автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Разрушение внутренней высоковольтной изоляции и диагностика ее повреждений

СйШГ-^ЙАьУИС&Й ГОСУДАГСГаЕЙЫй У&ШЕГСЙЖГ

На правах рукописи -

СШЛНЧУК КЛИМЕНТИ0 ФИЛШЮБИЧ

' I

РАЗРУШЕНИЕ ЛУТРЕННЕЙ ьЮЖОоОЛЫНОЙ ИЗОЛЯЦИЙ И ДИАГНОСТИКА ЕЕ ШаРЕВДЕНИЙ

(силовые трансформаторы, генераторы с водородным охлаждением)

*.

Специальность 05.14.12 - техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Ьетербург 1993

Работа выполнена' на кафедре "Теоретические основы электротехники" Белорусской Государственной иолитехнической Акад'емии.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, академик АНБ, , I профессор ЛАБУНОЗ о.А.

' - доктор технических наук, профессор СП6Г1У Г.С.Кучинский. - доктор технических наук, профессор ИЗУ 3,А.Савельев.

ведущая организация - Белорусский государственный проектно-

изыскательский и научно-исследовательский институт Ьелэнергосетьпроекг, г.Минск, РБ.

Защита состоится / июня 1993 г. в 14°° часов в ауд. ЗГ5 Главного здания на заседании специализированного Совета Д 063.За.01 Санкт-Ьетербургского государственного''технического университета (195?51, Санкт-Ьегербург, ул. 1юлитехническая, ?9),

Отзывы на автореферат в двух- экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан " ¿Г " МАЯ 1993 г

Ученый секретарь специализированного .совета, к.т;н., доцент

.а.в.Кантан

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Перспектива развития народного хозяйства республики и содружества немыслима без устойчивой и надежной работы энергосистем, без дальнейшего роста потребления электрической энергии, т.е. без дальнейшего технического совершенствования всего комплекса енергетического оборудования и его эксплуатации.

Положение осложняется старением имеющегося парка машин и агрегатов, которые в значительной степени выработали сбой ресуро, но замену которых трудно осуществить в современных условиях. Поэтому особую остроту приобретает проблема раннего обнаружения развивающихся дефектов в изоляции, т.е. диагностики и профилактики повреждений с целью предупреждения неожиданных отказов и аварий.

Основной экспериментальный и теоретический материал диссертации посвящен диагностике развивающихся повреждений в изоляции силовых трансформаторов и генераторов о водородным охлаждением методами хроматографического анализа газов (ХАГ) выделяющихся при разрушении изоляции.

Главные теоретические и практические задачи, которые решались при этом:

1) определение качественной и количественной связи между характером и степенью развития повреждения и выделяющимися газами;

2) рационализация методов ХАГ для целей диагностики;

3)' установление предельных норм концентрации и состава примесных газов для обнаружения и оценки повреждения;

4) выяснение динамики концентрации примесных газов в масле и газовых объемах трансформаторов и генераторов в зависимости

от характера развивающегося повреждения и внутреннего и внешнего газообмена;

5) периодичность анализов, диагностические карты, стратегии и программы.

Все перечисленные задачи взаимосвязаны, решение их является условием роста эксплуатационной надежности энергооборудсвания, предупреждения аварий и связанных с ними потерь.

Второй круг задач, который рассматривается в работе, относится к проблемам рационального конструирования и испытаний высоковольтной изоляции.

Автором ставится и решется задача на основе единого энергетического механизма развития повреждения разработать методы рас-

чета и предложить формулы, которые бы позволили 1 ¡1. минимальном объеме экспериментальных данных, полученных в результате рационально спланированных опытов, прогнозировать электрическую прочность конкретных; изоляционных конструкцл!{ при изменении структурных параметров и видов воздействия.

Опыт испытаний и статистика повреждений изоляции показывают, что существуйте метода расчета и проектирования внутренней изоляции еще нуждаются в совершенствовании и вопросы рационального расчета, испытаний и контроля состояния внутренней изоляции остаются крупными научно-техническими прблемаыи, имеющими важное народнохозяйственное значение.

Актуальность темы исследований подтверждается и тем, что работы, выполненные под руководством ыш с участием автора по расчету комбинированных изоляционных систем трансформаторов к по диагностике повреждений э изоляции трансформаторов и генераторов включались в координационные планы Госкомитета по науке и технике Совмина СССР, в планы Минэнерго СССР в 19оС-196о гг., Белглав-внерго в 1971-1985 гг., в планы важнейших научно-исследовательских работ Совмина БССР в 1984-1938 гг. Работы проводились по хозяйственным договорам с Ъ'едглавэнерго, ШМЮ, луколкьской ГРЭС, по госбюджетнок тематике Минвуза Г/ССР. Работы выполнялись 'в тесном сотрудничестве со всеми белорусскими энергосистемами, Лукомль-ской ГРЭС, ВШИЭ, ВИТ, АН БССР.

' Все изложенное характеризует выбранное направление исследований как актуальное.

Оон'овные положения работы. В диссертации предложены, обоснованы и выносятся на защиту следующие основные положения, вытека&щие из решения задач исследования:

собственные методики и результаты выполнения ХАТ, критерии оценок и нормы, а также периодичность и стратегию проведения диагностики силовых трансформаторов и генераторов с водородным охлаждением методами ХАГ;

уравнения внешнего и внутреннего'газообмена к их решения для целей диагностики повреждений в силовых трансформаторах и генераторах с водородным охлаждением методами ХАГ;

модели общей и локальной деградации с расчетом промежуточных состояний и выделения продуктов распада для оценки концентрации и накопления примесей и диагностики методами ХАГ;

обобщенные пространственно-временные уравнения разрушения к их конкретные решения, определяющие зависимость электрической

прочности от геометрических и структурных характеристик комбинированной масло-твердой изоляции при разных видах электрических воздействии; методы планирования и постановки опытов, а также расчетные соотношения для рационального поиска исходных данных, необходимых для прогнозирования прочности изоляции и пространственных и временных зависимостей.

Достоверность результатов проведенных исследований. Достоверность методик, критериев, норм и периодичности диагностики изоляции силовых трансформаторов и генераторов о водородным охлаждением о применением ХАГ, разработанных и рекомендованных в работе, основывается на эффективности результатов внедрения в практику энерго-оиотем РБ и СНГ. Достоверность расчетных формул для прогнозирования электрической прочности и вольтвременных зависимостей мао-ло-твердых изоляционных структур в детерминированных и статистических вариантах подтверждаются сравнением полученных конкретных решений и результатов с опытными зависимостями и аппроксимациями, полученными другими исследователями и экспериментальными результатами автора.

Научная новизна результатов работы. Конкретные результаты лабораторных опытов и практических реализаций диагностических ХАГ, проведенных и обобщенных в процессе выполнения настоящей работы, предотавляют.необходимый оригинальный материал для выработки и уточнения критериев, норм и периодичности диагностики изоляции силовых трансформаторов и генераторов с водородным охлаждением методами хроматографическо-го анализа продуктов разложения. Анализ промежуточных состояний в процессе общей или локальной деградации изоляции и решения уравнений газообмена во внутренних системах трансформаторов и генераторов при развитии повреждения в изоляции составляют собственную теоретическую основу для практических задач диагностики' методами ХАГ.

Универсальный подход к расчету прочности изоляционных мао-ло-твердых структур, разработанный в диссертации позволяет прогнозировать электрическую прочность при кратко-временных и длительных воздействиях напряжения. Получены раочетные формулы и обоснованы методы рационального планирования и постановки минимума опытов для получения исходных данных для такого прогнозирования.

Статистический анализ, проведенный в работе тесно связан с предложенными детерминированными моделями процесса разрушения изоляши и поэтому приводит к новым, нетрадиционна формулам и зависимостям. |

Практическая ценность. Полученные зако-ншерности выделения продуктов распада при общей или местной деградации под действием частичных разрядов (ЧР) и температуры, а также динамики накопления примесей с учетом внешнего и внутреннего газообмена позволили теоретически и экспериментально обосновать и опытно подтвердить предложенные автором критерии, нормы и периодичность диагностики силовых трансформаторов и генераторов методами ХАГ и внедрить их в практику энергосистем РБ.

Предложены конкретные расчетные формулы и решения, которые позволяют прогнозировать электрическую прочность реальных масло-твердых структур главной и продольной изоляции силовых трансформаторов и изоляции других маслонаполненных аппаратов. Зависимость характеристик изоляции от качества масла, технологии изготовления и других конкретных условий требует трудных экспериментальных подтверждений расчетных прогнозов даже для простых типовых структур. Поэтому в работе значительное место уделено рационализации планирования и постановки кратковременных и длительных испытаний и предложены конкретные методы испытаний в де-.терминированном и статистическом вариантах, обеспечивающие минимум затрат для получения прогнозирующих решений.

