Методы устранения неисправностей изоляции в силовых трансформаторах
2025-11-18
Наиболее широко используемыми типами силовых трансформаторов в настоящее время являются масляные трансформаторы и сухие трансформаторы на основе смолы. Изоляция силового трансформатора представляет собой изоляционную систему, образованную изоляционными материалами трансформатора, которая имеет основополагающее значение для нормальной работы и функционирования трансформатора. Срок службы трансформатора определяется сроком службы его изоляционных материалов (таких как пропитанная маслом бумага или смола). Практика показывает, что большинство отказов и неисправностей трансформаторов связано с повреждением изоляционной системы. Статистика показывает, что инциденты, возникающие в результате различных типов неисправностей изоляции, составляют более 85% всех аварий трансформаторов. Для трансформаторов, работающих в нормальном режиме и получающих тщательное техническое обслуживание, изоляционные материалы обладают исключительно длительным сроком службы. Зарубежные теоретические расчеты и экспериментальные исследования показывают, что при постоянной фактической температуре небольшого маслозаполненного распределительного трансформатора 95 °C его теоретический срок службы может достигать 400 лет. Проектный и эксплуатационный опыт показывает, что при надлежащем техническом обслуживании трансформаторы могут достигать фактического срока службы от 50 до 70 лет. Производители обычно устанавливают ожидаемый срок службы от 20 до 40 лет на основе проектных требований и технических спецификаций. Таким образом, обеспечение нормальной работы трансформатора и рациональное обслуживание системы изоляции могут в значительной степени гарантировать относительно длительный срок службы. Профилактическое и прогнозное обслуживание являются ключом к продлению срока службы трансформатора и повышению надежности электроснабжения. В маслозаполненных трансформаторах основными изоляционными материалами являются изоляционное масло и твердые изоляционные материалы, такие как изоляционная бумага, картон и деревянные блоки. Так называемое старение изоляции трансформатора означает деградацию этих материалов под воздействием факторов окружающей среды, что приводит к снижению или потере изоляционной прочности.
1. Неисправности твердой бумажной изоляции Твердая бумажная изоляция является одним из основных изоляционных компонентов маслозаполненных трансформаторов, включая изоляционную бумагу, изоляционные плиты, изоляционные прокладки, изоляционные рулоны и изоляционные ленты. Ее основным компонентом является целлюлоза с химической формулой (C₆H₁₀O₆)_n, где nобозначает степень полимеризации. Новая бумага обычно имеет степень полимеризации около 1300. Когда это значение падает примерно до 250, механическая прочность уменьшается более чем наполовину. Степень полимеризации, указывающая на конец срока службы из-за сильного старения, колеблется от 150 до 200. По мере старения изоляционной бумаги ее степень полимеризации и прочность на разрыв постепенно уменьшаются, что сопровождается образованием воды, CO, CO₂ и, впоследствии, фурфурола (фуранформальдегида). Большинство этих продуктов старения вредно влияют на электрооборудование, снижая пробивное напряжение и объемное удельное сопротивление изоляционной бумаги, увеличивая диэлектрические потери, уменьшая прочность на разрыв и даже вызывая коррозию металлических компонентов оборудования. Твердая изоляция обладает необратимыми характеристиками старения; снижение механической и электрической прочности не может быть восстановлено. Срок службы трансформатора в первую очередь определяется долговечностью его изоляционных материалов. Следовательно, твердые изоляционные материалы в маслозаполненных трансформаторах должны обладать как превосходными электроизоляционными свойствами, так и механическими характеристиками, демонстрируя при этом медленное снижение производительности при длительной эксплуатации, то есть благоприятные характеристики старения.
