Нормирование показателей для оценки износа изоляции обмоток силовых трансформаторов
РАО “ЕЭС России” – АО ВНИИЭ – ИФХ РАН В процессе эксплуатации силового трансформатора целлюлозная изоляция обмоток претерпевает деградацию, обусловленную развитием процессов деструкции и дегидратации, сопровождающихся ухудшением ее физико-химических свойств. Это проявляется, в первую очередь, в снижении механической прочности, окислении и образовании пор, хемосорбции кислых продуктов, образующихся в процессе старения трансформаторного масла, а также соединений металлов переменной валентности. Из-за достаточно сложной сетки параллельных è последовательных химических реакций, приводящих к деградации, и множественности факторов, влияющих на кинетику их развития, не представляется возможным спрогнозировать с необходимой точностью степень износа изоляции обмоток анализом воздействий эксплуатационных факторов [1]. Следует также подчеркнуть, что электрическая прочность пропитанной маслом бумаги в результате ее старения существенно не изменяется, поскольку разрушенные участки целлюлозной изоляции немедленно заполняются маслом è в этой связи электрические показатели (сопротивление и тангенс угла диэлектрических потерь изоляции) не могут служить индикаторами старения [2]. Оценка износа изоляции обмоток для каждого конкретного трансформатора должна включать непосредственный анализ физико-химического состояния целлюлозной изоляции и сопутствующих показателей, свидетельствующих о степени развития ее деградации. При этом необходимо иметь набор диагностических признаков, позволяющих не только объективно оценивать степень износа изоляции, но и принимать решение о возможности и целесообразности дальнейшей эксплуатации трансформатора, так как очевидно, что повреждение обмоток или их замена приводят к значительным финансовым затратам. Цель данной статьи – обоснование нормативных показателей для оценки степени износа изоляции обмоток силовых трансформаторов и принятия решений по их дальнейшей эксплуатации. Очевидно, что формирование множества диагностических признаков для оценки износа изоляции обмоток должно основываться на глубоком анализе физико-химических процессов, происходящих в целлюлозной изоляции под воздействием
эксплуатационных факторов, среди которых следует выделить наиболее значимые, в смысле влияния их на скорость развития деградации. Таковыми являются: электрическое поле, температура, наличие воздуха (кислорода), наличие химически активных примесей (продуктов старения), нали- чие влаги. К настоящему времени накоплен достаточно обширный фактический материал по влиянию на целлюлозу различных факторов, позволяющий выделить основные физико-химические процессы, приводящие к деградации изоляции обмоток в процессе эксплуатации силовых трансформаторов. Существенное влияние на ускорение старения целлюлозной изоляции в среде жидкого диэлектрика оказывает электрическое поле [2, 3]. Оно усиливает воздействие практически всех физико-хи- мических факторов, а также способствует адсорбции на поверхности целлюлозной изоляции продуктов старения трансформаторного масла и конструкционных материалов. Известно также [3], что при воздействии электрического поля гидроксильные группы пиранозных звеньев в кристаллических (высокоупорядочных) областях целлюлозы поляризуются, что сопровождается разрывом менее прочных водородных связей кристаллитов. В результате происходит частичная декристаллизация целлюлозы и уменьшение размеров кристаллитов. Воздействие электрического поля ускоряет и другой важный процесс деградации целлюлозы – каталитический кислотный алкоголиз при действии гидроксилсодержащих углеводородов (спиртов) в присутствии низкомолекулярных органиче- ских кислот и других продуктов, образующихся в масле в процессе старения [4, 5]. Высокая значи- мость вклада этого процесса в деградацию изоляции обмоток обусловлена тем, что трансформаторное масло по своим физико-химическим характеристикам является лучшим пластификатором для целлюлозной изоляции, чем вода [2]. Содержание в целлюлозной изоляции участков с сильным межмолекулярным взаимодействием, т.е. недоступных для масла полностью “кристаллических” областей, в общем случае, составляет не более 20% массы [6] и с увеличением времени эксплуатации будет уменьшаться под действием электрического поля [3] и других эксплуатационных факторов
| 52 | Электрические станции, 2002, ¹ 7 |
(температуры, наличия химически активных примесей и др.). Гидролиз целлюлозной изоляции, протекающий параллельно с процессом кислотного алкоголиза, вносит, по сравнению с ним, существенно меньший вклад в общий процесс деградации, что обусловлено, в частности, достаточно низким содержанием влаги в изоляции трансформатора при нормальной его эксплуатации. Важным фактором старения целлюлозной изоляции является ее термолиз, вызванный повышенной температурой [2]. Под воздействием высокой температуры (более 90°С) в целлюлозной изоляции, помимо ускорения перечисленных ранее процессов, активизируются также процессы термиче- ской деградации – деструкция и дегидратация. Процесс деструкции в кристаллических областях, не доступных молекулам углеводородов масла, может развиваться по радикально-цепному механизму, приводящему к значительным выбросам низкомолекулярных продуктов деструкции и образованию дефектов структуры и пор [7]. Вследствие пластифицирующего действия масла и относительно невысоких температур активной части работающего трансформатора вероятность зарождения цепи деструктивных превращений по ради- кально-цепному механизму в целлюлозной изоляции обмоток незначительна. Другим видом термической деградации целлюлозной изоляции является деструкция в аморфных и мезоморфных областях с образованием фурфурола и фурановых соединений. Однако выход этих соединений в процессе термической деградации изоляции не является стехиометрическим в отношении числа разрывов в “средней по массе” макромолекуле целлюлозы и степени ее деструкции. Наличие в масле фурановых соединений может свидетельствовать лишь о локально протекающем процессе деструкции, что не отражает динамику деградации целлюлозной изоляции. К тому же, фурановые соединения являются лабильными соединениями и разлагаются в кислой среде с образованием продуктов нефуранового типа [1]. При нали- Ò à á ë è ö à 1
| Массовое | Степень | ||
| полимери- | |||
| фурановых | |||
| Трансформатор | Срок эксплу- | зации | |
| атации, лет | соединений | витковой | |
| в масле | |||
| изоляции | |||
| трансформа- | |||
| P | |||
| òîðà, % | |||
| ÒÄÒÍ-10000/110 | 33 | 0,0006 | 198 |
| çàâ. ¹ 64324 | |||
| ÒÄÒÍ-15000/110 | 35 | 0,0005 | 303 |
| çàâ. ¹ 61208 | |||
| ТРДЦН-80000/110 | 26 | 0,0005 | 140 |
| çàâ. ¹ 1026479 | |||
| ТДНГУ-63000/110 | 35 | 0,0008 | 317 |
| çàâ. ¹ 871684 |
чии в трансформаторе термосифонного фильтра образующиеся фурановые соединения адсорбируются и распадаются из-за кислой среды на силикагеле. Выборочные средние значения содержания фурановых соединений в масле и доверительные интервалы с вероятностью 0,95, полученные во ВНИИЭ при обследовании 244 силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше, в зависимости от срока эксплуатации приведены далее.
| Среднее значение | |||
| Ñðîê | массового содер- | Доверительный | |
| эксплуатации, | жания фурановых | ||
| интервал m | |||
| ëåò | соединений в масле, | ||
| % | |||
| 0 | – 5 | 0,00015 | 0 m 0,00024 |
| 5 – 10 | 0,00018 | 0,00012 m 0,00025 | |
| 10 | – 15 | 0,00038 | 0,00026 m 0,00050 |
| 15 | – 20 | 0,00026 | 0,00016 m 0,00036 |
| 20 | – 25 | 0,00033 | 0,00024 m 0,00042 |
| 25 | – 30 | 0,00045 | 0,00030 m 0,00060 |
Приведенные значения свидетельствуют об отсутствии четко выраженной монотонной зависимости содержания фурановых соединений в масле при увеличении срока эксплуатации трансформаторов. Средние значения совокупностей данных по различным периодам эксплуатации трансформаторов с использованием Z-критерия значимости [8] приведены далее.
