Разработка и расчет высоковольтного источника питания для электротехнологической установки

Курсовая работа

Разработка и расчет высоковольтного источника питания для электротехнологической установки

1.Введение

2. Определение взаимосвязи tgд и степени полимеризации маслосодержащей изоляции, с развивающимися дефектами в процессе эксплуатации силовых трансформаторов

2.1 Влияние развивающихся дефектов в процессе эксплуатации силовых трансформаторов на tgд изоляции силового трансформатора

2.2 Влияние развивающихся дефектов в процессе эксплуатации силовых трансформаторов на степень полимеризации маслосодержащей изоляции

3. Прогнозирование изменения степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов с использованием результатов эксплуатационного мониторинга

3.1 Прогнозирование изменения tgд изоляции силовых трансформаторов с использованием результатов эксплуатационного мониторинга

4. Вычислительный эксперимент по анализу и прогнозированию технического состояния изоляции силовых трансформаторов с учетом результатов эксплуатационного мониторинга Заключение Список используемой литературы

1. Введение

Задачи снижения повреждаемости высоковольтного энергетического оборудования являются очень актуальными, так как, к примеру, срок службы подавляющей части мощных силовых трансформаторов сейчас превышает 25 лет. Существенными процедурами обслуживания — обследованиями с отключением от сети, капремонтами охвачена лишь небольшая часть оборудования, так как эти мероприятия являются довольно затратными.

Поэтому всё большее внимание уделяется диагностике состояния электрооборудования в эксплуатации, позволяющей оценить степень износа и предсказать остаточный ресурс изоляции, выявить наименее надежные звенья и сконцентрировать имеющиеся ресурсы на их восстановлении или замене.

Серьезные отказы подстанционного оборудования 110−500 кВ могут произойти мгновенно или развиваться постепенно в связи с процессами старения или развития дефектов. Например, при ближнем коротком замыкании происходит динамическое смещение обмоток силового трансформатора, межвитковое замыкание и повреждение трансформатора. Это мгновенный отказ, который диагностическими методами не предсказывается. По статистике таких случаев около 30%.

Остальные отказы оборудования возникают в результате сравнительно медленных процессов, и эти аварии могут быть спрогнозированы (или диагностически выявлены) и предотвращены.

Для силовых трансформаторов существуют более 40 методов контроля, часть из них являются обязательными. Каждый из методов в основном выявляет только определенные дефекты, но, как правило, различные способы диагностики взаимно дополняют друг друга. Наиболее общими методами являются тепловидение и хроматографический анализ растворенных газов (ХАРГ). С помощью тепловидения выявляются локальные нагревы поверхности (дефекты, выделяющие тепловую мощность более 1 Вт), поэтому этот способ незаменим для контроля контактных соединений и короткозамкнутых магнитных контуров. ХАРГ является чувствительным интегральным методом для определения локальных перегревов и разрядных процессов.

В последнее время всё более широкое распространение получает акустический способ обследования электрооборудования. Он основан на регистрации звуковых импульсов, возникающих при электрических разрядах, с помощью датчиков, устанавливаемых, к примеру, на стенку бака трансформатора. Современные ультразвуковые датчики позволяют регистрировать разрядные процессы с энергией до 10−7 Дж.

Этот способ диагностики отличается оперативностью и позволяет локализовать место дефекта, сопровождающегося разрядами. Кроме того, на основании акустического метода разработаны весьма экономичные системы мониторинга энергооборудования, популярные в мире.

2. Определение взаимосвязи tgд и степени полимеризации маслосодержащей изоляции, с развивающимися дефектами в процессе эксплуатации силовых трансформаторов

2.1 Влияние развивающихся дефектов в процессе эксплуатации силовых трансформаторов на tgд изоляции силового трансформатора

трансформатор полимеризация маслосодержащий изоляция Обмотка силового трансформатора часто испытывает на себе одновременное действие нагрева, увлажнения, химических компонентов и механического воздействия. В зависимости от нагрузки трансформатора, условий окружающей среды и длительности работы действие этих факторов может быть различным. В трансформаторах, работающих на переменном токе, преобладающее действие может оказать нагрев. В трансформаторах, работающих в животноводческих помещениях, наиболее опасным оказывается действие повышенной влажности в сочетании с парами аммиака.

