автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Разработка методов оценки влияния частиц примесей на характеристики изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования

На правах рукописи

/7

004606205 ПРУСАКОВ Михаил Вячеславович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЧАСТИЦ ПРИМЕСЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность: 05.14.12 - Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МдН 2910

Иваново 2010

004606205

Работа выполнена на кафедре «Высоковольтные электроэнергетика, электротехника и электрофизика» ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Митькин Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Семенов Владимир Константинович

кандидат технических наук Слышалов Андрей Владимирович

Ведущая организация:

ОАО "Ивэлектроналадка'

Защита состоится 28 июня 2010 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.064.03 при Ивановском государственном энергетическом университете по адресу: 153003, г.Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, корпус «Б», аудитория 237.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим присылать по адресу. 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, ученый совет ИГЭУ. Тел.: (4932) 38-57-12, факс (4932) 38-57-01 E-mail: uch_sovet@ispu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного энергетического университета, с авторефератом - на сайте ИГЭУ www.ispu.ru

Автореферат разослан «27» мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета фЦ С'УллЖь*-__А.А. Шульпин

Я

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

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

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

Объект исследования - маслосодержащая изоляция высоковольтного маслонаполненного оборудования.

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

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

Задачи исследования.

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

2. Разработка математической модели движения заряженных частиц в пространст-

венно неоднородном переменном электрическом поле, учитывающей физические характеристики частиц примесей и трансформаторного масла применительно к масляным каналам, характерным для маслонаполненного оборудования.

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

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

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

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

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

Научная новизна:

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

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

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

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

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

Личный вклад автора определяется постановкой цели и задач исследования,

разработкой физических и математических моделей, проведением вычислительного и лабораторного экспериментов с обработкой их результатов, формулировкой выводов и рекомендаций.

Практическая ценность:

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

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

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

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

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

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

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

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объём работы составляет 169 страниц, содержит 61 рис., 24 табл. Список литературы состоит из 102 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель, задачи и методы исследования, приведены сведения о научной новизне и практической ценности.

В первой главе представлены результаты анализа литературных данных по повреждаемости в эксплуатации силовых трансформаторов и автотрансформаторов, герметичных вводов, измерительных трансформаторов; определено влияние загрязнения трансформаторного масла и поверхности твёрдой изоляции частицами примесей на повреждаемость этого оборудования. Поставлены задачи исследования. Показано, что основной причиной отказов MHO является снижение электрической прочности маслосодержащей изоляции. При этом наиболее опасным видом повреждений является перекрытие изоляции по поверхности масляного канала, вероятность появления которого возрастает с увеличением времени эксплуатации оборудования.

В работах ВНИИЭ (Ю.Н. Львов, Б.В. Ванин, Л.Г. Мамиконянц, М.Ю. Львов) по-

казано, что развитие таких повреждений обусловлено образованием в масле мелких (коллоидных) частиц в результате его старения в эксплуатации, формированием осадка из частиц на поверхности твёрдой изоляции, возникновением ЧР и науглерожен-ных дорожек в слое частиц, переходящих затем в сквозной разряд по поверхности изоляции. Эти процессы имеют место при различных видах трансформаторного масла, отличие проявляется только во времени образования осадка из мелких частиц примесей (Ю.А. Евсеев, С.Д. Кассихин, И.П. Куликов, Е.И. Савина, М.И. Шахнович).

Для решения практических задач по повышению эксплуатационной надёжности MHO проводятся исследования (Ю.Н. Львов, М.Ю. Львов) по выявлению условий формирования осадка на поверхности твёрдой изоляции с учётом силы тяжести и технологических параметров оборудования.

В исследованиях, выполненных в ИЭИ под руководством В.В. Пучковского и

B.Н. Волкова, рассматриваются физические и математические модели движения частиц и формирования цепочек из них, показана необходимость учёта при описании поведения частиц сил, действующих на частицу в неоднородном электрическом поле.

Развитие этого направления нашло отражение в работах В.Н. Волкова (1976 г.) и

C.С. Духина (1978 г.). Независимо друг от друга ими разработаны математические модели поведения заряженных частиц в жидких средах в пространственно неоднородных переменных электрических полях. В них установлено, что заряженные частицы при определённых условиях в неоднородных переменных электрических полях могут двигаться, в отличие от диэлектрофореза, в область наименьшей напряженности поля. Следует отметить, что формирование осадка из мелких частиц примесей на поверхности твёрдой изоляции MHO и возникновение частичных разрядов в слое в большинстве случаев происходит в области с меньшей напряженностью поля.

В ряде работ (Г. С. Кучинский, А. К. Лоханин, В.Я. Ушаков, J. Kok, J. Skowronski) указывается на существенное влияние частиц, особенно крупных, на пробивное напряжение трансформаторного масла и на необходимость совершенствования методов контроля его электрической прочности в условиях эксплуатации оборудования.

Анализ состояния проблемы позволил сделать вывод о том, что для комплексного её решения необходимо провести специальные исследования по выявлению поведения заряженных частиц в трансформаторном масле в неоднородном переменном электрическом поле, закономерностей формирования из них осадка на поверхности твёрдой изоляции, а также по разработке новых методов оценки влияния частиц примесей на электроизоляционные характеристики маслонаполненного высоковольтного оборудования в целях повышения эффективности его эксплуатации.

Сформулированы задачи исследования, проводимого в рамках данной работы.

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

Исследования показывают, что частицы примесей в трансформаторном масле высоковольтного оборудования имеют заряд. Наиболее вероятными механизмами зарядки частиц являются: контактная зарядка и адсорбционная.

На основе анализа полного уравнения движения заряженной частицы с учётом воздействия силы тяжести, Архимедовой силы, силы Кулона, диэлектрофореза и силы сопротивления жидкой среды получено уравнение, отражающее движение частицы в направлении стенки масляного канала:

d0 г ■ « dE*(x) . ,

m4--= q,lEll(xl-sincoH----■ sin" ю t-6w-|R4u , (I)

dt 2 dx

где m4, R4, q4, и - Macea, радиус, заряд и скорость движения частицы; Ем(х) - амплитудное значение напряженности электрического поля; со - угловая частота электрического поля; а - поляризуемость частицы; г| - динамическая вязкость жидкости.