| Параметры | | Z íàáë | | Z êð |
| совокупностей, лет | ||
| 10 – 15 è 15 – 20 | 1,62 | |
| 10 – 15 è 20 – 25 | 0,71 | 1,96 |
| 10 – 15 è 25 – 30 | 0,79 |
Сравнение этих значений показывает, что во всех случаях абсолютное значение наблюдаемого критерия | Z íàáë | меньше табулированного значения критической точки Z êð , определенного при уровне значимости = 0,05, что указывает на отсутствие значимых различий полученных концентраций фурановых соединений при увеличении сроков эксплуатации трансформаторов. Накопленные результаты оценки износа изоляции обмоток трансформаторов, находящихся в эксплуатации, указывают на отсутствие четкой связи содержания фурановых соединений со степенью полимеризации. В òàáë. 1 приведены примеры результатов измерений, выполненных во ВНИИЭ. Данные òàáë. 1 свидетельствуют, что для всех четырех трансформаторов характерно сильное старение изоляции обмоток (исходная степень полимеризации витковой изоляции составляет 900 единиц и более), а в соответствии с [9] у трансформаторов зав. ¹ 64324 и зав. ¹ 1026479 полностью исчерпан ресурс бумажной изоляции ( P < 250). Содержание же фурановых соединений у всех
| Электрические станции, 2002, ¹ 7 | 53 |
трансформаторов находится в зоне допустимых значений (менее 0,0015% массы). Следует также отметить, что множественность факторов старения изоляции и механизмов ее деградации не позволяет использовать определение содержания фурфурола и фурановых соединений в масле трансформатора в качестве показателя для оценки износа изоляции. При этом отсутствие монотонности и значимых различий содержания фурановых соединений от срока эксплуатации трансформаторов и степени полимеризации целлюлозной изоляции указывает на случайную диагности- ческую ценность данного показателя. Наряду с описанными процессами деградации, в процессе эксплуатации происходит окислительная деструкция целлюлозной изоляции при воздействии кислых продуктов старения масла и содержащихся в них окислителей. Этот процесс приводит к образованию в макромолекулах полимера окисленных (главным образом, карбоксильных) групп и нарушениям в ее структуре (Окислительные, деструктивные и структурные превращения целлюлозы в системах азотная кислота – хлорированный углеводород/ Колено В. А., Зутикова З. Ф., Насырова З. С. и др. – Тезисы докладов Всесоюзной конференции “Химия и реакционная способность целлюлозы и ее производных”, Чолпон-Ата, 1991). Разрушение структуры целлюлозной изоляции и образование окисленных групп приводит к хемосорбции низкомолекулярных продуктов деструкции, а также кислых продуктов старения масла, ионов меди и железа, образующихся при коррозии металлических компонентов трансформатора в процессе его эксплуатации. Влияние сорбированных соединений в отношении деструктивного процесса состоит в том, что при эксплуатации изоляции с разрушенной структурой ионы металлов, образуя промежуточ- ные комплексы по гликозидным атомам кислорода C 1 – O – C 4 èëè C 1 – O – C 6 , могут каталитически ускорять реакции ее деградации. Это вызывает при одновременном присутствии ряда низкомолекулярных кислот, образующихся при старении трансформаторного масла, разрыв соответствующих гликозидных связей и образование альдегидных групп, а также одновременно дегидратацию с образованием C = C связей [2, 7]. Указанный процесс сопровождается выделением в масло оксида и диоксида углерода, а визуальным признаком каталитической термоокислительной деструкции целлюлозной изоляции обмоток является ее тем- но-коричневый цвет. Рассмотренные процессы деградации целлюлозной изоляции обмоток (каталитический кислотный алкоголиз, термическая деструкция и дегидратация, гидролиз и окислительная деструкция) являются наиболее значимыми и приводят к снижению механической прочности бумаги и образованию воды.
Объективным показателем, позволяющим оценивать степень износа изоляции обмоток, является степень полимеризации, прямо характеризующая глубину ее физико-химического разрушения в процессе эксплуатации. При этом снижение степени полимеризации имеет монотонную зависимость и отражает монотонное уменьшение механической прочности изоляции [1, 2], что определяет детерминированную диагностическую ценность использования данного показателя. Â соответствии с [9] для оценки состояния бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов предусмотрено измерение степени полимеризации ее образцов. При этом указывается, что ресурс бумажной изоляции обмоток считается ис- черпанным при снижении значения степени полимеризации до 250 единиц. Следует подчеркнуть, что для объективной оценки износа изоляции обмоток трансформатора необходимо проводить измерение степени полимеризации образца витковой изоляции, отобранной в одной из верхних катушек [1]. Отбор образца витковой изоляции может быть выполнен на отключенном трансформаторе как при капитальном ремонте, так и при осуществлении подслива масла через люки. Представительность заложенного в трансформатор образца целлюлозной изоляции, а также образцов барьерной изоляции в отношении достигнутого уровня деструкции изоляции обмоток не обеспечивается в полной мере, поскольку такие образцы расположены в баке трансформатора в условиях, не отвечающих наиболее нагретой зоне. Â отношении деструкции витковой изоляции обмоток необходимо отметить, что достижение значения 250 единиц, согласно практике выполненных измерений, может оцениваться как не менее чем 4-кратное снижение механической проч- ности изоляции в сравнении с исходной. Это, в свою очередь, резко повышает риск возникновения витковых замыканий и повреждения трансформатора при возникновении механических усилий, в первую очередь, при протекании сквозных токов коротких замыканий. Значимость процесса дегидратации напрямую связана со степенью износа бумажной изоляции обмоток. Если оценка выхода воды из бумаги, име- ющей степень полимеризации более 300 единиц, составляет 10 – 3 – 10 – 2 % массы и не оказывает существенного влияния на обеспечение работоспособности изоляции трансформатора, то при достижении значений степени полимеризации ниже 250 единиц выход воды из-за дегидратации может составлять более 6% массы. Возможность достижения таких концентраций отмечалась, в частности, в [2]. При принятии решений о возможности дальнейшей эксплуатации трансформатора или вывода â ремонт с заменой обмоток, наряду со значением степени полимеризации необходимо проанализи-
| 54 | Электрические станции, | 2002, | ¹ 7 | |||
| Ò à á ë è ö à | 2 | |||||
| Дата измерений | Степень полимеризации вит- | Объемная концентрация окси- | Влагосодержание | U ïð | масла, кВ | |
| ковой изоляции, единиц | да и диоксида углерода, % | масла, г/т | ||||
| Èþíü 1999 ã. | Наружные слои – 244, | CO – 0,035, CO 2 – 1,03 | 32 | 50 | ||
| внутренние слои – 140 | ||||||
| Июнь 1999 г. (после выполне- | – | CO – отсутствие, CO 2 – 0,1 | 13,6 | 73 | ||
| ния сушки и дегазации масла) | ||||||
| Август 2000 г. | – | CO – 0,03, CO 2 – 1,035 | 39,2 | 22 | ||
ровать возможные сопутствующие показатели развития деградации изоляции: рост концентраций оксида и диоксида углерода, растворенных в трансформаторном масле, влагосодержание масла è пробивное напряжение масла. Â качестве примера, в òàáë. 2 приведены резу- льтаты развития до полной деградации изоляции обмоток трансформатора ТРДЦН-80000/110 (зав. ¹ 1026479, 26 лет эксплуатации). Для получения объективной оценки износа изоляции обмоток силовых трансформаторов измерения степени полимеризации необходимо проводить определением вязкостных характеристик растворов целлюлозной изоляции в кадмийэтилендиаминовом комплексе [1]. Это позволяет обеспе- чить отсутствие значимых деструктивных изменений в испытуемых образцах целлюлозы, в том числе и окисленных [4]. В то же время применение других растворителей, как правило, вызывает химическую деструкцию целлюлозы. Проведение анализа степени полимеризации изоляции переводом ее в эфиры может привести к завышенным значениям показателя вследствие растворения низкомолекулярной фракции и, как следствие, к ошибочным выводам [10]. Выводы 1. В соответствии с [9] для оценки состояния бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов предусмотрен контроль по наличию фурановых соединений в масле и по степени полимеризации. Однако оценка износа изоляции обмоток может быть выполнена только по степени полимеризации образца витковой изоляции, отобранной в одной из верхних катушек. 2. При достижении степени полимеризации витковой изоляции предельно допустимого значе- ния 250 единиц в период эксплуатации трансфор-
матора до его замены следует проводить измерения влагосодержания и пробивного напряжения масла с периодичностью 1 раз в 6 мес, с целью своевременного выявления возможного снижения электрической прочности при полной деградации изоляции. 3. Для измерений степени полимеризации целлюлозной изоляции обмоток трансформаторов необходимо применять раствор кадмийэтилендиаминового комплекса (кадоксен) вследствие высокой стабильности вязкостных характеристик и отсутствия значимых деструктивных эффектов при растворении целлюлозы. Список литературы 1. Методологические аспекты оценки степени старения изоляции обмоток силовых трансформаторов по измерению степени полимеризации / Ванин Б. В., Ланкау Я. В., Львов Ю. Н. и др. – Электрические станции, 2001, ¹ 1. 2. Липштейн Р. А. , Шахнович М. И. Трансформаторное масло. М.: Энергоатомиздат, 1983. 3. Слюсарев Н. М. , Иоелович М. Я. , Веверис Г. П. Влияние электрического поля на некоторые структурные характеристики целлюлозы. – Химия древесины, 1980, ¹ 4. 4. Байклз Н. , Сегал Л. Целлюлоза и ее производные. М.: Мир, 1974. 5. Кленкова Н. И. , Кулакова О. М. , Волкова Л. А. Определение плотности и других свойств целлюлозных волокон. – Журнал прикладной химии, 1963, т. 36, вып. 1. 6. Плотников О. В. , Михайлов А. И. , Раявее Э. Л. Исследование сверхмедленных молекулярных движений в целлюлозе методом ЭПР. Пластифицирующее действие воды. ВМС, 1977, т. А(XIX), ¹ 11. 7. Ермоленко И. Н. , Люблинер И. П. , Гулько Н. В. Элементосодержащие угольные волокнистые материалы. Минск: Наука и техника, 1982. 8. Гмурман В. Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике. М.: Высшая школа, 1979. 9. ÐÄ 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования. М.: Энас, 1998. 10. Получение нитроэфиров из облученной целлюлозы / Комаров В. Б., Самуйлова С. Д., Кирсанова Л. С. и др. – Журнал прикладной химии, 1993, т. 66, вып. 2.
