Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Деструкция бумажной изоляции силовых трансформаторов в эксплуатации

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Деструкция бумажной изоляции силовых трансформаторов в эксплуатации"

На правах рукописи

БОНДАРЕВА ВЕРА НИКОЛАЕВНА

ДЕСТРУКЦИЯ БУМАЖНОЙ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальности: 03.00.16 - экология;

05.14.02 - электростанции и электроэнергетические системы.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Институте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук и ОАО «Научно-исследовательский институт электроэнергетики».

Научный руководитель: кандидат химических наук В.Б. Комаров.

Научный консультант: кандидат технических наук М.Ю. Львов.

Официальные оппоненты: доктор химических наук Ю. А. Лейкин,

кандидат технических наук А.Е. Монастырский.

Ведущая организация: ОАО «Свердловэлектроремонт».

Защита состоится 14 сентября 2006 года в 10 часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.204.14 при Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева по адресу 125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9, Конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ имени Д. И. Менделеева.

Автореферат разослан «*тУ» д /г>"/Л 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время значительная доля парка силовых трансформаторов, эксплуатируемых на энергопредприятиях России, отработала установленный ГОСТ 11677-85 минимальный срок службы 25 лет. На тепловых и гидравлических электростанциях доля такого оборудования напряжением 110-500 кВ мощностью 63 МВ*А и выше составляет примерно 50 %, а для аналогичного парка силовых трансформаторов и автотрансформаторов, эксплуатируемых на предприятиях электрических сетей, - 32 %.

Основным элементом силового трансформатора, который наиболее подвержен развитию процессов старения и фактически определяет его ресурс, является бумажная изоляция обмоток.

Деградация бумажной изоляции обмоток приводит к снижению ее механической прочности и развитию дегидратации, приводящей к местному увеличению содержания влаги в изоляции и трансформаторном масле и уменьшению пробивного напряжения трансформаторного масла. Развитие процессов деградации бумажной изоляции ведет к возрастанию риска витковых замыканий и повреждению трансформатора при воздействии токов короткого замыкания, грозовых и коммутационных перенапряжений и даже под рабочим напряжением. Из имевших место случаев повреждений трансформаторов с внутренними короткими замыканиями 28 % сопровождались взрывами и пожарами, что приводило к негативным воздействиям на окружающую среду. При этом, последствия повреждения блочных трансформаторов значительно тяжелее, чем сетевых, так как приводят к недовыработке электрической энергии электростанцией, простою оборудования энергоблока на время ремонта или замены трансформатора, то есть к ущербу, включающему упущенные возможности использования электростанций (упущенную выгоду).

Тем не менее, удельная повреждаемость при «возрасте» трансформаторов от 5 до 35-40 лет остается стабильной и относительно невысокой - 0,66 % в год для блочных трансформаторов и 0,46 % в год для автотрансформаторов. Такое положение в большой степени определяется выполнением предписаний нормативно-

технической документации РАО «ЕЭС России» по системе диагностического и ремонтного обслуживания силового трансформаторного оборудования. Одним из элементов этой системы является оценка состояния бумажной изоляции обмоток по степени полимеризации. Ресурс изоляции считается исчерпанным при достижении степени полимеризации значения 250 ангидроглюкопиранозных мономерных фрагментов целлюлозы. Однако российскими руководящими документами не регламентируется методика отбора проб, измерения степени полимеризации и методы расчета ресурсных характеристик изоляции.

Вышесказанное определяет актуальность проблемы обеспечения корректной и своевременной оценки физико-химического состояния и остаточного ресурса изоляции обмоток длительно эксплуатируемых силовых трансформаторов, основанной на контроле ее степени полимеризации. Своевременная и достоверная оценка реального физико-химического состояния изоляции силовых трансформаторов, сопряженная с временным прогнозом ее безаварийной эксплуатации, рекомендациями по диагностике и ремонтно-профилактическим мероприятиям, также будет способствовать оптимальному решению важных задач экологического характера.

Цели работы состояли в коррекции и отработке методики определения степени полимеризации бумажной изоляции длительно эксплуатируемых силовых трансформаторов, установлении кинетической закономерности деструкции изоляции в эксплуатации и разработке методических аспектов прогноза остаточного ресурса изоляции на основе реальной кинетики ее деструкции.

В соответствии с этим были сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Осуществить выбор и последующее модифицирование вискозиметрической методики применительно к исследованию бумажной изоляции обмоток длительно эксплуатируемых силовых трансформаторов.

2. Осуществить моделирование процессов физико-химической деградации изоляции методами химии высоких энергий с целью определения

взаимозависимости прочности и степени полимеризации электроизоляционной бумаги, а также защитных характеристик масла по отношению к бумажной изоляции при действии частичных разрядов.

3. Исследовать закономерности деструкции бумажной изоляции обмоток длительно эксплуатируемых отечественных силовых трансформаторов.

4. На основе существующих принципов оценки опасностей технологических объектов разработать методические аспекты прогноза остаточного ресурса бумажной изоляции длительно эксплуатируемых силовых трансформаторов, что, в свою очередь, снизит риск аварийных ситуаций, приводящих к упущенным возможностям использования электростанций и загрязнению окружающей среды.

Научная новизна работы.

Впервые осуществлено моделирование процессов деградации бумажно-масляной изоляции методами химии высоких энергий, показано соответствие взаимного изменения степени полимеризации и прочности данным эксплуатации.

Проведено систематическое исследование деструкции бумажной изоляции обмоток примерно 100 длительно эксплуатируемых отечественных силовых трансформаторов.

Показано, что в ряде случаев степень полимеризации наружных слоев изоляции катушек обмотки отечественных трансформаторов выше, чем внутренних, из-за наличия в них постоянно действующих термосифонных фильтров, которые отсутствуют в зарубежных трансформаторах.

