Проблемы электродинамической стойкости силовых трансформаторов и пути их решения



С 1986 года ГОСТ 11677 требовал испытаний на выдерживание короткого замыкания (КЗ) силовых трансформаторов всех мощностей и напряжений. Эти испытания являются важным этапом в обеспечении надежности и стабильности работы электроэнергетических систем, поскольку позволяют оценить стойкость обмоток трансформаторов к токам КЗ и идентифицировать слабые места в их конструкции.

В процессе испытаний трансформаторы подвергаются воздействию коротких замыканий с целью проверки их электродинамической стойкости. При этом проверяется состояние важных элементов, таких как обмотки, и делаются выводы о результатах испытаний после их демонтажа на заводе-изготовителе.

Эти испытания на стойкость трансформаторов к токам КЗ являются неотъемлемой частью процесса контроля качества и безопасности электроэнергетического оборудования. Они позволяют исключить возможность возникновения аварийных ситуаций, которые могут привести к сбоям в работе энергосистем и повреждению оборудования.

Важно отметить, что испытания трансформаторов на стойкость к токам КЗ необходимо проводить на современных испытательных стендах, оснащенных необходимым оборудованием и технологиями, которые позволяют точно моделировать различные режимы работы трансформаторов и обеспечивать безопасные условия для проведения испытаний.

В целом, электродинамические испытания трансформаторов на стойкость к токам КЗ являются важным инструментом для обеспечения надежности и безопасности электроэнергетических систем, а также для повышения качества и долговечности электротехнического оборудования.

В 1990-е годы, после распада СССР, экономическая ситуация в стране стала сложной, что привело к сокращению финансирования исследований и разработок в области электротехнического оборудования, в том числе трансформаторов. В результате производители стали уделять меньше внимания проблеме электродинамической стойкости трансформаторов к токам КЗ, что привело к повышению аварийности.

Одной из причин возросшей аварийности стало то, что в ГОСТ 11677 были допущены некоторые недостатки, которые не позволяли обеспечить достаточный уровень стойкости трансформаторов к токам КЗ. В частности, требования к уровню испытательных токов КЗ были снижены, что привело к тому, что на испытательном стенде можно было проводить испытания трансформаторов мощностью до 40 МВА, но уровень испытательных токов КЗ был ниже, чем в эксплуатационных условиях.

В результате на практике стали использоваться трансформаторы, которые не были достаточно протестированы на стойкость к токам КЗ, что привело к повышению аварийности. В ряде случаев аварии происходили из-за разрушения изоляции обмоток трансформаторов, что приводило к короткому замыканию и выходу из строя трансформатора.

В целом, в 1990-е годы недостаточная стойкость трансформаторов к токам КЗ стала одной из основных причин аварийности в электроэнергетических системах России. В связи с этим было принято решение о необходимости усиления контроля качества электротехнического оборудования и улучшения стандартов, регулирующих его производство и испытания.

Методика расчета электродинамической стойкости трансформаторов к токам КЗ, разработанная в 1977 году и модернизированная в 1988 году, является одним из основных инструментов для оценки стойкости трансформаторов к токам КЗ. Эта методика позволяет оценить электродинамические напряжения и токи в обмотках трансформаторов, а также определить их устойчивость к воздействию коротких замыканий.

Однако практический опыт испытаний трансформаторов на мощном испытательном стенде в Тольятти показывает, что компьютерные расчеты не могут полностью гарантировать стойкость обмоток трансформаторов. В частности, расчеты не учитывают всех факторов, которые могут повлиять на стойкость трансформаторов к токам КЗ, таких как качество изоляции обмоток, точность изготовления деталей трансформатора, наличие механических повреждений и др.

В связи с этим, для оценки стойкости трансформаторов к токам КЗ необходимо проводить испытания на специализированных испытательных стендах, которые позволяют точно моделировать различные режимы работы трансформаторов и обеспечивать безопасные условия для проведения испытаний.

В целом, для обеспечения надежности и безопасности электроэнергетических систем необходимо проводить комплексные испытания трансформаторов на стойкость к токам КЗ, включая как компьютерные расчеты, так и практические испытания на специализированных испытательных стендах. Это позволит исключить возможность возникновения аварийных ситуаций, которые могут привести к сбоям в работе энергосистем и повреждению оборудования.