Diagnostika_elektrooborudovaniya_posobie
измерение диэлектрических потерь; испытание повышенным напряжением переменного или постоянного тока. Полное заключение о состоянии изоляции делают по совокупности результатов измерений. Но в ряде случаев выделяют отдельные определяющие параметры, которые в некоторых условиях достаточно полно оценивают качество изоляции. Такой подход оправдан для выявления конкретныхнеисправностейизоляции(увлажнение, старениеит. п.). 9.1. Определениеувлажненностиизоляции покоэффициенту абсорбции Пусть изоляция некоторого электрооборудования, например, электродвигателя, моделируется схемой замещения (см. рисунок 9.1, а ). Из предыдущего рассмотрения процессов электропроводности и поляризации следует, что для заведомо сухой изоляции в процессе измерения суммарный ток i cyx будет резко затухать (рисунок 9.2). У влажной изоляции такого же двигателя суммарный ток і ВЛ больше и будет затухать медленнее, потому что из-за увлажнения прирост тока сквозной проводимости больше, чем прирост тока абсорбции. Описанный характер изменения суммарного тока определяет динамику сопротивления изоляции. При постоянном напряжении мегомметра сопротивление сухой изоляции R сух при измерении будет резко увеличиваться, а сопротивление влажной R вл будет возрастать незначительно. Следовательно, по состоянию сопротивления изоляции, в зависимости от продолжительности измерения, можно определить, увлажнена изоляция или нет. Рисунок 9.2 – Графики изменения полного тока и сопротивления сухой и влажной изоляций 120
Диагностирование увлажнения изоляции состоит в измерении мегомметром ее сопротивления в моменты t 1 , и t 2 ( t 2 > t 1 ) , послеподачи напряжения и определения отношения Rt 2 /Rt 1 , называемого коэффициентом абсорбции . Обычно принимают t 1 = 15 с , t 2 = 60 с и рассчитывают R 60 /R 15 . Если (R 60 /R 15 ) > 1,3, то изоляцию считают сухой; если (R 60 /R 1 5 ) ≤ 1,3, то изоляцию признают влажной. 9.2. Определение увлажненности изоляции способом «емкость – частота» Соотношение величин емкостей абсорбции и смещения изоляции зависит от степени ее увлажнения. В сухой изоляции преобладает электронная поляризация, характеризуемая емкостью смещения, а во влажной – дипольная поляризация (за счет дипольных молекул воды усиливается емкость абсорбции). Абсолютные значения величин этих емкостей имеют различную зависимость от частоты тока (рисунок 9.3). Рисунок 9.3– Графики изменения емкости сухой и влажной изоляций Емкость сухой С сух изоляции практически не зависит от частоты, так как поляризация в ней происходит почти мгновенно. Емкость же влажной изоляции С вл с ростом частоты убывает. Это объясняется тем, что при малой частоте дипольные молекулы воды успевают следовать (поворачиваться) за полем и С вл имеет наибольшее значение. Когда же частота становится большой, молекулы из-за своей инертности не успевают следовать за полем. Абсорбционная емкость уменьшается, ее значение приближается к емкости, обу- 121
словленной лишь электронной поляризацией. Поэтому по степени изменения емкости от частоты можно определить увлажненность изоляции. Диагностирование увлажнения состоит в измерении емкости изоляции при частоте f 1 , и f 2 ( f 2 > f 1 ) и определении отношения C f 1 /С f2 . Обычно принимают f 1 = 2, f 2 = 50 Гц и измеряют соответственно С 2 и С 50 . Если (С 2 /С 50 ) < 1,2, то изоляция сухая, если (С 2 /С 50 ) ≥ 1,2 – увлажненная. Такой способ диагностирования проводят при помощи прибора контроля влажности изоляции типа ПКВ-7. Определение местных дефектов изоляции по частичным разрядам. Электрическое поле исправной изоляционной системы содержит основную гармонику. При появлении в изоляции каверн, расслоений, трещин и других дефектов равномерность поля нарушается, возникают частичные разряды, создающие высокочастотные колебания. Обнаружение этих колебаний при помощи специального прибора (индикатор частичных разрядов – ИЧР) позволяет выявить наличие дефектов, а в отдельных случаях – место их расположения. Принцип действия ИЧР основан на использовании воздействия электрических нестационарных процессов, сопровождающих разряды на электрический колебательный контур. Основными элементами ИЧР служат приемный колебательный контур или антенна, усилитель и измерительный прибор. Алгоритм диагностирования состоит в следующем. На изоляцию подают повышенное напряжение. Приемным колебательным контуром или антенной ИЧР исследуют пространство вокруг изоляционной системы. При этом измерительный прибор ИЧР позволяет зафиксировать высокочастотные колебания и выявить место, где они имеют наибольший уровень. Обычно это место совпадает с местным дефектом. Известны схемы, в которых ИЧР подключают к испытательной цепи через разделительный конденсатор. Определение местных дефектов изоляции по току сквозной проводимости. В исправной изоляции ее сопротивление сохраняет постоянное значение в большом диапазоне измерения испытательного напряжения. При появлении местных дефектов сопротивление снижается по мере увеличения напряжения. В зависимости от степени развития и характера неисправности изоляции снижение сопротивления начинается при различных напряжениях. Значит, ис- 122
правная изоляция имеет линейную, а неисправная – нелинейную вольт-амперную характеристику. Отмеченная закономерность использована в способе диагностирования изоляции электродвигателей и трансформаторов по току утечки. Изоляцию проверяют в следующей последовательности. Подключают через микроамперметр обмотку одной из фаз к регулируемому источнику переменного напряжения. Плавно увеличивают напряжение до 1200 В и записывают ток утечки 1 1 . Затем повышают напряжение до 1800 В и записывают ток утечки 1 2 . Аналогичные измерения проводят для остальных фаз. Когда нулевая точка обмотки недоступна, то к источнику подключают один из выводов обмотки, т. е. испытывают сразу изоляцию трех фаз. Изоляцию считают исправной, если при повышении напряжения не наблюдают бросков тока; ток утечки при напряжении 1800 В не превышает 95 мкА для одной фазы (230 мкА для трех фаз); относительное приращение токов – не более 0,9; коэффициент несимметрии токов утечки фаз не превышает 1,8. Определение износа изоляции по значению диэлектрических потерь. Из схемы замещения изоляции (см. рисунок 9.1, а ) видно, что при подаче переменного напряжения U установившийся ток будет иметь две составляющие: 1 а – активный ток, зависящий от сопротивления изоляции R u и проводимости абсорбционной ветви R a C a ; I c – реактивный ток, зависящий в основном от реактивной проводимости абсорбционной ветви R a C a и частично от С с . Потребляемая мощность также будет иметь две составляющие, одна из которых – мощность диэлектрических потерь:
| P = U I c tg δ , | (9.4) |
где tg δ = I а / I c – тангенс угла диэлектрических потерь. Диэлектрические потери зависят от вида диэлектрика и от его состояния. Тепловой износ, посторонние включения и влага ухудшают качество изоляции, что приводит к увеличению tg δ по сравнению с новой изоляцией. Поэтому по значению tg δ можно определить степень износа изоляции. Диагностирование изоляции по tg δ используют для определения состояния в основном высоковольтного электрооборудования. Для измерения угла диэлектрических потерь применяют схему высоковольтного моста или схему с ваттметром. Последняя – проста и удобна, однако ее недостаток 123
в том, что получается меньшая точность измерений, чем при помощи схемы моста. 9.3. Определение теплового износа изоляции При эксплуатации электрооборудования его изоляция подвергается воздействию рабочего напряжения, кратковременным перенапряжениям, механическим и тепловым нагрузкам, загрязнению, увлажнению и другим неблагоприятным воздействиям. В результате этого свойства изоляции непрерывно ухудшаются. Определяющим в общем износе изоляции является тепловой износ. При анализе эксплуатационных режимов особое значение приобретают методы расчета скорости теплового старения электрической изоляции и определения срока ее службы. Одним из главных показателей, характеризующих величину теплового износа изоляции, является ее сопротивление. Сопротивление изоляции уменьшается во время ее эксплуатации, что обусловлено необратимыми процессами, происходящими при воздействии внешних факторов на материал. Для оценки величины теплового старения изоляции необходимо применение расчетных формул, моделирующих внешние воздействия и их влияние. Чем больше факторов эксплуатации учитывает используемое уравнение, тем выше достоверность получаемых результатов. Однако в данном случае главной проблемой является получение исходной информации для расчетов, что требует значительного объема экспериментальных исследований. Процессы теплового износа изоляции электрооборудования зависят от различных факторов эксплуатации. Основными факторами, учитываемыми в расчетах, являются условия окружающей среды: температура и относительная влажность воздуха, а также содержание в нем агрессивных соединений. Указанные факторы учитываются практически для всех видов электрооборудования (за исключением погружных электродвигателей). Кроме того, в силу специфики работы электрооборудования, для некоторых его видов (в частности, асинхронных электродвигателей) необходимо учитывать дополнительные факторы воздействия на изоляцию: длительные перегрузки и электродинамические силы. К длительным перегрузкам относятся перегрузки в пределах рабочей части механической характеристики асинхронного электродвигателя, т. е. в пределах 1–1,8 номинального тока при номинальном напряжении. Исследованиями установлено, что длительные 124