Установлено, что деструкция изоляции обмоток эксплуатируемых силовых трансформаторов при различных значениях исходной степени полимеризации электроизоляционной бумаги описывается семейством полулогарифмических анаморфоз обратной степени полимеризации.

Определены константы скорости процесса деструкции изоляции в эксплуатации, что позволяет прогнозировать остаточный ресурс изоляции обмоток в соответствии с принципами анализа техногенного риска.

Показано, что граница зоны риска повреждений силовых трансформаторов вследствие деградации изоляции обмоток может быть оценена в 400 ± 15 ангидроглгокопиранозных мономерных фрагментов целлюлозы.

Практическая значимость работы.

Проведен сравнительный анализ используемых на практике методов определения степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов.

Показано, что целям наиболее точного измерения степени полимеризации отвечает метод ее определения по вязкости растворов в кадмийэтилендиаминовом комплексе.

Согласно решению НТС РАО «ЕЭС России» (октябрь 2002) по вопросу «О нормировании показателей для оценки износа изоляции обмоток силовых трансформаторов» разработаны «Методические указания по оценке состояния бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов», включающие в себя методику отбора образца бумажно-масляной изоляции обмоток и методику измерения степени полимеризации, позволяющую обеспечить отсутствие значимых деструктивных изменений в исследуемых образцах.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные результаты внедрены в виде инструкций в практику работы ОАО «Иркутскэнерго». Разработанная методология также применяется в настоящее время для оценки состояния изоляции силового трансформаторного оборудования в ОАО «Смоленская генерирующая компания», «Рязаньэнерго» и других энергопредприятиях.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Научно-техническом совете РАО «ЕЭС России» (Москва, октябрь 2002, протокол № 70);

- П научно-технической конференции «Энергосистема: управление, качество, конкуренция» (Екатеринбург, сентябрь 2004);

- II Всероссийской конференции «Прикладные аспекты химии высоких энергий» (Москва, октябрь 2004);

- V Всероссийском совещание «Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России» (Томск, ЦНТИ, ноябрь 2004);

- VIII Международном симпозиуме «Электротехника 2010. Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии» (Московская область, май 2005);

- Научно-технической конференции «Рынок электроэнергии и мощности Сибири. Перспективы развития» (Братск, июнь 2005);

- IV Баховской конференции по радиационной химии (Москва, июнь 2005);

- Секции «Воздушные линии электропередач» научно-технического совета ОАО «ВНИИЭ» (Москва, сентябрь 2005, протокол № 6);

- Международном симпозиуме «Электрические сети России 2005» (Москва, ВВЦ, октябрь 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей и 2 тезисов докладов на отечественных и международных конференциях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, главы с описанием характеристик использованных в работе материалов и применяемых методов исследования, двух экспериментальных глав, выводов, одного приложения и списка цитированной литературы. Диссертация изложена на 110 страницах, содержит 21 рисунок и 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ обосновывает актуальность и цель исследований, научную новизну и практическую значимость полученных результатов.

ГЛАВА 1 (Литературный обзор) посвящена изложению и обсуждению имевшихся к началу работы литературных данных о повреждаемости силовых трансформаторов. Рассмотрена физико-химическая деградация целлюлозной изоляции как совокупность физических и химических процессов, реализуемых в условиях эксплуатации силовых трансформаторов. Обсуждены

5

деструктивные факторы и наиболее вероятные процессы деградации изоляции в условиях эксплуатации.

Рассмотрены методы СИГРЭ для оценки состояния и прогнозирования остаточного ресурса бумажной изоляции силовых трансформаторов.

На основе проведенного обзора литературных данных обоснованы и сформулированы основные задачи исследований.

ГЛАВА 2 (Экспериментальная часть). Центральное место в этой главе занимает описание методики определения степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов, на основе которой разработаны «Методические указания по оценке состояния бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов». Представлены сведения об основных химических реактивах, используемых в работе, методах химического анализа и методиках проведения экспериментов и расчетах результатов.

Изложены методики проведения модельных экспериментов с применением ионизирующего излучения, моделирующего действие частичных разрядов (ЧР) на изоляцию. Кратко описаны источник у-излучения б0Со ГУГ-120000 и его дозиметрия, а также модельные приемы радиационно-тепловой обработки целлюлозосодержащих изоляционных композиций.

ГЛАВА 3 посвящена изучению методических особенностей определения физико-химического состояния витковой изоляции силовых трансформаторов по степени полимеризации ее образцов.

Сформулированы следующие требования к растворителю бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов для определения средневязкостной степени полимеризации Ру:

1. Полное растворение лигноуглеводного комплекса бумажной изоляции.

2. Отсутствие деструкции целлюлозы при ее растворении. Отсу1ствие влияния атмосферы (кислорода воздуха, паров воды и др.) на вязкостные характеристики растворов бумажной изоляции.

3. Максимальная стабильность вязкостных характеристик растворов во времени в интервале температур от 0 до 30°С.

4. Оптическая прозрачность и бесцветность растворов.

5. Простота приготовления и регенерации растворов и растворителя.

6. Длительный срок гарантийного хранения растворителя (0°С).

Сравнительный анализ применяемых методов определения степени полимеризации целлюлозы и бумажной изоляции приведен в таблице 1.

Видно, что растворителем целлюлозы, полностью соответствующим предъявленным требованиям, является раствор кадмийэтилендиаминового комплекса (кадоксен).

Установлено, что использование уравнения Хаггинса для расчета характеристической вязкости [г|] растворов бумажной изоляции трансформаторов в кадоксене дает результаты, заниженные на 10-30 %.

Наиболее точными являются методические приемы определения характеристической вязкости [т]] кадоксеновых растворов изоляции экстраполяцией приведенной удельной вязкости и/или приведенного логарифма относительной вязкости к нулевой концентрации с использованием для расчета степени полимеризации Ру уравнения для относительно однородных образцов целлюлозы:

И = 0,0071 хру0-94. (1)

В процессе отработки методики с целью определения корреляции прочности и степени полимеризации было проведено моделирование процессов деструкции бумажной изоляции с применением методов химии высоких энергий.