Реализация работы. Выполненные под руководством и'при непосредственном участии автора хоздоговорные и госбюджетные работы, зарегистрированные во ВНГЛ и материалы соответствующих публикаций передавались по запросам научно-исследовательским и производственным организациям и предприятиям: ВНИИЭ, ВИТ, ВолгограДэнерго, Горкоэнерго, Иркутскэнерго, КуСбышевэнер-го, Саратовэнерго, Свердловскэнерго, Сахалинэнерго, Узбекэнерго, КиришскоЙ ГРЭС-19,. Лукомльской ГРЭС, всем_ энергосистемам РБ и др.

Результаты работы по диагностике изоляции трансформаторов методами ХАГ использовались при разработке • союзного РТ.Л, передавались СЭВ, МЖ, отражены .в ведомственных инструкциях энергопредприятий РБ.

В результате внедрения, разработанных методов диагностики трансформаторов только в энергосистемах и энергопредприятиях республики выявлены десятки потенциально опасных дефектов в крупных силовых трансформаторах 110-330 кВ, в том числе непосредст-

венно автором работы выявлены повреждения и предупреждены аварии трех блочных трансформаторов 400 ¿Ш.А, 330 кВ Лукомльской ГРЭС. Эффективность внедрения работы па энергопредприятиях республики и страны подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались в 1970-91 гг. на 5 всесоюзных научно-технических совещаниях и семинарах (шосква, Харьков, Запорожье, Свердловск); на 4 республиканских конференциях и совещаниях (.Линек, Гомель, Новолуксмль) ; научных семинарах факультета электроэнергетики Манчестерского университета (1970 г.); национальной технической конференции РП (Белосток, 1991); технических семинарах и совещаниях Белглавэнерго (Линек, 1974-92 гг.); кафедрах ТЗН Ивановского энергетического института и Киевского политехнического института (1975 и 1981 гг.); ежегодных итоговых научно-технических конференциях ЕПИ (.Линек, 1972-1992 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 работ, в том числе печатных 36, из которых 30 в центральных журналах. Материалы диссертации частично отражены в учебном пособии по курсу "Техника высоких напряжений", написанном в соавторстве с H.A. Тиняковым (.,'инск, 1982 г., 23,3 п.л.) [l8] . Одна работа опубликована в зарубежном издании (3lJ .

Структура и объем работы. Диссертация включает основной материал, состоящий из предисловия, введения, четырех глав и заключения, изложенный на 175 страницах машинописного текста, 40 рисунков, 16 таблиц, списка использованных литературных источников и оригинальных публикаций, включающих 165 наименований, а также 4-х приложений на 100 страницах. Общий объем работы составляет 296 страниц.

I. Выделение и накопление продуктов разрушения изоляции силовых трансформаторов и диагностика их повреждений методами ХАГ

Работы по применению методов ХАГ для оценки состояния изоляции силовых трансформаторов и диагностика развивающихся повреждений выполнялись автором в сотрудничестве с группой исследователей ЕПИ (Г.С.Климозич, А.С.Красько, И.В.Ячейко), ВЖЙЭ (М.И.Смирнов), Луксмльской ГРЭС (В.В.Герасимов), энергосистем-ми ЕССР с качала 70-х годов. В этих работах последовательно решались научные и прикладные вопросы диагностики повреждений изо-

ляции трансформаторов и генераторов с помощью ХАГ. Уточнялись количественные и качественные характеристики газошделения при разложении изоляции под действием 4?, дуги и нагрева 13, 17] , разрабатывалась:методика отбора проб, извлечения и анализа примесных газов в эксплуатационных условиях £12, 13] , проводилась исследования по разработке и внедрению методов экспресс-анализа и оперативной оценки наличия развивающегося повреждения в трансформаторе путем контроля концентрации горючих компонентов в газовом пространстве над маслом [и] . Целенаправленно накапливался опыт конкретных результатов ХАГ в энергосистемах ШСР, Союза, в лаборатории ХАГ Лукомльской ГРЗС. Уточнялись предельные концентрации, диагностические схемы и критерии оценю: 13] . С середины 80-х гг. до настоящего времени работа по диагностике путем анализа продуктов распада акцентировалась на возможностях ХАГ в приложении к турбогенераторам с водородным схлаязением £17, 19, 23, 29] . Параллельно выполнялись теоретические исследования по динамике газовыделения при различных вариантах развития повреждения {27, 28] и решались задачи соответствующего изменения концентрации примесных газов в масле к газовых объемах трансформаторов [34] .

В установившемся режиме исправного трансфор;латора имеется некоторый относительно стабильный или медленно карветавдгй у юн растворенных в масле газов и тазов в буферных газовых объемах. Возможный состав и изменение этого фона зависит от т/па, условий и времени эксплуатации трансформатора. Если в трансформаторе наблюдается аномальное развитие процесса, то результаты лвбого анализа газов, растворенных в. масле или взятых из газового объема, связаны с характером, степенью развития и местом расположения дефекта, выделяющего газ.

Для выявления указанной связи были выполнены многочисленные опыты, проведены анализ и систематизация результатов г;о количеству и составу газов и удельны.! характеристикам процесса газовыделения при ЧР разной интенсивности и перегревах в масло-твердых структурах силовых трансформаторов. Методика постановки опытов и проведения ХАГ проб масла с применением многосбз-емных спркцев, разработанная и апробированная в лаборатории Т^и ¿Ли, получила широкое распространение в практике энергосистем Ъелорусскп и доказала свою надежность и достаточную точность 12, 1з]. .

Систематизация и анализ данных, полученных в основном для системы игла-масло-картон выражаются в следующих,основных резуль-

татахГз, 131 . Пик воздействии в течение нескольких часов ЧР

тт 9

с интенсивностью ^ < 10" Кл, 1ср = 10-10 А признаков изменения картона нет. Хроматографический анализ обнаруживает вы-, деление Н2 и СН4, СН4/Й = С,1-0,3; /жИГ4 ил/В*.

тп л п «

При ЧР с Кл, 10р = 10" А наблюдается слабое све-

чение у иглы. После воздействия ЧР в течение 2-3 ч - побеление картона под иглой, которое исчезает после снятия напряжения. Выделяются Н2, СН4 и С02; СН4<Н2, Ю-3 мя/Дж.

Усиление ЧР до ^ = Ю^-Ю-8 Кл, 1ор = Ю^-Ю-6 А сопровождается искрением и выделением газа в виде пузырьков. Примерный расчет по фотографиям (стробоскопическая съемка) показывает, что образуется Ю2-1Сг пузырьков в секунду диаметром 0,1-0,3,ш, что соответствует у = М-4-10""^ мл/дж. Эта величина согласуется о результатами анализа газов для соответствующих режимов опытов. Выделяются Н2, СН4, С^, С^ и С02, С^ ' С^, С^ССЯ^,

У'« Ю-3 мл/Дж. Воздействие таких ЧР в течение минут приводит к побелениа и вспуханию картона, расслоению его вследствие вытеснения масла газом и затем обугливанию с образованием кратера. Таким образом, проведенные опыты показывают, что частичные разряды с ^,£10 Кл недопустимы в трансформаторах, далее при испытаниях, так как приводят к интенсивному газовыделению и быстрому разрушению целлюлозы.

Мощные ЧР (^»Ю-7 Кл, 1ср» Ю-6 А) в масле сопровождаются стримерным искрением с образованием сравнительно крупных, диаметром 1-1,5 мм пузырьков. Масло разлагается с образованием Н2, СН^, С^, С^Н^, С^ к С02. При этом много выделяется С^^;

' 9

мл/Дд, т.е. почти на порядок больше, чем при ^ = Ю- Кл.

Дополнительные теоретические и экспериментальные исследования зарождения, движения и растворения газовых пузырьков в трансформаторном масле в электрическом поле [з, 4, э] , показали, что образующиеся при ЧР малой- интенсивности М Кл) мелкие пузырьки {({ $ Ю^-КГ6 м), двигаясь в масле, растворяются за несколько секунд вблизи места рождения. Крупные пузырьки Ю-3 м), возникающие, например, при ЧР с Кл, растворя-

ются в насыщенном газом масле медленно (десятки минут) и могут достигать газовых объемов расширителя, изменяя процесс газообмена в системе.

Результаты проведенных исследований определили конкретную ('азу для обоснования критериев оценки характера и степени опас-

- у -

лости развивающегося дефекта в виде ЧР различной интенсивности. Эти критерии основываются на составе выделяющихся газов и соотношения их компонентов.

В итоге многолетнего опыта и обобщения ХАГ проб масла (до 1000 проб) из трансформаторов Лукомльской ГРЭС и других объектов РБ и страны выполненных непосредственно автором и другими исследователями с применением дегазации пробы в многообменном шприце бшш сделаны следующие выводы [12, 13, 34] :

1) в исправных трансформаторах с азотной защитой количество растворенных в масле газов, как правило, не превышает ($): Н^ -0,002; СН4- 0,01; С^ - 0,03; С^ - 0,01; C¿L¿ - О,СОХ;

2) возникновение и развитие дефекта, связанного'с местным перегревом и частичными разрядами в изоляции, приводит к появлению в масле Н2 до 0,01-0,04; СН4 - 0,03-0,0?; - 0,1-0,3; С^з - 0,01-0,02 %\

3) при развитии дефекта в течение некоторого времени наблюдается рост содержания в масле растворенных СН4, С^, и Н^, затем наступает стабилизация, а в дальнейшем возможно даже некоторое снижение количества указанных газов;

4) обоснованы и внедрены в практику белорусских энергспред-приятий рекомендации по "тревожным" и аварийны нормам состава, количества, соотаоиений и динамике примесных прогнозирующих газов, описаны характерные случаи повреждений в блочных трансформаторах 400 МВ.А, 330 кВ, выявленных методами ХАГ при выполнении данной работы.

