающая поверхность; 4 - коллектор; 5 - трубки радиаторов; 6 - бессальниковый насос; 7 - радиаторы, 8 – электровентиляторы.

 

Отвод тепловых потерь от магнитопровода и обмоток к маслу и от последнего к системе охлаждения осуществляется путем конвекции.

Зоны интенсивного движения масла имеются только у поверхностей бака трансформатора, где происходит теплообмен.

Остальное масло в баке трансформатора находится в относительном покое и приходит в движение при изменении нагрузки или температуры охлаждающего воздуха.

В соответствии с п.5.3.12 ПТЭ температура верхних слоев масла при номинальной нагрузке должна быть не выше:

- у трансформаторов и реакторов с системой масляного охлаждения с дутьём и принудительной циркуляцией масла (далее ДЦ) - 75°С;

- с естественным масляным охлаждением (далее М) и масляным охлаждением с дутьём (далее Д) - 95°С;

- у трансформаторов с системой масляного охлаждения с принудительной циркуляцией масла через водоохладитель (далее - Ц) температура масла на входе в маслоохладитель должна быть не выше 70°С. В трансформаторах с системами охлаждения М и Д разность между максимальной и минимальной температурами по высоте трансформатора составляет 20-35°С. Перепад температур масла по высоте бака в трансформаторах с системами охлаждения ДЦ и Ц находится в пределах 4-8 °С.

Однако, несмотря на такое выравнивание температур масла по высоте бака, теплоотдача от обмоток все же осуществляется путем естественной конвекции масла. Это означает, что температура катушек в верхней части обмоток будет значительно выше, чем в нижней. Таким образом, если в трансформаторах с естественной циркуляцией масла температура верхних слоев масла и температура в верхних каналах обмотки примерно одинаковы, то в трансформаторах с принудительной циркуляцией масла в баке будет иметь место значительный перепад между температурой масла в верхних каналах обмоток и температурой верхних слоев масла в баке. Следовательно, в трансформаторах с естественной и принудительной циркуляцией масла наиболее нагретыми являются верхние катушки обмоток, изоляция которых стареет быстрее, чем нижних катушек.

Отмечается, что при оценке нагрева масла в трансформаторах следует считаться с возможностью застоя верхних слоев масла и его повышенных нагревов, если расстояние между крышкой бака и патрубками радиаторов или охладителей велико (больше 200-300 мм).

Так, при исполнении крышки "гробиком" температура масла под верхней частью крышки может превышать температуру масла на уровне верхних патрубков охладителей примерно на 10 °С.

Приведенные выше параметры температур для отдельных конструкций трансформаторов характерны для установившегося режима работы. При проведении ИК-диагностики трансформаторов необходимо считаться с тем, что постоянная времени обмоток относительно масла различных исполнений трансформаторов находится в пределах 4-7 мин, а постоянные времени всего трансформатора - в пределах 1,5-4,5 ч.

Установившийся тепловой режим трансформатора по обмоткам наступает через 20-30 мин, а по маслу через 10-20 ч.

С учетом рассмотренных выше температурных режимов работы трансформаторов ниже можно определить условия оценки их состояния при проведении ИК-диагностики.

В результате термографического обследования было выявлено: нагрев болтов крепления нижнего разъема колокола AT в средней его части, аномальные нагревы стенок бака AT фазы С, как со стороны 110 кВ, так и со стороны 330 кВ. Проводившийся до термографического обследования внутренний осмотр AT выявил около десятка шпилек магнитопровода с нарушенной изоляцией, часть из которых не была восстановлена к моменту тепловизионной съемки.

6.2. Определение внутренних дефектов обмоток.

При инфракрасном контроле могут выявляться:

- локальные нагревы в баке трансформаторов, связанные с местным перегревом отдельных катушек обмотки;

- перегревы контактных соединений отводов обмоток;

- образование застойных зон масла, вызванных разбуханием бумажной изоляции витков, шламообразованием или конструктивными просчетами.

Перегревы катушек (как правило, крайних) обусловлены наличием в трансформаторах полей рассеяния, зависящих от номинальной мощности трансформатора, потери от которых достигают 30-50% основных потерь. При наличии значительных полей рассеяния превышения температуры крайних катушек или витков отдельных обмоток над температурой масла могут быть в 1,5-2 раза выше расчетных.