Фактор, от которого существенно зависит срок службы изоляции, является действие влаги. При повышенной влажности воздуха на поверхности изоляционного материала образуется пленка влаги. Поверхностное сопротивление изоляции при этом резко понижается. Образованию пленки воды в большой мере способствуют местные загрязнения. Через трещины и поры влага проникает внутрь изоляции, снижая ее электрическое сопротивление, увеличивая tgд, скорость увлажнения существенно зависит от температуры окружающей среды. При одинаковой относительной влажности, но при более высокой температуре изоляция увлажняется в несколько раз быстрее.

Износу изоляции также способствует пыль, содержащаяся в воздухе. Твердые частицы пыли разрушают поверхность и, оседая, загрязняют ее, чем также повышают tgд изоляции. В воздухе производственных помещений присутствуют примеси химически активных веществ (углекислый газ, сероводород, аммиак и др.). В химически агрессивных средах изоляция быстро теряет свои изоляционные свойства и разрушается. Оба этих фактора, дополняя друг друга, сильно ускоряют процесс разрушения изоляции.

При износе изоляции обмоток, электрическая прочность резко понижается. На поверхности возникают микротрещины, в которые проникает влага и грязь. В дальнейшем происходит пробой и выгорание части обмоток. При увеличении температуры обмоток срок службы изоляции резко снижается.

Выгорание витковой изоляции и витков обмотки вызвано нарушениями межлистовой изоляции или изоляции стяжных болтов, а также образованиями короткозамкнутого контура при повреждении изоляционных прокладок между ярмом и магнитопроводом. Это повреждение приводит к возрастанию нагрева корпуса и масла при нормальной нагрузке. Что в свою очередь приводит у увеличению tgд.

Перегрев трансформатора может определяться низким уровнем масла, который будет наблюдаться при нарушении герметичности силового трансформатора или при течи масла через резиновые прокладки, в результате чего обнаженная часть обмотки и активной стали перегреваются, происходит старение изоляции.

Магнитопровод трансформатора выполняет функции магнитной системы и одновременно его конструктивной и механической основы. В конструкции магнитопровода различают активную часть, непосредственно проводящую магнитный поток, и неактивную часть, придающую магнитопроводу необходимую жесткость и являющуюся остовом для установки и крепления на нем различных деталей. Основные виды повреждений в магнитной системе трансформатора:

1) замыкание между отдельными листами магнитопровода по внешней поверхности его ярма;

2) замыкания между отдельными листами среднего стержня магнитопровода;

3) то же для одного из крайних стержней;

4) замыкание между отдельными листами магнпитопровода по его внешней и внутренней поверхности ;

5) шунтирование изоляции стяжных шпилек.

Повреждение межлистовой изоляции магнитопровода приводит к недопустимому повышению температуры магнитопровода и вызовет старение изоляции.

В процессе работы трансформатора на него воздействуют собственная вибрация и токи короткого замыкания. Под их воздействием в случае недостаточной запрессовки обмоток происходит смещение элементов (прокладок) обмоток, а так же возможна деформация обмоток. Которая приведет к выходу из строя силового трансформатора.

Грозоупорная обмотки применяется только на грозоупорных трансформаторах, конструкция обмоток которых ослабляет электро-магнитные колебания, возникающие при переходных процессах, и устраняет появление опасных напряжений на изоляции трансформатора при воздействии грозовых перенапряжений. Дефект изготовления грозоупорной обмотки приведет к разрушению трансформатора.

2.2 Влияние развивающихся дефектов в процессе эксплуатации силовых трансформаторов на степень полимеризации маслосодержащей изоляции

Основным процессом деградации бумажной изоляции в эксплуатации, определяющим ее износ, является разрыв связей между мономерными фрагментами целлюлозы, приводящий к уменьшению степени полимеризации и связанному с ним снижению механической прочности при воздействиях на излом и растяжение, а следовательно и запаса устойчивости изоляции при КЗ и перенапряжениях. Ресурс бумажной изоляции силовых трансформаторов есть ее наработка со снижением степени полимеризации от исходной до значения 250 единиц, определяющего полное исчерпание ресурса, сопряженного с более чем 4-х кратным снижением механической прочности изоляции в сравнении с исходной.