(1) Свойства бумажных волокнистых материалов. Изоляционные бумажные волокнистые материалы являются основным изоляционным компонентом маслозаполненных трансформаторов. Бумажные волокна образуют основную твердую ткань растений. Атомы в их молекулах состоят из положительно заряженных ядер, вокруг которых вращаются отрицательно заряженные электроны. В отличие от металлических проводников, изоляционные материалы практически не содержат свободных электронов; минимальный ток в изоляторах в основном происходит за счет ионной проводимости. Целлюлоза состоит из углерода, водорода и кислорода. Следовательно, наличие гидроксильных групп в молекулярной структуре целлюлозы создает потенциал для образования воды, придавая бумажным волокнам водосодержащие свойства. Кроме того, эти гидроксильные группы можно рассматривать как центры, окруженные различными полярными молекулами (такими как кислоты и вода), связанными между собой водородными связями, что делает волокна уязвимыми для повреждений. Одновременно волокна часто содержат определенную долю (примерно 7%) примесей, в том числе некоторое количество влаги. Из-за коллоидной природы волокон эту влагу невозможно полностью удалить. Это, в свою очередь, влияет на свойства бумажных волокон. Полярные волокна не только легко поглощают влагу (вода является сильно полярной средой), но и когда бумажные волокна поглощают воду, межмолекулярные силы между гидроксильными группами ослабевают. В условиях структурной нестабильности механическая прочность резко ухудшается. Следовательно, бумажные изоляционные компоненты, как правило, требуют сушки или вакуумной сушки с последующей пропиткой маслом или изоляционным лаком перед использованием. Цель пропитки — поддерживать насыщенность волокон, обеспечивая высокую изоляцию и химическую стабильность наряду с превосходной механической прочностью. Одновременно с этим герметизация бумаги лаком снижает поглощение влаги, препятствует окислению материала и заполняет пустоты, сводя к минимуму образование пузырьков, которые могут ухудшить изоляционные характеристики, вызывая частичные разряды или электрические пробои. Однако некоторые утверждают, что последующая пропитка маслом после лакирования может привести к постепенному растворению компонентов лака в масле, что повлияет на его свойства. При нанесении таких лаков следует проявлять осторожность. Естественно, свойства волокнистых материалов с разным составом, а также различия в качестве материалов одного и того же состава приводят к различиям в степени воздействия и характеристиках. Например, хлопковые волокна обладают различными характеристиками, причем конопляные волокна являются наиболее прочными. Некоторые импортные изоляционные картоны благодаря превосходным технологиям обработки демонстрируют значительно лучшие характеристики, чем некоторые картонные материалы отечественного производства. В большинстве изоляционных материалов для трансформаторов для изоляции используются различные виды бумаги (такие как бумажная лента, картон или прессованные бумажные компоненты). Поэтому выбор высококачественных изоляционных бумажных материалов на основе волокон имеет решающее значение при производстве и техническом обслуживании трансформаторов. Волоконная бумага обладает явными преимуществами: она очень практична, экономична и проста в обработке. При умеренных температурах она позволяет легко и гибко формировать и обрабатывать. Кроме того, она легкая, обладает умеренной прочностью и легко впитывает пропиточные материалы, такие как изоляционный лак и трансформаторное масло.
(2) Механическая прочность бумажных изоляционных материалов. Наиболее важными факторами при выборе бумажной изоляции для маслозаполненных трансформаторов, помимо состава волокон, плотности, проницаемости и однородности, являются требования к механической прочности, включая прочность на разрыв, ударопрочность, прочность на разрыв и вязкость:
● Прочность на разрыв: напряжение, которое бумажное волокно должно выдерживать без разрыва при растягивающей нагрузке.
● Прочность на пробивку: измеряет способность бумажных волокон выдерживать давление без разрушения.
● Прочность на разрыв: требует силы, необходимой для разрыва бумажных волокон, чтобы соответствовать соответствующим стандартам.
● Вязкость: обеспечивает прочность при сгибании бумаги или картона в соответствии с соответствующими требованиями. Эффективность твердой изоляции можно оценить путем отбора проб и измерения степени полимеризации бумаги или картона, либо с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии для анализа содержания фурфурола в масле. Это позволяет определить, имеет ли твердая изоляция отношение к неисправностям трансформатора, выявить низкотемпературный перегрев, вызывающий локальное старение изоляции катушки, или оценить степень деградации твердой изоляции. При эксплуатации и техническом обслуживании изоляционных материалов из бумажных волокон следует уделять внимание контролю номинальной нагрузки трансформатора. Рабочая среда должна обеспечивать достаточную циркуляцию воздуха и отвод тепла, чтобы предотвратить чрезмерный рост температуры и истощение масла в резервуаре. Кроме того, необходимо принять меры для предотвращения ускоренного старения волокон из-за загрязнения или разложения масла, что может ухудшить изоляционные характеристики, срок службы и безопасность эксплуатации трансформатора.