На рисунке 1 приведены зависимости радиационно-химического выхода деструкции целлюлозы от температуры в координатах Аррениуса для случаев облучения бумажной изоляции без доступа воздуха и углеводородов (1) и в среде трансформаторного масла (2). Этот параметр характеризует радиационную стойкость целлюлозы и может рассматриваться в качестве аналога энергетического коэффициента деградации бумажной изоляции при действии частичных разрядов.

Таблица 1.

Характеристики наиболее часто применяемых растворителей целлюлозы в отношении применимости к анализу

бумажной изоляции трансформаторов.

№ Растворитель. Растворимость Стабильность Оптические Срок Влияние Примечание.

небеленых вязкостных характеристики хранения. воздуха на

целлюлоз. характеристик растворов при 0^<30°С. растворителя. вязкость растворов целлюлозы.

1. Куприэтилен- Неполная Нестабильны. Синий, Несколько Деструкция под Растворитель

диамин. (требуется удаление лигнина). оптически прозрачен. месяцев. влиянием кислорода воздуха. сложен в приготовлении; хранение под давлением азота (2 атм.).

2. Железовинно- Полная. Стабильны Прозрачный Слабая Растворитель

натриевыи не менее 150 раствор - деструкция под относительно

комплекс минут. темно-зеленой влиянием прост при

(ЖВНК). окраски. кислорода воздуха. приготовлении.

3. Кадмийэтилен- Полная. Практически Прозрачный 1,5-2 года. Практически Растворитель

диаминовый стабильны в бесцветный отсутствует. относительно

комплекс течение суток; раствор. прост при

(кадоксен). при 0°С - до нескольких суток. приготовлении и регенерации.

т

Рис. 1. Зависимости выхода деструкции целлюлозы от температуры в координатах Аррениуса при у-облучении изоляции без доступа воздуха в отсутствие (1) и в присутствии трансформаторного масла (2).

При облучении без доступа воздуха радиационно-химический выход деструкции целлюлозы увеличивается от 6,0 ± 0,5 при 363 К до 16,9 ± 0,8 при 433 К, что связано с развитием радикально-цепных процессов разложения полимера при повышении температуры. Пластификация бумаги маслом напротив приводит к снижению выхода деструкции при повышении температуры. Его значение составило 6,3 ± 0,6; 5,8 ± 0,3 и 5,2 ± 0,5 при 363, 393 и 413 К, соответственно. Следовательно, радикально-цепной процесс радиационно-термической деструкции при пластификации целлюлозы подавляется, вследствие гибели радикалов при взаимодействии их с углеводородами.

Рассчитанный из данных рисунка 1 для максимальной температуры при перегреве верхних катушек обмотки трансформатора коэффициент защиты (к3) целлюлозной компоненты изоляции маслом составил 0,51 при факторе передачи энергии (ФПЭ) 2,8. Эти параметры послужили базой для создания бумажной изоляции, пропитанной эпоксидным связующим (RIP).

Адекватной условиям эксплуатации прочностной характеристикой обмоток является излом, определяемый числом двойных перегибов изоляционной бумаги п. Была изучена взаимосвязь Р,ип при моделировании

условиях эксплуатации (90°С). Полученная зависимость описывается уравнением (2):

Необходимо отметить, что полученное нами уравнение (2) в интервале Ру = 450-250 совпадает с известным из опыта эксплуатации взаимным изменением прочности и степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов.

Сравнительный анализ глубинного распределения степени полимеризации бумажной изоляции фазовых отводов и соответственных катушек обмотки показал, что состояние внешних слоев изоляции отводов не может характеризовать изоляцию обмоток по причине различия партий и сортов бумаги, а также различия физико-химических условий эксплуатации.

В таблице 2 приведено изменение степени полимеризации по глубине изоляции катушек обмотки силовых трансформаторов.

Из приведенных данных видно, что степень полимеризации наружных слоев витковой изоляции обмоток у трансформаторов типа ДЦ выше, чем внутренних, вследствие превалирующего влияния температуры.

В условиях регламентной нагрузки трансформатора флюенс теплового потока от провода зависит от теплоемкости и теплопроводности бумажно-масляной изоляции, которые существенно не изменяются за период эксплуатации. При монотонности деструктивного процесса для внутренних и наружных витков деградирующей изоляции справедливо следующее соотношение:

посредством у-излучения 60Со действия ЧР на бумажно-масляную изоляцию в

1пя = (-5,1 ±0,4) + (0,047 ±0,002) * Р,

V-

(2)

где и а2 - степени деструкции внутренних и наружных слоев витковой изоляции,

Ру°, РЛ Ру2 - степени полимеризации исходной витковой изоляции и ее внутренних и наружных слоев, соответственно.

Таблица 2.

Степень полимеризации витковой изоляции силовых трансформаторов.

№ Тип трансформатора, заводской номер. Срок эксплуатации, лет. Средневязкостная степень полимеризации витковой изоляции Ру.

наружные слои внутренние слои

1. ТДЦ 400000/500, зав. № 89677 19 368 237

2. ТРДЦН 80000/110, зав. № 1026479 26 244 140

3. АОЦГ 138000/220, зав. № 683254 16 741 1046

Соотношение а]/а2, рассчитанное по уравнению (3), с учетом приведенных ниже (ГЛАВА 4) данных зависимости степени полимеризации от срока эксплуатации, оказалось практически одинаковым и равным 1,99 и 2,01 для позиций 1 и 2 таблицы 2, соответственно.

Проведенные эксперименты в совокупности с данными литературного обзора позволили сформулировать нижеследующие правила отбора пробы бумажной изоляции из длительно эксплуатируемых силовых трансформаторов.