перегрузки приводят к дополнительному, сверх номинального значения, тепловому износу изоляции обмоток двигателей. Изоляция обмотки электрической машины в процессе эксплуатации может испытывать сжатие под действием электродинамических сил. В большинстве случаев указанные силы имеют циклический, знакопеременный характер, причем наиболее типичной является частота 100 Гц. Периодически при сверхтоках (пуск и реверс электродвигателей, короткие замыкания в питаемых сетях) электродинамические силы увеличиваются в десятки раз вследствие увеличения токов в обмотках и квадратичной зависимости электродинамических сил от сверхтоков. Если даже принять, что статические нагрузки не приводят к очевидным изменениям структуры изоляции (хотя на самом деле это и имеет место), они все же способствуют ее старению. В соответствии с кинетической теорией прочности твердых тел разрушение материала можно рассматривать как постепенный термоактивационный процесс, в котором механическое напряжение представляет собой фактор, облегчающий и ускоряющий термическое разрушение. Кроме этого, циклические знакопеременные электродинамические силы приводят к вибрации обмоток, что также способствует механическому разрушению изоляции. На процесс теплового износа оказывают влияние отклонение напряжения питания от номинального (у загруженных электродвигателей при снижении напряжения резко увеличивается скорость теплового износа изоляции) и его асимметрия по фазам, а также ухудшение теплоотдачи. В общем случае процесс теплового износа изоляции описывается следующим уравнением:
| B × ( | 1 − x − | 1 − x k 2 | ) × m c × n η × t | ||
| R И = | R 0 × e | θ н | θ | , | (9.5) |
где R и – сопротивление изоляции в момент времени t , МОм; R 0 – начальное сопротивление изоляции, МОм; Θ н – номинальная (базовая) температура изоляции, К; Θ – установившаяся (текущая) температура изоляции, К; х – коэффициент, учитывающий влияние электродинамических сил; k – коэффициент длительной перегрузки; В – коэффициент, зависящий от нагревостойкости изоляции; m, n – коэффициенты, учитывающие условия среды; 125
с – относительнаяконцентрацияагрессивныхвеществввоздухе; η – относительная влажность воздуха. Для погружных электродвигателей степень износа изоляции оценивается по величине тока утечки и тангенсу угла диэлектрических потерь. Методика определения теплового износа изоляции базируется на использовании формулы (9.5) с коэффициентами, характерными для данного вида оборудования. В лабораторной работе по данной теме определяется тепловой износ изоляции и исследуется влияние на него факторов эксплуатации. Вид электрооборудования и коэффициенты формулы (9.5) принимаются в соответствии с заданием на курсовую работу. Для принятых исходных данных определяется сопротивление изоляции и процент его снижения:
| R = | R 0 − R И | × 100 . | (9.6) |
| R 0 | |||
Вопросы для самоконтроля 1. Какова классификация электроизоляционных материалов по нагревостойкости? 2. Какие существуют основные методы диагностирования электрическойизоляции? 3. Как определить увлажненность изоляции? 4. Перечислите методы определения состояния изоляции обмот- ки. 5. Как определяется тепловой износ изоляции? 126
Тема 10. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ План Виды и материалы контактных соединений. Определяющие диагностические параметры контактов. Вспомогательные диагностические параметры контактов. Приборы и методы измерений параметров контактов. Электрическая цепь любого электрооборудования содержит различные элементы, которые соединены между собой при помощи электрических контактов. Например, в низковольтной сети на один трехфазный электроприемник в среднем приходится около 60 электрических контактов. От состояния любого из них зависит работоспособность всей электроустановки. Поэтому регулярный контроль электрических контактов – важная составная часть работ по обеспечению высокой надежности электрооборудования. Электрическим контактом называют место перехода тока из одной токоведущей части в другую. По своему назначению контак- ты разделяют на соединительные и коммутирующие . Первые из них служат только для соединения различных элементов электрической цепи, а вторые предназначены для включения, отключения и переключения электрической цепи. Известно большое число конструктивных исполнений контактов. Соединительные контакты разделяют на разборные (болтовые, винтовые, клиновые) и неразборные (сварные, паяные, клепаныеит. п.). Коммутирующие контакты классифицируют по признаку подвижности (подвижные, неподвижные), по степени подвижности (самоустанавливающиеся, несамоустанавливающиеся), по геометрической форме (точечные, линейные, поверхностные), по виду охлаждения (естественное, искусственное), по назначению (главные, дугогасительные, дополнительные) и по другим признакам. Разрывные контакты обеспечивают периодическое замыкание иразмыкание электрической цепи. Требования к ним: устойчивость против коррозии, стойкость к свариванию и действию электрической коррозии, стойкость к действию сжимающих ударных нагрузок, высокие проводимость и теплофизические свойства, хорошая технологичностьиспособностьприрабатыватьсядругкдругу. 127
В качестве контактных материалов для слаботочных разрывных контактов используются металлы: вольфрам, молибден, золото, платина, серебро, а также различные сплавы на их основе. Сильноточные разрывные контакты изготавливаются, как правило, из меди и серебра и их сплавов с добавлением вольфрама, никеля и т. д. Медная и серебряная фазы в этих композициях обеспечивают высокую электро- и теплопроводность контакта, а включение тугоплавкой фазы придает контактам стойкость к механическому износу, электрической эрозии и свариваемости. Для изготовления сильноточных контактов, работающих при повышенных напряжениях и контактных давлениях, рекомендуется использовать твердую медь, что значительно удешевляет электротехническое устройство. Скользящие контакты должны дополнительно отличаться высокой стойкостью к истирающим нагрузкам, которые особенно велики при сухом трении. Наиболее высокими качествами обладают контактные пары, составленные из металлического и графитосодержащего материалов. Помимо низкого коэффициента трения графит и материалы на его основе отличаются большим напряжением дугообразования, поэтому износ контактов от искрения незначителен. Кроме того, на поверхности графита не образуются оксидные пленки, контакт имеет линейную вольт-амперную характеристику. Широкое применение для изготовления скользящих контактов нашли проводниковые бронзы, латуни, твердая медь и т. д. Сплавы меди с оловом, кремнием, хромом и т. д. носят название бронз. Они (бронзы) имеют более высокие механические свойства, чем чистая медь. Введение в медь кадмия значительно повышает механическую прочность и твердость (кадмиевая бронза). Кадмиевую бронзу используют для изготовления контактных проводов, коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большеймеханическойпрочностьюобладаетбериллиеваябронза. Сплав меди с цинком – латунь – обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном, по сравнению с чистой медью, пределе прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т. п. Состояние контактов оценивают по определяющим или вспомогательным параметрам. К первым из них относят переходное со- 128
противление, падение напряжения и температуру нагрева контактов, а ко вторым – площадь соприкосновения, раствор, провал и усилие сжатия контактов. Переходным сопротивлением контакта называют дополни- тельное сопротивление в месте перехода тока из одной контактной поверхности в другую, обусловленное, во-первых, сужением площади сечения контакта в неровностях поверхности, во-вторых, сопротивлением газовых и масляных пленок, а также пыли, адсорбированных поверхностью контакта. Значение переходного сопротивления зависит от многих факторов, главные из которых – микрорельеф, усилие сжатия и материал контактной поверхности. Переходное сопротивление электрического контакта, Ом:
| R n = | К 1 | К Т , | (10.1) |
| ( 0 , 1 F к ) m |
где К 1 – коэффициент, зависящий от материала контактирующих деталей; F к – усилие сжатие контакта, Н; m – показатель степени, зависящий от формы поверхностей контактирующих деталей: для контакта плоскость m = 1, для линейного контакта m = 0,75, а для контактов сфера – плоскость и сфера – сфера m = 0,5. К Т – коэффициент, учитывающий температуру контакта; К Т = 1 + 0,67 α ( t – 20); α – температурный коэффициент сопротивления материала; (°С) -1 ; t – температура контакта, °С. Для холодных контактов при температурах, близких к температуре окружающей среды, можно принять К Т = 1. Значения коэффициента К 1 для материала контакта: алюминий– алюминий – 0,006; алюминий–латунь – 0,002; алюминий–медь – 0,001; алюминий–сталь – 0,044; латунь–латунь – 0,00067; латунь–медь – 0,0004; латунь–сталь – 0,003; медь–медь– 0,0004; олово–олово – 0,0005; серебро–серебро– 0,00006; сталь–сталь– 0,0076. На рисунке 10.1 показана кривая зависимости переходного сопротивления R К при увеличении усилия сжатия (контактного давления). Первоначально сопротивление резко снижается в связи с быстрым ростом числа точек и площадок соприкосновения. Дальнейшее увеличение давления приводит к замедленному снижению сопротивления, так как интенсивность деформации неровностей 129