(3) Износ бумажных волокнистых материалов. Это в основном включает в себя три аспекта:
● Хрупкость волокон. Чрезмерный нагрев, вызывающий выделение влаги из волокнистого материала, еще больше ускоряет его хрупкость. По мере того, как бумажный материал становится хрупким и отслаивается, механические вибрации, электродинамические нагрузки и ударные воздействия при эксплуатации могут вызвать повреждения изоляции, что приведет к электрическим авариям.
● Снижение механической прочности волокнистых материалов. Механическая прочность волокнистых материалов снижается при длительном воздействии тепла. Когда нагрев трансформатора снова приводит к выделению влаги из изоляционного материала, значение сопротивления изоляции может увеличиться, но его механическая прочность значительно снизится. Изоляционная бумага тогда не сможет выдержать механические силы, такие как токи короткого замыкания или импульсные нагрузки.
● Сжатие самого волокнистого материала. Волокнистые материалы сжимаются при хрупком разрушении, что снижает усилие зажима и может привести к смещению. Это смещение может привести к сдвигу обмоток трансформатора под воздействием электромагнитных колебаний или импульсного напряжения, что приведет к трению и повреждению изоляции.
2. Неисправность жидкой масляной изоляции
Маслозаполненный трансформатор с жидкой изоляцией был изобретен американским ученым Томсоном в 1887 году и впоследствии принят на вооружение для силовых трансформаторов такими компаниями, как Дженерал Электрик, в 1892 году. Жидкая изоляция, о которой здесь идет речь, означает именно трансформаторную масляную изоляцию. Характеристики маслозаполненных трансформаторов:
① Значительно повышают прочность электрической изоляции, уменьшают изоляционные расстояния и минимизируют габариты оборудования;
② Существенное повышение эффективности теплопередачи и теплоотвода трансформатора, увеличение допустимой плотности тока в проводниках и уменьшение веса оборудования. Тепло от сердечника трансформатора передается посредством тепловой циркуляции в трансформаторном масле к корпусу трансформатора и радиаторам для рассеивания, что улучшает эффективность охлаждения;
③ Снижение уровня окисления некоторых внутренних компонентов и узлов благодаря герметизации масляным погружением, что продлевает срок службы.
(1) Свойства трансформаторного масла. Рабочее трансформаторное масло должно обладать стабильными, превосходными изоляционными и теплопроводящими свойствами. Ключевые показатели эффективности включают диэлектрическую прочность, тангенс дельта (tgδ), вязкость, температуру застывания и кислотное число. Изоляционное масло, полученное из нефти, представляет собой смесь углеводородов, смол, кислот и других примесей. Его свойства не являются полностью стабильными, оно подвергается непрерывному окислению под воздействием температуры, электрических полей и фотохимических реакций. В нормальных условиях процесс окисления изоляционного масла протекает очень медленно. При надлежащем обслуживании оно может сохранять требуемое качество без старения до 20 лет. Однако присутствие в масле металлов, примесей, газов и других загрязнений ускоряет окисление, что приводит к ухудшению качества масла. Это проявляется в потемнении цвета, потере прозрачности, повышенной мутности и повышенном уровне влажности, кислотного числа и содержания золы, что в совокупности приводит к ухудшению свойств масла.