Усреднение полученного в первом приближении уравнения движения частицы по периоду позволяет получить уравнение для апериодического дрейфа частицы:

d2x dx. (х ) а / ч шч • —-f- + 67tnR■ - =--r „ + — ■ E„:E'Дхa), (2)

dt 1 ' dt

547tT)J

1+ ■

( 2©R:

p.

l. 9П

2

где рч - плотность материала частицы.

В правой части (2) первое слагаемое отражает силу, действующую на заряженную частицу в неоднородном переменном электрическом поле. При этом знак минус указывает на то, что она направлена в область наименьшей напряженности поля. Второе слагаемое отражает силу, действующую на незаряженную частицу в неоднородном электрическом поле (диэлектрофорез), направленную в область максимальной напряженности поля. Отмечается, что сила Раз, обусловливающая апериодический дрейф частицы, пропорциональна квадрату заряда частицы, поэтому направление силы не зависит от знака заряда. Соотношение рассматриваемых сил не зависит от геометрии электрического поля и знака заряда частицы.

Получены выражения для определения траектории и скорости движения частицы, заряженной при её контакте с электродом, а также выражение для определения критического радиуса частицы, начиная с которого наблюдается изменение направления движения частицы. Характерные расчётные траектории движения заряженной частицы представлены на рис. !, где 1 = 1/Т; х = х/(яЕм рТ/(6ггг^ч)). Показано, что направление движения частицы определяется соотношением Rч/R'cч,кp■ Так, при Rч/R'<ч,кp > 1 частица выталкивается из области максимальной напряжённости поля (рис. 1, в).

-0,4 -0,2 0 х* -0,2 -0,1 0 0,1 х* -0,2 0 0,2

а) I* I' б) I* в)

Рис. 1. Траектории движения заряженной частицы в неоднородном переменном электрическом поле для характерных случаев: а - (Я., < ^^«р); б - (Я, = Я^кр); в - (Яч > Я*.,.,,,)

Отмечается, что с ростом температуры масла (рис.2) и напряженности электрического поля диапазон размеров заряженных частиц, которые выталкиваются из области максимальной напряженности электрического поля, расширяется. Это способствует увеличению потока частиц на стенку масляного канала и формированию на её поверх-

мкм 20

10

0

\

ЕаЁ

20

60

80 Т, °С

Рис. 2. Зависимость критического радиуса частицы от температуры масла для частиц различной природы: I - бумага (влажная): 2 - сажа; 3 - железо; 4 - медь и бумага (сухая)

ности осадка из частиц, в первую очередь, в области повышенных температур. Выявленные закономерности находятся в соответствии с результатами эксплуатационных испытаний, в которых указывается на то, что в маслонаполненных вводах наибольший осадок формируется в нижней части ввода, где максимальная рабочая температура.

На основе выполненных оценок показано, что при контактной зарядке частиц на электроде вклад апериодической выталкивающей силы, возникающей в неоднородном переменном электрическом поле, по сравнению с силой Кулона, действующей в первый момент времени при отталкивании частицы от электрода, является определяющим при формировании движения частицы от электрода в область наименьшей напряженности поля.

Выполненные оценки связи воздействующей на заряженные частицы апериодической силы Ра., с экспериментальными значениями пробивных напряжений трансформаторного масла при различных частотах показали, что для всех исследованных образцов масла наблюдается данная связь.

Показано, что заряженные коллоидные частицы будут выталкиваться из области с максимальной напряженностью поля. Для этого случая также получены выражения для определения траектории и скорости движения коллоидной частицы.

В третьей главе с применением разработанной и созданной экспериментальной модели высоковольтного ввода с бумажно-масляной изоляцией (рис. 3) получены экспериментальные результаты, отражающие закономерности движения трансформаторного масла и частиц примесей в характерных для маслонаполненного оборудования каналах с учётом влияния температуры и параметров канала, включая его пространственное расположение.

Для наблюдения за процессами, происходящими в масляном канале модели ввода, создана экспериментальная установка. С применением двух катетометров с коэффициентами увеличения 3,6х и 50" определялись характер и скорости движения масла и частиц в модели ввода при температуре масла в «баке» 85-90°С при нагреве центральной трубы и без её нагрева, при вертикальной установке ввода и под углом 15° относительно вертикали. При проведении экспериментов применялись модели ввода с шириной масляного канала 6 и 19 мм.

Установлено, что конвективное движение масла представляет собой два замкнутых гидродинамических потока, причём один поток располагает-

Рис. 3. Схема модели ввода: 1 -верхняя стеклянная покрышка; 2 -нижняя стеклянная покрышка; 3 - соединительная втулка; 4 - вывод для заземления; 5 -диэлектрическая прокладка; 6 крепежные гайки; 7 - центральная труба; 8 - масло-расширитель; 9 -стеклянная трубка; 10 - нагревательная спираль; 11 -силиконовая прокладка; 12 - отверстия для подачи масла; 13 - изоляционный остов; 14- опорный фланец;^ - выводы для подключения спирали; 16 - резиновая пробка

ся в верхней части модели, другой - в нижней, между ними не происходит заметного массообмена. Поэтому в нижней части ввода масло подвергается повышенным температурным воздействиям, что обусловливает ускоренные темпы его старения в эксплуатации.

В области верхней покрышки наблюдался восходящий поток около изоляционного остова и нисходящий рядом с поверхностью покрышки. В области нижней покрышки имеется восходящий поток около стенки и нисходящий около изоляционного остова. При подаче высокого напряжения на модель ввода распределение гидродинамических потоков масла оставалось без изменения.

Отмечается, что скорости восходящего и нисходящего потоков в верхней части модели ввода максимальны у соединительной втулки и уменьшаются при подъёме к вершине ввода. В нижней части скорости потоков также максимальны у соединительной втулки и уменьшаются при приближении к нижней части ввода. В целом, скорости движения масла в канале изменяются в пределах 2-12 мм/с. При увеличении ширины масляного канала с 6 до 19 мм скорость движения восходящею потока масла у верхней покрышки возрастает на 15 - 50%, а скорость движения нисходящего потока масла у нижней покрышки уменьшается на 10 - 35%. При наклоне модели на 15° скорость движения потока масла снижается.