Необходимо проводить измерение степени полимеризации образца витковой изоляции, взятого из зоны обмотки, имеющей наибольшую температуру при эксплуатации трансформатора, то есть с верхних катушек обмоток. Отбор образца выполняется при капитальном ремонте трансформатора, ревизии активной части или при подсливе масла через люки.

Для проведения анализа необходимо отобрать 0,3-0,5 г наружного слоя бумажной изоляции витка. При этом нет необходимости, чтобы отобранный образец изоляции был единым куском, достаточны фрагменты размером 6-8 мм.

При отборе витковой изоляции обмоток на одной из верхних катушек скальпелем аккуратно вырезаются фрагменты внешнего слоя бумажной изоляции витка. При этом необходимо избегать нарушений в структуре внутренних слоев намотки. Размер вырезаемого образца должен быть по высоте меньше высоты витка и располагаться между верхним и нижним его краем, а по ширине - не выходить за ширину намоточной бумаги, чтобы не нарушить плотность намотки. В противном случае делается подизолировка витка полоской высушенной кабельной бумаги. При наличии хрупкой и ветхой изоляции из внешнего слоя витка отбираются необходимые фрагменты в месте ее отслоения.

Отобранный образец изоляции помещается между слоями фильтровальной бумаги и хранится в полиэтиленовом пакете при комнатной температуре в защищенном от света месте.

ГЛАВА 4 посвящена изучению кинетики процессов деструкции витковой изоляции силовых трансформаторов.

Оценка износа бумажной изоляции обмоток трансформаторов проводилась по измерению ее степени полимеризации Ру.

На рисунке 2 представлены полученные нами полулогарифмические анаморфозы обратной степени полимеризации бумажной изоляции от срока эксплуатации силовых трансформаторов.

Для различных исходных значений степени полимеризации бумажной изоляции длительно эксплуатируемых силовых трансформаторах семейство кривых, описывающих ее деструкцию с коэффициентом корреляции 0,97-0,99, отвечает уравнению (4):

1

1

(4)

V

где кЭфф - эффективная константа скорости деструкции изоляции, а х - время эксплуатации трансформатора.

■wl ........ ' l • l ■ l ' l ■ i ■

-6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Срок эксплуатации,годы

Рис. 2. Зависимость степени полимеризации бумажной изоляции обмоток от срока эксплуатации силовых трансформаторов: 1 - Pv° = 820 и 2 - Pv° = 1610.

Результаты, представленные на рисунке 2, свидетельствуют о том, что при эксплуатации изоляции с различными значениями Pv° намоточной бумаги в интервале 820-1610 при прочих равных условиях, достижение предельно-допустимого износа (Pv = 250) может иметь разброс около 12 лет. При этом минимальный срок службы 25 лет обеспечивается при Pv° исходной бумажной изоляции не менее 1200 (среднее значение).

Характеристиками, сопутствующими состоянию ниже предельного, при котором эксплуатация опасна и ремонтные мероприятия нецелесообразны, являются Pv менее 250, рост соотношения концентраций С02 и СО до 30-40, а также «лавинная дегидратация» (до 30-40 г Н20/т масла), непрекращающаяся после дегазации и осушки масла. При этом граница зоны риска повреждений изоляции длительно эксплуатируемых трансформаторов вследствие ее деградации, рассчитанная нами для наиболее опасных случаев предельного состояния внутренних слоев намотки по уравнению (3) с учетом данных рисунка 2, прогнозируется при Pv = 400.

Оценку состояния изоляции и прогнозирование ее остаточного ресурса (в годах) можно оценить по изменению степени полимеризации Pv в согласии с

кинетическим уравнением (4) деструкции витковой изоляции реально эксплуатируемых силовых трансформаторов на основе принципов анализа техногенного риска. Характеристики остаточного ресурса изоляции блочного силового трансформатора при этом, согласно общепринятым допущениям при оценке опасности технологических объектов, рассчитываются по следующим уравнениям:

ЭфЦ).

где Р„ - текущее значение параметра степени полимеризации внешнего слоя верхних катушек обмотки,

кэфф™* - максимальное известное значение эффективной константы

тр - прогнозируемое время от момента измерения Ру до достижения границы зоны риска эксплуатации, годы,

тр 0 - остаточный ресурс трансформатора - прогнозируемое время от момента измерения Ру до полного исчерпания ресурса изоляции обмоток (Р„ = 250), годы.

На рисунке 3 приведены зависимости остаточного ресурса изоляции обмоток тро (1) и времени достижения изоляцией зоны риска тр (2) от степени полимеризации Ру бумажной изоляции блочных трансформаторов.

Видно, что для изоляции обмоток эксплуатируемого силового трансформатора время от достижения границы зоны риска до полного исчерпания ресурса составляет 9-11 лет. Необходимый объем организационно-технических мероприятий при эксплуатации трансформатора в этот период вплоть до его замены должен формироваться посредством метода «затраты-выгода» с учетом того, что реальный срок замены трансформатора составляет 2,5-3 года.

(5)

(6)

скорости деструкции изоляции обмоток, год"1,

-5Н—|—.—,—'—I—i—I—i—1—'—I—i—I—i—I—i-1—'—|—>—i

200 400 800 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Степень полимеризации Pv

Рис. 3. Зависимость остаточного ресурса изоляции обмоток (1) и времени достижения изоляцией зоны риска (2) от степени полимеризации.

Для изоляции, находящейся в зоне риска, ограничиваются усилия прессовки обмоток до 30 % от заводских значений, операции по сушке и регенерации изоляции. Дальнейшая эксплуатация такой изоляции должна сопровождаться проведением измерения влагосодержания масла не реже одного раза в 6 месяцев, а при резком увеличении влагосодержания, - выводом трансформатора из работы.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика отбора проб и определения степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов, обеспечивающая наиболее достоверную информацию о ее состоянии в процессе эксплуатации.