Отмечается, что 22% общего количества отказов обусловлено нарушением изоляции и повреждением обмоток, причем за последние годы участились повреждения старых трансформаторов, имеющих характерные конструктивные дефекты. Так у старых конструкций автотрансформаторов крайние катушки обмотки ВН выполнены с дополнительной изоляцией, которая в процессе эксплуатации разбухает, что ухудшает теплоотвод, увеличивает нагрев провода и соответственно износ витковой изоляции. После потери ее свойств происходят витковые замыкания, переходящие в межкатушечные. У трансформаторов ТДЦГ-180000/220 наблюдаются замыкания параллельных проводов в крайних витках обмотки НН из-за нагрева.

Трансформаторам ТДЦ-125000/110 производства СВПО "Трансформатор" свойственны повышенная вибрация металлоконструкций, ненадежная работа переключателей ПБВ и перегрев верхних слоев масла с ускоренным старением изоляции обмоток. Через 15-17 лет работы у этих трансформаторов вырабатывается ресурс по состоянию изоляции обмоток.

Выявление внутренних дефектов в трансформаторах путем измерения температуры на поверхности их баков является весьма трудоемкой операцией, зависит от многих факторов (конструкция обмоток, нагрузка, способ охлаждения, внешние климатические факторы, состояние поверхности трансформатора и т.п.) и позволяет выявлять неисправности лишь на поздних стадиях их развития.

Существенное влияние на распределение температуры по поверхности бака трансформатора оказывают меры конструктивного характера, использованные заводом-изготовителем по выравниванию потерь в обмотках трансформаторов.

Неравномерность распределения этих потерь по обмотке может являться одной из причин возникновения местных перегревов, вызывающих ускоренное старение изоляции отдельных катушек или витков обмоток, а также возникновения локальных нагревов на стенках бака трансформатора (см. рис.5).

 

 

Рис.5 Картина поля рассеяния в двухобмоточном трансформаторе:

1 - магнитопровод; 2 - прессующее кольцо; 3 - стенка бака; 4 - обмотка ВН; 5 - нижняя ярмовая балка; 6 - обмотка НН; В_х и В_y - осевая и радиальная составляющие вектора индукции В электрического поля; 7 - локальные места нагрева бака трансформатора

6.3. Определение работоспособности устройств системы охлаждения трансформатора

Снятие термограмм устройств системы охлаждения трансформаторов (дутьевые вентиляторы, маслонасосы, фильтры, радиаторы трансформаторов с естественной циркуляцией масла и т.п.) позволяет оценить их работоспособность и при необходимости принять оперативные меры к устранению неполадок.

Маслонасосы

Температура нагрева на поверхности корпуса маслонасоса и трубопроводов работающего трансформатора будет практически одинакова. При появлении неисправности в маслонасосе (трения крыльчаток, витковое замыкание в обмотке электродвигателя и т.п.) температура на поверхности корпуса маслонасоса должна повыситься и будет превышать температуру на поверхности маслопровода.

На рис.6 представлена термограмма маслонасоса работающего трансформатора.

 

 

Рис.6 Термограмма маслонасоса работающего трансформатора.

Температура в точках: 1 - +47,3 °С; 2 - +40,6 °С.

Точка 2 определяет температуру в маслопроводе системы.

Температура окружающего воздуха - +20 °С.

Температура маслонасоса выше температуры маслопровода системы на 7°С, следовательно требуется ревизия маслонасоса и его двигателя.

Дутьевые вентиляторы

Оценка теплового состояния электродвигателей вентиляторов осуществляется сопоставлением измеренных температур нагрева. Причинами повышения нагрева электродвигателей могут быть: неисправность подшипников качения, неправильно выбранный угол атаки крыльчатки вентилятора, витковое замыкание в обмотке электродвигателя и т.п.

На рис.7 представлена термограмма дутьевых вентиляторов системы охлаждения трансформатора.

 

 

 

Рис.7 Термограмма дутьевых вентиляторов системы охлаждения трансформатора.

Температура в точках: 1 - +23,8 °С; 2 - +34,0 °С.

Нижний вентилятор системы охлаждения перегрет по сравнению с верхним почти на 10 °С. Требуется ревизия или ремонт нижнего вентилятора.