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

Заряженные частицы в неоднородном переменном электрическом поле в рассматриваемой модели ввода двигаются от поверхности трубы по направлению к диэлектрической стенке канала преимущественно в нижней и верхней частях модели (вблизи фланцев), где масло имеет небольшие вертикальные составляющие скорости движения. При удалении от торцевых фланцев, где начинает возрастать вертикальная составляющая скорости движения масла, частицы увлекаются внешним потоком масла. В эксплуатации также отмечается интенсивное формирование осадка из частиц в этих местах, причём наибольший осадок формируется в нижней части ввода, где температура масла максимальная, а вязкость его небольшая.

В четвёртой главе разработан метод оценки времени формирования осадка из заряженных частиц примесей на поверхности твёрдой изоляции под

действием неоднородного переменного электриче- (?) | (?) | (Т) ского поля, приводящего к снижению её электро- I I

изоляционных характеристик в эксплуатации, учи- - г - Ь-------------

тывающий влияние физических параметров частиц и трансформаторного масла, характеристик электрического поля, а также динамики старения масла и технологических режимов, характерных для масло- _ ■ _ . 1

наполненного оборудования.

Поведение частиц вблизи стенки канала. На ос-

I I

Ч.(*) |

ш

нове выполненных численных оценок показано, что „

_ , „ Рис. 4. Основные области, опреде-

в пристеннои ооласти 1 (рис. 4), когда 0 < х < ха, при ляющие поведение частиц около

переменном напряжении заряженная частица под твердой стенки канала

действием внешних сил двигается по направлению к стенке канала и одновременно колеблется. Как только частица приближается к стенке на расстояние, равное амплитуде её колебаний ха, частица под действием кулоновской силы устремляется к стенке и осаждается на ней. В области 2 (5 > х > ха) на заряженную частицу в переменном электрическом поле действует апериодическая сила, направленная в сторону меньших значений напряженности электрического поля, то есть к стенке канала. Одновременно на частицы действуют диффузионные процессы, причём потоки частиц, обусловленные воздействием электрического поля и диффузией, направлены в сторону стенки канала.

Внешняя область 3 характеризуется постоянством счётной объёмной концентрации частиц п0, так как в силу случайных процессов в движущемся трансформаторном масле происходит выравнивание концентрации частиц по объёму.

Формирование осадка из частиц на стенке канала. Рассматриваемые процессы движения частиц имеют статистическую природу и описываются уравнением диффузии, которое для данного плоского случая (вблизи стенки канала) для стационарного процесса (йп/сй = 0) имеет вид

БДп + Шу(и п) = 0, (3)

где п - счётная концентрация частиц; Б - коэффициент диффузии; А - оператор Лапласа; и - скорость движения частиц.

В результате решения уравнения (3) найдено выражение для потока частиц, а затем с учётом динамики старения масла в эксплуатации и распределения частиц по размерам в объёме масла получено выражение для определения времени эксплуатации, за которое на единице поверхности стенки канала осядет заданная масса частиц:

2а„

1 + _ За"с-

пр.

■Еф.ЫОК,

(4)

где а„ - постоянный для заданных условий эмпирический коэффициент, характеризующий динамику старения масла; ст5 - массовая концентрация частиц на единице поверхности; Ф^ПоДО)) - поток частиц при I = 0 (п = п0,;).

Выполненные расчёты показали, что расчётное время формирования осадка с заданной массовой концентрацией на единице поверхности твёрдой изоляции соответствует времени достижения такой же концентрации частиц на поверхности, наблюдаемой в эксплуатации.

Отмечается, что время формирования заданного осадка из частиц на поверхности канала существенно уменьшается при увеличении температуры масла и концентрации частиц в его объёме.

Влияние дисперсного осадка на электроизоляционные характеристики маслона-полненного оборудования. Слой осевших на поверхности изоляции заряженных частиц создаёт локальное электрическое поле и оказывает влияние на распределение на-пряженностей поля по слоям изоляции в области границы их раздела. С учётом небольшой толщины слоя заряженных частиц его заряд можно рассматривать как поверхностный свободный заряд с плотностью о„.

Время установления поляризационных процессов в рассматриваемом двухслойном диэлектрике мало по сравнению с временем формирования слоя заряженных частиц на поверхности канала, поэтому эти процессы можно рассматривать как независимые квазиустановившиеся. Тогда максимальные значения напряжённостей на слоях

диэлектрика и свободный поверхностный заряд ст„ будут связаны выражением

где Ем м, Емт - амплитуды напряженностей соответственно в слоях масла и твёрдой изоляции.

С ростом времени эксплуатации тэ величина напряженности в масле вблизи стенки канала будет возрастать и в некоторый момент превышать рабочую напряжённость Ер и, что может привести к изменению электропроводности плёнок трансформаторного масла, находящихся между частицами в слое. Выполненный анализ имеющихся экспериментальных данных показывает, что, начиная с некоторой критической напряженности поля Екр, обнаруживается экспоненциальное возрастание тока для эксплуатационных трансформаторных масел. В процессе эксплуатации эти процессы обусловливают дальнейшее возрастание электрического тока, что приводит к ухудшению электроизоляционных свойств трансформаторного масла в слое и инициирует предразрядные процессы по поверхности твёрдой изоляции с дисперсным осадком.

С учётом этого найдено выражение для определения времени работы оборудования тэ,кР7 при котором на поверхности твёрдой изоляции образуется слой заряженных частиц, обусловливающий возникновение ускоренного ухудшения электроизоляционных свойств трансформаторного масла при Екр:

Расчёт времени возникновения ускоренного ухудшения свойств трансформаторного масла, находящегося между частицами в осадке, показал, что наблюдается существенное уменьшение этого времени с увеличением температуры масла, рабочей напряженности и концентрации частиц в масле.

Показано, что в процессе эксплуатации по мере формирования осадка на поверхности изоляции выполняется условие возникновения ускоренного ухудшения свойств трансформаторного масла, а затем идут процессы дальнейшего ухудшения свойств масла, которые в конечном итоге заканчиваются выходом оборудования из строя.