материала снижается. Начиная с некоторого критического усилия нажатия, переходное сопротивление остается практически неизменным. При снятии контактного давления сопротивление R 2 контакта возрастет по кривой 2, которая идет несколько ниже кривой 1 . Рисунок 10.1 – Кривые переходного сопротивления контакта при увеличении 1 и уменьшении 2 усилия нажатия Указанные явления используют при эксплуатации, во-первых, когда устанавливают диапазон нормативных усилий нажатия (в зависимости от материала – от 500 до 2500 Н/см 2 ), во-вторых, когда до предела затянутые болтовые (винтовые) соединения несколько отпускают (переходят с кривой 1 на кривую 2 ) . Допустимое падение напряжения на переходном сопротивлении контакта зависит, главным образом, от материала контакта. Его выбирают из условия отсутствия размягчения металла контактов, работающих в номинальном режиме. Для низковольтной аппаратуры установлены следующие допустимые падения напряжения на контакте: серебро – 0,01–0,02 В, медь – 0,01–0,03, алюминий – 0,01–0,04, железо – 0,02– 0,05 В. Сопротивление контактов не остается постоянным в процессe эксплуатации. Оно представляет собой источник дополнительных джоулевых потерь, поэтому температура контактной поверхности всегда выше температуры прилегающих проводников. Под действием кислорода это приводит к образованию на поверхности металла пленки, толщина которой с течением времени увеличивается, что ведет к росту переходного сопротивления и дополнительному нагреву. В некоторый момент времени под действием температуры 130
и электрического поля пленка разрушается, переходное сопротивление падает до первоначального значения. Затем процесс повторяется вновь и вновь. Но в некоторых случаях такое самоочищение не происходит, контакт может разогреться и выйти из строя. Для надежной работы контактов необходимо строго соблюдать установленные нормы для температуры нагрева: коммутирующие контакты из меди без покрытия – 85 °С, с серебряным покрытием – 240 °С; соединительные контакты внутри аппаратов из меди – 95 °С, с покрытием неблагородными металлами – 105 °С, с серебряным покрытием – 135 °С (при расчетной температуре окружающей среды 45 °С). Площадь соприкосновения контактов характеризует качество их настройки или степень износа. В исправном состоянии фактическая площадь соприкосновения составляет не менее 70 % от номинальной площади контакта. Раствором контактов называют наибольшее расстояние l р (рисунок 10.2, а ) между поверхностями соприкосновения при разомкнутом состоянии контактов. В зависимости от типа аппарата, эта величина может быть от 3 до 50 мм. Провалом контактов называют расстояние l п (рисунок 10.2, б ), на которое перемещается подвижный контакт, не теряя соприкосновения с неподвижным контактом, при размыкании или замыкании цепи. Для низковольтных аппаратов провал составля ет 3–6 мм. Рисунок 10.2 – К определению раствора ( а ) и провала ( б ) между неподвижным и подвижным контактами: 1 – неподвижный контакт (НК); 2 – подвижный контакт (ПК) Переходное сопротивление контактов измеряют при постоянном или переменном токах. Для этого используют микрометры М-246, Ф-415, двойные мосты Р-3, F3-39 или применяют схемы с милливольтметром. У нового контакта переходное сопротивление не должно превышать сопротивления целого эквивалентного участка проводника в 1,2 раза. В процессе эксплуатации допускается уве- 131
личение сопротивления, но не более чем в 1,8 раза по сравнению с начальным значением. Падение напряжения на переходном сопротивлении измеряют милливольтметром или гальванометром, пропуская через контакт номинальный постоянный ток. Для этого используют различные нагрузочные установки. В исправном контакте отношение падения напряжения на нем к падению напряжения на целом эквивалентном участке не должно превышать 1,1–1,2. Если в процессе эксплуатации это отношение превысит 1,7, то необходим ремонт или замена контакта. Диагностирование контактных систем низковольтных аппаратов К контактным системам относится до 60 % всех отказов низковольтных аппаратов. В основном отказы возникают по причине механического и электрического износов рабочих поверхностей контактов, возникновения на них пленок, загрязнения, а также из-за потери упругих свойств контактных пружин, повреждения или старения изоляционных материалов между контактами. Важным параметром контактных соединений является переходное сопротивление. Переходное сопротивление контактов аппаратов зависит от тока, характера нагрузки, силы сжатия контактов, материала контактов, среды, окружающей аппарат, и др. Зависимость сопротивления контактов, согласно теории Хольма и его последователей, можно записать следующим выражением:
| R | = | ε | , | (10.2) |
| к | Р к m |
а в соответствии с теорией Чельчлина:
| R к = | ε | + k 0 , | (10.3) |
| Р к m |
где ε – коэффициент, учитывающий физические свойства материала контактов и состояние контактной поверхности; Р к – статическое нажатие контактов; m – коэффициент формы контактов (0,3 – 1); k 0 – коэффициент, учитывающий сопротивление тела контактов или до- 132
полнительное сопротивление, создаваемое пленками на поверхности контактов. От тока и сопротивления зависит рабочая температура контактов. На практике для контроля контактных соединений измеряют падение напряжения при прохождении через контакты постоянного тока от источника питания с напряжением 2–5 В. При измерении сопротивления испытательный ток должен быть равным номинальному току. Потери напряжения на контактах не должны превышать следующих значений: у магнитных пускателей и автоматических выключателей при номинальном токе выше 50 А — 70 мВ, у автоматических выключателей с номинальным током менее 50 А — 110 мВ, у аппаратов со скользящими контактами (рубильники, пакетные выключатели) — 10–20 мВ. Потери напряжения на контактах магнитных пускателей 5 и 6 габаритов и автоматических выключателей с номинальными токами, не превышающими 200 А, обычно измеряют при пропускании через контакты тока, составляющего не менее 20 % номинального. Для сравнения с допустимыми значениями измеренные потери напряжения необходимо пересчитать для приведения их к номинальному значению тока аппарата по формуле:
| U H = | U | и I H , | (10.4) |
| I | И |
где ∆ U Н — потери напряжения, приведенные к номинальному току аппарата, мВ; ∆ U И — измеренные потери напряжения, мВ; I н — номинальный ток аппарата, А; I И — ток, при котором измерялись потери напряжения, А. Результаты наблюдений за состоянием низковольтных аппаратов показывают, что одной из основных причин отказов является износ контактов. Он приводит к уменьшению толщины контакта или контактной напайки и к потере формы поверхности контактирования. Уменьшение толщины контактов вызывает ослабление силы сжатия контактов, в связи с чем ухудшаются условия контактирования и повышается температура контактов. Наиболее важным параметром, характеризующим износ контактов низковольтных аппаратов, является провал контактов. Провал контактов равен ходу подвижной системы аппарата с момента замыкания контактов до момента замыкания магнитной системы. В 133
процессе эксплуатации аппаратов при износе контактов провалы уменьшаются. Исследования и опыт эксплуатации показывают, что между значением провала контактов и наработкой имеется корреляционная связь. Зависимости величин провалов контактов магнитных пускателей от наработки с определенной степенью точности в заданный момент времени можно вычислить по выражению:
| П к = П 0 – v t , | (10.5) |
где П о — начальное значение провала, мм; v — скорость изменения провала, мм/тыс. ч или мм/тыс. циклов; t – наработка, тыс. ч или тыс. циклов. В магнитных пускателях провалы контактов определяют в замкнутом положении по перемещению поводка, на котором закреплен контактный мостик, от начала до полного замыкания контактов. Ранее провалы проверялись щупами, толщина которых равнялась допустимым значениям провалов. Момент начала замыкания контактов обычно определяют по загоранию лампочки, включенной последовательно с батарейкой и контактами. Провалы магнитных пускателей должны отвечать данным, приведенным в таблице 10.1. Провалы контактов автоматических выключателей проверяют штангенциркулем и набором щупов № 5. Контакты автоматических выключателей выбраковывают, если провалы контактов составляют менее 0,5 мм. При необходимости провалы автоматических выключателей регулируют согласно данным, приведенным в таблице 10.2. Важным параметром для технического состояния контактной системы низковольтных аппаратов является нажатие контактов. Уменьшение величины нажатия контактов в процессе эксплуатации свидетельствует как об износе контактов, так и о состоянии контактных пружин. Измерения показывают, что уменьшению провала контактов, характеризующего величину их износа, обязательно сопутствует уменьшение конечного нажатия, что также способствует увеличению скорости износа контактов. Уменьшение провала контактов на небольшую величину при значительном уменьшении конечного нажатия указывает на потерю упругих свойств контактных пружин. Работоспособность контактов магнитных пускателей, автоматических выключателей и реле зависит и от усилия нажатия контактов. Поэтому в процессе эксплуатации периодически определяют и, 134