Так как дискретный контроль методами ХАГ требует времени, высокой технической базы и квалификации персонала, в дополнение к диагностике методами ХАГ были разработаны методы дискретного экспресс-контроля по количеству горючих газов ь газовой подушке трансформаторов. Обоснованы необходимая чувствительность, способы градуировки приборов, нормы и периодичность экспресс-контроля. В качестве измерительного устройства необходимы газоанализаторы или датчики с чувствительностью 0,01 % горючих газов по объему. Проверена и подтверждена возможность применения серийных газоанализаторов типа ПГО. Опыт применения экспресс-контроля блочных трансформаторов Лукомльской ГРЭС с применением серийных приборов ПГО доказал его простоту и эффективность, обнаружены повреждения в двух трансформаторах [п] .

Метод контроля горючих газов, как оперативник к отвечающий требованиям эксплуатации, рекомендуется для внедрения в практику диагностики в качестве экспресс-контроля трансформаторов "на

- *о -

подозрении" и промежуточного контроля в дополнение к подробному обследованию методагш ХАГ. За критерий оценки состояния изоляции можно принять следующие даннке для трансформаторов с азотной за-щатой: "исправный" фон - с % £ 0,5; "на подозрении" - 0,5-1 %\ необходим подробный ХАГ проб масла для выявления характера повреждения - I % и более.

Концентрация и динамика концентрации примесных газов в мае-, ле силовых трансформаторов зависят от объема системы, внешнего газообмена, наличия и характера развивающегося дефекта, времени эксплуатации и т.д. В работе рассмотрены модели процесса измерения' концентрации примесных газов в масляном и газовом объемах трансформаторов со свободным дыханием, азотной защитой или полностью герметиризованных. Для соответствующих вариантов составлены и решены дифференциальные уравнения газового баланса о учетом возможных характерных случаев развития повреждений {27, 28] и особенностей внешнего и внутреннего газообмена [34] , и установлены закономерности изменения концентрации примесных газов о ( а ) и ёс/йй .

Например, для системы с объемом масла \/м

где 0<, , С« - скорость и концентрация газовыделения от развивающегося дефекта; О/т.», С„н. - усредненная скорость и концентрация примеси, поступающей при подпитке системы свежим маслом; С0- начальная концентрация примеси.

Подобные решения получены и для систем с азотной защитой и свободным дыханием с учетом реальных условий работающих конкретных трансформаторов и закономерностей газовыделения и газообмена при разных вариантах развития повреждения. На рис. I дан ряд' расчетных кривых для С(£) при газовыделении от локального источника.

В системах с азотной защитой и свободным дыханием при допустимом уровне ЧР ( ^^ 10-Ю ^ расчетные установившиеся значения концентрации углеводородов лежат в пределах что сог-

ласуется с эксплуатационным опитом применения ХАГ. При росте интенсивности ЧР до £ ^ Ю^-Ю-^ Кл расчетные концентрации увеличиваются до 5.10-2-10""* % и более, что также соответствует опыту обнаружения повреждений в трансформаторах методам ХАГ [II,12^.

Рио. I. Изменение концентрации растворенного в масле газа при газовыделении от локального источника. Кривые I, 2, 3, 4 - для герметизированной системе <&> -

Ю-9; 1СГ8; 5.10 , 10~7 м3/о и - соответственно . - 0,1; 0,05; 0,'02; 0,02, 100 м3. Кривые 1а и 1° рассчитаны для вариантов бия-Ои при условии ( Ь = I мес) = ¿>-«1 6-1 мес) =

= 10~9 м3/с; Са = 0,1. Кривые 1'и 4'(азотная защита).и кривые I" и 4* (свободное дыхание) рассчитаны для значений I; 4 с учётом внешнего и внутреннего газообмена.

_ гг -

Время до достижения установившихся (фоновых) значений концентрации примесных газов в исправных трансформаторах составляет несколько лет. При интенсивных ЧР расчетное время роста концентрации от фонового до установившегося (или неустановившегося) аномального значения концентрации (на порядок большего фонового) составляет от одного до нескольких месяцев.

Для ответственных трансформаторов'на основании теоретических исследовании и с учетом многолетнего опыта применения ХАГ рекомендуется плановая периодичность дискретного ХАГ - I раз в 3 месяца; экспресс-анализ концентрации горючих компонентов в пространстве над маслом - I раз в месяц. Для трансформаторов "на подозрении" контроль должен быть усилен в 2-3 раза¡34] .

2. Применение методов ХАГ для диагностики развивающихся повреждений в изоляции генераторов

Применительно к генераторам использование методов ХАГ для диагностики развивающихся повреждений в электрической изоляции осложняется. Первая трудность - меньшие фоновые концентрации примесных газов в исправных генераторах, что требует изучения процессов при заметном увеличении чувствительности ХАГ (до 1СГ®-

% по объему), чему и было уделено значительное внимание при выполнении данной работы. Второе затруднение - быстрая и не всегда предвиденная ротация водорода в системе охлаждения, что затрудняет непрерывное накопление примесных газов в охлаждающем водороде при развитии повреждения и требует учета динамики газообмена в реальных условиях работы генератора. Поэтому решение задач динамики концентрации примесных газов - необходимое условие использования ХАГ для диагностики повреждений изоляции генератора.

Теоретический анализ моделей динамики газовыделения и газообмена, практический опыт применения ХАГ для диагностики повреждений в реальных генераторах, обоснование оценчных норм и периодичности анализов методами ХАГ, изложенные в работе, следует рассматривать как вклад в большую и еще не решенную до конца проблему оперативной диагностики состояния крупных турбогене- ' раторов. Новые разработки комплексного многофакторного контроля с применением ЭВ<! не могут обойтись без решения излаженных задач и должны включать эти решения как необходимые элементы диагностических систем и программ.

Внедрению методов ХАГ для диагностики повреждений реальных генераторов предшествовала работа по разложению образцов мика-лентной изоляции и изоляции "слюдотерм" под действием температуры и ЧР проведена! в лаборатории ТВН БГИ в 8С-х годах [17] . Определен опектр'газов и количественные характеристики газовыделения при тепловом воздействии и воздействии ЧР на образцы мика-лентной изоляции и изоляции "слюдотерм".

Воздействие ЧР слабой интенсивности Ю-10 Кл) в водородной ореде медленно разлагает микалентную изоляцию с выделением СО2 и незначительных количеств СН4 при/ ~ мл/Дж. При возрастании интенсивности ЧР до £ = 10_3-10~а Кл выделение СО2 и СН4 увеличивается и появляются другие предельные и непредельные углеводороды, /»10мл/Дж. При росте ЧР до интенсивности частичных дужек'( ^Ю"6 Кл, 1Ср« Ю-2 А) микалентная изоляция в водородной ореде загорается и вся пропитывающая масса выгорает за несколько секунд. В среде гелия и воздуха дуговое воздействие не вызывает воспламенения микалент-ной изоляции.

Воздействие ЧР на изоляцию "слюдотерм" приводит к такому же характеру газовыделения, как и в опытах с микалентноп изоляцией, однако при дуговом воздействии термореактивная изоляция в водородной среде не воспламеняется.

. Для увеличения чувствительности ХАГ по отношению к примесным газам в водороде' системы охлаждения генератора выполнены опыты по использованию специальных угольных накопителей и внедрению методов'ХАГ с пламенно-ионизационным детектором (Д1П) [19] . Доказано, что применение ХАГ с ДКП, обеспечивающим чувствительность анализа примесных углеводородом Ю-0 % по объему, позволяет определить фоновые концентрации примесных углеводородов в водороде исправных генераторов. Чувствительность ;:АГ повышает-оя до 10~®-10-7 % при использовании-пробоотборников-накопителей, заполненных активированным углем.

В итоге многолетнего опыта применения ХАГ [19, 23] были установлены ^зледующие фоновые концентрации примесных газов в^водо-роде иоправных генераторов: СН4 - 1СГ5-о.1С-4 %, С^ - Ю^-Ю-4 %■; - 10~^-5.10-^ %. Устойчивое увеличение концентрации относительно фоновой надежно, таксируется предлагаемыми и апробированными В работе методами ХАГ и должно свидетельствовать, о появлении развивающегося повреждения в изоляции генератора. Для

градуировки методов ХАГ о ДШ и пробоотборниками - накопителями и определения закономерностей динамики концентрации примесных газов в водороде работающих генераторов были проведены сложные опыты по впуску в систему охлаждения действующего генератора • чистых примесей (СН4, С^, С^д) с последующим дискретным контролем в течение нескольких недель. Полученные зависимости и с/С(1)/# являются исходным материалом для обоснования норм и периодичности диагностики [23, 29, 30] , |

Опыты по градуировке и выявлению зависимостей до-

полнены теоретическим анализом моделей процесса изменения концентрации примесных газов в охлаждающем водороде (рис. 2) при разных вариантах развития повреждения и закономерностях газовы-деяения.