Существенное влияние на ускорение старения целлюлозной изоляции в среде жидкого диэлектрика оказывает электрическое поле, при деформации обмотки, выгорании витковой изоляции. Оно усиливает воздействие практически всех физико-химических факторов:

· каталитический кислотный алкоголиз;

· термическая деструкция и дегидратация;

· гидролиз целлюлозной изоляции;

· окислительная деструкция при воздействии кислых продуктов

· старения масла и содержащихся в нем окислителей

а также способствует адсорбции на поверхности целлюлозной изоляции продуктов старения трансформаторного масла и конструкционных материалов.

Воздействие электрического поля ускоряет и другой важный процесс деградации целлюлозы — каталитический кислотный алкоголиз при действии гидроксилсодержащих углеводородов (спиртов) в присутствии низкомолекулярных органических кислот и других продуктов, образующихся в масле в процессе старения. Высокая степень влияния этого процесса на деградацию изоляции обмоток обусловлена тем, что трансформаторное масло по своим физико-химическим характеристикам является лучшим пластификатором для целлюлозной изоляции, чем вода. Наличие в целлюлозной изоляции участков с сильным межмолекулярным взаимодействием, т. е. полностью «кристаллических», недоступных для масла областей, в общем случае составляет не более 20%, и с увеличением времени эксплуатации будет уменьшаться под действием электрического поля и других эксплуатационных факторов (температуры, наличия химически активных примесей и др.).

Важным фактором старения целлюлозной изоляции является ее термолиз, вызванный повышенной температурой которое получается при: перегрев магнитопровода, нарушение охлаждения трансформатора, течь масла через резиновые прокладки. Под воздействием высокой температуры (более 90 °С) в целлюлозной изоляции, помимо ускорения перечисленных выше процессов, активизируются также процессы термической деградации — деструкция и дегидратация в аморфных и мезоморфных областях с образованием фурфурола и фурановых соединений.

Наряду с указанными процессами деградации, в процессе эксплуатации происходит окислительная деструкция целлюлозной изоляции при воздействии кислых продуктов старения масла и содержащихся в них окислителей. Старение масла происходит пор воздействием высокой температуры. Этот процесс приводит к образованию в макромолекулах полимера окисленных (главным образом карбоксильных) групп и нарушениям в ее структуре. Разрушение структуры целлюлозной изоляции и образование окисленных групп приводит к хемосорбции низкомолекулярных продуктов деструкции, а также кислых продуктов старения масла, ионов меди и железа, образующихся при коррозии металлических компонентов трансформатора в процессе его эксплуатации. Данный процесс сопровождается выделением в масло оксида и диоксида углерода, а визуальным признаком каталитической термоокислительной деструкции целлюлозной изоляции обмоток является ее темно-коричневый цвет.

Грозоупорная обмотка используется в грозоупорных трансформаторах и при ее дефекте при перенапряжениях сгорает весь трансформатор, поэтому на степень полимеризации она не как не влияет.

3. Прогнозирование изменения степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов с использованием результатов эксплуатационного мониторинга

Данные эксплуатационных испытаний силовых трансформаторов показывают монотонное уменьшение степени полимеризации бумажной изоляции во времени, что обусловлено старением изоляции во времени. Тогда изменение степени полимеризации бумажной изоляции во времени в соответствии с методом постепенного накопления повреждений запишем в следующем виде:

(1)

где dч — степень полимеризации бумажной изоляции, q_ч(t) — вектор нагрузок.