при необходимости, регулируют усилия начального и конечного нажатия контактов. Усилия нажатия контактов измеряют следующим образом. Последовательно с контактами включают лампочку с батарейкой для точного определения момента размыкания контактов. Подвижный контакт с помощью специальной подвески, закрепленной на крюке динамометра, медленно оттягивают до момента, когда погаснет лампочка, указывающая на размыкание контактов. В момент размыкания по шкале динамометра определяют усилие нажатия, которое должно отвечать данным таблицы 10.1. При измерении линия приложения усилия должна быть перпендикулярной к плоскостям контактов. Начальное нажатие регулируют подкладыванием шайб под контактную пружину. Если таким образом нажатие отрегулировать нельзя, пружину заменяют новой. При определении конечного нажатия контактов на катушку магнитного пускателя подают номинальное напряжение и оттягивают подвижный контакт с помощью подвески и динамометра. В момент размыкания контактов по шкале динамометра определяют усилие конечного нажатия контактов, которое также должно отвечать данным, приведенным в таблице 10.1. Усилие конечного нажатия регулируется так же, как и начального. У автоматических выключателей усилие конечного нажатия контактов измеряют во включенном положении выключателей аналогично измерению его в магнитных пускателях. Усилие нажатия контактов автоматических выключателей должно соответствовать данным, приведенным в таблице 10.2. При необходимости нажатия контактов регулируют. В связи с тем, что при измерении провалов и нажатий магнитных пускателей с требуемой точностью возникли определенные трудности, для диагностирования контактных систем магнитных пускателей разработали специальные приспособления. 135
Таблица 10.1 – Данные для проверки состояния контактных систем магнитных пускателей
| Параметры | ПМЕ-000 | ПМЕ-100 | ПМЕ- | П-6 | ПА- | ПА- | ПА-500 | ПА- |
| 200 | 300 | 400 | 600 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Растворглавных | 2,8 | 2,5 | 3 | 3 +0,7 | 3 | 3 | 4 | 4 |
| контактов | + 0,5 | |||||||
| Провалглавных | 2± 0,4 | 2,5 ±0,5 | 3 ±0,5 | 2,4 ± | 2,2 ± | 3 ± 0,5 | 4± 0,5 | 4± |
| контактов, мм | 0,5 | 0,3 | 0,5 | |||||
| Растворблок-контактов | 2,8 | 2,5 | 3,0 | 3,0 | 3,0 | 3,0 | 3,0 | 3,0 |
| (неменее), мм | ||||||||
| Провал | 2± 0,4 | 2,5 ±0,5 | 2,5 ± | 2,2 ± | 2,5 ± | 2,5 ± | 2,5 ±0,5 | 2,5 |
| блок-контактов, мм | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | ±0,5 | |||
| Нажатиепружиныглав- | ||||||||
| ныхконтактов, кгс: | ||||||||
| начальное | — | — | — | — | 0,60 | 1,3 | 2,3 ± 0,25 | 3,4 ± |
| конечное | 0,11 | 0,2 | 0,45 | 0,27 | ± | ±0,13 | 3,28 ± | 0,17 |
| 0,03 | 1,88 ± | 0,33 | 5,06 ± | |||||
| Нажатиевозвратной | ||||||||
| пружины, кгс: | ||||||||
| начальное | — | — | — | — | 0,65 | 1,1 ± | 1,65 | 2,8 ± |
| конечное | — | — | — | — | ± | 0,1 1,5 | ±0,16 | 0,19 |
| 0,03 | ± 0,15 | 1,92 ± | 3,7 ± | |||||
| Нажатиевозвратной | ||||||||
| пружины | ||||||||
| блокконтактов, *кгс: | 0,23 | |||||||
| начальное | — | — | — | — | 0,23 | 0,23± | 0,23 | ±0,012 |
| конечное | 0,1 | 0,2 | 0,2 | 0,27 | ± | 0,012 | ±0,012 | 0,4 ± |
| 0,01 | 0,4 ± | 0,4 ± 0,02 | 0,02 | |||||
| 2 0,4 | 0,02 | |||||||
| Нажатиеконтактной | ||||||||
| пружиныблок- | ||||||||
| контактов, кгс: | — | — | — | 0,11 | 0,115 | 0,115± | 0,115± | |
| начальное | 0,1 | — | 0,2 | 0,27 | 5 | ±0,006 | 0,006 | 0,006 |
| конечное | 0,2 | ±0,0 | 0,161± | 0,161 | 0,161 | |||
| 06 | 0,008 | ±0,008 | ±0,008 |
*При переводе килограмм-силы в ньютоны необходимо приведенные значения умножать на 0,80665. 136
Таблица 10.2 – Данные для регулирования автоматических выключателей серии A3100
| Параметр | A3110 | A3120 | А3130 | A3140 |
| Провал контактов У, У1, | 2 | 2,5 | 2 | 2 |
| У2, не менее, мм | ||||
| Нажатие главных контак- | 0,8 | 1,8 | 4 | 8 |
| тов Р1, не менее, кгс* | ||||
| Нажатие разрывных кон- | — | — | — | 5 |
| тактов Р2, не менее, кгс* | ||||
| Опережение замыкания | — | — | — | 2 |
| разрывных контактов, не | ||||
| менее, мм | ||||
| Неодновременность за- | 0-0,1 | 1-0,5 | 0-0,5 | 0-0,8 |
| мыкания контактов, не | ||||
| более, мм | ||||
| Отклонение тока сраба- | 15 | |||
| тывания электромагнит- | ||||
| ного элемента от номи- | ||||
| нальной уставки, не бо- | ||||
| лее, % | ||||
| Отклонение тока сраба- | 12 | |||
| тывания теплового эле- | ||||
| мента от номинальной | ||||
| уставки, не более, % | ||||
| Напряжение четкого сра- | 75-105 | |||
| батывания дистанционно- | ||||
| го расцепителя (% к но- | ||||
| минальному) |
*При переводе килограмм-силы в ньютоны необходимо приведенные значения умножать на 9,80665. 137
10.1. Контроль напряжения втягивания и отпускания якорей магнитных пускателей Перед контролем напряжения втягивания и отпускания якоря проверяют работу подвижной части пускателя включением от руки, а затем – при подаче на катушку номинального напряжения. При включении от руки подвижная система пускателя должна свободно перемещаться, а при подаче напряжения на катушку – немедленно включаться, без задержек в промежуточных положениях. Для определения напряжения втягивания и отпускания якорей магнитных пускателей вначале на их катушки подают напряжение, равное 80 % номинального. Магнитный пускатель должен четко включаться без остановок или заметных задержек подвижной системы. При напряжении, равном 80 % номинального, допускается умеренный шум магнитной системы, который не должен переходить в дребезжание. Увеличение напряжения втягивания выше 85 % обычно свидетельствует об увеличении воздушного зазора между якорем и сердечником (при количестве витковв катушке согласно паспортным данным). Для проверки напряжения отпускания якоря на зажимы катушки подают номинальное напряжение, а затем плавно его снижают и измеряют в момент отпускания якоря. Напряжение отпускания должно составлять не более 70 % номинального. Кроме того, проверяют включение пускателя при пониженном напряжении, равном 60 % номинального. Катушка не должна включать пускатель при этом и меньшем напряжении. Измерение напряжения втягивания, отпускания и проверку включения пускателя при пониженном напряжении можно проводить с помощью автотрансформатора типа ЛАТР или РНО, повышающего трансформатора и вольтметра типа Э-59, с пределами измерений 75-150-300-600 В. Для регулирования напряжения при измерениях можно также использовать высокоомный реостат, включенный по схеме делителя напряжения. Вопросы для самоконтроля 1. Перечислите виды и материалы контактных соединений. 2. Что такое определяющие параметры контактов? 3. Назовитевспомогательныедиагностическиепараметрыконтактов. 4. Какие существуют приборы и методы измерения параметров контактов? 5. Как проводится диагностирование контактных систем низковольтныхаппаратов? 138
Тема 11. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ОПОР ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ План Классификация опор и заземляющих устройств. Факторы их эксплуатации и особенности износа. Диагностирование деревянных, металлических и железобетонных опор. Диагностирование заземляющих устройств. Воздушные линии Основными компонентами воздушных линий (ВЛ) служат провода, опоры, изоляторы, линейная арматура. Опоры поддерживают провода на необходимом расстоянии от поверхности земли, проводов других линий, крыш зданий и т. п. Они делятся на два основных вида: анкерные , полностью воспринимающие тяжение проводов в смежных с опорой пролетах; промежуточные , невоспринимающие или частично воспринимающие тяжение проводов. На базе анкерных опор могут выполняться угловые и концевые опоры. Типы опор для различных условий прокладки приведены в таб- лице 11.1. Таблица 11.1 – Типы опор, применяемых для прокладки ВЛ
| Наименование | Условия установки |
| 1 | 2 |
| Промежуточные | Прямые участки воздушных линий. |
| В нормальных условиях не должны под- | |
| вергаться усилиям, направленным вдоль | |
| линий | |
| Анкерные | При изменении марки, сечения или ко- |
| личества проводов на прямых участках | |
| линий | |
| Угловые | При повороте трассы на угол 60˚ |
| промежуточные | |
| Угловые анкерные | При повороте трассы на угол от 60 до 90˚ |
| Перекрестные | При скрещивании двух направлений ВЛ |
| Ответвительные | ПриответвленииВЛотосновноймагист- |
| рали, безизмененияколичествапроводов | |
| 139 |
Физико-химические методы оценки состояния силовых трансформаторов в условиях эксплуатации. Показатели оценки состояния бумажной изоляции.