2. Проведено моделирование процессов деградации изоляции методами химии высоких энергий. Установлена количественная взаимозависимость механической прочности (излом) и степени полимеризации бумажной изоляции, совпадающая с известным из опыта эксплуатации взаимным изменением прочности и степени полимеризации изоляции трансформаторов. В модельных экспериментах определены защитные характеристики масла по отношению к бумаге при действии частичных разрядов.

3. На основе данных эксплуатации предложено кинетическое уравнение деструкции бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов, а также определены константы скорости деструкции.

4. Для наиболее опасных случаев предельного износа внутренних слоев бумажной изоляции обмоток установлено соотношение, связывающее степень полимеризации внутренних и наружных слоев. Установлено, что граница зоны риска повреждения обмоток вследствие деградации бумажной изоляции соответствует степени полимеризации целлюлозы внешних слоев равной 400.

5. На основе принципов оценки опасности технологических объектов и данных эксплуатации разработаны методологические аспекты прогнозирования остаточного ресурса изоляции блочных силовых трансформаторов по ее состоянию, позволяющие снизить антропогенную нагрузку за счет предотвращения аварийных ситуаций. Получены уравнения для расчета остаточного ресурса изоляции и времени достижения ею зоны риска.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Комаров В.Б., Львов М.Ю., Львов Ю.Н., Ершов Б.Г., Бондарева В.Н., Рубцов A.B., Селиверстов А.Ф. О регенерации целлюлозной изоляции обмоток силовых трансформаторов с длительными сроками эксплуатации. Электрические станции, 2004, № 6, с. 63-67.

2. Львов М.Ю., Комаров В.Б., Львов Ю.Н., Бондарева В.Н., Селиверстов А.Ф., Ершов Б.Г., Рубцов A.B. Старение целлюлозной изоляции обмоток силовых трансформаторов в процессе эксплуатации. Электрические станции, 2004, № 10, с. 26-29.

3. Комаров В.Б., Бондарева В.Н., Ершов Б.Г., Селиверстов А.Ф., Львов М.Ю., Львов Ю.Н., Рубцов A.B., Грищенко С.Б. Методические аспекты определения степени полимеризации целлюлозной изоляции силовых трансформаторов. Вестник УГТУ-УПИ, 2004, № 12 (42), с. 318-321.

4. Бондарева В.Н., Комаров В.Б., Селиверстов А.Ф., Ершов Б.Г., Львов М.Ю., Трифонова C.B. Радиационно-химическая деструкция бумажной изоляции силовых трансформаторов. Химия высоких энергий, 2005, т. 39, № 3, с. 237-238.

16

к исполнению 09/08/2006 Исполнено 10/08/2006

Заказ № 539 Тираж. 100 экз.

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское ш , 36 (495) 975-78-56 (495) 747-64-70 \¥\у\у.аиЮгеГега1 ги

»1 6 6 2 1 WU

i

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Бондарева, Вера Николаевна

Название. Стр.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор. Старение изоляции силового энергетического оборудования и его повреждаемость.

1.1. Повреждаемость силовых трансформаторов, характер аварийных ситуаций, их основные причины.

1.2. Современные методы оценки ресурса бумажной изоляции силовых трансформаторов электростанций и подстанций.

1.3. Отбор пробы как следствие условий эксплуатации бумажной изоляции силовых трансформаторов.

1.4. Деградация бумажной изоляции, как совокупность физико-химических процессов в условиях эксплуатации.

1.5. Методы определения молекулярно-массовых характеристик целлюлозы.

1.6. Вязкостные характеристики бумажной изоляции силовых трансформаторов.

1.7. Определение характеристической вязкости и степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов.

1.8. Ресурсные характеристики изоляции.

1.9. Оценка ресурса изоляции по изменению степени полимеризации.

1.10. Постановка задачи.

Глава 2. Экспериментальная часть.

2.1. Определение степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов.

2.1.1. Методика получения и регенерации растворов кадмийэтилендиаминового комплекса, применяемых для определения степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов.

2.1.2. Методика определения степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов.

2.2. Фракционирование электроизоляционных бумаг.

2.3. Стандартные аналитические методы для оценки состояния бумажной изоляции силовых трансформаторов.

2.4. Эксперименты с применением ионизирующего излучения.

2.4.1. Источники излучения и дозиметрия.

2.4.2. Радиационно-тепловая обработка бумажно-масляной изоляции.

Глава 3. Методические особенности определения степени полимеризации.

3.1. Особенности подготовки пробы целлюлозной изоляции к анализу.

3.2. Выбор стандартного растворителя целлюлозы и методические особенности его синтеза.

3.3. Методические особенности определения степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов.

3.4. Моделирование процессов деструкции бумажной изоляции методами химии высоких энергий.

3.5. Особенности изменения степени полимеризации по глубине намотки изоляции отводов и обмоток.

3.6. Отбор образца бумажной изоляции из силового трансформатора.

Глава 4. Кинетика процессов деструкции витковой изоляции

Силовых трансформаторов.

4.1. Кинетическое уравнение деструкции изоляции обмоток силовых трансформаторов.

4.2. Прогнозирование остаточного ресурса изоляции обмоток силовых трансформаторов по ее состоянию.

4.3. Сравнительная оценка кинетических моделей изменения степени полимеризации изоляции.

4.4. Зона риска и аналитические признаки состояния бумажной изоляции ниже предельно-допустимого.

Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Деструкция бумажной изоляции силовых трансформаторов в эксплуатации"

В настоящее время значительная доля парка силовых трансформаторов, эксплуатируемых на энергопредприятиях России, отработала установленный ГОСТ 11677-85 минимальный срок службы 25 лет [1]. На тепловых и гидравлических электростанциях доля такого оборудования напряжением 110500 кВ мощностью 63 МВ*А и выше составляет примерно 50 %, а для аналогичного парка силовых трансформаторов и автотрансформаторов, эксплуатируемых на предприятиях электрических сетей, - 32 % [2].