Решения основного уравнения газового баланса для контролируемой примеси

V/¿С*0«Сй1Ц+0»С,<Ц~(6*+&,)сеЦ; (2)

выполненные для характерных закономерностей &&)*/(*) [г3, 28, 29] приводят к соотношениям позволяющим оценить контролируеше параметры С и с{с/при возможных вариантах развития процесса разрушения, т.е. при заданных ^ ) и £"«( ).

Например, при Сч=Со/)Ц , О* = Со/?з£

о)

Собтветствующие формулы получены и для зависимостей 0и=0Яо~6 ; Фо-¿Рис~Ь£ ; О* - [2®]' Конкретные численные расчеты

[23, 29, 30] , варианты которых приведены на рис. 2 дополнялись испытаниями на физических моделях в лаборатории ТВН ЕЛИ й пусками чистых газов в систему охлаждения генераторов Лукомльской ГРЭС - рис. 3 [19] .

В результате теоретического анализа моделей процесса, лабораторных исследований и опыта ХАГ действующих генераторов, получено:

1. Несмотря на наличие постоянных утечек водорода работающих генераторов, концентрация примесных газов при развивающемся пов--реждении изоляции может заметно (на один-два порядка) возрастать.

2. Динамика изменения концентрации примесей зависит от закона развития повреждения, т.е. от характера и степени разрушения.

а

80 100 Ъ сутки

Рио. 2. Модель процесса (<5?) и динамика концентрации (б) примесных газов в системе водородного охлаждения генератора при различных закономерностях газовыделения. Кривая I - С1«(ь) - в* Ь ; 2, 3■г 4, 5 - ¿1 ; - скорость внешней

и внутренней подпитки. С„, ¿V - соответствующие • концентрации примеси

(/00%)

,тЗ

0,510

10 -10'

.2 О/

— ~—>"

Рис. 3. Изменение концентрации примесного газа в процентах ■ от максимальной, измеренной в момент запуска пробы в генератор 2 (кривая I) и 8 (кривая 2)

При постоянной скорости процесса концентрация примеси нарастает с замедлением и достигает установившейся значения за 3-4 Т, где Т определяется условия.™ работы конкретного генератора и составляет, по предварительным оценкам, от нескольких суток до 2-3 недель. При росте газовыделения во времени, что соответствует поверхностному или объемному расширению зоны локального разрушения, нарастание концентрации будет проходить с1 ускорением, сравнительно быстро достигал аномальных значений.:

3. Устойчивое увеличение концентрации углеводородов выше фоновой, надежно фиксируется предполагаемой методикой и может свидетельствовать о появлении повреждения в генераторе.

Для обоснования периодичности дискретного контроля по параметру c¿ ( t ) был выполнен статистический анализ фоновых концентраций С„ метана, этилена, этана в действующих генераторах (до 5Q-I00 проб) с оценкой £></> и .Анализ проводился для отдельных генераторов (наблюдения за 10 и более лет) и однотипных машин. На рис. 4 приведены кривые F{c$c¡) для машины с микалентной изоляцией. Например, для одного из вариантов получено метан - Ссср = 0,27.10"6; = 0.45.I0-6; этилен соответственно - 1,3.1o"6; 1,7.1o"6; этан - 0,47.IO"6; 0.76.I0"6.

Проанализированы также статистические оценки и С* результатов лабораторных опытов по локальному разложению образцов микалентной изоляции и изоляции "слюдотерм" в водородной среде под действием ЧР значительной интенсивности ( <f- = Кл,

50-60 образцов). Даны оценки значений fiue.cp (мл/час), Л<? приведенные к Си = I: метан - Оио-ср »0,56; 0,89; эти-

лен - соответственно 0,63 и 0,67; этан - 0,96 и 0,17. Разработана методика оценки периодичности контроля и критериев состояния по уровню прогнозирующего параметра [30J в границах поля допуска (рис. 5) при разных вариантах развития повреждения э изоляции реального генератора. Как видно из рис, 5 при использовании в качестве прогнозирующего газа метана периодичность планового контроля ( ¿км) для расчетного варианта должна бить не pese одного раза в месяц, а "тревожные" анализы ( ¿ км) при достижении C(i)=Cocp + 35'ce = Coma* и дальнейшем росте должны ■ выполняться часто - раз в неделю и чаще. Для этилена сроки возрастают в 3-4 раза, для этана - почти на порядок.

Таким образом, метан является более "информатив;сг/1" газом, но частота дискретного контроля должна быть весьма высокой. 'Аз этого следует задача максимального упрощения техники проведения

- 17 -

0,75 0,50 0/5

\\ ...............

1

цог о,/ 10 /0.0 Рио. 4. Экспериментальная 'зависимость Р{Сгенератора с микалентной изоляцией (данные за 1Ь лет, наблюдений)

J 4 час х 10'

Рио. 5. Оценка времени проведения профилактического контроля по концентрации и скорости изменения концентрации прогнозирующего газа,_этилен, _метан

анализов и необходимость поиска способов непрерывного контроля прогнозирующего параметра.

3. Динамика выделения продуктов разложения

Динамика выделения и накопления продуктов разложения под действием электрического поля, например частичных разрядов з масло-твердых структурах, зависит от напряженности электрического поля и объема вовлеченного в процесс материала. Чтобы по концентрации и составу продуктов разложения судить о степени и ха-рактерб возможного повреждения, необходимо изучить к оценить наиболее характерные случаи возникновения и развития процесса. В работе (глава 3) рассмотрены типичные варианты общего разложения (газовкделения) в объеме и варианты местного развития процесса при наличии границ.

При медленном разложении материала в объеме, например под воздействием слабых частичных разрядов, темп газовыделения будет пропорционален удельной мощности ЧР и зависеть только от основной причины (напряженности поля Е) ( Рчр=.АЕ"' ), оставаясь стабильным во времени при неизменной напряженности. Это утверждение соответствует развитию процесса для линейной кумулятивной модели разрушения fio, 1б] . Однако здесь абстрактное "разрушение" наполяется ощутимым содержанием - выделением продукта такого разрушения, газовыделением, которое может служить мерой самого процесса разрушения. Поэтому, в соответствии о условиями и обЬзначениями принятыми, например в [10, 27] , можно записать

где Хгуд - удельная скорость газовыделения, отнесенная к 'едини^ це объема; Ущд - объем газа выделяющегося при полном разложении единицы объема; Е - напряженность.поля; у - часть уже разрушившегося материала от общего ресурса равного единице.

При с =Соп££ \\ неизменном механизме процесса (Л и щ -постоянны) кз (3) следуют известные сюпмулы:

где У - суммарный объем; Уг.кр - критический объем выдели, шегося газа соответствующий, например, насыщению газом дегазнр-ванного и герметизированного объема изолирующей жидкости масло

(4)

наполненного аппарата.

В системах с неоднородным нолем для оценки суммарного аффекта скорости газовыделения необходимо привести интегрирование по объему: |

> (5)

1 V

Примеры интегрирования (5), выполненные и приведенные в работе, показывает, что в пределах постоянства/77 и А по результатам полученным для данного образца при напряжении ¿^ можно осуществить пересчет от на для подобшк пространственных систем при напряжении С/(' ; выведены формулы дня такого пересчета [27] .

Таким образом для аддитивного кумулятивного механизма разложения изоляции по (4), (5) можно оценить газовыделение в объеме при известных функциях распределения поля и характере воздействий. В общем случае открытых систем стабильны;; процесс га-зовыделешш приводит к стабильному газосодор;::аншо но контролируемым компонентам, т.е. к некоторому эксплуатационному "фону" примесных газов, неожиданное и заметное отступление от которого является признаком аномального, как правило, местного разрушения.

В начальной отадии местного разрушения, когда характер и напряженность поля на границе зоны разрушения заметно не меняются скорость гаэовыделения нарастает во времени, т.к. увеличивается линия или площадь границы. В работе выведены формулы [28] для оценки динамики нарастающего разрушения и газовццеления при типичных случаях раззития процесса и условии (4). Для границы в виде линейно расширяющейся окружности: ¿Сп-ВЕ Ь ; Для процесса по площади сферы (полусферы): = • Воз-

можен также вариант развития с перемещением плоско!; границы параллельно оебе: ВЕт • Перечисленные варианты устанавливают связь динамики газовыделения с возможными геометрическими формами зоны разрушения.

При значительном развитии повреждения электрическое поле у границы разрушенной зоны и в оставшейся неразрушенной части будет изменяться. Налример, в плоской системе, когда процесс про-кает в соответствии с уравнением (4), при условии ско-

рость гаэовыделения нарастает по соотношениям: _

-Х-

Численные примеры, выполненные для конкретных исходных опытных данных в плоской и цилиндрической системах [28] , выявляют характер связей мекду темпом газовыделения, объемом выделившегося примесного газа и видом и степенью развития повреждения и попользуются в конкретных расчетах для обоснования критериев и норе диагностики повреждений изоляции трансформаторов и генераторов методами ХАГ приведенных в главах I и 2.