«Правило прототипов» было введено в 1980-х годах для облегчения процесса испытаний трансформаторов на стойкость к токам КЗ и сокращения нагрузки на испытательные стенды. Согласно этому правилу, испытания трансформатора могут быть заменены расчетом, если аналогичный трансформатор успешно прошел испытания на стойкость к токам КЗ.

Однако в настоящее время «правило прототипов» часто используется изготовителями трансформаторов для замены испытаний на стойкость к токам КЗ расчетами. Это приводит к снижению уровня контроля качества и безопасности трансформаторов, а также увеличению аварийности.

В частности, применение «прототипов» трансформаторов, изготовленных по другой технологии, с использованием иных изолирующих материалов или на другом заводе, является необоснованным. В этом случае нельзя полностью гарантировать стойкость обмоток трансформаторов к токам КЗ, так как технология изготовления и качество изоляции обмоток могут значительно отличаться от аналогичных трансформаторов, которые прошли испытания на стойкость к токам КЗ.

Кроме того, сокращение объема испытаний трансформаторов на стойкость к токам КЗ, снижение исследований в этой области и уменьшение числа квалифицированных специалистов приводят к потере технического уровня кадров и ухудшению качества электротехнического оборудования.

С 1995 года наблюдается увеличение повреждений автотрансформаторов и других типов трансформаторов, которые ранее считались динамически стойкими к токам КЗ. Не все случаи повреждения трансформаторов связаны с их изначальной нестойкостью к токам КЗ. Фактический ток КЗ может быть больше допустимого, усилие прессовки обмоток может быть снижено, или другие причины могут влиять на это.

Причины увеличения повреждений трансформаторов могут быть различными, например:

1. Увеличение нагрузок на энергосистему: с ростом экономики России возрастает потребление электроэнергии, что приводит к увеличению нагрузок на энергосистему и, как следствие, к увеличению напряжений и токов на трансформаторах. Это может привести к увеличению токов КЗ и, следовательно, к увеличению повреждений трансформаторов.
2. Устаревание оборудования: многие трансформаторы, установленные в энергосистеме, имеют возраст более 20–30 лет и требуют замены. Устаревание оборудования может привести к снижению его надежности и увеличению риска аварийных ситуаций.
3. Снижение качества оборудования: с развитием экономики России возрастает спрос на электротехническое оборудование, что приводит к увеличению количества производителей и, как следствие, к снижению качества продукции. Некоторые производители могут использовать некачественные материалы или несовершенные технологии для изготовления трансформаторов, что может привести к снижению их надежности и увеличению риска аварийных ситуаций.
4. Недостаточная эксплуатация и обслуживание оборудования: некоторые трансформаторы могут быть эксплуатированы и обслуживаться неправильно, что может привести к снижению их надежности и увеличению риска аварийных ситуаций. Например, неправильная установка или регулировка трансформатора может привести к снижению его надежности и увеличению риска повреждений.
5. Недостаточная защита трансформаторов: некоторые трансформаторы могут быть недостаточно защищены от токов КЗ и других аварийных ситуаций. Неправильная настройка защитных устройств или отсутствие защиты может привести к повреждению трансформатора при аварийных ситуациях.
6. Ввод новых энергообъектов: с ростом экономики России возрастает и потребность в новых энергообъектах, таких как электростанции, подстанции и линии электропередачи. Это приводит к увеличению количества трансформаторов, которые устанавливаются в энергосистеме, что может привести к увеличению риска аварийных ситуаций.
7. Сокращение объема испытаний трансформаторов на стойкость при КЗ: в связи с ростом экономики России и необходимостью ввода новых энергообъектов, некоторые производители могут сокращать объем испытаний трансформаторов на стойкость при КЗ, что может привести к снижению их надежности и увеличению риска аварийных ситуаций.
8. Снижение исследований в этой области: снижение объема исследований в области электродинамической стойкости к токам КЗ может привести к потере технического уровня кадров и ухудшению качества продукции.
9. Уменьшение числа квалифицированных специалистов: снижение объема исследований и сокращение объема испытаний трансформаторов на стойкость при КЗ может привести к уменьшению числа квалифицированных специалистов в этой области, что может привести к снижению качества продукции и увеличению риска аварийных ситуаций.
10. Рост импорта трансформаторного оборудования: снижение технического уровня кадров и ухудшение качества продукции может привести к росту импорта трансформаторного оборудования, которое может не соответствовать отечественным стандартам, что в свою очередь приводит к повышению статистики аварий.

