Дефекты и повреждения обмоток силовых трансформаторов: Диагностика, причины, методы предотвращения и связь с работой РПН

1. Введение 

Силовые трансформаторы являются незаменимыми элементами современных энергосистем, обеспечивая преобразование и распределение электроэнергии. Их надежная и безаварийная работа – залог стабильности электроснабжения потребителей всех уровней. Одним из наиболее ответственных и, к сожалению, уязвимых узлов любого трансформатора являются его обмотки. Именно они несут основную электрическую и механическую нагрузку, а их повреждение часто приводит к длительному и дорогостоящему ремонту или даже полной замене агрегата.

Целью данной статьи является предоставление комплексного обзора типовых дефектов и повреждений обмоток силовых трансформаторов. Мы рассмотрим основные причины их возникновения, подробно остановимся на современных методах диагностики, позволяющих выявлять проблемы на ранних стадиях, и обсудим эффективные меры по предотвращению повреждений.Особое внимание будет уделено взаимосвязи состояния обмоток с работой устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), в частности, на примере таких распространенных устройств, как РПН типа RS 5 и RS 5.3.

2. Типовые дефекты и повреждения обмоток трансформаторов 

Повреждения обмоток трансформаторов многообразны, но можно выделить несколько наиболее характерных типов:

2.1. Межвитковые замыкания 

Это замыкание между соседними витками одной и той же фазы или катушки. Даже замыкание нескольких витков приводит к образованию короткозамкнутого контура с малым сопротивлением, в котором начинают протекать значительные токи. Это вызывает локальный перегрев, интенсивное газообразование в масле (при его наличии) и разрушение витковой изоляции. Без своевременного обнаружения межвитковое замыкание может быстро развиться в более серьезное повреждение, такое как замыкание на корпус или междуфазное замыкание.

2.2. Замыкания на корпус (замыкания на землю)  

Представляют собой замыкание одного или нескольких витков обмотки на заземленный бак трансформатора, магнитопровод или другие конструктивные элементы. Такие повреждения сопровождаются протеканием больших токов замыкания на землю, что приводит к срабатыванию соответствующих защит и отключению трансформатора. Последствия могут быть весьма серьезными, вплоть до выгорания части обмотки и повреждения магнитопровода.

2.3. Замыкания между фазами или между обмотками разного напряжения 

Это пробой изоляции между обмотками различных фаз или между обмотками высокого (ВН), среднего (СН) и низкого (НН) напряжения. Такие замыкания относятся к наиболее тяжелым видам повреждений, сопровождаются значительными токами короткого замыкания, возникновением мощной электрической дуги и могут привести к серьезным разрушениям активной части трансформатора и даже к возгоранию или взрыву.

2.4. Обрывы в обмотках  

Обрыв представляет собой нарушение электрической целостности проводника обмотки или ее отводов (например, в местах пайки или болтовых соединений). Обрыв в одной из фаз приводит к невозможности ее нормальной работы, возникновению несимметрии токов и напряжений. Если обрыв происходит в регулировочной части обмотки, это сказывается на процессе регулирования напряжения и может привести к неправильной работе РПН.

2.5. Механические деформации и смещения обмоток  

Возникают, как правило, под действием значительных электродинамических усилий при сквозных токах короткого замыкания. Проявляются в виде изгиба витков, радиального или осевого смещения катушек, ослабления прессовки обмоток. Эти деформации снижают механическую прочность обмоток к последующим токам КЗ, могут повредить витковую и продольную изоляцию, а также способствовать возникновению частичных разрядов.

2.6. Повреждение главной и продольной изоляции 

Главная изоляция – это изоляция между обмотками разного напряжения и между обмоткой низшего напряжения и заземленными частями (магнитопроводом, баком). Продольная изоляция – это изоляция вдоль поверхности обмоток, например, между слоями, катушками или дисками. Ухудшение свойств или пробой этих видов изоляции может быть вызван старением, увлажнением, загрязнением или перенапряжениями.

3. Основные причины возникновения дефектов и повреждений обмоток

Многообразие повреждений обмоток обусловлено различными факторами, воздействующими на трансформатор в процессе его эксплуатации.