В результате анализа литературных и экспериментальных данных для измерения степени полимеризации бумажной изоляции функция q_ч(t) может быть представлена в следующем виде:

q_ч (t)=f (C_зб,С_ф, С_кш, С_вм, С_ап, С_ш, Т, КОН, Z_k, U_прм, tgд_и, t_в), (2)

где C_зб — влажность бумажной изоляции; С_ф— содержание фурановых соединений; Z_k -сопротивление короткого замыкания; С_кш— содержание кислот и щелочей, С_вм— влажность масла, С_ап— содержание антиокилимень пслительной присадки; С_ш — содержание растворимого шлама; Т — температура изоляции; КОН — кислотное число, U_прм— пробивное напряжение масла; tgд_и— тангес угла диэлектрических потерь изоляции; t_в— температура вспышки масла.

Так как степень полимеризации бумажной изоляции является характеристикой твердой изоляции то параметры, характеризующие состояние жидкой изоляции являются вторичными и частью из них можно пренебречь при составлении функционального вида вектора нагрузок q_ч (t).

q_ч (t)=f (C_зб,С_ф, Т, Z_k, tgд_и) (3)

С учетом выражения (2) уравнение (1) запишется так:

(4)

Скорость изменения степени полимеризации зависит в первую очередь от степени полимеризации в настоящий момент времени, так как оно отражает текущее состояние бумажной изоляции, а следовательно, и скорости протекания всех физико-химических реакций в бумажной изоляции. Тогда функцию, учитывающую влияние ч следует учесть в (4) в виде множителя, который можно представить в более общем степенном виде — К_и ч_пол^а, где к_и, б — постоянные коэффициенты, определяющиеся по экспериментальным данным.

В результате выражение (4) запишется в виде:

(5)

Рассмотрим далее влияние на ч_пол влажности твердой изоляции. Вода резко увеличивает проводимость твердой изоляции, что приводит к сильному снижению ч_пол. Кроме того, растворенное в воде химически активные вещества гораздо активнее вступают в реакции, то есть вода увеличивает скорость окисления твердой изоляции. Можно учесть влияние влаги выражением вида: к_вС_зб^в где к_в и в безразмерные коэффициенты, определяемые из опыта.

Тогда выражение (5) примет вид:

(6)

С ростом температуры ускоряется протекание всех химических процессов, то есть ускоряется старение изоляции. Это приводит к резкому увеличению концентрации продуктов старения, что в свою очередь снижает степень полимеризации бумажной изоляции. Кроме того, при изменении температуры происходит переход влаги из одного состояния в другое, что так же приводит к существенному изменению степени полимеризации бумажной изоляции. Тогда по аналогии с учетом влияния ч_пол на скорость его изменения во времени с учетом влияния температуры выражением к_тТ^г, где к_т г — постоянные коэффициенты, а выражение (6) запишем в виде:

(7)

При старении изоляции в бумаге происходит выделение продуктов старенияфурановые соединения. Эти вещества снижают степень полимеризации бумажной изоляции за счет уменьшения устойчивости к тепловому воздействию. В свою очередь продукты окисления ускоряют процессы старения. Влияние этих соединений учтем выражением с₁С_ф^д1 :

где с₁ и д1- постоянные коэффициенты.

Тогда (8) можно записать:

(8)

Тангенс угла диэлектрических потерь tgд_и реагирует на содержание примесей в бумажной изоляции и коррелирует с параметром С_ф и С_зб. Следовательно, параметр tgд_и необходимо рассматривать в комплексе с этими параметрами и ввести для его учета множитель в виде функции К_tgд(tgд_и)^ш, где К_tgд, шпостоянные коэффициенты. Тогда выражение (8) запишется так:

(9)

Сопротивление изоляции и сопротивление короткого замыкания отражает текущее состояние изоляции и чем они ниже, тем ниже степень полимеризации изоляции. Тогда функции, учитывающую влияние Z_к, следует учесть в предыдущей формуле в виде множителя, который можно представить в более общем степенном виде n_и Z_к^м, где n_и и мпостоянные коэффициенты, определяющиеся по экспериментальным данным.

Тогда выражение (9) запишется следующим образом:

(10)

Далее коэффициенты n_и, к_и, к_т можно объединить и внести в скобки. Тогда преобразуем (10) так:

(11)

где с₁^*= с₁ n_и к_и к_т к_в^*=к₁ к_tgд n_и к_и

к_т

Так как приведенные на рисунке экспериментальные данные показывают изменение степени поляризации только при различной влажности, примем, что остальные параметры постоянны.