Термосифонные фильтры

При ИК диагностике можно оценить работоспособность термосифонных фильтров (далее ТФ) силовых трансформаторов. Движение масла через фильтр с адсорбентом происходит под действием тех же сил, которые обеспечивают движение масла через охлаждающие радиаторы, т.е. разностей плотности горячего и холодного масла. ТФ подсоединен параллельно трубам радиатора системы охлаждения, поэтому у работающего фильтра температуры на входе и выходе, если трансформатор нагружен, должны различаться между собой. В налаженном фильтре будет иметь место плавное повышение температуры по его высоте. При использовании мелкозернистого силикагеля, шламообразования в фильтре, случайном закрытии задвижки на трубопроводе фильтра, при работе трансформатора в режиме х. х. циркуляция масла в фильтре будет незначительна или отсутствовать вообще. В этих случаях температура на входе и выходе фильтра будет практически одинакова.

На рис.8 представлена термограмма термосифонного фильтра силового трансформатора.

 

 

Рис.8 Термограмма термосифонного фильтра силового трансформатора.

Температура на входе масла в фильтр - +21,9 °С; на выходе - +17,1 °С.

Разность температур масла на входе и выходе фильтра свидетельствует о протекании через него масла. Ремонт не требуется.

На рис.9 представлена термограмма термосифонного фильтра силового трансформатора.

 

Рис.9 Термограмма термосифонного фильтра силового трансформатора.

Температуры на входе масла в фильтр и выходе из него практически одинаковы и находятся в пределах +14,3 - +14,5 °С, что характеризует отсутствие протока масла через фильтр. Требуется профилактическое обслуживание или ремонт.

На рис.10 представлена термограмма термосифонного фильтра силового трансформатора.

 

 

 

 

Рис.10 Термограмма термосифонного фильтра силового трансформатора.

Температура в области термосифонного фильтра силового трансформатора:

Р1= +22,14⁰ С⁰; Р2= +13,84⁰ С⁰, температура окружающего воздуха Т_ОКР.= +12⁰ С⁰. Разность температур «Верх» - «Низ» термосифонного фильтра составляет 8,3⁰ С⁰, следовательно проток есть, состояние термосифонного фильтра удовлетворительное.

Переключающие устройства

Переключающие устройства серии РНТ и им подобные, встраиваемые в трансформаторы, состоят из переключателя и реактора, расположенных в баке трансформатора, а также контактора. Контактор переключающего устройства размещается в отдельном кожухе, расположенном на стенке бака трансформатора и залитом маслом. Контроль состояния контактов переключателя ввиду его глубинного расположения в баке трансформатора весьма проблематичен. При перегреве контактов контактора ввиду небольшого объема залитого в него масла на стенках бака контактора будут иметь место локальные нагревы.

На рис.11 представлена термограмма локального нагрева стенки бака контактора. Температура в точках: 1 - +16,6°С; 2 - +5,0°С. Температура перегрева составляет 11,6 °С. Требуется ремонтное обслуживание контактора.

 

 

 

Рис.11 Термограмма локального нагрева стенки бака контактора.

Радиаторы

Неисправность плоского крана радиатора или ошибочное его закрытие приведет к перекрытию протока масла через радиатор. В этом случае температура труб радиаторов будет существенно ниже, нежели у работающего радиатора.

С течением времени в эксплуатации поверхности труб радиаторов подвергаются воздействию ржавчины, на них оседают продукты разложения масла и бумаги, что порой приводит к уменьшению сечения для протока масла или полному его прекращению. Трубы с подобными отклонениями будут "холоднее" остальных.

На рис.12 а и б представлена термограмма и фото с исправной системой охлаждения (радиаторы в исправном состоянии) силового трансформатора, нагруженного 30-35% номинальной мощности.

 

 

 

Рис.12а Термограмма с исправной системой охлаждения (радиаторы в исправном состоянии) силового трансформатора.

Результаты измерений температуры радиаторов силового трансформатора в токах:

Р1= +13,45⁰ С⁰; Р2= +6,89⁰ С⁰ (разность температур составляет 6,56⁰ С⁰)

Р3= +15,17⁰ С⁰; Р4= +8,76⁰ С⁰ (разность температур составляет 6,41⁰ С⁰)

Температура окружающего воздуха Т_ОКР.= -14⁰ С⁰.

Перепады температур на поверхности верхних и нижних частях труб радиаторов свидетельствуют о нормальном охлаждении трансформаторного масла с учётом температуры окружающего воздуха.

 

 

Рис.12б Фото с исправной системой охлаждения (радиаторы в исправном состоянии) силового трансформатора.