4. Разрушение изоляции при кратковременных и длительных воздействиях

При планировании и выполнении данной части работы ставились и решались следующие задачи:

создание и анализ общей пространственно-временной модели развития повреждения при интенсивных кратковрёменных электрических воздействиях [21, 25, 26] ;

теоретическое обоснование пространственных и временных зависимостей- вида ипр—^(5) , применительно к реальным изоляционным конструкциям, прежде всего к масляным промежуткам и масло-твердым системам высоковольтных силовых трансформаторов [I, 3, 5, 20-22, 24, 31, 33] ;

разработка методов планирования опытов для оценки кратковременной прочности и вольт-временных характеристик изоляционных образцов и моделей с целью прогнозирования прочности реальных масло-твердых конструкций [25, 26] ;

исследование кумулятивных моделей медленного разрушения масло-твердой изоляции с целью сравнения испытаний, их планирования и анализа для прогнозирования длительной прочности и времени жизни изоляции при различных видах воздействия [ю, 14-16];

изучение ряда статистических закономерностей, вытекающих .и тесно связанных с рассмотренными детерминированными характеристиками процессов пробоя и старения [б, 7, 32] ; ■

Модель процесса разрушения. Много-»-образие теорий пробоя жидкостей и жидко-твердых структур, приближенный, качественный характер большинства из них отражают объективную сложность взаимодействия электрического поля о жидкими и твердым диэлектриками. Остаются нерешенными задачи сознательного согласования практически ценных эмпирических соотношении и зависимостей с теоретическими представлениями о механизмах пробоя и разрушения жидких и комбинированных структур.

Опытные факты и почти все теории пробоя объединяет то, что процесс пробоя жидкостей и комбинированных конструкций протекает в пространстве и времени и .носит характер прогрессирующего накопления разрушения. Такой процесс требует энергетических затрат. Нарушение структуры вещества на атомно-молекулярном уровне вызывается притоком энергии извне и энергетическим состоянием системы. Прогрессирующий характер развития разрушения определяет теснуи овязь между пространственнши и временными

(//ра^(т) характеристиками изоляции. При интенсивных кратковременных воздействиях напряжения процесс лавинообразно нара-отшощего разрушения, протекая во.времени, характеризуется и своим проотранственным развитием, пространственными параметрами. В общем случае это может быть электронная лавина, стримерный канал, дендрид или прогар в твердом диэлектрике и т.д.

На рио. 6 приведены основные обозначения общймодели процесса повреждения при воздействии на промежуток напряжения (/ . Процесо в трехмерном пространстве определяется степенью развития , у и пространственной координатой 5

Примем, что .пространственный темп развития повреждения пропорционален повреждению у в степени п , т.е.

где Х(Е) - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметра воздействия, например от-средней напряженности поля Е=(//3. При ¡/0 / и /7>0 процесс развивается с ускорением, т.е. разрушение лавинообразно нарастает, стремясь от начального ооотояния </о к конечному критическому пределу У* . В соответствии о условиями нормировки, при полном разрушении >¿=1, 5ггЛс=1 2 .

Пробой промежутков. Если в общем случае начало процесса пробоя овязано с первоначальным дефектом у0 и некоторой напряженностью £0 , а темп развития повреждения выражается уравнением

Мо, (8)

475

где /77 - степень зависимости процесса от превышения средней действующей напряженности в промежутке 2 над некоторой пороговой Е0;- А - коэффициент согласования.

Запись (8) отражает два объективных факта: степенную зависимость темпа развития процесса от средней напряженности поля Е; . . /

существование начальной напряженности Е0, при которой и ниже которой процесс пробоя при данных условиях не развивается.

Интегрируя ($) от до у = I и от 5 = 0 до 5\' при ПтЫ и полу тал выражение дня пробивной напряженности

в образце:

с г .[ /-

ЪЫП-ОУ«-' ] •

(9)

Начальное состояние конкретного образца у0( и индивидуальность его свойств ( ^ , £в{ ) определяют разброс значений • в характеристике Ег>р= • При; испытании подобных конст-

рукций и одинаковом механизме разряда и идентичных начальных состояниях ■

При Е0- , 3 = 6 /¡Г №-2. формулы (10) соответствуют

известным опытным аппроксимациям 1/пр=а&3 б ^ЯЯ для оценки напряжения пробоя газовых промежутков в однородном поле. В диссертации приведено физическое обоснование данной закономерности. Формулы (10) адекватны также опытным 'зависимостям для масляных промежутков вида: Опр~ ЗЭ«?®'7 (стержень-стержень, 50 Гц, 50 см; Е0 = 0, В = 39, /77 = 3,3).

Для поиска ш , В и Е0 в требуемом диапазоне изменения в при данном виде воздействия и условиях" достаточно три опыта: при 5, ; б^кЯ, ; , где >] • Распо-

лагая средним напряженностями Едр^ , Епрг , Епрз соответственно при , <£ , и решая совместно для этих данных уравнения (10), получим: ^

' ; (И)

В диссертации рассмотрены характерные опытные зависимости Улр-газовых и жидких промежутков и соответствующие йх

аппроксимации в виде (10), показано, что представление монотонных зависимостей Уу^^З) в виде (10) с применением (II) для определения М , В и Е0 по трем достоверным опытным точкам дает, как правило, достаточно точные аппроксимации внутри и вблизи участка - [2Ъ] .(Рис. 6)

Масло-твердые структуры. Проведен ана,-лиз большого числа опытных результатов разных исследователей по пробою масло-твердых структур главной и продольной изоляции силовых трансформаторов [21, 24, 33] . Для элемента меикатушечндй изоляции состоящего из масляного канала , £м и бумажного слоя Д, ¿8 получены соотношения

^ . Ш ' ~ Рп г„ /с. ¿ль, /, . <»>

соответствующие (10) при пробое маоляного промежутка 5н , которые позволяют прогнозировать прочность при изменении и Л .

На основании обобщения расчетных и опытных данных дана оценка пределов иаменения параметра /п при разных нормированных видах, воздействий. Для полного грозового импульса параметр /72 находится в пределах 1,8-2,2 для коммутационного - 2,7-3, для одноминутного напряжения 50 Гц Ш— 2,5. Анализ и расчеты проводились в сотрудничестве с ВИТ (Р.П.Долюк, Г.И.Антонов).

Таким образом, два экспериментальных значения Опр^ и (¿//рг найденные для образцов или моделей при одном А и разных о , позволяют по формулам (12) прогнозировать зависимость

Формулы (10) соответствуют также известным опытным алгебраическим аппроксимациям (А.В.Панова (ВЗИ) для оценки прочности мае-лобарьерной изоляции трансформатора при пробое первого масляного канала:

«р-Д*//*^/, (13)

где А 40, 82,5 и 93 кВ соответственно для одноминутного напряжения промышленной частоты, полных грозовых импульсов (1,5/40) и срезанных импульсов ( г = 2 мкс).

' Однако при рассмотрении соотношений (13) обращает на себя внимание постоянство показателя степени Л? = 2 для 50 Гк и ил-пульсов, что противоречит данным для масляных промежутков (=

/

А -Г

Лл /

Рис. 6. К модели процесса пробоя в пространстве; опытные зависимости С'п/> ~3) , их аппроксимации, рассчитанные по (10), (II).

1 - воздух, однородное поле ( Ну 24,63 + 6,4^0'5).

2 - траноформаторное маоло, стержень (+) - плоскость (13,7^+ 28,750,39).

3 - воздух, стержень - стержень (<У, М х Ю"1). (8,3^ + 84,4^0'475)

О

В

V I, х^У \ / %

к.

N

ь

1 __I /

/ г

7 И Ж /

\ 1 /

,<-г.\,ч\ | |_ II . I_ . •. .

г,5 /О 50/о2- Ю* 10* Ю* М6 107 %нкс

Рис. 7. Опытные зависимости маолобарьерного

промежутка и их расчетные аппроксимации по (15)-(17). Кривые I и 2 при Ф,® - 0.5; Iй - дая Р{V ,Г) -0,05; I* - Г{(/,Т ) ш 0,9

2-3). Трудно объяснить также повторение числа 2,14 во всех трех аппроксимациях.

В другой методике оценки С/пр=1(5) масло-барьерной структуры, который практикуется в настоящее время в конструктивных раочетах главной изоляции силовых трансформаторов высших классов напряжений, частичный пробой первого масляного канала 3 м.к_ таете принимается как условие потери прочности, а средняя напряженность в канале в момент пробоя ЕПр>мк - как критерий прочности. На основании объемных опытов на моделях (ВИТ) предложено' соотношение:

Епр.ы^?, , (14)

которое позволяет' оценить напряжение пробоя-конструкции с заданной вероятностью при данном виде воздействия при изменении основного расчетного геометрического фактора 5м.к.