Рассмотрены также случаи повышенных скоростей движения масла в канале, когда 5 = ха. Получено выражение, определяющее критические скорости,, при которых реализуются эти случаи. Показано, что в силовых трансформаторах с направленной циркуляцией масла возможен режим интенсивного формирования осадка из частиц примесей на твёрдой изоляционной стенке канала под действием электрической куло-новской силы. Эти процессы могли иметь место при формировании предпробивной ситуации в таких трансформаторах при перекрытии по поверхности твёрдой изоляции.

В пятой главе разработаны метод нахождения статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла, содержащего частицы примесей, по результатам эксплуатационных испытаний в стандартном маслопробойнике, позволяющий определять нижний предел пробивного напряжения, и метод прогнозирования изменения пробивного напряжения масла в процессе эксплуатации MHO, позволяющий дифференцированно учитывать ограниченное число данных эксплуатационных испытаний.

Метод нахождения статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла. Отмечается, что существующая методика определения характеристик электрической прочности трансформаторного масла в стандартном

елЕ^-Б^Е.^О,

п

(6)

маслопробойнике не позволяет оценить нижний предел пробивного напряжения.

Показано, что в силу физических представлений о пробое масла, содержащего примеси, распределение пробивных напряжений должно соответствовать распределению наименьших членов выборки, обусловленных наличием слабых мест в системе, то есть распределению Гнеденко-Вейбулла, одним из параметров которого является нижний предел пробивного напряжения ин:

Р(и') = 1-ехр

и-и.

и.-и.

(7)

где и0 - величина пробивного напряжения, при котором Р(и0) = 1 - е"1; а - безразмерный параметр.

С учётом выявленных наиболее информативных эмпирических характеристик (минимальное значение пробивного напряжения масла в данной серии испытаний, среднее пробивное напряжение, эмпирическая функция распределения пробивных напряжений) и свойств этого распределения (его несимметричность, наличие точек перегиба в дифференциальной функции распределения) разработана методика оценки диапазонов возможных значений параметров этого распределения. Полученные результаты подтверждаются расчётными данными при обработке специально полученного большого экспериментального массива.

На основе полученных результатов найдено выражение для интегральной функции распределения пробивных напряжений в стандартном маслопробойнике

р(и) = 1-ехр

-0,693

Г(1-0,22/-)и + 0,22/-<ипр>-ии

<1! >-

пр

-и..

(8)

на основе которого разработаны алгоритм и программа 81а1_ип расчёта-нижнего предела пробивного напряжения и других параметров распределения. Данная программа позволяет одновременно выполнять расчёты и по традиционной методике. Общая картина получаемой информации представляется на экране монитора компьютера в цифровом и графическом видах.

Выполненными расчётами с применением разработанной программы для 14 случайных выборок по 6 пробоев каждая из массива в 200 пробоев показано соответствие полученных параметров а, и„, и0 по предложенной методике и результатов их расчёта по массиву в 200 пробоев с применением метода наименьших квадратов. Расчётами для 20 серий эксплуатационных испытаний, а также специально проведёнными лабораторными экспериментами по термическому старению масла показано, что значение нижнего предела пробивного напряжения заметно меньше минимального пробивного напряжения в каждой из рассматриваемых серий испытаний, что отвечает статистической природе формирования пробоя эксплуатационного трансформаторного масла.

Прогнозирование изменения пробивного напряжения трансформаторного масла при ограниченном числе эксплуатационных данных. С учётом этого для прогнозирования выбран метод постепенного накопления повреждений В.В. Болотина, в соответствии с которым записывается уравнение, характеризующее изменение пробивного напряжения во времени:

-^ = Ц,рф(яМ)> (9)

где q(t) - функция, включающая в себя воздействующие факторы: электрофизические, физико-химические, температурные и др.

С учётом имеющихся процессов постепенного накопления повреждений в MHO и выявленной на основе анализа эксплуатационных испытаний особенности плавного спада пробивного напряжения в эксплуатации показано, что на ограниченном отрезке времени, на котором осуществляется прогнозирование (время упреждения), можно применить кусочно-линейную аппроксимацию тренда для изменения пробивного напряжения, которая применяется каждый раз на разных отрезках времени с учётом выбранного времени упреждения Ту:

U =U

пр.«

1-k

Т..

(10)

где ипр>(] - эффективное пробивное напряжение при I = 0, характеризующее ход тренда на каждом из участков прогнозирования; ки - постоянный коэффициент, определяемый по результатам экспериментальных испытаний.

Для повышения точности прогнозирования изменения пробивного напряжения разработана методика определения параметров данного тренда, в которой предложено экспериментальные данные в обучающей области разбить па две части с учётом их весовых коэффициентов. Первая область экспериментальных данных То Ь примыкающих к области прогнозирования Ту, оказывает основное влияние на тренд изменения пробивного напряжения, поэтому эти данные учитываются с весовым коэффициентом, равным единице. Вторая область данных То2 оказывает меньшее влияние на ход тренда в области прогнозирования, поэтому эти результаты учитываются с весовым коэффициентом, меньшим единицы. Предложена функциональная зависимость весового коэффициента кв от времени в области Т0 2.

Аппроксимация экспериментальных данных расчётным трендом производится по метод)' наименьших квадратов. В результате определению подлежат, в отличие от имеющихся методик, всего три постоянных коэффициента: ипр 0, ки, кт = Т0 |/Ту. Истинным считается тренд, соответствующий глубокому минимуму, то есть сумма квадратов невязок при этом является минимальной:

ЕМ^О-и^ЛО)2-*'™- сю

В соответствии с разработанными алгоритмом и программой расчёта Рп^п_1!п+ на рис. 5 представлены результаты прогнозирования изменения значений среднего и нижнего предела пробивных напряжений эксплуатационного масла для одного из трансформаторов 110 кВ.