3.1. Электрические воздействия: 

Перенапряжения:

• Атмосферные (грозовые) перенапряжения: возникают при ударах молнии в линии электропередачи или вблизи подстанций. Характеризуются большой амплитудой и крутым фронтом.

• Коммутационные перенапряжения: возникают при оперативных переключениях в сети, работе выключателей, а также при работе устройств РПН. Они менее опасны, чем грозовые, но более часты.

Токи короткого замыкания (КЗ):

• Электродинамические усилия: при протекании токов КЗ возникают значительные силы, стремящиеся деформировать обмотки. Осевые силы сжимают обмотки, а радиальные – растягивают наружную и сжимают внутреннюю.

• Термическое воздействие: токи КЗ вызывают быстрый нагрев проводников обмоток, что может привести к повреждению изоляции, если время действия защиты велико.

• Длительные перегрузки: работа трансформатора с током, превышающим номинальный, ведет к повышенному нагреву обмоток и ускоренному термическому старению изоляции.

3.2. Старение и износ изоляции: 

Изоляция обмоток (в основном бумажно-масляная для масляных трансформаторов) подвержена постепенному старению под воздействием температуры (определяющий фактор), влаги, кислорода и электрического поля. Старение приводит к снижению механической прочности и диэлектрических характеристик изоляции, делая ее более уязвимой к другим воздействиям.

3.3. Дефекты изготовления и ремонта:  

К ним относятся использование некачественных материалов, нарушение технологии намотки, пайки соединений, сушки и пропитки изоляции, недостаточная прессовка обмоток, наличие посторонних предметов в баке трансформатора. Некачественный ремонт также может стать причиной повторных повреждений.

3.4. Нарушения условий эксплуатации:  

Эксплуатация трансформатора в условиях, не соответствующих проектным (например, при неудовлетворительной работе системы охлаждения, приводящей к перегреву), повышенная вибрация, несвоевременное или некачественное техническое обслуживание (например, несвоевременная замена или регенерация масла, очистка изоляторов) способствуют ускоренному износу и возникновению дефектов.

4. Современные методы диагностики состояния обмоток

Своевременная и точная диагностика позволяет выявить дефекты на ранней стадии их развития и предотвратить серьезные аварии.

4.1. Традиционные (офлайн) методы: 

• Измерение сопротивления обмоток постоянному току: Позволяет выявить обрывы цепи, неудовлетворительное состояние контактных соединений (в том числе отводов к РПН), грубые межвитковые замыкания (из-за изменения числа витков). Измерения проводятся для всех отводов РПН.

• Измерение коэффициента трансформации: Проверяется соответствие паспортным данным на всех ступенях РПН. Отклонения могут указывать на межвитковые замыкания, обрывы или ошибки в схеме соединения отводов.

• Измерение сопротивления короткого замыкания (Uк​ или Zк​): Этот параметр чувствителен к геометрическим изменениям в расположении обмоток (деформации, смещения), которые могут возникнуть вследствие сквозных токов КЗ.

Оценка состояния изоляции:

• Измерение сопротивления изоляции (R60​) и коэффициента абсорбции (R60​/R15​). Характеризуют степень увлажнения и загрязнения изоляции.

• Измерение тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) и емкости изоляции при различных напряжениях. Повышенное значение tgδ свидетельствует об общем ухудшении состояния изоляции (старение, увлажнение, загрязнение).

4.2. Продвинутые (часто оффлайн, иногда онлайн) методы: 

• Анализ растворенных газов в масле (ХАРГ/DGA): Один из наиболее информативных методов диагностики для масляных трансформаторов. Различные типы дефектов (перегревы разной интенсивности, частичные разряды, дуговые разряды) сопровождаются выделением определенных газов (водород, метан, этан, этилен, ацетилен, оксиды углерода). Анализ их концентрации и соотношений позволяет определить тип и опасность дефекта.

• Измерение частичных разрядов (ЧР/PD): Частичные разряды – это низкоэнергетические электрические разряды в локальных дефектах изоляции. Их длительное воздействие разрушает изоляцию. Измерение ЧР (электрическими, акустическими, оптическими или ВЧ методами) позволяет выявить развивающиеся дефекты на самой ранней стадии. Акустические методы также позволяют определить местоположение источника ЧР.