Для опенки ЕПр>мк формула (14) представляется как универсальная. При изменении вида воздействия (одноминутное напряжение промышленной частоты, одночасовое (I ч) напряжение промышленной частоты, коммутационные импульсы (КИ), грозовые импульсы) меняется только А. Значения А даются для средних и минимальных (вероятностью 0,05) величин ЕПр>мк. Аппроксимация (14) соответствует теоретической зависимости (10) при = 2,7; Е0 <= 0.

В работе приведены расчеты параметров /п , В и Е0 по методике (II) соответствующих зависимостей в виде (10) с использованием в частности и конкретных опытных данных, на основании которых были получены аппроксимации (13) и (14). В результате анализа расчетов показано, что выведенные теоретические формулы (10) поз-возяют при наличии трех опытных точек (для разных в , <5 м.к) вычислить параметры Ш , В и Е0 и представить расчетные соотношения *>) ■ , которые в конкретных примерах мас-лобарьерных структур согласуются с опытными результатами не менее точно, чем (13) или (14) [33] . При этом появляется возможность рационально'планировать опыты для того, чтобы при минимуме сложных модельных испытаний получить надежные зависимости ЕПр>;1К= «у/'.Су/^) и 1/пр=у-(5нк,5).

Методика и решения (8), (10), (12) использованы в работе также для выбора оптимальных размеров при последовательном размещении пропитанной маслом бумаги и масляного канала. Выведены формулы для оценки минимальной и оптимальной прочности такой струк-

туры [22, 24] .

Вольт-временные зависимости. Процесс разрушения развивается не только в пространстве, но и во временя, начинаясь при некотором исходном состоянии уа и заканчиваясь полным пробоем при </ = I. Начало процесса соответствует моменту времени ¿ = ¿0 > конец (например, пробой) - моменту Г .

Если, как и в случае пространственного варианта (8) повреждение нарастает лавинообразно, т.е. мгновенная скорость развития повреждения X (Е , ) зависит не только от вида воздействия Х(Е), но и от меры повреждения </ в степени П , то при замене пространственных параметров , <Г на параметры времени -6 , Т уравнения (7) и (8) будут соответствовать развитию процесса во времени.

Интегрируя (8) от (/в до I и от*С после преобразований получим:

Еп? (т)=£о[1+(-~г)Я]; &[*+(£)"], : (13)

где Т= {/-Уо - постоянный параметр в детер-

минированных зависимостях при неизменных значениях </б ; /7 ; / т ; А и В0. " т

Еоли в (7) принять,что х(Е)=А(Е —£0) , то решение приводит к . * /

ипр= ¿/0(/+£)т. (16)

Формулы (16) при т = 2 соответствуют известной опытной аппроксимации ¡Лашкиллейсона-Горева для построения вольт-секундных ■ характеристик воздушных промежутков по результатам ограниченного числа опытов. В нашей работе формулы (15) и (16) выведены из теоретических предпосылок и позволяют осуществить поиск наиболее приемлемой аппроксимации конкретных .вольт-секундной'характеристики по результатам нескольких опытов, для определения й , и Т.

В работе предложена и исследована рациональная методика постановки опытов [25, 31] . Допустим, путем предварительных оценок в пределах данного механизма развития повреждения определено С/о соответствующее формально Т-^оо . Дяя известного 00 найдем Т1 и % при- (/ар^/сСо и К й . где числовой

коэффициент К>1 . •

При таких условиях соответственно для (15) и (16):

^ Ф-ГЩ г= £

На рис. 7 представлены типичные опытные кривые масло-твердой изоляции определенные для средних значений (/яр в широком диапазоне изменения 2" и расчетные зависимости в виде (15) и (16) для трех характерных участков, которые подтверждают, что значения , вычисленные по расчетным аппроксима-

циям, хорошо согласуются с опытом. Таким образом, следующие из 'теоретических предпосылок формулы (15) и (16) выражают ход реальных вольт-временнях зависимостей, а предложенная методка поиска параметров /7? и - Т в этих формулах приводит к точным аппроксимациям. Методика позволяет оптимально планировать постановку опытов для поиска ¿/-Т характеристик при заданных воздействиях.

Накопление разрушения, длительная прочность изоляции. В основу -теоретического анализа процессов медленного разрушения и оценки Длительной прочности изоляционных структур в работе положены аддитивный принцип кумулятивного накопления разрушения и энергетический механизм развития процесса.

Аналитическое выражение аддитивного принципа в соответствии о обозначениями и нормировками принятыми в работе определяется соотношением: 2"

. (18)

при ис=сомЬ

• Энергетический механизм процесса старения явно проявляется в наиболее распространенных и общепринятых в практических оценках аналитических аппроксимациях КК при ограниченных пределах изменения фактора воздействия С/ , Е :

*(*?-*")■ б)

В работе с учетом (18), (19) выполнены аналитические расчеты и выведены соотношения, определяющие условия сравнения (ускорения) испытаний: а) при непрерывной выдержке при напряжениях 0(= СОП5£ и Оуп Сог?$£ ; б) при нарастании напряжения с

постоянной скоростью и=°<£ и Uy—otyb ; в) при сравнении результатов испытаний, полученных при длительном воздействии и,—comb и непрерывном нарастании напряжения со скоростью oty.

Новым в проведенных расчетах явлолось то, что условия сравнения испытаний получены с учетом изломов или изломов и разрывов КН в критической точке V* при переходе от одного механизма разрушения к другому о изменением в (19) параметров т и А. Например, для варианта "а" при , U,<Ut ^(l/jc/Vtf 'fy/tttfa

в случае излома в Kit при (/* , Ткг. к ^if" - t/ß^MpiVy/Vxi^ изломе и разрыве в КЖ при , ,

Соответствующие соотношения выведены и для других вариантов [10]. Подчеркнута необходимость при таких сравнениях получения исчерпывающей информации в условиях перехода от одного механизма разрушения к другому в критической точке Ut .

• .Модель (10) позволяет учитывать накопление разрушения от предыдущих воздействий при переходе к новому заданному режиму. Проанализирована зависимость кратковременной прочности определяемой как пробивное напряжение (Jn* при непрерывном подъеме напряжения о нуля с заданной скоростью Ы от предварительной выдержки образца под напряжением Ut =CO/?St о учетом излома или излома и разрыва в Ю1 образца при напряжении Ук [l5j .

Численные примеры расчетов для типичных КЖ и режимов испытания убеждают, что хотя предварительная выдержка образца под напряжением и приводит к снижению кратковременной прочности, однако использовать это снижение для оценки степени старения изоляции практически трудно, так как заметное изменение (предварительная выдержка при 0< в течение Ь1 ) по сравнению о (У/7чо (без предварительной выдержки)" наступает при ¡^—-Т" .

Решение уравнения (18) при условии (19а) соответствует вольт-временной зависимости в виде

где (Je , /V и Т - параметры подлежащие опытному определению.

Вольт-временная зависимость (20) аналогична (15) и поэтому методика (17) для поиска параметров /#и Т справедлива и для длительных воздействий."

Анализ рациональных методов постановки опытов для получения (20) выявляет сложности возникающие при попытках прогнозировать

время жизни изоляции при по результатам ускоренных испы-

таний при (/> ик . Для такого пересчета необходимо не только иметь данные о , 1 -Ж . ^г • & , но и получить информацию о поведении изоляции при переходе от ¿/< С'х к

(/^Ш ( Т* , , ^ ).

Таким образам аддитивная кумулятивная модель хотя и приводит к универсальной вольт-временной характеристике (20) и к обоснованным методикам для рационального планирования опытов и анализа результатов при длительных процессах разрушения и старения изоляции, однако не избавляет и не может избавить■исследователей от получения необходимого минимума конкретнойшытной информации.

Статистические закономерности разрушения. Специфика и новые результаты предлагаемых статистических расчетов и формул заключаются в том, что они ос-новываютоя на рассмотренных автором детерминированных моделях разрушения и являются их следствием и продолжением [32] . Более ранние работы автора по импульсным испытаниям образцов изоляции [б] и статистичссккл закономерностям прбоя трансформаторного масла [?] согласуются с материалом отатиотического анализа кратковременной и длительной прочности и являются органической частью этого анализа.

Оценка отатитстических закономерностей пробоя масляных промежутков и масло-твердых структур выполнения в работе основывается на гипотезе о законе распределения начального дефекта и модели прогрессирующего развития повреждения (8), (10). В итоге проведенных исследований [32] получены формулы для статистических зависимостей Р , 5 ) и £»¿>,5 ). Например, при законе распределения первоначального дефекта соответствующего распределению Вейбулла:

где р ( Егр/ 3) } Ьпр , 3 - изменяющиеся функционально связанные параметры; р(Е'У'о^), , - заданные или определенные опытно

значения соответствующих величин.

Параметры IV и Е0 для данных образцов и воздействий находятся предварительно по методике (II), а для оценки 6 необходимо привлечь результаты двполнителыщх, статистически опытов.