<и >

"пр >

кВ

о J

и- -ГУ-- —о-О— 3-о

О

70 65

29.03.1986

а)

05.08.1988

13.12.1990

21.04,1993

29.08.1995

05.01.1998

U„,kB 65 55 45

о о —Q-О—

и О О -—О

б)

29.03.1986

05.08.1988

13.12.1990

21.04.1993

29.08.1995

05.01.1998

Рис. 5. Изменение и прогноз пробивных напряжении трансформаторного масла в эксплуатации: а - среднее пробивное напряжение; б - нижний предел пробивного напряжения

Отмечается, что предложенный метод прогнозирования параметров электрической прочности масла с применением кусочно-линейного тренда при дифференцированном учёте результатов эксплуатационных испытаний позволяет обеспечить прогноз средних пробивных напряжений с погрешностью до 2,53 %. При весовом коэффициенте кв = 1 максимальная погрешность прогноза возрастает до 7,43 %.

Погрешности прогнозирования изменения нижнего предела пробивного напряжения при дифференцированном учёте эксплуатационных испытаний составляют до 13,51 %. В случае весового коэффициента к, = 1 максимальная погрешность прогноза возрастает до 14,42 %. Особенно это проявляется при большом времени работы трансформатора. Следовательно, при дифференцированном учёте эксплуатационных данных расчётный тренд ближе аппроксимирует экспериментальные результаты.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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

2. Получено выражение для определения критического радиуса частиц, начиная с которого изменяется направление движения заряженной частицы в неоднородном переменном электрическом поле. На этой основе показано, что с увеличением температуры масла и напряженности электрического поля диапазон размеров заряженных частиц, которые выталкиваются из области максимальной напряженности электрического поля, расширяется.

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

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

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

6. Разработан метод нахождения статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла по результатам эксплуатационных испытаний в стандартном маслопробойнике, позволяющий определять нижний предел пробивного

напряжения на основе распределения Гнеденко-Вейбулла

7. Разработан метод прогнозирования изменения среднего пробивного напряжения и нижнего предела пробивного напряжения в процессе эксплуатации MHO, позволяющий дифференцированно учитывать ограниченное число эксплуатационных данных весовым коэффициентом, значение которого увеличивается при приближении к участку прогнозирования. Выполненными расчётами по разработанной программе показано, что предложенный метод прогнозирования позволяет уменьшить погрешность прогноза пробивных напряжений.

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

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ По перечню рецензируемых изданий ВАК

1. Формирование осадка из частиц примесей на поверхности твёрдого диэлектрика в маслонаполненном высоковольтном оборудовании / Ю.А. Митькин, М.В. Прусаков // Вестник ИГЭУ. - 2006. - Вып.4. - С. 82 - 84.

2. Проблемы оценки технического состояния маслосодержащей изоляции высоковольтного оборудования в эксплуатации / Ю.А. Митькин, A.B. Вихарев, М.В. Прусаков // Вестник ИГЭУ. - 2006. - Вып.2. - С. 78 - 82.

3.Особенности формирования движения трансформаторного масла в канале модели высоковольтного ввода / М.В. Прусаков, И.А. Хальзев // Вестник ИГЭУ. - 2005. - Вып.4. -С. 154- 155.

4. Математическое моделирование движения масла и распределение температуры в модели ввода высокого напряжения / Ю.А. Митькин, Ф.Н. Ясинский, A.B. Солдатов, М.В. Прусаков // Вестник ИГЭУ. - 2004. - Вып.З. - С. 52 - 54.

Публикации в других изданиях

5. Движение частиц примесей в трансформаторном масле в переменном неоднородном электрическом поле высоковольтного оборудования / Ю. А. Митькин, М. В. Прусаков // Высоковольтные техника и электротехнология: межвуз. сб. науч. тр. - Иваново, 2003. -Вып. З.-С. 43-46.

6. Электрофизические процессы в масляном канале высоковольтного ввода / М.В. Прусаков // Состояние и перспективы развития электротехнологии: тез. докл. между-нар. науч.-техн. конф. (XII Бенардосовские чтения). - Иваново, 2005. - Т. 1. - С. 27.

7. Поведение частиц примесей в трансформаторном масле в переменном неоднородном электрическом поле / Ю.А. Митькин, М.В. Прусаков // Состояние и перспективы развития электротехнологии: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. (XI Бенардосовские чтения). - Иваново, 2003. - Т. 1. - С. 19.

8. Математическое моделирование статистических характеристик электрической прочности жидких электроизоляционных сред / Ю. А. Митькин, Ф. Н. Ясинский, А. В. Солдатов, М. В. Прусаков // Высоковольтные техника и электротехнология: межвуз. сб. науч. тр. - Иваново, 2003. - Вып. 3. - С. 47-54.

9. Исследование движения трансформаторного масла во вводе при различных режимах его работы / М.В. Прусаков // Электрическая изоляция - 2006: тр. IV междунар. науч.-техн. конф. - СПб., 2006. - С. 255-257.

10. Экспериментальное определение формирования движения трансформаторного масла во вводе / М. В. Прусаков, И. А. Хальзев, М. Е. Тихов // Состояние и перспективы раз-

;

вития электротехнологии: тез. докл. междунар. науч.-техн. копф. (XII Бенардосовские чтения). - Иваново, 2005. - Т. 1. - С. 28.

11. Методика обработки испытаний трансформаторного масла в стандартном масло-пробойнике / С. В. Ларионов, А. А. Мизонов, А. В. Вихарев, М. В. Прусаков // Электроэнергетика: тез. докл. регион, науч.-техн. конф. студ. и асп, - Иваново, 2006. - С.41.

12.Процессы формирования осадка из частиц примесей на поверхности фарфоровой покрышки высоковольтного ввода / М. В. Прусаков // Состояние и перспективы развития электротехнологии: мат-лы междунар. науч.-техн. конф. (XIII Бенардосовские чтения). -Иваново, 2006. - С. 21-23.

13.Оценка влияния коллоидных частиц на характеристики твёрдой маслосодержащей изоляции / М. В. Прусаков // Состояние и перспективы развития электротехнологии: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. (XIV Бенардосовские чтения). - Иваново, 2007. - Т. 1. -

14.Повышение эффективности электроочистки трансформаторного масла от механических примесей / Ю.А. Митькин, C.B. Ларионов, М.В. Прусаков // Энергия 2007. Электроэнергетика: мат-лы регион, науч.-техн. конф. студ. и асп. - Иваново, 2007. - Т. 3. -

15.Модифицированная методика оценки электрической прочности трансформаторного масла / Ю. А. Митькин, М. В. Прусаков // Состояние и перспективы развития электротехнологии: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. (XV Бенардосовские чтения). - Иваново, 2009.-Т. 1.-С.51.