(2) Причины ухудшения качества трансформаторного масла. Ухудшение качества трансформаторного масла можно разделить на два этапа в зависимости от степени серьезности: загрязнение и деградация. Загрязнение возникает в результате попадания в масло воды и примесей, которые не являются продуктами окисления масла. Загрязненное масло демонстрирует ухудшение изоляционных свойств, снижение пробивной прочности электрического поля и увеличение угла диэлектрических потерь. Деградация является результатом окисления масла. Это окисление не относится исключительно к окислению углеводородов в чистом масле; примеси, присутствующие в масле, ускоряют процесс окисления, особенно металлические частицы, такие как медь, железо и алюминий. Кислород поступает из воздуха внутри трансформатора. Даже в полностью герметичных трансформаторах остается примерно 0,25% по объему кислорода. Учитывая высокую растворимость кислорода, он составляет значительную долю растворенных газов в масле. Во время окисления трансформаторного масла влага действует как катализатор, а тепло — как ускоритель, что приводит к образованию шлама. Его воздействие в основном проявляется следующим образом: под воздействием электрического поля частицы осадка становятся крупными; примеси концентрируются в зонах с наиболее сильным электрическим полем, образуя проводящие «мостики», которые нарушают изоляцию трансформатора; отложения образуют неравномерные удлиненные нити, которые могут выравниваться вдоль линий электрического поля. Это неизбежно препятствует отводу тепла, ускоряет старение изоляционного материала и приводит к снижению сопротивления изоляции и ухудшению ее целостности.
(3) Процесс разложения трансформаторного масла. Основные продукты, образующиеся на основных этапах разложения масла, включают перекиси, кислоты, спирты, кетоны и шлам. Ранняя стадия разложения. Пероксиды, образующиеся в масле, вступают в реакцию с изоляционными волокнистыми материалами с образованием окисленной целлюлозы, что снижает механическую прочность изоляционных волокон и вызывает хрупкость и усадку изоляции. Образующиеся кислоты представляют собой вязкие жирные кислоты; хотя они менее коррозионны, чем минеральные кислоты, их скорость роста и воздействие на органические изоляционные материалы значительны. Поздняя стадия разложения. Она сопровождается образованием шлама. Когда кислоты разъедают такие материалы, как медь, железо и изоляционный лак, они вступают в реакцию, образуя шлам — вязкое, асфальтоподобное полимерное проводящее вещество. Оно умеренно растворимо в масле и быстро образуется под действием электрического поля, Он прилипает к поверхностям изоляции или краям корпуса трансформатора и оседает на маслопроводах и ребрах охладителя. Это повышает рабочую температуру трансформатора и снижает диэлектрическую прочность. Окисление масла происходит при двух основных условиях: чрезмерно высоком кислотном числе, приводящем к закислению масла, и превращении растворимых в масле оксидов в нерастворимые соединения, что приводит к постепенному ухудшению качества трансформаторного масла.
(4) Анализ качества трансформаторного масла, оценка и профилактическая обработка
● Деградация изоляционного масла. Это включает в себя изменение как его физических, так и химических свойств, что в результате ухудшает его электрические характеристики. Такие параметры испытаний, как кислотное число, межфазное натяжение, осаждение шлама и водорастворимое кислотное число, позволяют определить наличие таких дефектов. Регенерационная обработка изоляционного масла может устранить продукты деградации, но этот процесс также может удалить природные антиоксиданты.
● Попадание влаги в изоляционное масло. Поскольку вода является высокополярным веществом, она легко ионизируется и разлагается под действием электрического поля, увеличивая электропроводность масла. Следовательно, даже следы влаги значительно повышают диэлектрические потери. Тестирование на содержание следов влаги позволяет выявить этот дефект. Вакуумная фильтрация под давлением обычно удаляет влагу из масла.
● Загрязнение изоляционного масла микроорганизмами или бактериями. Например, во время установки главного трансформатора или подъема сердечника насекомые, прилипшие к изоляционным компонентам, или остатки грязи от монтажников могут переносить бактерии, загрязняя тем самым изоляционное масло. Кроме того, само изоляционное масло может уже содержать микробиологические загрязнения. Основные трансформаторы обычно работают в диапазоне температур окружающей среды от 40 до 80 °C, что создает идеальные условия для роста и размножения микроорганизмов. Поскольку изоляционные свойства микроорганизмов и их выделений, содержащих минералы и белки, значительно уступают изоляционным свойствам масла, это приводит к увеличению диэлектрических потерь. Устранение этого дефекта с помощью циркуляционной обработки на месте оказывается сложной задачей, поскольку остаточные микроорганизмы неизменно остаются прилипшими к изоляционным твердым веществам независимо от методов обработки. После обработки изоляция главного трансформатора может показать временное улучшение. Однако рабочая среда по-прежнему в значительной степени способствует росту и размножению микроорганизмов. В результате эти остаточные микроорганизмы продолжают размножаться ежегодно, что со временем приводит к постепенному ухудшению изоляционных характеристик некоторых главных трансформаторов.