Можно принять коэффициент б = 1. Учитывая это, произведем разделение переменных. Тогда (11) запишется:

(12)

Интегрирование дифференциального уравнения (12) при начальном условии t=0, ч_пол=ч_пол0 дает:

(13)

Полученное выражение определяет изменение степени полимеризации бумажной изоляции во времени. Оно содержит постоянные коэффициенты y, с₁^*, к_в^*, в, ш, м, д₁ которые необходимо определить по данным экспериментальных исследований. Здесь следует отметить, что если в качестве начального значения степени полимеризации бумажной изоляции ч_пол0 принять результаты эксплуатационных испытаний после ввода в эксплуатацию, то тренд изменения степени полимеризации бумажной изоляции изначально будет рассчитан с погрешностью, обусловленной неточностью эксплуатационных испытаний. Поэтому так же как и другие постоянные коэффициенты следует рассчитывать эффективное начальное значение ч_пол0, которое будет задавать ход тренда изменения по степени полимеризации.

3.1 Прогнозирование изменения tgд изоляции силовых трансформаторов с использованием результатов эксплуатационного мониторинга

Данные эксплуатационных испытаний силовых трансформаторов показывают монотонное увеличение tgд изоляции во времени, что обусловлено старением изоляции во времени. Тогда изменение сопротивления изоляции во времени в соответствии с методом постепенного накопления повреждений запишем в следующем виде:

(1)

где R — сопротивление бумажной изоляции, q_R(t) — вектор нагрузок.

В результате анализа литературных и экспериментальных данных для tgд изоляции функция q_R(t) может быть представлена в следующем виде:

q_R(t) =f (C_уо,С_зо, Z_к, Т, I_аб, tgд_и), (2)

где C_уо — увлажнение обмотки трансформатора; С_зо— загрязнение обмотки трансформатора; Z_к— сопротивление короткого замыкания; Т — температура изоляции; tgд_и— тангенс угла диэлектрических потерь изоляции; I_аб — ток абсорбции.

С учетом выражения (2) уравнение (1) запишется так:

(3)

Скорость изменения tgд изоляции зависит в первую очередь от tgд изоляции в настоящий момент времени, так как оно отражает текущее состояние бумажной изоляции, а следовательно, и скорости протекания всех физико-химических реакций в бумажной изоляции. Тогда функцию, учитывающую влияние tgд следует учесть в (3) в виде множителя, который можно представить в более общем степенном виде — К_и tgд^а, где к_и, б — постоянные коэффициенты, определяющиеся по экспериментальным данным.

В результате выражение (3) запишется в виде:

(4)

Рассмотрим далее влияние на tgд увлажнения обмотки трансформатора. Вода резко увеличивает проводимость твердой изоляции, что приводит к сильному увеличению tgд. Можно учесть влияние влаги выражением вида: к_вС_уо^в где к_в и в безразмерные коэффициенты, определяемые из опыта.

Тогда выражение (4) примет вид

(5)

С ростом температуры ускоряется протекание всех химических процессов, то есть ускоряется старение изоляции. Это приводит к резкому увеличению концентрации продуктов старения, что в свою очередь увеличивает tgд бумажной изоляции. Кроме того, при изменении температуры происходит переход влаги из одного состояния в другое, что так же приводит к существенному изменению сопротивления бумажной изоляции. Тогда по аналогии с учетом влияния R на скорость его изменения во времени с учетом влияния температуры выражением к_тТ^г, где к_т г — постоянные коэффициенты, а выражение (5) запишем в виде:

(6)

При эксплуатации силовых трансформаторов может произойти механическое повреждение обмотки трансформатора. Из-за собственной вибрации трансформатора и токов короткого замыкания. Влияние этих факторов учтем выражением с₁Z_к^д1: где с₁ и д1- постоянные коэффициенты.

