Зміст статті

Нормирование ресурса по условию снижения степени полимеризации (СП)

Степень деструкции изоляции обычно характеризуется числом разрывов молекулы целлюлозы или фактором старения л, который может быть представлен через начальное и текущее (конечное) значения степени полимеризации. При этом изоляция считается полностью изношенной, если число разрывов достигло 5.
При измерении средней вискозиметрической степени полимеризации по МЭК 60450 с использованием медно-этилендиаминового растворного комплекса начальное значение СП новой кабельной бумаги равно примерно 1200 и, соответственно, 5 разрывов молекулы целлюлозы соответствует СП = 200.
В таком состоянии остаточная прочность бумаги на разрыв составляет примерно 20% от исходной. Лабораторные исследования показывают, что изоляция, имеющая СП = 200, становится очень хрупкой, так что продолжение эксплуатации связано с риском повреждения. Проект МЭК 60076-7 от 1.7.01 определяет окончание срока службы изоляции при снижении степени полимеризации в наиболее нагретой зоне до 200 единиц.
Уменьшение прочности бумаги на разрыв вдвое против исходного ее состояния считают симптомом дефектного состояния изоляции. При этом степень полимеризации (СП) снижается до 400-450К

Оценка ресурса изоляции по изменению СП

Ресурс изоляции по условию снижения СП до некоторого критического значения.
Основным фактором старения изоляции является температура. Увеличение температуры примерно на 7°С при прочих одинаковых условиях снижает ресурс в два раза (действующий МЭК предполагает 6-градусное правило). Соответственно для оценки СП участков изоляции, имеющих отличие температуры на 7°С.
Значения СП, определяемые по ГОСТ 25438—82 в растворе кадоксена, отличаются существенно большими (в 2 раза) абсолютными значениями СП по сравнению с измерениями по МЭК 60450. Для новой кабельной бумаги исходные значения составляют примерно 2000 ед. Условие 5 разрывов молекулы соответствует критическому значению СП примерно 330 ед., а указанное в Нормах РАО ЕЭС России предельное значение СП = 250 при условии испытания по ГОСТ 25438—82 формально соответствует значению -125, измеренному по методике МЭК. Здесь и далее все значения СП даны по методике МЭК.

Таблица 1. Значения показателя скорости старения А, рассчитанные по данным опытов


Состояние изоляции

Показатель скорости старения А

По данным Emsley

По данным Lundgaard (СИГРЭ)

Сухая и чистая

1,07- 108

2,0 + 0,5- 108

Сухая

 

2,4 + 0,5- 108

Окисленное масло

 

 

Повышенное содержание кислорода

2,0- 108

8,3 + 2,8- 108

Влажность 1 %

3,5- 108

6,2 + 2,9- 108

Влажность 3—4 %

35- 108

21+7,8- 108

Однако установлено, что влага и продукты старения масла, особенно активные кислоты, могут ускорить процесс декомпозиции изоляции в два и более раза. Во многих случаях внутренние слои изоляции, прилегающей к проводнику, оказываются менее состаренными, чем внешние слои изоляции, обращенные к маслу.
Показатель скорости старения А (характеризующий увеличение скорости старения благодаря влиянию влаги, кислорода и кислот) варьируется в довольно широких пределах, однако имеющиеся данные (табл. 1) позволяют оценить раздельное влияние основных факторов старения.

Например, измеренное значение СП изоляции составило 600. Согласно табл. 2 коэффициент старения изоляции, содержащей продукты окисления при условии дальнейшей работы при температуре 90 °С равен к — 2,6- 10-8.
Старение целлюлозной изоляции имеет необратимый характер, однако процесс старения может быть существенно замедлен как технологическими мерами (удаление продуктов старения, кислорода, растворенных металлов и пр.) так и конструктивными (улучшение охлаждения и снижение температуры, улучшение защиты от проникновения воздуха и воды, применение материалов повышенной стабильности против окисления и пр.).
Таблица 2. Коэффициент старения Крафт-бумаги

 

Состояние изоляции и масла в начале старения

Температура

Сухая; не окисленное масло А = 1,5- 108

Сухая; окисленное масло А = 2,4- 108

Сухая; высокая концентрация кислорода А = 5,5 • 108

Содержание влаги 1-1,5% А = 6,5- 108

70 (343 К) 80 (363 К) 90 (363 К) 100 (373 К) 110 (383 К)

0,2- 10"8 0,56- 10-8 1,6- 10-8 4,3- 10~8 10,9- 10~8

0,3- 10"8 9,9- 10"8 2,6- 10~8 6,9- 10~8 17,5- 10~8

0,7- 10-8 2,1 • 10-8 5,9- 10~8 15,7- 10~8 40- 10"8

0,8- 10~8 2,45- 10"8
6,9- 10~8 18,6- 10-8
47- 10~8

 

Измерение степени полимеризации

Практически СП измеряют на образцах изоляции, отобранных из доступных мест, где надежность не может быть существенно нарушена. Обычно это образцы электрокартона или бумаги из перегородок, угловых шайб, отводов. Важным условием является определение температуры в зоне отбора пробы. Желательно, чтобы место отбора было расположено вблизи выхода нагретого масла из обмотки. Для ориентировочной оценки могут быть использованы также образцы целлюлозной изоляции (обычно картон различной толщины), которые, как правило, закладываются при изготовлении больших трансформаторов. Образцы крепятся к активной части и доступны для изъятия с целью определения их влагосодержания или СП.

Вид новой и состаренной целлюлозы
Рис. 6. Вид новой (СП = 1100) и состаренной (СП < 200) целлюлозы.
Полученное значение должно быть скорректировано на значение разницы температуры наиболее нагретой зоны и температуры в месте отбора пробы.
Температура наиболее нагретой зоны определяется расчетом на основании анализа конструкции и условий эксплуатации. Для оценки влияния на степень старения продуктов старения масла и влаги может быть измерена раздельно средняя СП образцов и поверхностных слоев изоляции.

Степень полимеризации витковой изоляции блочного трансформатора

Рис. 7. Степень полимеризации витковой изоляции блочного трансформатора 730 МВ-А, 420 кВ.

Учет температурного профиля обмоток

Температура различных зон изоляции существенно отличается, что соответственно обуславливает неравномерный износ изоляции.
Температурный профиль разных обмоток также отличается друг от друга. Часто температура внутренних обмоток выше, чем температура внешних обмоток такой же мощности. Соответственно СП изоляции внешних обмоток может не отражать наибольший износ изоляции в наиболее нагретой зоне.
На рис. 7 показан профиль износа витковой изоляции блочного трансформатора, у которого температура верхних катушек обмоток НН почти на 20°С превышает температуру верхних катушек ВН.
Для достоверной оценки степени старения изоляции необходимо знание температурного профиля обмоток трансформатора с учетом фактического нагрузочного и теплового режима трансформатора. Обычно из результатов испытаний на заводе известно среднее превышение температуры обмоток над маслом при номинальной нагрузке. Температура наиболее нагретых катушек обмотки превышает ее среднюю температуру, как правило, не более чем на 13 °С.
При возможности следует определить реальную степень деструкции и профиль износа изоляции хотя бы одного из однотипных трансформаторов для выбора зон последующего отбора проб для определения СП и коррекции полученных результатов на возможную степень износа изоляции в наиболее нагретой зоне.