● Изоляционные лаки, содержащие полярные вещества, такие как алкидные смолы, растворяются в масле. Под воздействием электрического поля эти полярные вещества подвергаются дипольной релаксационной поляризации, потребляя энергию во время поляризации переменного тока и, как следствие, увеличивая диэлектрические потери масла. Хотя лаки проходят обработку отверждением перед отправкой с завода, все же может произойти неполное отверждение. После некоторого времени эксплуатации в главном трансформаторе неполностью отвержденный лак постепенно растворяется в масле, постепенно ухудшая его изоляционные свойства. Время появления таких дефектов коррелирует со степенью тщательности процесса отверждения лака; одна или две обработки адсорбцией могут дать некоторое улучшение.
● Масло загрязнено исключительно водой и примесями. Такая форма загрязнения не изменяет основных свойств масла. Воду можно удалить путем сушки; примеси можно удалить путем фильтрации; воздух, содержащийся в масле, можно удалить путем вакуумной экстракции.
● Смешивание двух или более изоляционных масел из разных источников. Свойства масла должны соответствовать соответствующим спецификациям; масла должны иметь одинаковую плотность, температуру замерзания, вязкость и аналогичные температуры вспышки; стабильность смешанного масла также должна соответствовать требованиям. Для масел, которые деградировали после смешивания, когда изменение качества масла привело к образованию кислотных веществ и шлама, необходимы химические методы регенерации масла, чтобы отделить эти продукты деградации и восстановить свойства масла.
3. Изоляция и характеристики сухих трансформаторов на основе смолы Сухие трансформаторы (здесь имеются в виду устройства с изоляцией из эпоксидной смолы) в основном используются в местах с жесткими требованиями пожарной безопасности, таких как высотные здания, аэропорты и нефтехранилища.
(1) Типы смоляной изоляции. Трансформаторы с эпоксидной смоляной изоляцией можно разделить по технологии изготовления на три типа: вакуумно-литые композиты из эпоксидной смолы и кварцевого песка, вакуумно-литые с дифференциальным давлением эпоксидные смолы с армированием безщелочным стекловолокном и пропитанные безщелочным стекловолокном.
● Вакуумно-литая эпоксидно-кварцевая композитная изоляция. В этом типе кварцевый песок служит наполнителем для эпоксидной смолы. Катушки, предварительно пропитанные изоляционным лаком и намотанные, помещаются в литьевую форму. В вакуумных условиях эпоксидная смола, смешанная с кварцевым песком, капает и заливается в форму. Из-за сложности обеспечения требований к качеству в процессе литья, таких как остаточные пузырьки воздуха, локальные неровности в смеси и потенциальные локальные трещины от термического напряжения, трансформаторы с такой изоляцией не подходят для влажных и жарких условий или зон со значительными колебаниями нагрузки.
● Эпоксидная безщелочная стекловолоконная армированная вакуумная изоляция с перепадом давления. В качестве внешнего слоя межслойной изоляции обмотки используется безщелочное стекловолокно. Наружный слой этой изоляции состоит из тонкой обертки толщиной обычно 1–3 мм. Она смешивается с эпоксидной смолой для литья и заливается в условиях высокого вакуума для удаления пузырьков воздуха. Из-за тонкости обернутой изоляции плохая пропитка может легко привести к образованию локальных точек разряда. Поэтому необходимо тщательно перемешивать смесь для литья. и тщательная вакуумная дегазация. Низкая вязкость и скорость заливки заливочной смеси должны тщательно контролироваться, чтобы обеспечить высокое качество пропитки обмотки во время процесса заливки.
● Изоляция с пропиткой стекловолокна без щелочи. Трансформаторы, в которых используется пропитка стекловолокна без щелочи, проходят межслойную изоляцию и пропитку катушки одновременно с намоткой. Этот метод позволяет обойтись без форм для намотки, необходимых в вышеупомянутых процессах пропитки, но требует использования смолы с низкой вязкостью. Крайне важно, чтобы на этапах намотки и пропитки в смоле не оставалось мелких пузырьков воздуха.
