Трансформаторы: отказы и срок службы
20 Feb 2023 в 17:11
Трансформаторы являются одними из самых надежных и прочных элементов в системе электроснабжения. По сути, трансформатор представляет собой два набора проводов (обмотки), намотанных на стальной или железный сердечник (см. схему на рис. 1). Обмотки и сердечник погружены в масло и заключены в стальной бак (типично для силовых трансформаторов, устанавливаемых на открытом воздухе, о которых пойдет речь в этой статье). Основной сердечник трансформатора (без каламбура) не имеет движущихся частей (большие силовые трансформаторы могут включать в себя вентиляторы охлаждения, масляные насосы и устройства переключения нагрузки).
Уильям Стэнли, работая в компании Westinghouse, построил первый надежный коммерческий трансформатор в 1886 году. О надежности трансформатора он написал следующее:
"У меня очень личная привязанность к трансформатору". "Это такое полное и простое решение сложной проблемы. Он посрамляет все механические попытки регулирования. Он с такой легкостью, уверенностью и экономией справляется с огромными массами энергии, которые мгновенно поступают к нему или от него отбираются. Он настолько надежен, силен и уверен".
В электроэнергетике нередки случаи, когда трансформатор находится в эксплуатации 50 лет и более. Однако каждый, кто имеет опыт работы в сфере передачи и распределения электроэнергии, сталкивался с отказами трансформаторов. Учитывая, что трансформаторы настолько прочны и надежны, владельцы и страховщики часто удивляются, когда трансформатор выходит из строя, но все мы знаем, что ничто не вечно. В связи с этим возникают соответствующие вопросы: каковы разумные ожидания относительно срока службы трансформатора и какова вероятность его потери?
Часто приводимое в технической литературе число ожидаемого срока службы трансформатора из стандарта IEEE Standard 493 составляет 0,0041 отказа в год для трансформаторов с жидким заполнением. Это может означать, что можно ожидать, что один трансформатор выйдет из строя со скоростью 1/0,0041 или один раз в 243,9 года. Хорошо известно, что трансформаторы не служат более 200 лет. Это число предназначено для определения вероятности отказа любого данного устройства в течение года и может быть использовано для прогнозирования количества ожидаемых отказов в парке оборудования за определенный период времени. Например, EDT недавно расследовала потерю на фотоэлектрической солнечной электростанции мощностью 100 МВт. Установка включала 47 маслонаполненных трансформаторов. На основании стандарта IEEE Standard 493 и предполагаемого 20-летнего срока службы фермы можно было бы ожидать, что за весь срок службы проекта произойдет около 4 отказов трансформаторов, как рассчитано ниже.
Этот подход к расчету ожидаемых потерь на основе частоты отказов не учитывает возраст трансформаторов. Работа, выполненная Уильямом Бартли в компании Hartford Steam Boiler, показала, что риск отказа возрастает с возрастом и что при 50-летнем сроке службы трансформатора риск отказа составляет около 50%. Данные, разработанные Бартли, позволили получить кривую, показанную на рисунке 2.
Кривая на рисунке 2 получена из уравнения, приведенного ниже. Функция опасности основана на работе У. Перкса в 1930-х годах по смертности людей.
В функции опасности член "A" учитывает случайные события, такие как удары молнии, вандализм и столкновения, "t" - время в годах; другие члены, a, b и m, являются константами, которые учитывают возрастные отказы.
На рисунке 2 видно, что для трансформаторов возрастом до 40 лет функция опасности (которую можно понимать как вероятность отказа) составляет менее 10 процентов.) Таким образом, страховщики и специалисты по урегулированию убытков, очевидно, имеют основания удивляться, когда трансформатор выходит из строя на ранних стадиях жизни. Отсюда возникает очевидный вопрос: почему трансформаторы выходят из строя и что является первопричиной? В конце концов, определение первопричины убытков - это то, чем занимается судебная экспертиза.
Обзор 112 отказов трансформаторов в Германии, Австрии, Швейцарии и Нидерландах показал распределение причин отказов
Неизвестно 25,0%
Прискорбной реальностью судебной экспертизы является то, что иногда нецелесообразно или даже невозможно определить причину некоторых потерь. При отказе трансформаторов высвобождается огромное количество энергии, часто достаточное для испарения медных (или алюминиевых) обмоток и секций стальных сердечников, а также для воспламенения изоляционного масла. Нередко место аварии бывает настолько повреждено, что судебная экспертиза невозможна.