Тогда (6) можно записать:

(7)

В процессе эксплуатации на трансформатор, особенно в производственных цехах воздействует пыль, которая содержится в воздухе. Твердые частицы пыли разрушают поверхность и, оседая, загрязняют ее, чем также повышают tgд изоляции. В воздухе производственных помещений присутствуют примеси химически активных веществ (углекислый газ, сероводород, аммиак и др.). В химически агрессивных средах изоляция быстро теряет свои изоляционные свойства и разрушается.

Можно учесть влияние загрязнения изоляции выражением вида: к_зС_зо^у где к_з и упостоянные коэффициенты.

Тогда выражение (7) можно записать:

(8)

Сопротивление изоляции реагирует на содержание примесей в бумажной изоляции и коррелирует с параметром С_уо и С_зо. Следовательно, параметр R необходимо рассматривать в комплексе с этими параметрами и ввести для его учета множитель в виде функции К_R®^ш, где К_R, шпостоянные коэффициенты. Тогда выражение (8) запишется так:

(9)

Ток абсорбции отражает текущее состояние изоляции и чем они ниже, тем ниже тангенс диэлектрических потерь. Тогда функции, учитывающую влияние I_аб, следует учесть в предыдущей формуле в виде множителя, который можно представить в более общем степенном виде n_и I_аб ^м, где n_и и мпостоянные коэффициенты, определяющиеся по экспериментальным данным. Тогда выражение (9) запишется следующим образом:

(10)

Далее коэффициенты n_и, к_и, к_т c₁ можно объединить и внести в скобки. Тогда преобразуем (10) так:

(11)

где к_в^*= к_в к_R n_и к_и к_т c₁ к_з^*=к_з к_R n_и к_и к_т c₁

В процессе эксплуатации силовых трансформаторов сопротивление изоляции снижается по экспоненциальному закону.

Учитывая это, произведем разделение переменных. Тогда (11) запишется:

(12)

Интегрирование дифференциального уравнения (12) при начальном условии t=0, tgд= tgд₀ дает:

(13)

4. Вычислительный эксперимент по анализу и прогнозированию технического состояния изоляции силовых трансформаторов с учетом результатов эксплуатационного мониторинга

В связи с тем, что приведенные на рисунке 1 экспериментальные данные показывают изменение степени полимеризации ч_пол (t) только при различной влажности примем, что остальные параметры постоянны.

Перепишем 13 в другом виде:

(14)

где К₁=T^y Z_k^м c₁^* C_Ф^д1 tgд_и^ш, К₂= T^y Z_k^м к_в^* tgд_и^ш

После преобразование выражения (14) получаем:

(15)

Найдем коэффициенты К₁ К₂ и в данного уравнения используя программу MathCad. Составим систему уравнений вида (15) для разных значений времени и влажности:

Заключение

В данной работе осуществлены анализ и прогнозирование изменения технического состояния изоляции маслонаполненных высоковольтных трансформаторов в эксплуатации. Рассмотрено влияние развивающихся дефектов в процессе эксплуатации силовых трансформаторов на сопротивление изоляции трансформаторов, на степень полимеризации маслосодержащей изоляции. В процессе прогнозирования с использованием результатов эксплуатационного мониторинга установлены зависимости изменения степени полимеризации бумажной изоляции силовых трансформаторов от влажности

а также изменение тангенса угла диэлектрических потерь изоляции силовых трансформаторов от времени.

Произведено вычисление постоянных коэффициентов К₁ К₂ в и построен график зависимости степени полимеризации от времени при различной начальной влажности.

Список используемой литературы

1. Объем и нормы испытаний электрооборудования/под общ. Ред. Б. А. Алексеева, Ф. Л. Когана, 2010.

2. Положение об экспертной системе контроля и оценки состояния и условий эксплуатации силовых трансформаторов, шунтирующих реакторов, измерительных трансформаторов тока и напряжения.

3. Болотин, В. В. Ресурс машин и конструкций.

4. Методические указания к курсовому проектированию. Анализ и проектирование изменения технического состояния изоляции маслонаполненных высоковольтных трансформаторов эксплуатации. А. В. Вихарев, Ю. А. Митькин, 2014.