Увеличение аварий трансформаторов происходит из-за ослабления внимания к проблеме электродинамической стойкости к токам КЗ и роста экономики России, что приводит к необходимости ввода новых энергообъектов. Сокращение объема испытаний трансформаторов на стойкость при КЗ, снижение исследований в этой области и уменьшение числа квалифицированных специалистов приводят к потере технического уровня кадров и росту импорта трансформаторного оборудования, которое может не соответствовать отечественным стандартам, что в свою очередь приводит к повышению статистики аварий.

В период с 1983 по 1994 год на МИС в г. Тольятти было проведено испытание около 30 силовых трансформаторов и реакторов различных мощностей и классов напряжения. Эти испытания способствовали выведению состояния электродинамических испытаний силовых трансформаторов на уровень самых передовых зарубежных стендов, что внесло значительный вклад в развитие отечественного трансформаторостроения.

Натурные испытания на стойкость к токам КЗ позволяли выявлять слабые места в конструкции трансформаторов и вносить изменения в проект их обмоток. Новый тип трансформатора запускался в серийное производство только с учетом внесенных изменений на основе результатов испытаний.

Выводы, сделанные на основе анализа прошлых лет, демонстрируют необходимость принятия принципиальных решений на уровне ОАО «ФСК ЕЭС» о расширении возможностей по проведению электродинамических испытаний на стенде ОАО «НИЦ ВВА», поиске альтернативных вариантов сетевого стенда, аналогичного демонтированному стенду МИС в г. Тольятти, или о строительстве нового испытательного стенда.

Для проведения электродинамических испытаний трансформаторов на стойкость к токам КЗ необходимо создание современных испытательных стендов, оснащенных современными технологиями и оборудованием. Это позволит проводить испытания с высокой точностью и эффективностью, что в свою очередь позволит улучшить качество продукции и снизить риск аварийных ситуаций.

Развитие отечественного трансформаторостроения: проведение комплексных испытаний трансформаторов на стойкость к токам КЗ способствует развитию отечественного трансформаторостроения, что в свою очередь позволит сократить импорт трансформаторного оборудования и повысить качество электроэнергетических систем в России.

Литература:

1. Хренников А. Ю. Основные причины повреждения обмоток силовых трансформаторов напряжением 110–500 кВ в процессе эксплуатации. — Промышленная энергетика, 2006, № 12.
2. Хpенников А. Ю., Шлегель О. А., Шифрин Л. Н. Электродинамические испытания трансформатора типа ТЦ-666000/500 на МИС, г. Тольятти. — Изв. вузов «Электромеханика», 2006, № 6.
3. Хренников А. Ю. Электродинамические испытания силовых трансформаторов на стойкость к токам КЗ. — Промышленная энергетика, 2007, № 8.
4. Горшунов В. Ю., Капустин Д. С. «Электродинамическая стойкость силовых трансформаторов недостаточна», — говорят испытатели и предлагают свой план действий. — Новости электротехники, 2003, № 3 (21).
5. Львов М. Ю., Львов Ю. Н., Дементьев Ю. А., Антипов К. М., Сурба А. С., Шейко П. А., Неклепаев Б. Н., Шифрин л. Н., Кассихин С. Д., Славинский А. З., Сипилкин К. Г. О надежности силовых трансформаторов и автотрансформаторов электрических сетей. — Электрические станции, 2005, № 11.
6. Электродинамическая стойкость трансформаторов и реакторов при коротких замыканиях. // Сборник статей. Под редакцией Лурье А. И. Труды ВЭИ, — М.: «Знак», 2005.