Режимы работы блочных и сетевых трансформаторов существенно различаются по: нагрузке; токам короткого замыкания; участию в регулировании частоты и активной мощности [3].

Выход из строя отдельного крупного сетевого трансформатора, как правило, не сопровождается недоотпуском электроэнергии потребителям ввиду наличия резерва трансформаторной мощности, резервных узлов и линий питания в энергосистеме.

Последствия повреждения блочных трансформаторов значительно тяжелее, чем при повреждении сетевых трансформаторов, так как приводят к недовыработке электрической энергии электростанцией, простою оборудования энергоблока на время ремонта или замены трансформатора.

Кроме того, повреждение блочного трансформатора на ТЭЦ может сопровождаться недоотпуском тепловой энергии, а на гидростанции, например, приводит к снижению возможностей по регулированию частоты и активной мощности, покрытию пиковой части графика нагрузки энергосистем. Таким образом, повреждение блочного трансформатора означает упущенные возможности использования электростанции (упущенную выгоду).

При оценке состояния и остаточного ресурса блочных силовых трансформаторов могут быть использованы следующие допущения, справедливые для оценки потенциальной опасности технологических объектов

4,5]:

- возникновение всех видов опасностей одновременно не происходит;

- потенциальная опасность прогнозируется для наихудшего сценария развития событий, то есть в данном случае для условий прогнозирования максимальных последствий воздействия опасностей на экономические ресурсы и окружающую среду.

Здесь следует отметить, что в 2005 году постановлением правительства РФ силовые трансформаторы отнесены к первой группе опасности.

Самым потенциально опасным элементом силового трансформатора, наиболее подверженным развитию процессов старения и фактически определяющим его ресурс, является целлюлозная изоляция обмоток [6].

Деградация целлюлозной изоляции обмоток приводит к снижению механической прочности бумаги и развитию дегидратации, приводящей к местному увеличению концентрации влаги в твердой изоляции и снижению пробивного напряжения трансформаторного масла. Развитие процессов деградации целлюлозной изоляции в сочетании с возможным ослаблением механического закрепления обмотки ведет к возрастанию риска витковых замыканий и повреждению трансформатора при рабочем напряжении, а также при воздействии токов короткого замыкания, грозовых и коммутационных перенапряжений.

Анализ повреждаемости за последние пять лет блочных трансформаторов мощностью 63 МВ*А и более, напряжением 110-500 кВ со сроком эксплуатации более 25 лет показывает, что около 45 % общего числа их повреждений, сопровождающихся внутренними короткими замыканиями, связано с возникновением витковых замыканий при значительном износе изоляции.

При этом из имевших место случаев с внутренними КЗ 28 % сопровождались взрывами и пожарами трансформаторов [3], что приводило к негативным воздействиям на окружающую среду. При этом, последствия повреждения блочных трансформаторов значительно тяжелее, чем сетевых, так как приводят к недовыработке электрической энергии электростанцией, простою оборудования энергоблока на время ремонта или замены трансформатора, то есть к ущербу, включающему упущенные возможности использования электростанций (упущенную выгоду).

Тем не менее, повреждаемость при «возрасте» трансформаторов от 5 до 3540 лет остается стабильной и относительно невысокой - 0,66 % в год для блочных трансформаторов и 0,46 % в год для автотрансформаторов. Такое положение в большой степени определятся выполнением предписаний нормативно-технической документации РАО «ЕЭС России» по системе диагностического и ремонтного обслуживания силового трансформаторного оборудования, одним из важных элементом которой является оценка состояния изоляции обмоток силовых трансформаторов по степени полимеризации [7].

В связи с вышеизложенным, настоящая работа посвящена исследованию деструкции бумажной изоляции длительно эксплуатируемых силовых трансформаторов.

Заключение Диссертация по теме "Экология", Бондарева, Вера Николаевна

выводы.

1. Отработаны методические приемы определения степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов и предложены правила отбора проб.

2. Проведено моделирование процессов деструкции изоляции методами химии высоких энергий. Установлена взаимозависимость числа двойных перегибов и степени полимеризации бумажной изоляции, совпадающая с известным из опыта эксплуатации взаимным изменением прочности и степени полимеризации изоляции трансформаторов. В модельных экспериментах определены защитные характеристики масла по отношению к бумаге при действии частичных разрядов.

3. На основе данных эксплуатации предложено кинетическое уравнение деструкции бумажной изоляции обмоток силовых трансформаторов, а также определены константы скорости деструкции.

4. По данным эксплуатации для наиболее опасных случаев предельного износа внутренних слоев изоляции установлено соотношение, связывающее степень полимеризации внутренних и наружных слоев целлюлозной изоляции обмоток. При этом граница зоны риска повреждения обмоток вследствие деградации изоляции определена при Pv = 400 у внешних слоев изоляции.

5. На основе допущений, принятых для оценки опасностей технологических объектов и данных эксплуатации, разработаны методологические аспекты прогнозирования остаточного ресурса изоляции блочных силовых трансформаторов. Приведены уравнения для расчета времени достижения изоляцией трансформатора в эксплуатации зоны риска и для расчета остаточного ресурса.

6. На основе проведенных испытаний изоляции обмоток длительно эксплуатируемых силовых трансформаторов показано, что достижение изоляцией обмоток степени полимеризации ниже 250, может сопровождаться резким ростом соотношения объемных концентраций СО2 и СО, растворенных в масле и «лавинной» дегидратацией, не прекращающимися после дегазации и осушки масла.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Бондарева, Вера Николаевна, Москва

1. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.

2. Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю. и др. Вопросы повышения надежности работы блочных трансформаторов. Электрические станции, 2003, № 7.

3. Алымов В.Т., Крапчатов В.П., Тарасова Н.П. Анализ техногенного риска. Москва: издательский дом «Круглый год», 2000.

4. Мешков А.В., Тарасова Н.П., Анохина Н.П. Методические аспекты анализа опасности химико-технологических объектов. Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. Москва: ВИНИТИ, 1996, выпуск 9.