Конструкция, производство, материалы и монтаж 34,8%
Чуть более 1/3 отказов трансформаторов вызваны дефектами, которые существуют на момент ввода трансформаторов в эксплуатацию. Эти дефекты делают устройства уязвимыми к нагрузкам, которые испытывают трансформаторы во время эксплуатации.
Старение и перегрев 19,7%
Старение - это широкая категория, которая в основном связана с потерей прочности изоляции в бумажной изоляции, пропитанной маслом. Факторы, влияющие на прочность изоляции, включают присутствие воды и кислорода в масле и избыточное тепло. Главное, на что следует обратить внимание, это дефекты целостности резервуара, а также уплотнений и прокладок. Избыточное тепло в первую очередь возникает из-за чрезмерной нагрузки. Когда масло и бумага подвергаются воздействию воды и кислорода в сочетании с маслом и присутствует избыточное тепло, можно считать, что бумага "варится" в масле. Как картофель становится хрустящим при жарке при высоких температурах, так и бумага в трансформаторах становится хрупкой при воздействии избыточного тепла. Присутствующие вода и кислород способствуют неблагоприятным химическим реакциям, в результате которых образуются легковоспламеняющиеся газы и соединения, которые могут снизить прочность изоляции масла и увеличить риск взрыва. Нагрев может также происходить из-за внешних коротких замыканий, которые вызывают кратковременный нагрев. Короткие замыкания могут вызывать и другие дефекты, которые рассматриваются далее.
Внешние короткие замыкания 8,9%
Знакомый гул, доносящийся из трансформатора, является результатом механических сил, возникающих при протекании тока в обмотках и вызывающих изгиб сердечника. Частота гула составляет около 100Гц или в два раза больше частоты 50Гц, поскольку сердечник изгибается раз в полцикла. Внешние короткие замыкания на вторичной обмотке трансформаторов могут привести к протеканию большого тока в обмотках трансформатора. Высокие токи могут вызвать резкий изгиб и деформацию сердечника и привести к изменениям в сердечнике и креплении бака. Трансформаторы имеют так называемые кривые повреждения; кривые, основанные на протекании тока и продолжительности времени, которые определяют величину и продолжительность тока, который трансформатор может выдержать без повреждения. Защита трансформатора должна быть выбрана таким образом, чтобы ограничить продолжительность короткого замыкания, чтобы величина тока по времени была ниже кривой повреждения.
Ненадлежащее техническое обслуживание 2,7%
Техническое обслуживание трансформатора в первую очередь заключается в обеспечении уровня и состояния масла и предотвращении попадания влаги в бак. Для получения подробной информации о техническом обслуживании трансформатора обратитесь к стандарту IEEE C57.93-2019 - IEEE Guide for Installation and Maintenance of Liquid-Immersed Power Transformers.
Перенапряжение и молния 1,8%
Одним из наиболее распространенных объяснений потерь электроэнергии является перенапряжение и молния. Повреждение молнией может быть установлено по двум из трех следующих факторов:
Метеорологические данные
Свидетельства очевидцев
Физические повреждения, соответствующие перенапряжению или протеканию большого тока
Перенапряжения с меньшей вероятностью могут повредить трансформаторы, если установлена защита от перенапряжений. На практике перенапряжение иногда можно подтвердить или исключить на основании повреждений или отсутствия повреждений другого оборудования. Если сообщается, что трансформатор - надежный элемент оборудования - был поврежден перенапряжением, а электроника, такая как телекоммуникационное оборудование, компьютеры и сетевое оборудование, не пострадала, следует задаться вопросом, как надежное оборудование было повреждено, а менее надежное осталось неповрежденным. И наоборот, при одновременном повреждении трансформатора и электроники целесообразно исследовать возможность перенапряжения.