Пример проведения ИК диагностики и оформления документации в Паспорте оборудования (в приложении к аудиторскому отчёту).

Предприятие: Лабинские электросети

Подстанция: ПС-110 кВ «Мостовская»

Дата проведения: 12.07.2010 г.

Прибор: «Therma CАM P-65»

Температура окружающего воздуха: +30 °С

Диспетчерское наименование: Т-2, охладитель №1.

Ar1 Максимальная температура радиатора № 1. (дефектный радиатор) +33,1 °C Sp1 Температура (соседний охладитель) +44,8 °C Dt1 Значение -11,7 °C

Анализ: превышение температуры соседнего радиатора над дефектным (Аr1): 11,7 °С

 

На рис.13 представлена термограмма радиаторов № 1 и № 2 силового трансформатора Т-2.

 

Рис.13 Термограмма радиаторов № 1 и № 2 силового трансформатора Т-2.

Заключение: Выполнить ревизию дефектному радиатору. Наиболее вероятные дефекты: неисправность плоского крана радиатора или ошибочное его закрытие, отложение в радиаторе шлама.

На рис.14 представлена термограмма блоков радиаторов силового трансформатора.

Рис.14 Термограмма блоков радиаторов со снижением эффективности охлаждения.

По термограмме просматривается снижение эффективности системы охлаждения силового трансформатора. В процессе эксплуатации в течении длительного периода внутренние поверхности труб радиаторов подвергаются воздействию ржавчины, на них оседают продукты разложения масла и бумаги, что порой приводит к уменьшению сечения для протока масла или в отдельных случаях может привести к полному его прекращению. Трубы с подобными отклонениями будут "холоднее" остальных, что и наблюдаем мы на термограмме рис.14. Требуется вывод в ремонт силового трансформатора и прочистка (промывка) от шлама охладителей.

Маслорасширитель.

Проверяется соответствие измеренного уровня масла фактическому в расширителе трансформатора.

На рис.15 представлена термограмма расширителя силового трансформатора.

 

Рис.15 Термограмма расширителя силового трансформатора.

Определение уровня масла в расширителе трансформатора позволяет в ряде случаев оценить правильность показания датчиков уровня масла. Разность температур фиксируется в расширителе на границе масла (тёплого) с воздухом поступающим из атмосферы (более прохладный). Этот уровень сравнивается с показанием уровня масла в маслоуказателе расширителя трансформатора или стрелочном указателе.

На рис.16 представлена термограмма расширителя силового трансформатора.

 

 

 

Рис.16 Термограмма расширителя силового трансформатора.

Расширитель силового трансформатора, температура в области Р1= +25⁰ С⁰;

Р2= +13,38⁰ С⁰; Р3= +11,23⁰ С⁰, температура окружающего воздуха Т_ОКР.= +12⁰ С⁰. Изменение теплового поля расширителя соответствует показанию масла в маслоуказателе расширителя.

На рис.17 представленном на термограмме, может быть выполнена проверка соответствия указателя уровня трансформаторного масла в расширительном баке и стрелочным электромагнитным указателем.

 

 

Рис.17 Термограмма расширителя автотрансформатора типа АОДЦТН-167000/500/220.

Максимальная температура нагрева, °С: верх - +14,4⁰С; низ - +14,6⁰С.

Уровень масла в норме и соответствует внешнему указателю.

температура окружающего воздуха Т_ОКР.= +14,5⁰С.

Датчик температуры.

Практически единственным критерием оценки эффективности работы системы охлаждения является температура верхних слоев масла трансформатора, измеряемая с помощью термометров, либо дистанционного термометра сопротивления, устанавливаемых в карманах (гильзах) крышки бака. Контроль температуры масла в этих случаях может быть связан с существенными погрешностями, которые обусловлены инструментальной точностью измерения, местом размещения гильзы и другими факторами.

Поэтому при термографическом обследовании трансформатора необходимо также сравнивать значения температур на крышке бака, измеренные тепловизором, с данными датчика температуры.

На рис.18 представлены два электроконтактных термометра.

 

Рис.18 Электроконтактные термометры.

Тепловизор показал температуру верхних слоев масла трансформатора +35⁰С, что соответствует показаниям правого электроконтактного термометра, красные метки соответствуют уставкам по автоматическому пуску и останову вентиляторов охлаждения для силовых трансформаторов с системой охлаждения МД.

Левый электроконтактный термометр требует замены на исправный, так как его показание +20⁰С.