В процессе эксплуатации силового трансформатора целлюлозная изоляция обмоток претерпевает деградацию, обусловленную развитием процессов деструкции и дегидратации, сопровождающихся ухудшением ее физико-химических свойств. Это проявляется в снижении механической прочности, окислении и образовании пор, хемосорбции кислых продуктов, образующихся в процессе старения трансформаторного масла, а также соединений металлов переменной валентности.
Из-за сложного взаимодействия параллельных и последовательных химических процессов, приводящих к деградации, и большого количества влияющих факторов, не представляется возможным прогнозировать степень износа изоляции обмоток путем анализа воздействий эксплуатационных факторов. Следует так же отметить, что электрическая прочность пропитанной маслом бумаги в результате ее старения существенно не изменяется, так как разрушенные участки целлюлозной изоляции немедленно заполняются маслом и электрические показатели (сопротивление и тангенс угла диэлектрических потерь изоляции) существенно не изменяются и не могут служить индикаторами старения.
Оценка износа изоляции обмоток для каждого конкретного трансформатора должна включать непосредственный анализ физико-химического состояния целлюлозной изоляции и сопутствующих показателей, свидетельствующих о степени развития ее деградации. При этом необходимо иметь набор диагностических признаков, позволяющих объективно оценивать степень износа изоляции и принимать решение о возможности и целесообразности дальнейшей эксплуатации трансформатора.
Формирование набора диагностических признаков должно основываться на анализе физико-химических процессов, происходящих в целлюлозной изоляции под воздействием эксплуатационных факторов. Среди этих факторов можно выделить наиболее значимые в плане влияния их на скорость развития деградации: электрическое поле, температура, наличие воздуха (кислорода), наличие химически активных примесей (продуктов старения), наличие влаги.
К настоящему времени накоплен достаточно обширный фактический материал по влиянию на целлюлозу различных факторов. Это позволяет выделить основные физико-химические процессы, приводящие к деградации изоляции обмоток в процессе эксплуатации силовых трансформаторов:
- каталитический кислотный алкоголиз;
- термическая деструкция и дегидратация;
- гидролиз целлюлозной изоляции;
- окислительная деструкция при воздействии кислых продуктов старения масла и содержащихся в нем окислителей.
Существенное влияние на ускорение старения целлюлозной изоляции в среде жидкого диэлектрика оказывает электрическое поле. Оно усиливает воздействие практически всех физико-химических факторов, а также способствует адсорбции на поверхности целлюлозной изоляции продуктов старения трансформаторного масла и конструкционных материалов.
Воздействие электрического поля ускоряет и другой важный процесс деградации целлюлозы — каталитический кислотный алкоголиз при действии гидроксилсодержащих углеводородов (спиртов) в присутствии низкомолекулярных органических кислот и других продуктов, образующихся в масле в процессе старения. Высокая степень влияния этого процесса на деградацию изоляции обмоток обусловлена тем, что трансформаторное масло по своим физико-химическим характеристикам является лучшим пластификатором для целлюлозной изоляции, чем вода. Наличие в целлюлозной изоляции участков с сильным межмолекулярным взаимодействием, т.е. полностью «кристаллических», недоступных для масла областей, в общем случае составляет не более 20%, и с увеличением времени эксплуатации будет уменьшаться под действием электрического поля и других эксплуатационных факторов (температуры, наличия химически активных примесей и др).
Гидролиз целлюлозной изоляции, протекающий параллельно с процессом кислотного алкоголиза, по сравнению с ним вносит существенно меньший вклад в общий процесс деградации. Это обусловлено достаточно низким содержанием влаги в изоляции трансформатора при нормальной его эксплуатации.
Важным фактором старения целлюлозной изоляции является ее термолиз, вызванный повышенной температурой. Под воздействием высокой температуры (более +90°С) в целлюлозной изоляции, помимо ускорения перечисленных выше процессов, активизируются также процессы термической деградации — деструкция и дегидратация в аморфных и мезоморфных областях с образованием фурфурола и фурановых соединений.
Наряду с указанными процессами деградации, в процессе эксплуатации происходит окислительная деструкция целлюлозной изоляции при воздействии кислых продуктов старения масла и содержащихся в них окислителей. Этот процесс приводит к образованию в макромолекулах полимера окисленных (главным образом карбоксильных) групп и нарушениям в ее структуре. Разрушение структуры целлюлозной изоляции и образование окисленных групп приводит к хемосорбции низкомолекулярных продуктов деструкции, а также кислых продуктов старения масла, ионов меди и железа, образующихся при коррозии металлических компонентов трансформатора в процессе его эксплуатации. Данный процесс сопровождается выделением в масло оксида и диоксида углерода, а визуальным признаком каталитической термоокислительной деструкции целлюлозной изоляции обмоток является ее темно-коричневый цвет.
Рассмотренные процессы деградации целлюлозной изоляции обмоток (каталитический кислотный алкоголиз, термическая деструкция и дегидратация, гидролиз и окислительная деструкция) являются наиболее значимыми и приводят к снижению механической прочности бумаги и образованию воды.
Для оценки состояния бумажной изоляции обмоток предусмотрено два метода:
- по наличию фурановых соединений в масле;
- по степени полимеризации образцов изоляции.
Следует отметить, что деструкция целлюлозной изоляции в процессе эксплуатации трансформатора может сопровождаться выделением в трансформаторное масло фурановых соединений: фурфурол (2-фурфурол), 5-гидроксиметилфурфурол, фурфуриловый спирт, 2-ацетилфуран, метилфурфурол (2 -метил-2 -фурфурол) и ряда других, основными из которых следует считать фурфурол и гидроксиметилфурфурол. При этом, согласно полярности, 80% фурфурола растворяется в изоляционном масле, а гидроксиметилфурфурол в большей степени адсорбируется на бумажной изоляции, чем переходит в трансформаторное масло.
Допустимое значение содержания фурановых соединений (ограничивающего область нормального состояния) установлено не более 0,0015% массы (в том числе фурфурола — 0,001% массы). Однако выход этих соединений в процессе деградации изоляции не является стехиометрическим в отношении числа разрывов в средней по массе макромолекуле целлюлозы. Поэтому данный показатель не отражает реально степень деструкции целлюлозы. Наличие в масле фурановых соединений может свидетельствовать лишь о локально протекающем процессе деструкции и не отражает динамику деградации целлюлозной изоляции. К тому же фурановые соединения разлагаются в кислой среде с образованием продуктов нефуранового типа. Кроме того, при наличии в трансформаторе термосифонного фильтра образующиеся фурановые соединения адсорбируются на силикагеле и распадаются в кислой среде.