Использование гипотезы о распределении уо по закону Вейбулла, прогрессирующем механизме и энергетическом принципе'развития повреждения (18), позволили также получить статистические эквиваленты детерминированным вольт-временным зависимостям (15),

По формулам (22), (23) для известных Ц) , и ^ при вероятности рассчитывается значение У ( /-*, V ) для любого момента времени 2". и заданной вероятности Р . Параметр /V находится по соотношениям (17) при ~, а для вычисления 5 при известном /П необходимо воспользоваться (22), (23), т.е. выполнить дополнительные эксперименты для поиска С/ ( Т, ).

Конкретные примеры для типовых масло-твердых структур.трано-форматорной изоляции приведенные в диссертации (рйо. 7уВ) , подтверждают соответствие опытным результатам и эффективные возможности предложенных статистических расчетов, которые позволяют:

а) рационально спланировать минимум опытов для оценки параметров распределения А" ( .5 ) и /- ( Г* );

б) рассчитать зависимости , и У/р'/^Г) для масляных промежутков и масло-твердых стуктур при заданных вероятностях пробоя.

В результате подробного анализа возможных статистических результатов для разных методов постановки опытов при импульсных и кратковременных воздействиях заданной формы [б] было показано, что если разброс пробивных напряжений определяется начальной не-• идентичностью образцов у0 , как в твердых и комбинированных структурах, то наиболее рациональным методом испытаний является о ступенчатый подъем напряжения с заданным шагом лОс и с однократны.! воздействием на каждой ступейи, а распределение ( ) эквивалентно /г( у0 ).

При испытании масляных промежутков образец нестабилен во времени и вероятность пробоя /•"( Ос ) при многократных воздействиях на данной ступени возрастает до--/^( ). Выведена формула и выполнены расчетные оценки вероятности пробоя при /7 дискрет-.

- 31 -

ш

т

50

о\

0,5

ю-

-г

ю'

гб>

а

11-1

/у/

-

Рис. 8. Расчетные зависимое- I ти душ разных

вероятностей /-(0/^,6, Кривые I, 2, 3, 4 - соответственно при л , равном 1,2,3, 4 мм и ^ ■ 0',5; кривые оо штрихом - для тех же Л и Р » 0,05; с двумя штрихами - то же, но «* 0,9

Рис. 9. I - гистограммараспределения, ;

100. 2 - соответствующее распределение тео^-Лф-при Чи<)=0,/8 \ С, ш 65 кВ} 3 - I/, ш 60 кВ; 4 -

70 кВ

■- зМ] /

111 //

¡1 Ш

Ш 9

//

'Рис. 10. Кривые 1,2,3 - зависимости вычисленные по соотношению ( ¿4 ) мяАЦ^ё;

и ; 4 - исходное нор-

мальное распределение С/ = 70кВ, б~ = в кВ; • - экспериментальные точки походного распределения; о, х и л - вероятности пробоя, определенные при подъеме напряжения со скоростью 2; 0,5 и 0,125 кВ/с соответственно (указаны характерные точки)

-га 54

О

70

них воздействиях; на ступени с последовательным ступенчатым подъемом напряжения от Ц до с А(/к :

В работе'проанализированы исходные предпоошки и возможные результаты применения (24) для зависимостей напряжения пробоя масляных промежутков: а) при многократных (/7 ) идентичных воздействиях заданной формы; б) длительном & воздействии в) подъеме напряжения с ; .

Теоретический анализ (24) дополнен собственными экспериментами (рис. 9, 10) и расчетами [?] подтверждающими, что онижение прочности масляных промежутков в диапазоне воздейотвий от долей секунда до нескольких минут и часов в значительной мере может определяться вероятностными причинами образования "слабого звена" ( Л ) при эквивалентном увеличении числа ограниченных во времени воздействий.

Таким образом предложенная и исследованная в работе отатиоти-чеекая модель пробоя жидких и комбинированных образцов изоляции, основанная на статистической природе первоначального дефекта , позволила получить ноше адекватные практике раочетные формулы зависимостей £ ( Цр, S ) ъ /г( Цр^/З ) при кратковременных и длительных воздействиях. Зависимости находятся по результатам минимума целевых экспериментов, методика проведения которых обоснована в диссертации.

. Заключение

3 соответствии с целью и задачами работы получены оледующие основные результаты.

1. Проведены опыты, систематизация и анализ их результатов

по составу и количеству выделяющихся газов и удельным характеристикам процесса газовыделения при ЧР разной интенсивности в характерных масло-твердых структурах изоляции силовых трансформаторов.

2. Составлены и решены дифференциальные уравнения процессов газообмена в объеме трансформатора и дан анализ возможных вариантов динамики газовыделения при характерных видах развивающихся

повреждений. Установлены и исследованы закономерности изменения концентрации примесного газа 0 (). и с(С/еИ для герметизированных трансформаторов с пленочной или азотной защитой и трансформаторов со свободным дыханием.

- 33 -

3. На основании теоретических решений, лабораторных опытов и многолетней практики по обследованию трансформаторов методами ХАГ количественно определены фоновые концентрации примесных га- . зов, растворенных в масле исправных трансформаторов. Обоснованы рекомендации по "тревожным" и аварийным нормам состава, количества и соотношений прогнозирующих газов для разных видов развивающихся повреждений. Методика выполнения ХАГ с применением многообъемных шприцев, разработанная и апробированная в лаборатории ТВН ЕЛИ, и рекомендуемые нормы оценки получили широкое распространение в практике энергопредприятий Белоруссии и доказали свою эффективность.

4. Разработан метод диокретного экспресс-контроля количества горючих газов в газовой подушке трансформаторов с азотной защитой и свободным дыханием. Обоснованы нормы оценки и периодичность проведения экспресс-контроля.

& На основании теоретических исследований и двадцатилетнего опыта применения ХАГ рекомендуется плановая периодичность ХАГ проб масла контролируемого трансформатора I раз в'З месяца, а вкопресс-анализ концентрации горючих компонентов в пространстве над маслом - I раз в месяц. Для трансформаторов "на подозрении" контроль должен быть усилен в 2-3 раза.

6. Выполнены серии опытов по разложению микалентной изоляции и изоляции "слюдотерм" в водородной среде.под действием температуры и ЧР. Полученные количественные характеристики газовыделения позволили обосновать перспективность методов ХАГ для диагностики развивающихся повреждений в изоляции крупных генераторов с водородным охлаждением.

7. Обобщен опыт применения метода ХАГ для анализа охлаждающего водорода генераторов Яукомльокой ГРЭС, который выявил фоновые концентрации примесных углеводородов в водороде исправных генераторов в пределах Ю^-б.Ю*^ % по объему. Использование пробоотборников-накопителей с активированным углем в сочетании о ДШ1 обеспечило чувствительность анализов в пределах Выполнена градуировка метода путем неоднократных впусков чистых Углеводородов в систему охлаждения действующих генераторов.

8. Составлены и решены уравнения динамики концентрации примесных газов в охлаждающем водороде генератора при разных видах развития повреждения с учетом внешнего и внутреннего газообмена. Показано, что несмотря на постоянные утечки водорода, концентрация' примесных газов при развитии повреждения может на одан-дза

- 34 -

порядка возрасти относительно фоновой. Теоретический анализ подтвержден проведением периодических ХАГ проб водорода при градуи-ровочных впусках чистых углеводородов в систему охлаждения генераторов. Получены предварительные нормы оценки аномальных концентраций и обоснована периодичность проведения ХАГ по ряду прогнозирующих углеводородов: метану, этилену, этану. Рекомендуется ежемесячный контроль по метану с переходом на комплексный еженедельный контроль при выявлении "тревожных" значений по любому из прогнозирующих газов. ;

9. На основании энергетического механизма развития разрушения и линейной кумулятивной модели получены соотношения для оценки скорости выделения продуктов разложения (примесных газов) в объеме при стабильном или заданном во времени воздействии напряжения в однородных и неоднородных полях. Получены соотношения для расчета скорости газовыцеления и количественного накопления газа при различных проотранственно-временных вариантах.развивающегося процесса, что необходимо для обоснования критериев и норм при диагностике изоляции методами ХАГ. •

10. Предложены и решены обобщенные пространственно-временные уравнения процесса развития поврзждения в изоляционных структурах. В результате решения уравнений с учетом энергетического механизма накопления разрушения выведены расчетные форму ли

и для прогнозирования электрической прочности

изоляционных конструкций при заданных воздействиях и условиях.

11. Разработаны методы рационального планирования экспериментов .для вычисления входящих в формулы поотоянных параметров по ограниченному числу (двум, трем) достоверных опытных результатов. Показано, что использование выведенных'расчетных соотношений . применительно к масляным промежуткам, масло-барьерным и другим масло-твердым структурам позволяет прогнозировать электрическую •проч ность изоляционных конструкций в пределах изменения основного геометрического фактора ( <? , Змк ) и времени воздействия

( Т ).

12. Предложены и исследованы-модели медленной деградации изоляции, составленные на основании энергетического механизма и аддитивного принципа накопления повреждений. Определены условия сравнения испытаний и метода рационального поиска параметров в формулах КЖ для-детерминированных функциональных зависимостей

при разных видах электрических воздействий и о учетом

возможных переходов от одними мехаь&вла разрушения к другому.