16.Оценка изменения статистических характеристик электрической прочности трансформаторного масла по результатам эксплуатационных испытаний / А. В. Вихарев, М. В. Прусаков, О. С. Мельникова // Состояние и перспективы развития электротехнологии: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. (XV Бенардосовские чтения). - Иваново, 2009.-Т. 1.-С. 52.

17. Метод контроля электрической прочности трансформаторного масла на разряд по поверхности / А. В. Вихарев, М. В. Прусаков // Состояние и перспективы развития электротехнологии: тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. (XV Бенардосовские чтения). - Иваново, 2009. - Т. 1.-С. 53.

ПРУСАКОВ Михаил Вячеславович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ЧАСТИЦ ПРИМЕСЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 25.05.10 Формат 60x84 1/16. Печать плоская. Усл.печ.л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ № 114

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34. Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ.

С. 33.

С. 84-86.

Введение.

Глава 1. Изменение технического состояния внутренней изоляции маслонаполненного высоковольтного оборудования в эксплуатации.

1.1. Повреждаемость маслонаполненного оборудования в эксплуатации.

1.2. Образование частиц примесей в трансформаторном масле и их влияние на состояние изоляции оборудования в эксплуатации.

1.3. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Апериодическое движение заряженных частиц в неоднородном переменном электрическом поле в канале с трансформаторным маслом.

2.1. Электрофизические характеристики частиц примесей в трансформаторном масле, определяющие их движение в электрическом поле.

2.2. Оценка условий, определяющих траекторию апериодического движения заряженных частиц в неоднородном переменном электрическом поле в трансформаторном масле.

Выводы по главе.

Глава 3. Исследование движения трансформаторного масла, содержащего частицы примесей, в электроизоляционных каналах.

3.1. Экспериментальные исследования движения трансформаторного масла вдали от стенок канала.

3.2. Исследование движения трансформаторного масла и частиц примесей вблизи стенок канала.

Выводы по главе.

Глава 4. Формирование дисперсного осадка и его влияние на параметры изоляции маслонаполненного оборудования.

4.1. Моделирование процессов оседания частиц на поверхность масляного канала.

4.2. Влияние дисперсного осадка на электроизоляционные характеристики маслонаполненного оборудования.

Выводы по главе.

Глава 5. Методы оценки изменения пробивного напряжения трансформаторного масла в эксплуатации.

5.1. Метод оценки нижнего предела пробивного напряжения трансформаторного масла по результатам эксплуатационных испытаний.

5.2. Прогнозирование изменения пробивного напряжения трансформаторного масла по результатам ограниченного числа эксплуатационных испытаний.

Выводы по главе.

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

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

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

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

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

Объект исследования — масло содержащая изоляция высоковольтного маслонаполненного оборудования.

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

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

Задачи исследования.

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна:

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

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

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

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

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

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

Практическая ценность:

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

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

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

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

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

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

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

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объём работы составляет 169 страниц, содержит 61 рис., 24 табл. Список литературы состоит из 102 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Чичинский М.И. Повреждаемость маслонаполненного оборудования электрических сетей и качество контроля его состояния // Энергетик. 2000. №11. С. 29-30.

2. О надежности силовых трансформаторов и автотрансформаторов электрических сетей / Львов М.Ю. и др.. Энергетик. 2005. №11. С. 69-75.

3. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110 — 500 кВ / Ванин Б.В. и др.. Электрические станции. 2001. № 9. С. 53-58.

4. Лоханин А.К., Соколов В.В. Обеспечение работоспособности маслонаполненного оборудования после расчетного срока службы // Электро. 2002. №1. С. 10-16.

5. Кустов С.С. Анализ повреждаемости распределительных трансформаторов // Энергохозяйство за рубежом. 1986. №4.

6. Никитин О.А., Верещагин И.П., Пинталь Ю.С. Возможности оценки остаточного ресурса и продление сроков эксплуатации высоковольтного оборудования энергосистем // Электро. 2001. № 1.

7. Львов М.Ю. Фактор риска при эксплуатации высоковольтных вводов трансформаторов // Электрические станции. 1999. №2. С. 46-51.

8. Шувадрин Д.В. Об увеличении срока службы турбинных и трансформаторных масел // Энергетик. 1993. №4. С. 15-16.

9. Соколов В.В., Турин В.В. Продление срока службы силовых трансформаторов // Электротехника. 1994. №10. С. 31-32.

10. Вайда Д. Исследование повреждений изоляции. М.: Энергия, 1968. 400с.

11. Мамиконянц Л.Г. О повреждаемости герметичных вводов трансформаторов // Энергетик. 1996. № 12.

12. Цирель Я.А., Поляков B.C. Эксплуатация силовых трансформаторов на электростанциях и в электросетях. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 263с.

13. Материалы тематического селекторного совещания по проблемам надежности и эксплуатации энергетического оборудования, состоявшегося 23.04.98 // Электронная газета РАО «ЕЭС России» «Энерго-пресс», 1998. №27.

14. Материалы тематического селекторного совещания по проблемам надежности и эксплуатации энергетического оборудования, состоявшегося 07.05.98 // Электронная газета РАО «ЕЭС России» «Энерго-пресс», 1998. №30.

15. Алексеев Б. А. Крупные силовые трансформаторы. Эксплуатационная надежность, контроль состояния и оценка работоспособности // Энергетика за рубежом. 2008. Вып. 2.

16. Повреждаемость и практика отбраковки в эксплуатации масл©наполненных трансформаторных вводов 110 750 кВ / Гречко О.Н. и др.. Электронный журнал «Новое в российской энергетике». 2002. №9. С. 24-32.

17. Опыт ремонта вводов 110 750 кВ / Рыженко В.И. и др.. Электрические станции. 1998. №9. С. 48-52.