Объективным показателем, позволяющим оценивать степень износа изоляции обмоток, является степень полимеризации, прямо характеризующая глубину ее физико-химического разрушения в процессе эксплуатации. При этом снижение степени полимеризации имеет монотонную зависимость и отражает монотонное уменьшение механической прочности изоляции, что определяет детерминированную диагностическую ценность использования данного показателя.
Как указывалось выше, для оценки состояния бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов предусмотрено измерение степени полимеризации образцов этой изоляции. При этом ресурс бумажной изоляции обмоток считается исчерпанным при снижении значения степени полимеризации до 250 единиц.
Для объективной оценки износа изоляции обмоток трансформатора необходимо проводить измерение степени полимеризации образца витковой изоляции, отобранной в одной из верхних катушек. Отбор образца витковой изоляции может быть выполнен на отключенном трансформаторе, как при капитальном ремонте, так и при осуществлении частичного слива масла. Представительность заложенного в трансформатор образца целлюлозной изоляции, а также образцов барьерной изоляции, в отношении достигнутого уровня деструкции изоляции обмоток не обеспечивается в полной мере, поскольку такие образцы расположены в баке трансформатора в условиях, не отвечающих наиболее нагретой зоне.
В отношении деструкции витковой изоляции обмоток необходимо отметить, что достижение значения 250 ед. может оцениваться, как не менее чем четырехкратное снижение механической прочности изоляции по отношению к исходной. Это резко повышает риск возникновения витковых замыканий и повреждения трансформатора при возникновении механических усилий, в первую очередь при протекании сквозных токов коротких замыканий.
Значимость процесса дегидратации напрямую связана со степенью износа бумажной изоляции обмоток. Если выход воды из бумаги, имеющей степень полимеризации более 300 ед., составляет порядка 10 -3 . 10 -2 % массы и не оказывает существенного влияния на работоспособность изоляции, то при достижении значений степени полимеризации ниже 250 ед. выход воды из-за дегидратации может составлять более 6% массы, а это приводит к снижению электрической прочности изоляции.
Измерения степени полимеризации для получения объективной оценки износа изоляции необходимо проводить посредством определения вязкостных характеристик растворов целлюлозной изоляции в кадмийэтилендиаминовом комплексе. Это позволяет обеспечить отсутствие значимых деструктивных изменений в испытуемых образцах целлюлозы, в том числе и окисленных. Применение других растворителей, как правило, вызывает химическую деструкцию целлюлозы. Проведение анализа степени полимеризации изоляции путем перевода ее в эфиры может привести к завышенным значениям показателя вследствие растворения низкомолекулярной фракции и, как следствие, к ошибочным выводам.
Источник: © Львов М.Ю., Кутлер П.П. Физико-химические методы в практике оценки состояния силовых трансформаторов в условиях эксплуатации: Учебно-методическое пособие. — М.: ИУЭ ГУУ, ВИПК-энерго, ИПК госслужбы, 2003. — 20 с
Износ (старение) изоляции
При постоянной температуре с течением времени механическая прочность изоляции снижается. Измеряется она числом перегибов, выдерживаемых изоляцией при испытании. При неизменной температуре трансформатора прочность изоляции уменьшается равномерно, затем, достигнув значения, равного примерно 20% начального, она снижается очень медленно (рис. 8.5). Однако к этому времени практически изоляция не пригодна для дальнейшей эксплуатации.
Срок полного равномерного износа изоляции Т (до момента, при котором прочность ее составляет около 20% начальной) согласно опытным данным
, (8.7)
где А — постоянный коэффициент, определяемый классом изоляция;
— температура обмоток, °С;
— постоянный коэффициент, определяющий скорость старения изоляции.
Согласно стандарту увеличение нагрузки на 6 °С (так называемое 6°-ное правило) ведет к уменьшению срока службы изоляции вдвое, что соответствует значению . Действительно это видно из отношения
.
Исходя из выражения (8.7) и считая процесс старения изоляции равномерным, можно ее износ за время оценить в долях единицы следующим образом:
. (8.8)
Согласно стандарту нормальный срок службы трансформатора 25 лет достигается при постоянной температуре обмотки , т.е.
. (8.9)
. (8.10)
Отношение 
называют относительным износом 
; при температуре 
. (8.11)
При 
имеем 
, т.е. 
; при 
или 
относительный износ будет соответственно равен 2 или 0,5.
Так как не зависит от времени, то эту величину можно рассматривать и как относительный износ в единицу времени, т. е. как относительную скорость износа.
Если температура обмотки изменяется во времени, например, так, как это показано на рис. 8.6, то, разбив каждый участок кривой на более мелкие части, соответствующие небольшим приращениям времени 
можно каждую кривую заменить ступенчатым графиком с постоянным значением 
на каждой ступени и для
Рис. 8.5. Кривые износа изоляции
Рис. 8.6. График изменения температуры
каждого значения по формуле (8.11) найти соответствующее значение 
. Умножим время на значение 
и, просуммировав эти произведения за сутки ( 
элементов), найдем износ изоляции. Отнеся его к 24 часам, получим относительную среднюю скорость износа за сутки:
. (8.12)
Рис. 8.7. Зависимость относительного износа и срока службы изоляции от превышения температуры
Рис. 8.8. Зависимость износа и срока службы изоляции от номинальной мощности трансформатора
Значение покажет, во сколько раз уменьшится срок службы трансформатора, если в течение всего времени будет сохранен этот режим его работы.
Полезно отметить, что так называемое 6°-ное правило характеризует очень быстрое уменьшение срока службы или увеличение относительного износа при повышении температуры (рис. 8.7). Вместе с тем надо отметить, что незначительное увеличение мощности трансформатора, вызывающее уменьшение сопротивления его обмоток, а следовательно, и температуры, ведет к значительному увеличению срока службы или уменьшению износа (рис. 8.8), и наоборот, незначительное уменьшение его мощности ведет к быстрому увеличению износа и уменьшению срока службы.
Можно считать, что мощность трансформатора выбрана правильно, если срок службы будет не менее нормативного и по возможности наиболее близким к нему. Но рассчитать срок службы трансформатора или износ при заданной нагрузке можно, только зная его номинальную мощность: Каким же значением номинальной мощности задаться?
Температура обмотки трансформатора зависит от значения потерь энергии в ней, обращающихся в тепло. Но потери мощности во времени претерпевают большие изменения вследствие колебания нагрузки в подстанционной зоне. Поэтому при одних и тех же потерях энергии температура может изменяться в широких пределах. А так как повышение ее ведет к резкому непропорциональному ускорению старения изоляции, то наименьшее старение, а следовательно, наименьшая мощность трансформаторов понадобились бы в условиях, когда фактически выделяемое тепло в обмотках трансформатора распределялось бы равномерно в течение всего периода его работы. Поскольку выделяемое количество тепла пропорционально квадрату тока, то оно, а следовательно, и мощность трансформатора соответствовали бы среднему квадратичному току нагрузки подстанции . Следовательно, минимальная мощность, выше которой должна быть, требуемая мощность трансформатора, может быть определена по формуле
. (8.13)
В условиях, когда задан определенный график движения и определенные поезда в нем, оказывается возможным построить график нагрузки подстанции а затем и отдельных трансформаторов. Пользуясь графиком нагрузки, можно найти трансформатора, выбрать 
, построить с помощью приведенных выше выражений и намеченной мощности трансформатора график изменения температуры обмотки, а затем рассчитать старение изоляции и срок службы трансформатора для намеченной, номинальной мощности. Если срок службы получен недостаточным, надо взять следующие значения номинальной мощности трансформатора и повторить расчет.
Для магистральных железных дорог, где в результате оперативного планирования график движения и вслед за ними нагрузки подстанции и трансформаторов претерпевают непрерывные случайные изменения, описанный метод использовать невозможно. В этом случае также вначале можно определить эффективное значение тока 
трансформатора и найти 
. Без больших трудностей можно найти и верхний предел необходимой мощности трансформатора 
(см. § 8.11).
Контрольные вопросы
1. Что такое износ изоляции?
2. Приведите несколько случаев включения трансформатора на нагрузку.
3. От чего зависит температура обмотки трансформатора?
4. Приведите зависимость износа и срока службы изоляции от номинальной мощности трансформатора.
5. На сколько лет согласно стандарту нормальный срок службы трансформатора?
Литература
1. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Марквард К.Г. М.Транспорт.1986 г.
2. Электроснабжение электрифицированных дорог. Мамошин Р.Р., Зимакова А.Н. М.Транспорт.1989 г.
3. Автоматизированные системы управления устройствами электроснабжения железных дорог. Почаевец В.С. М.Маршрут, 2006 г.
4. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Электроснабжение электрифицированных дорог». Жармагамбетова М.С. Алматы, 2012.