13. Разработаны и исследованы' статистические модели возникновения и развития пробоя в жидких и комбинированных структурах, основанные на статистической природе первоначального дефекта. Модели позволяют получить адекватные расчетные статистические варианты и Üap-ffc F) зависимостей для оценки электри-чеокой прочности при заданной вероятности пробоя по результатам' минимума рационально спланированных экспериментов. Закономерности пробоя масляных промежутков обоснованы собственными статистическими опытами.

14. В итоге проведенных работ в РБ создано и развиваетоя научно-техническое направление по совершенствованию и диагностике состояния высоковольтной изоляции силовых трансформаторов и генераторов с водородным охлаждением. Методы и нормы ХАГ приведенные в диссертации повсеместно внедрены в практику белорусских энергопредприятий.

Основное содержание диссертации отражено в следуюдах работах

1. Степанчук K.S., Тиняков Н.А. Пробой трансформаторного масла в потоке // Энергетика (Изв. высш.учеб.заведений). - 1964.

- JS 12. - С. 13-17.

2. Степанчук К.Ф., Ржевская С.II. О возможности выделения газа

из трансформаторного масла при вибрации в масле твердых деталей // Энергетика... (Изв.высш.учеб.заведений). - 1965. - Jé 9.

- С. 87-90.

3. Степанчук K.S. Некоторые вопросы связанные с пробоем и ионизацией в масляной и комбинированной изоляции // Дис... канд. техн. наук Минск. - 1965. - 174 о.

4. Степанчук К.О. Движение пузырьков газа в трансформаторном масле под дейотвкем электрического поля // Энергетика... (Изв. выош, учеб. заведений). - 1968. - № 5. - С. 20-23.

5. Степанчук K.S., Гернович И.Д., Гутик ИЛ. Пробой масляного промежутка при наличии пузырьков газа, образовавшихся при вибрации электродов // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений).

- 1969. - JÍ 6 - С. II0-II4.

6. Степанчук К.О. К вопросу об импульсных испытаниях образцов •изоляции // Энергетика... (Кзв. высш. учеб. заведений). -1972. - Jé II. - С. 95-100.

7. Степанчук K.w. О статистичеоких закономерностях пробоя трансформаторного масла // Энергетика... (Кзв.высш.учеб.заведений).

- 1974. - К 7. - С. 28-32.

8. Смирнов i/l.А. и др. Газовыделение при разложении электрической изоляции силовых трансформаторов / М.А.Смирнов, Т.Е.Касаткина, Г.К.Колобаев, К.S.Степанчук, Г.С.Климович // ВНИИЭ. - М. -1976. - № 43, - С. 31-42.

9. Степанчук К.Ф., Трембицкий М.А. О окорости растворения газовых пузырьков в трансформаторном масле //В сб. Прикладные проблемы энергетики. - ,Лн. - 1976. - Вп. 2. - С. 243-246. ■

10. Степанчук К.Ф. Линейная кумулятивная модель разрушения и примеры ее использования при планировании и анализе испытаний образцов изоляции // Энергетика... (Изв.выош.учеб.заведений).

- 1977. - й 4. - С. 127-129.

11. Степанчук К.Ф., Климович Г.С. Контроль состояния внутренней изоляции силовых арансформаторов путем определения количества горючих газов // Энергетика... (Изв.высш.учеб.заведений).

- 1978. - № I. - С. 20-25..

12. Степанчук K.W., Климович Г.С. и др. Диагностика состояния внутренней изоляции силовых трансформаторов (о азотной защитой) путем анализа растворенных в масле газов // Энергетика... (Язв.высш.учеб.заведений). - 1978. - № 7. - С. 44-48.

13. Степанчук K.S., Смирнов ./I.A., Ячейко И.В. Процесс газовыделения при частичных. разрядах в маслобарьер'ной изоляции // Энергетика... (Изв.высш.учеб.заведений). - 1980. -JS2. - С.30-33.

14. Степанчук K.S. Методы расчета времени жизни образца для линейной кумулятивной модели // В сб. Научные и прикладные проблемы энергетики. - i.Ih. - 1980. - Вп. 7. - С. 40-43.

15. Степанчук К.Ф. Линейная модель разрушения и анализ кратковре-меннои прочности как меры старения изоляции // Энергетика... ("зв.высш.учеб.заведений). - 1981. - JS 2. - С. 87-89.

16. Степанчук К.и. Кумулятивная модель разрушения и условия ускорения испытаний образцов изоляции //В сб. Научные и прикладные проблемы энергетики. - Mrt. - 1982. - Вп. 9 - С. 59-63.

17. Красько A.C., Степанчук К.Ф., Ячейко И.В. Газовыделение при повреждениях в изоляции мощных генераторов // Энергетика... (Изв.высш.учеб.заведений). - 1982. - № 6. - С. 96-97.

18. Степанчук К:у., Тиняков H.A. Техника высоких напряжений. -Линек: Внгашая школа, 1982. - 338 с.

- J7 -

19. Климович Г.С., Красько А.С., Степанчук К.&. Определение концентраций примеоных газов в водороде системы охлаждения генераторов // Энергетика. - (Изв.высш.учеб.заведений). - 1984.

- № II. - С. 42-54.

20. Степанчук К.й. Применение лавинного механизма пробоя .для оценки электрической прочности композиционной изоляции трансформаторов и аппаратов // Тез.докл.Респ.Каучн.-техн.конф. Минск, 1984. - С. 46.

21. Степанчук К.Ф., Антонов Г.И., Долюк Р.П. Расчет электрической прочности масляного промежутка в конструкциях комбинированной изоляции // Энергетика... (Изв.выси.учеб.заведений).

- 1985. - К 8. - С. 45-49.

22. Степанчук К.Ф., Антонов Г.И., Далюк Р.П.' Использование механизма лавинного разряда для определения электрической прочности изоляции маслонаполненных аппаратов // Энергетика... (Изв.высш.учеб.заведений). - 1985. - № 9. - С. 28-31.

23. Степанчук К.Ф., Климович Г.С. и др. Динамика изменения концентрации газовых примесей в системе водородного охлаждения генераторов // Энергетика... (Изв.выош.учеб.заведений). -1987. - № I. - С. 47-50.

24. Степанчук К.Ф., Долюк Р.П., Антонов Г.И. Расчет электрической прочности и выбор оптимальных размеров конструкции кобминиро-ванной'изоляции на основании лавинной модели развития повреждения // Энергетика... (Изв.высш.учеб.заведений). - 1988. -

К 2. - С. 42-45.

25. Степанчук К.О. Расчет вольт-секундных характеристик изоляции при лавинном механизме процесса пробоя // Энергетика... (Изв. выош.учеб.заведений). - 1989. - 11 10. - С. 45-46.

26. Степанчук К.Ф. Напряжение пробоя промежутков при лавинном механизме развития повреждения // Энергетика... (Изв.высш.учеб. заведений). - 1990. - К 5. - С. 60-62.

27. Степанчук К.О. Динамика выделения продуктов распада изоляции под действием электрического поля // Энергетика... (Изв.высш. учеб.заведений). - 1990. - 10. - С. 26-30.

2Й. Степанчук К.О. Динамика местного разрушения и выделение продуктов разложения в изоляционных конструкциях под действием электрического поля // Энергетика... (Изв.высш.учеб.зшедений).

- 1991. - К I. - С. 27-32.

29. Степанчук К.Ф., Климович Г.С., Краоько A.C. Изменение концентрации примесных газов в системе водородного охлаждения генераторов... // Энергетика... (Изв.высш.учёб.заведений), -1991. - !■ 4. - С. 58-62.

30. Степанчук K.Ö., Климович Г.С., Красько A.C. Периодичность и критерии дискретного контроля примесных газов в системе водородного охлаждения генераторов // Энергетика... (Изв.высш. •учеб.заведений). - 1991. - & 5. - С. 67-71.

31. Степанчук К.О. Использование лавинного механизма развития ; повреждения для определения Utp=J-f3) и характеристик изоляционных конструкций //В сб. "Высоковольтные проблемы электротехники". Белосток, 1991. - С. 78-80.

32. Степанчук К.Ф. Статистические оценки L//y>~f(S) и Üfp'Jt*-) зависимостей при кратковременных воздействиях напряжений // Энергетика... (Изв.высш.учеб.заведений). - 1991. - № 8. -

С. 62-66.

33. Степанчук К.&., Долюк Р.П. К оценке пробивного напряжения маслобарьерных структур // Энергетика... (Изв.высш.учеб.заведений). - 1991." - № 9. - С. 52-56.

34. Степанчук. К.й., Климович Г.С. Динамика концентрации примесных газов в масле силовых трансформаторов и оценка периодичности анализов.// Энергетика... (Изв.высш.учёб.заведений). - 1992. - ü I. - С. 50-55.

(юдписано к печати 2.2). Ob, 93

Заказ 496:

Тираж 100 экз. Бесплатно '

Отпечатано на ротапринте СИбГТУ

- ЗУ -