Разное 7,2%
Эта группа включает следующее:
Аномальный износ 0,9%
Давление зажима 1,8% (Потеря прочности опор/расхождение бумажной изоляции)
Побочное повреждение 0,9% (Повреждение от другого оборудования или систем)
Внешнее загрязнение 1,8% (Коррозионная среда)
Потеря охлаждения 0,9% (Повреждение радиаторов охлаждения, вентиляторов или масляных насосов)
Другое
Категория: Электрика
Случайная статья: Защитные модульные устройства
Трансформаторы являются одними из самых надежных и прочных элементов в системе электроснабжения. По сути, трансформатор представляет собой два набора проводов (обмотки), намотанных на стальной или железный сердечник (см. схему на рис. 1). Обмотки и сердечник погружены в масло и заключены в стальной бак (типично для силовых трансформаторов, устанавливаемых на открытом воздухе, о которых пойдет речь в этой статье). Основной сердечник трансформатора (без каламбура) не имеет движущихся частей (большие силовые трансформаторы могут включать в себя вентиляторы охлаждения, масляные насосы и устройства переключения нагрузки).
Уильям Стэнли, работая в компании Westinghouse, построил первый надежный коммерческий трансформатор в 1886 году. О надежности трансформатора он написал следующее:
"У меня очень личная привязанность к трансформатору". "Это такое полное и простое решение сложной проблемы. Он посрамляет все механические попытки регулирования. Он с такой легкостью, уверенностью и экономией справляется с огромными массами энергии, которые мгновенно поступают к нему или от него отбираются. Он настолько надежен, силен и уверен".
В электроэнергетике нередки случаи, когда трансформатор находится в эксплуатации 50 лет и более. Однако каждый, кто имеет опыт работы в сфере передачи и распределения электроэнергии, сталкивался с отказами трансформаторов. Учитывая, что трансформаторы настолько прочны и надежны, владельцы и страховщики часто удивляются, когда трансформатор выходит из строя, но все мы знаем, что ничто не вечно. В связи с этим возникают соответствующие вопросы: каковы разумные ожидания относительно срока службы трансформатора и какова вероятность его потери?
Часто приводимое в технической литературе число ожидаемого срока службы трансформатора из стандарта IEEE Standard 493 составляет 0,0041 отказа в год для трансформаторов с жидким заполнением. Это может означать, что можно ожидать, что один трансформатор выйдет из строя со скоростью 1/0,0041 или один раз в 243,9 года. Хорошо известно, что трансформаторы не служат более 200 лет. Это число предназначено для определения вероятности отказа любого данного устройства в течение года и может быть использовано для прогнозирования количества ожидаемых отказов в парке оборудования за определенный период времени. Например, EDT недавно расследовала потерю на фотоэлектрической солнечной электростанции мощностью 100 МВт. Установка включала 47 маслонаполненных трансформаторов. На основании стандарта IEEE Standard 493 и предполагаемого 20-летнего срока службы фермы можно было бы ожидать, что за весь срок службы проекта произойдет около 4 отказов трансформаторов, как рассчитано ниже.
Этот подход к расчету ожидаемых потерь на основе частоты отказов не учитывает возраст трансформаторов. Работа, выполненная Уильямом Бартли в компании Hartford Steam Boiler, показала, что риск отказа возрастает с возрастом и что при 50-летнем сроке службы трансформатора риск отказа составляет около 50%. Данные, разработанные Бартли, позволили получить кривую, показанную на рисунке 2.
Кривая на рисунке 2 получена из уравнения, приведенного ниже. Функция опасности основана на работе У. Перкса в 1930-х годах по смертности людей.
В функции опасности член "A" учитывает случайные события, такие как удары молнии, вандализм и столкновения, "t" - время в годах; другие члены, a, b и m, являются константами, которые учитывают возрастные отказы.
На рисунке 2 видно, что для трансформаторов возрастом до 40 лет функция опасности (которую можно понимать как вероятность отказа) составляет менее 10 процентов.) Таким образом, страховщики и специалисты по урегулированию убытков, очевидно, имеют основания удивляться, когда трансформатор выходит из строя на ранних стадиях жизни. Отсюда возникает очевидный вопрос: почему трансформаторы выходят из строя и что является первопричиной? В конце концов, определение первопричины убытков - это то, чем занимается судебная экспертиза.
Обзор 112 отказов трансформаторов в Германии, Австрии, Швейцарии и Нидерландах показал распределение причин отказов
Неизвестно 25,0%
Прискорбной реальностью судебной экспертизы является то, что иногда нецелесообразно или даже невозможно определить причину некоторых потерь. При отказе трансформаторов высвобождается огромное количество энергии, часто достаточное для испарения медных (или алюминиевых) обмоток и секций стальных сердечников, а также для воспламенения изоляционного масла. Нередко место аварии бывает настолько повреждено, что судебная экспертиза невозможна.