18. Изменение свойств трансформаторного масла Т-750 в высоковольтных герметичных вводах в эксплуатации / Ванин Б.В. и др.. Электрические станции. 1995. №3. С. 27-34.

19. О причинах повреждаемости высоковольтных герметичных вводов с бумажно-масляной изоляцией конденсаторного типа / Евсеев Ю.А. и др.. Электрические станции. 1989. № 1. С. 67-72.

20. Савваитов Д.С., Тимашова JI.B. Техническое состояние основного оборудования подстанций и BJI и мероприятия по повышению надёжности // Электрические станции. 2004. №8. С. 14-20.

21. Мисриханов М.Ш., Мозгалёв К.В., Шунтов А.В. О надёжности КРУЭ и коммутационной аппаратуры с традиционной изоляцией // Электрические станции. 2003. №1. С. 32-39.

22. Загретдинов И.Ш. Краткий обзор аварийности в ОАО РАО «ЕЭС России» за 2002 год // Электронная газета «Энерго-Пресс». 2003. №15.

23. Материалы тематического селекторного совещания по проблемам надёжности и эксплуатации энергетического оборудования, состоявшегося 2.04.1998 г. // Электронная газета «Энерго-Пресс». 1998. №22.

24. Бурман А.П., Савваитов Д.С. Состояние высоковольтного оборудования в Единой национальной электрической сети // Электротехника. 2003. №11. С. 2-5.

25. Пучковский В.В. Пробой жидких электроизоляционных материалов. Обзор по одноименной книге И.А. Кока. М.: Энергия, 1967.

26. Львов М.Ю. Коллоидно-дисперсные процессы в высоковольтных герметичных вводах трансформаторов // Электрические станции. 2000. №4. С. 49-52.

27. Хайек Я., Далюнд М., Петерсон Л. Компания АББ нашла причину поломки трансформаторов. Качество масла имеет значение // АББ Ревю. 2004. №3. С. 61-63.

28. Griffin P. J., Lewand L. R. Проблемы коррозии при наличии серы в масле // Transm. & Distr. World. 2006. Vol. 58. № 2. P. 34-38.

29. Работа ИК A2 СИГРЭ-TF A2.31. Сульфид меди в изоляции трансформаторов // Electra. 2006. № 224. Р. 20-23.

30. Сульфид меди в изоляции трансформаторов // Electra. 2007. № 230. Р. 1217.

31. Львов М.Ю. Применение оптической мутности масла для оценки состояния высоковольтных герметичных вводов трансформаторов // Электрические станции. 1999. № 6. С. 60-63.

32. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. М.: Энерго-атомиздат, 1983.

33. Влияние масел и резины на работу высоковольтных вводов трансформаторов / Довгополый Е.Е. и др.. ХТТМ. 1992. № 10. С. 17-18.

34. О нормировании концентрации растворенных газов и мутности масла для выявления дефектов высоковольтных вводов / Ванин Б.В. и др.. Электрические станции. 2000. № 2. С. 52-55.

35. Мамиконянц JI.Г. О работах по повышению надежности высоковольтных вводов // Энергетик. 1998. № 11. С. 32.

36. Противоаварийный циркуляр № Ц-06-88(Э) "О мерах по повышению надежности герметичных вводов 110 750 кВ".

37. Kok J. Electrical breakdown of insulating liquids. Thilips' Gloeilampenfabrick-en Eindhoven (Netherlands), 1961.

38. Clothier N., Lawrence R., Denham J. Solid particle impurities in power transformers. "Elec. Rev", 1970, 186, № 18.

39. Ласый А.И. Изменения свойств трансформаторных масел в процессе эксплуатации / Электрическая изоляция 2002: Труды конференции. СПб.: Нестор, 2002. 384 с.

40. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1976. 512 с.

41. Митькин Ю.А. Исследование характеристик пробоя и формирования пред-пробивных процессов в трансформаторном масле. Канд. дис., Иваново, ИЭИ, 1973.

42. Духин С.С., Малкин Э.С., Духин А.С. Апериодический инерционный дрейф дисперсных частиц в неоднородном переменном поле // Коллоидный журнал, том 40 (XL), вып. 4. 1978. С. 649-654.

43. Пат. № 2322305 РФ, МПК ВОЗС 5/00. Устройство для очистки диэлектрической жидкости / Г.М. Михеев, В.А. Тарасов, Т.Г. Михеева; заявитель и патентообладатель авторы, заявл. 04.07.2006; опубл. 20.04.2008. Бюл. № 11. 6 с.

44. Ушаков В .Я., Лопатин В.В., Багин В.В. Эффект площади электродов при пробое трансформаторного масла / Изв. вузов, Физика, 1964, № 4.

45. Ушаков В.Я. Изоляция установок высокого напряжения. М.: Энергоатом-издат, 1994.

46. Влияние частиц в масле на электрическую прочность трансформатора: Доклады рабочей группы СИГРЭ 12.17 // Electra. 2000. № 190. Р. 135-139.

47. Sokolov V.V. Внимание к управлению сроком службы трансформаторов -взгляд из-за рубежа// 67th Int. Conf. of Doble Clients. Boston, USA, 2000.

48. Florek K., Skowronski. О mechanizmie tworzenia sie mostka w procesie przebi-cia dielektrukow cieklych. "Arch. electrotechniki",1962, t. 11, № 3.

49. Волков B.H., Митькин Ю.А. Теория образования мостиков в жидкости, помещённой в электрическое поле. "Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт", 1973. № 3.

50. Weber К., Endicott Н. Extremal area effect for large area electrode for the electric breakdown of transformer oil. "AIEE Trans., Power App. And Syst." p. Ill, v. 76,1957.

51. Степанчук К.Ф., Тиняков Н.А. Пробой трансформаторного масла в потоке / Известия вузов, Энергетика, 1964, № 12.

52. Nelson J., Salvage В., Sharpley W. Electric strength of transformer oil large electrode areas. Proc. IEE, 1971, vol. 118, № 2.

53. Электрофизические основы техники высоких напряжений: учеб. для вузов / Бортник И.М. и др.; [под ред. Верещагина И.П., Ларионова В.П.]. М.: Энер-гоатомиздат, 1993. 543 с.

