РАЗДЕЛ 2
РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ПРИ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ И НЕСИММЕТРИИ НАПРЯЖЕНИЙ
Силовой трансформатор - один из основных и наиболее распространённых элементов ЭЭС, отказ которого приводит к значительным убыткам, связанным с недоотпуском электроэнергии или отключением потребителей, а также с затратами на ремонт, составляющими часто свыше 60 % от первоначальной стоимости. Поэтому к надёжности трансформаторов, методам её оценки и обеспечения предъявляются повышенные требования. Применительно к конкретным типам трансформаторов вероятность безотказной работы регламентируется государственными стандартами. Так, для трансформаторов напряжением до 35 кВ включительно ГОСТ 11920-73Е устанавливает вероятность безотказной работы не менее 0,96 при доверительной вероятности 0,8 на наработку 24000 ч. Применительно к трансформаторам 110 кВ ГОСТ 12965-74 регламентирует вероятность безотказной работы не менее 0,99 при доверительной вероятности 0,8 на наработку 8800 ч. Средний срок службы трансформаторов составляет 20-30 лет, согласно ГОСТ 11677-75 нормированный срок службы трансформаторов составляет 25 лет.
Надёжность трансформаторов определяется их конструкцией, применяемыми материалами, качеством изготовления, системой технического обслуживания и ремонта; существенно влияют на надёжность трансформаторов условия эксплуатации. Приводимые в различных источниках данные свидетельствуют о том, что наиболее часто отказы трансформаторов связаны с повреждениями изоляции обмоток. Причинами повреждения изоляции обмоток трансформаторов зачастую являются износ и старение её вследствие перегрузок, недостаточного охлаждения. Например, в [54] приводятся результаты исследований более
6 тыс. трансформаторов мощностью 16 МВА и более, напряжением 35-500 кВ, с суммарной наработкой более 35,8 тыс. трансформаторолет, проведенных с целью выявления причинных зависимостей отказов. За шестилетний период было учтено и рассмотрено 623 отказа. Как показал анализ, более 80 % отказов были вызваны внутренними (скрытыми) повреждениями; большая часть (около 60 % отказов) была связана с нарушением электрической изоляции. Изучение состояния изоляции группы трансформаторов мощностью свыше 80 МВА показало также, что проблема старения мощных трансформаторов определяется, прежде всего, повышенным износом отдельных нагретых участков при удовлетворительном состоянии основной массы изоляции. По данным американских исследователей [102] главной причиной отказов подстанционных трансформаторов является нарушение их изоляции. Для трансформаторов мощностью свыше 10 МВА и напряжением 34,5 кВ и более 29 % всех отказов связано с повреждениями изоляции обмоток, 13,6 % - с нарушениями изоляции вводов и 7 % - с другими повреждениями изоляции.
По данным Минэнерго бывшего СССР 80 % всех отказов трансформаторов были вызваны повышенным износом из-за усиленного проявления эксплуатационных факторов. Одним из основных факторов, определяющих физический износ трансформатора, срок его службы, а, следовательно, и надёжность функционирования, является режим нагрузки и связанный с ним температурный режим. Режим нагрузки определяет фактические потери в трансформаторе и, как следствие, - перегрев отдельных частей трансформатора относительно охлаждающей среды.
Вопросы функциональной надёжности силовых трансформаторов, связанные с тепловым износом изоляции при случайных изменениях нагрузки и температуры охлаждающей среды, наиболее полно освещены в работах Ю.А. Фокина [26, 28]. Однако проблема влияния КЭ на надёжность функционирования трансформаторов в этих работах развития не получила. В работах [43, 44] достаточно подробно рассмотрены вопросы влияния КЭ на дополнительные потери активной мощности в трансформаторах, увеличение температуры обмоток и сокращение срока их службы, но вопросы влияния КЭ на показатели функциональной надёжности силовых трансформаторов должного отражения в указанных работах не нашли.
Таким образом, чтобы восполнить существующий пробел в исследованиях, возникает необходимость в разработке математических моделей функциональной надёжности трансформаторов в условиях пониженного КЭ.
2.1. Оценка срока службы изоляции
Сокращение срока службы трансформаторов при снижении КЭ происходит в результате дополнительного нагрева изоляции обмоток, вызванного дополнительными потерями активной мощности, возникающими, как правило, из-за протекания в них токов обратной последовательности и токов ВГ.
Срок службы изоляции класса А в диапазоне изменения температур от 80 до 140 0С можно определить, используя относительно простую модель теплового старения изоляции трансформаторов, известную как уравнение Монтзингера [103 - 105]:
, (2.1)
где - температура изоляции в наиболее нагретой точке (для трансформаторов численно равна температуре обмотки в наиболее нагретой точке);
А - постоянная (по данным различных источников А(1,5?7,5)?10лет);
- коэффициент старения изоляции (для трансформаторов =0,1155 0С-1).
Международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендует для изоляции класса А принимать шестиградусное правило старения изоляции, которое гласит: срок службы изоляции изменяется вдвое при изменении её температуры на шесть градусов. Согласно (2.1) срок службы изоляции трансформаторов при номинальной температуре в наиболее нагретой точке + 98 0С
. (2.2)
Выражение для относительного срока службы изоляции
. (2.3)
Отсюда срок службы изоляции трансформатора
(2.4)
где - превышение температуры обмотки в наиболее нагретой точке над температурой охлаждающей среды ;
=78 0С - номинальное превышение температуры обмотки в наиболее нагретой точке над номинальной температурой охлаждающей среды =20 0С.
Примем допущение о том, что имеют место медленные колебания те