Конструкция, производство, материалы и монтаж 34,8%
Чуть более 1/3 отказов трансформаторов вызваны дефектами, которые существуют на момент ввода трансформаторов в эксплуатацию. Эти дефекты делают устройства уязвимыми к нагрузкам, которые испытывают трансформаторы во время эксплуатации.
Старение и перегрев 19,7%
Старение - это широкая категория, которая в основном связана с потерей прочности изоляции в бумажной изоляции, пропитанной маслом. Факторы, влияющие на прочность изоляции, включают присутствие воды и кислорода в масле и избыточное тепло. Главное, на что следует обратить внимание, это дефекты целостности резервуара, а также уплотнений и прокладок. Избыточное тепло в первую очередь возникает из-за чрезмерной нагрузки. Когда масло и бумага подвергаются воздействию воды и кислорода в сочетании с маслом и присутствует избыточное тепло, можно считать, что бумага "варится" в масле. Как картофель становится хрустящим при жарке при высоких температурах, так и бумага в трансформаторах становится хрупкой при воздействии избыточного тепла. Присутствующие вода и кислород способствуют неблагоприятным химическим реакциям, в результате которых образуются легковоспламеняющиеся газы и соединения, которые могут снизить прочность изоляции масла и увеличить риск взрыва. Нагрев может также происходить из-за внешних коротких замыканий, которые вызывают кратковременный нагрев. Короткие замыкания могут вызывать и другие дефекты, которые рассматриваются далее.
Внешние короткие замыкания 8,9%
Знакомый гул, доносящийся из трансформатора, является результатом механических сил, возникающих при протекании тока в обмотках и вызывающих изгиб сердечника. Частота гула составляет около 100Гц или в два раза больше частоты 50Гц, поскольку сердечник изгибается раз в полцикла. Внешние короткие замыкания на вторичной обмотке трансформаторов могут привести к протеканию большого тока в обмотках трансформатора. Высокие токи могут вызвать резкий изгиб и деформацию сердечника и привести к изменениям в сердечнике и креплении бака. Трансформаторы имеют так называемые кривые повреждения; кривые, основанные на протекании тока и продолжительности времени, которые определяют величину и продолжительность тока, который трансформатор может выдержать без повреждения. Защита трансформатора должна быть выбрана таким образом, чтобы ограничить продолжительность короткого замыкания, чтобы величина тока по времени была ниже кривой повреждения.
Ненадлежащее техническое обслуживание 2,7%
Техническое обслуживание трансформатора в первую очередь заключается в обеспечении уровня и состояния масла и предотвращении попадания влаги в бак. Для получения подробной информации о техническом обслуживании трансформатора обратитесь к стандарту IEEE C57.93-2019 - IEEE Guide for Installation and Maintenance of Liquid-Immersed Power Transformers.
Перенапряжение и молния 1,8%
Одним из наиболее распространенных объяснений потерь электроэнергии является перенапряжение и молния. Повреждение молнией может быть установлено по двум из трех следующих факторов:
Метеорологические данные
Свидетельства очевидцев
Физические повреждения, соответствующие перенапряжению или протеканию большого тока
Перенапряжения с меньшей вероятностью могут повредить трансформаторы, если установлена защита от перенапряжений. На практике перенапряжение иногда можно подтвердить или исключить на основании повреждений или отсутствия повреждений другого оборудования. Если сообщается, что трансформатор - надежный элемент оборудования - был поврежден перенапряжением, а электроника, такая как телекоммуникационное оборудование, компьютеры и сетевое оборудование, не пострадала, следует задаться вопросом, как надежное оборудование было повреждено, а менее надежное осталось неповрежденным. И наоборот, при одновременном повреждении трансформатора и электроники целесообразно исследовать возможность перенапряжения.
Разное 7,2%
Эта группа включает следующее:
Аномальный износ 0,9%
Давление зажима 1,8% (Потеря прочности опор/расхождение бумажной изоляции)
Побочное повреждение 0,9% (Повреждение от другого оборудования или систем)
Внешнее загрязнение 1,8% (Коррозионная среда)
Потеря охлаждения 0,9% (Повреждение радиаторов охлаждения, вентиляторов или масляных насосов)
Другое
Категория: Электрика
Случайная статья: Защитные модульные устройства