54. Изоляция установок высокого напряжения: Учебник для вузов / Кучинский Г.С., Кизиветер В.Е., Пинталь Ю.С.; под общ. ред. Кучинского Г.С. М.: Энергоатомиздат, 1987. 368 с.

55. Солдатов А.В. Разработка моделей маслонаполненных вводов трансформаторов для решений задач автоматизированного проектирования и диагностики // Аавтореф. канд. дисс. Иваново. 2005. 16 с.

56. Электроразрядная модификация трансформаторных масел / Гасанов М.А. и др.. Электрическая изоляция 2002: Труды конференции. СПб.: Нестор, 2002. 384 с.

57. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: ГИФМЛ,1958. 907 с.

58. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. С.-П.: Химия, 1995.

59. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии: учебник для вузов. М.: Химия, 1982. 400 с.

60. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982. 320 с.

61. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Изд. Моск. ун-та, 1982. 348 с.

62. Черножуков Н.И., Крейн С.Э., Лосиков Б.В. Химия минеральных масел. М.: Гостоптехиздат, 1959. 274 с.

63. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область слабых полей). М.-Л.: ГИТТЛ, 1949. 500 с.

64. Тарле Г.Е. Ремонт и модернизация систем охлаждения силовых масляных трансформаторов. М.: Энергия, 1975. 192 с.

65. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1976. 616 с.

66. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Т.2. Л.: Энергия, 1967. 408 с.

67. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика. Т.6. Гидродинамика. М.: Наука, 1988.736 с.

68. Лоханин А.К., Ларин B.C., Матвеев Д.А. Инженерный метод расчёта электрической прочности главной изоляции силовых трансформаторов высокого напряжения // Электричество. 2005. № 7. С. 82-85.

69. Ламб. Гидродинамика. М.-Л.: Гостехиздат, 1947. 356 с.

70. Техника высоких напряжений / под ред. Костенко М.В. М.: Высшая школа, 1973. 528 с.

71. Силовые трансформаторы. Справочная книга / под ред. Лизунова С.Д., Ло-ханина А.К. М.: Энергоиздат, 2004. 616 с.

72. Лебедев Н.Н., Скальская И.П. Сила, действующая на проводящий шарик, помещённый в поле плоского конденсвтора // ЖТФ. Т. 32. Вып. 3. 1962. С. 375 -378.

73. Духин С.С. Электропроводность и электрокинетические свойства дисперсных систем. Киев: Изд. "Наукова думка", 1975. 248 с.

74. Степанчук К.Ф., Тиняков Н.А. Техника высоких напряжений. Минск: Высшая школа, 1982. 367 с.

75. Тарг С.М. Основные задачи теории ламинарных течений. М. Л.: ГИТТЛ, 1951. 420 с.

76. Кривов С.А. Разработка научных основ электрической сепарации по проводимости // Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н. / М.: МЭИ (ТУ), 2000. 40 с.

77. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков. М.: Химия, 1976. 432 с.

78. Техника высоких напряжений: учеб. для вузов / Богатенков И.М. и др. [под ред. Кучинского Г.С.]. СПб.: Энергоатомиздат. СПб отд-ние, 2003. 608 с.

79. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд. АН СССР, 1955. 352 с.

80. Каменчук Я. А. Отработанные нефтяные масла и их регенерация (на примере трансформаторных и индустриальных масел) // Аавтореф. канд. дисс. Томск. 2007. 23 с.

81. Объём и нормы испытаний электрооборудования / под общ. ред. Алексеева Б.А., Когана Ф.Л., Мамиконянца Л.Г. 6-е изд., с изм. и доп. М.: ЭНАС, 2007. 256 с.

82. Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков. Л.: ЛГУ, 1979. 240 с.

83. Справочник по электротехническим материалам / под ред. Корицкого и др. Т.1. М.: Энергия, 1974. 584 с.

84. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. М.: Энергия, 1968. 488 с.

85. Чорноготский В.М., Джунь Л.П. Методология выбора изоляции трансформаторного оборудования УВН переменного тока // Электро. 2009. № 4. С. 19— 25.

86. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения / Бейер М. и др.; пер. с нем.; [под ред. Ларионова В.П.]. М.: Энергоатомиздат, 1989. 555 с.

87. Теория диэлектриков / Богородицкий Н.П. и др.. М. Л.: Энергия, 1965. 344 с.

88. Гумбель Э. Статистика экстремальных значений. М.: Мир, 1965. 351 с.

89. Математическое моделирование статистических характеристик электрической прочности жидких электроизоляционных сред / Солдатов А.В. и др.. Межвуз. сб. науч. трудов "Высоковольтные техника и электротехнология". Вып. 3. ИГЭУ. Иваново, 2003. С. 47-54.

90. Skowronski J. Recherche d'une method rationelle pour measure de la rigidite di-electrique des huiles isolantes. CIGRE, 1962, 131.

91. Смирнов H.B., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука, 1965. 512 с.

92. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Физматгиз, 1964. 576 с.

93. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. 192 с.

94. Вихарев А.В., Митькин Ю.А Прогнозирование изменения электрической прочности трансформаторного масла в действующем высоковольтном оборудовании // Электротехника и прикладная математика: сб. докл. науч. семинара. Иваново, 2003. С. 85-88.

95. Вихарев А.В. Прогнозирование изменения параметров маслосодержащей изоляции силовых трансформаторов с учётом влияния уплотнительных узлов по результатам эксплуатационного мониторинга // Автореф. канд. дисс. Иваново. ИГЭУ. 2004. 24 с.

96. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 448 с.

97. Ивахненко А.Г. Долгосрочное прогнозирование и управление сложными системами. Киев.: Техшка, 1975. 312 с.

98. Морва Д.А., Першина Н.Ф., Голощапов А.Н. Система мониторинга силовых трансформаторов // Электроэнергетика. 2009. № 5. С. 52—58.

99. Макаревич JI.B., Шифрин JI.H., Алпатов М.Е. Современные тенденции в создании и диагностике силовых трансформаторов больших мощностей // Известия РАН. Энергетика. 2008. № 1. С. 45-69.