5. Мамиконянц Л.Г. О нормировании показателей для оценки износа изоляции обмоток силовых трансформаторов. Энергетик, 2003, № 7.

6. Лоханин А.К., Соколов В.В. Обеспечение работоспособности маслонаполненного высоковольтного оборудования после расчетного срока службы. Электро, 2002, № 1.

7. Львов М.Ю., Чичинский М.И., Львов Ю.Н., Ершов Б.Г., Комаров В.Б. Нормирование показателей для оценки износа изоляции обмоток силовых трансформаторов. Электрические станции, 2002, № 7.

8. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. Москва: Энергоатомиздат, 1983.

9. Осотов В.Н., Рушинский В.Н., Смыслов В.П., Ульянов A.M. Оценка механического состояния обмоток крупных силовых трансформаторов без их разборки. Электрические станции, 2003, № 6.

10. Байклз Н., Сегал Л. Целлюлоза и ее производные. Москва: Мир, 1974, тома 1, 2.

11. Комаров В.Б., Ершов Б.Г., Самуйлова С.Д. Радиационно-термическая деструкция целлюлозы. Cellulose chemistry and technology, 1987, v. 21.

12. Веверис A.H., Иоелович И.Е. Рентгенографическое определение индекса кристалличности целлюлозы. Химия древесины, 1983, № 2.

13. РД 34.45-51.300-97. Объем и нормы испытаний электрооборудования. Москва: Энас, 1998.

14. Алексеев Б.А. Обследование состояния силовых трансформаторов. СИГРЭ2002. Электрические станции, 2003, № 6.

15. Алексеев Б.А. Продление срока службы силовых трансформаторов. Новые виды трансформаторного оборудования. СИГРЭ-2002. Электрические станции,2003, № 7.

16. Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю., Комаров В.Б., Ершов Б.Г. Методологическое обеспечение оценки технического состояния силовых трансформаторов. Вестник ВНИИЭ, 2004.

17. Лизунов С.Д., Лоханин А.К. (под редакцией). Силовые трансформаторы. Справочная книга. Москва: Энергоатомиздат, 2004.

18. Experimental Determination of Power Transformers Hot-Spot Faktor. CIGRE WG 12.09. Electra, 1995, №161.

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

20. РД 16.431-88. Трансформаторы силовые. Расчет электродинамической стойкости обмоток при коротком замыкании.

21. Слюсарев Н.М., Иоелович М.Я., Веверис Г.П. Влияние электрического поля на некоторые структурные характеристики целлюлозы. Химия древесины, 1980, №4.

22. Абранпальский И.Н., Шишко А.Н., Волкович О.М. и др. Влияние переменного магнитного поля на кислотный гидролиз целлюлозы. Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по физике и химии целлюлозы. Минск,1990.

23. Плотников О.В., Михайлов А.И., Раявее Э.Л. Исследование сверхмедленных молекулярных движений в целлюлозе методом ЭПР. Пластифицирующее действие воды. Высокомолекулярные соединения, 1977, том 19А, №11.

24. Ермоленко И.Н., Люблинер И.П., Гулько Н.В. Элементосодержащие угольные волокнистые материалы. Минск: Наука и техника, 1982.

25. Колено В.А., Зутикова З.Ф., Насырова З.С. Кинетические закономерности окисления целлюлозы азотной кислотой в среде хлорированных углеводородов. Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по физике и химии целлюлозы. Минск, 1990.

26. Yao Z.T., Saha Т.К. Separation of Ageing and moisture on transformer insulation degradation by polarization measurements, CIGRE-2002, 15-304.

27. Еремеева Т.Э., Быкова Т.О., Громов B.C. Элюционное поведение нитратов целлюлозы в ТГФ на силанизированном силикагеле в ТГФ при ЭЖХ. Химия древесины, 1988, № 5.

28. Комаров В.Б., Самуйлова С.Д., Кирсанова Л.С. и др. Получение нитроэфиров из облученной целлюлозы. Журнал прикладной химии, 1993, том 66, выпуск 2.

29. Соболев С.Е., Никитин В.М. Гельпроникающая хроматография нитратов целлюлозы на макропористых стеклах. Химия древесины, 1977, № 3.

30. Шатенштейн А.И., Вырский Ю.П., Правикова Н.А., Алиханов П.П., Жданова К.И., Изюмников A.JI. Практическое руководство по определению молекулярных весов и молекулярно-весового распределения полимеров. Москва Ленинград: Химия, 1964.

31. Чарлзби А. Ядерные излучения и полимеры. Москва, 1962.

32. МС ИСО 53512-81. Метод определения характеристической вязкости целлюлозы.

33. Стандарт МЭК 60-450. Метод определения степени полимеризации старых и новых электроизоляционных бумаг.

34. ГОСТ 25438-82. Целлюлоза для химической переработки. Методы определения характеристической вязкости.

35. Стандарт Scan-C1662, Paperi ja Puu, 44, № 11, 582 (1962).

36. Стандарт Scan-C1562, Paperi ja Puu, 44, № 11, 582 (1962).

37. Белашева Т.П., Буткова H.T. и др. Под редакцией Дибровы А.К., Матвеева B.C. Аналитический контроль производства искусственных волокон. Москва: Химия, 1986.

38. Ирклей В.М., Гайхман А.Ш. Фазовые переходы при мерсеризации и распределении щелочи в щелочной целлюлозе. Химические волокна, 1988, № 1.

39. Никитин В.М., Оболенская А.В., Щеголев В.П., Аким Г.Л., Аким Э.Л., Коссович Н.Л., Емельянова И.З. (под редакцией). Практические работы по химии древесины и целлюлозы. Москва: Лесная промышленность, 1965.

40. Долин А.П., Крайнов В.К., Смекалов В.В., Шамко В.Н. Повреждаемость, оценка состояния и ремонт силовых трансформаторов. Электро, 2001, № 7.

41. Smekalov V.V, Dolin А.Р, Pershina N.F. Condition assessment and life time extension of power transformers. Session SIGRE-2002, 12-102.

42. Голова О.П., Крылова Р.Г., Николаева И.И. О механизме термического распада целлюлозы в вакууме. II. Торможение процесса термического распада целлюлозы. Высокомолекулярные соединения, 1959, том 1, № 9.

43. Дмитриева О.А., Потапова Н.П., Шарков В.И. Сравнительное исследование надмолекулярной структуры хлопковой целлюлозы методами термического и гидролитического воздействия. Журнал прикладной химии, 1964, том 37, № 7.

44. Ершов Б.Г., Комаров В.Б. Деструкция целлюлозы при последовательной тепловой и радиационной обработке. Высокомолекулярные соединения, 1985, том 27Б, № 2.

45. Ершов Б.Г., Комаров В.Б., Самуйлова С.Д. Радиационная и термическая деструкция целлюлозы. Высокомолекулярные соединения, 1985, том 27Б, № 6.

46. Kawamura Т., Fushimi Y., Shimato Т., Amano N., Ebisawa Y., Hosokawa N. Improvement in maintenance and inspection and pursuit of economical effectiveness of transformers in Japan. CIGRE-2002, 12-107.

47. Львов М.Ю., Львов Ю.Н., Бондарева B.H., Селиверстов А.Ф., Ершов Б.Г., Рубцов А.В. Старение целлюлозной изоляции обмоток силовых трансформаторов в процессе эксплуатации. Электрические станции, 2004, № 10.

48. Болотникова Л.С., Данилов С.Н., Самсонова Т.И. Метод определения вязкости и степени полимеризации целлюлозы. Журнал прикладной химии, 1966, том 39, № 1.

49. Костикова Е.Б., Могилевский Е.М., Гинзбург М.А. Исследование полидисперсности целлюлозы методом дробного осаждения в кадмийэтилендиаминовом комплексе. Химические волокна, 1968, № 6.

50. СО 34.46-303-98 (РД 34.46.303-98). Методические указания по подготовке и проведению хроматографического анализа газов, растворенных в масле силовых трансформаторов.

51. РД 34.43.107-95. Методические указания по определению содержания воды и воздуха в трансформаторном масле.

52. ГОСТ 645645-89. Бумага кабельная для изоляции кабелей на напряжение от 110 до 500 кВ. Технические условия.

53. Шашина Т.П. (под редакцией). Сборник стандартов «Целлюлоза и другие полуфабрикаты бумажного производства». Москва, 1969.

54. Seifert К. Uber ein noues Verfahren zur Schnellbestimmung der Rein-Cellulose. Das Papier, Ig. 10, H. 13/14,1956.

55. ГОСТ 16932-93. Целлюлоза. Определение содержания сухого вещества.

56. Котельникова Н.Е., Петропавловский Г.А. Механизм растворения лигноуглеводных комплексов древесины в кадоксене. Всесоюзная конференция «Химия и реакционная способность целлюлозы и ее производных. Кинетика и механизм». Чолпон-Ата, 1991.

57. Комаров В.Б., Львов М.Ю., Львов Ю.Н., Ершов Б.Г., Бондарева В.Н., Рубцов А.В., Селиверстов А.Ф. О регенерации целлюлозной изоляции обмоток силовых трансформаторов с длительным сроком эксплуатации. Электрические станции, 2004, № 6.

58. Мельников Г.Г. и др. Концентрационная зависимость вязкости растворов полиуглеводов. VI Всесоюзная конференция по физике и химии целлюлозы. Минск, 1990.

59. Львов М.Ю., Комаров В.Б. Деградация изоляции обмоток силовых трансформаторов при длительной эксплуатации. Новое в Российской электроэнергетике, 2002, № 3.

60. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. Ленинград: Энергия, 1979.

61. Ершов Б.Г., Комаров В.Б., Самуйлова С.Д. Радиационная химия целлюлозы. 2. Радиационно-термическая деструкция целлюлозы. Cellulose chemistry and technology, 1987, v. 31.

62. Комаров В.Б., Ершов Б.Г. и др. Использование энергии ионизирующих излучений в производстве съедобных дереворазрушающих грибов. Экологические системы и приборы, 2000, № 9.

63. F-06 (Швейцария). Оценка степени полимеризации бумаги в старых трансформаторах. XIV Международный симпозиум по технике высоких напряжений. Пекин, 2005.

64. Грасси Н. Химия процессов деструкции полимеров. Москва: Иностранная литература, 1959.

65. Киреев В.А. Курс физической химии. Москва: Химия, 1975.

66. Комаров В.Б., Гордеев А.В, Самуйлова С.Д. и др. Радиационно-термическая деструкция целлюлозы при облучении ускоренными электронами. Химия высоких энергий, 1999, том 33, № 3.

67. L'vov M.Yu., Chichinsky M.I., L'vov Yu.N., Ershov B.G., Komarov V.B. Rated indices for evaluating the winding insulation wear of power transformers. Power technology and engineering, 2002, v. 36, № 5.

68. Molmann A., Pahlavanpour B. New guidelines for interpretation of dissolved gas analisys in oil-filled transformers. Electra, 1999, № 186.

69. Комаров В.Б., Львов М.Ю., Львов Ю.Н., Ершов Б.Г., Бондарева В.Н., Рубцов А.В., Селиверстов А.Ф. О регенерации целлюлозной изоляции обмоток силовых трансформаторов с длительными сроками эксплуатации. Электрические станции, 2004, № 6.

70. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования ГН 2.15.689-98. Гигиенические нормативы. Издание официальное, Минздрав России. Москва, 1998.

71. Тарасова Н.П., Малков А.В., Гусев Т.В. Охрана окружающей среды от промышленных загрязнений. Учебное пособие. Москва, 1997.