• Метод частотного анализа отклика (SFRA - Sweep Frequency Response Analysis): Основан на подаче на обмотку сигнала с изменяющейся частотой и измерении ответного сигнала. Получаемая частотная характеристика ("отпечаток пальца" обмотки) очень чувствительна к малейшим изменениям геометрии обмотки (деформации, смещения, нарушения прессовки, межвитковые замыкания). Сравнение текущей характеристики с исходной (заводской или послеремонтной) позволяет выявить механические повреждения.

• Измерение токов холостого хода: Позволяет выявить проблемы в магнитопроводе (например, замыкание листов стали) и грубые межвитковые замыкания.

4.3. Тепловизионный контроль: 

Применяется для выявления локальных перегревов на выводах трансформатора, в местах контактных соединений, на поверхности бака (что может указывать на внутренние проблемы), а также для оценки эффективности системы охлаждения.

5. Связь дефектов обмоток с работой РПН (на примере RS 5/RS 5.3)

Устройства РПН предназначены для регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой путем изменения числа витков подключенной к сети обмотки, обычно это специальная регулировочная часть обмотки ВН или СН. РПН, такие как RS 5 и RS 5.3, являются сложными электромеханическими устройствами, и их неисправности могут напрямую приводить к повреждению обмоток.

5.1. Принцип работы РПН и его взаимодействие с регулировочной обмоткой

РПН осуществляет переключение отводов регулировочной обмотки без разрыва цепи тока нагрузки и без короткого замыкания секций обмотки. В устройствах типа RS 5/RS 5.3 этот процесс обычно включает избиратель, предварительно выбирающий следующий отвод, и быстродействующий контактор с дугогасительной камерой, который производит непосредственно коммутацию под нагрузкой, разрывая цепь с предыдущего отвода и включая цепь на новый через токоограничивающие резисторы.

5.2. Как некорректная работа или неисправность РПН RS 5/RS 5.3 может привести к повреждению регулировочной части обмотки: 

Отказы дугогасительной системы (контактора) RS 5/RS 5.3:

• Затягивание дуги при переключениях: Если дугогасительная камера контактора неэффективна (износ, разрушение, недостаток масла в баке контактора), дуга при разрыве цепи может затягиваться. Это приводит к интенсивному обгару и разрушению контактов избирателя и контактора, а также к термическому повреждению (перегреву, выгоранию) витков регулировочной обмотки, к которым подключены эти контакты.

• Повышенные коммутационные перенапряжения: Неэффективное гашение дуги может сопровождаться возникновением значительных перенапряжений, способных пробить изоляцию витков регулировочной обмотки.

Нарушение последовательности работы контактов избирателя и контактора:

• Если из-за механической неисправности или ошибки в управляющей цепи нарушается синхронизация работы избирателя и контактора, возможно замыкание витков (секции) регулировочной обмотки через контакты РПН. Это приводит к протеканию очень больших уравнительных токов, вызывающих сильный перегрев и повреждение этой части обмотки, вплоть до межвитковых замыканий.

Износ или разрушение контактов РПН:

• Со временем контакты РПН (как главные, так и дугогасительные) изнашиваются, увеличивается их переходное сопротивление. Это приводит к локальному перегреву самих контактов и, как следствие, отводов регулировочной обмотки, подключенных к ним.

Механические неисправности привода или кинематики РПН:

• Неполное переключение (застревание РПН между ступенями) или остановка в промежуточном положении может привести к тому, что трансформатор будет длительно работать на части витков регулировочной секции через токоограничивающий резистор (если он есть в схеме), что вызовет его перегрев и выход из строя, а также к не расчетным режимам работы для самой обмотки. Также возможны обрывы цепи или замыкания витков.

5.3. Влияние состояния регулировочной обмотки на РПН: 

Не только РПН влияет на обмотку, но и наоборот. Например, межвитковые замыкания в регулировочной обмотке могут привести к увеличению тока, коммутируемого контактами РПН, что ускорит их износ и может привести к отказу самого переключающего устройства.

6. Методы предотвращения дефектов и повреждений обмоток 

Предотвращение повреждений обмоток – комплексная задача, начинающаяся еще на этапе проектирования и продолжающаяся в течение всего срока службы трансформатора.

6.1. На этапе проектирования и изготовления: 

• Использование высококачественных проводниковых и изоляционных материалов.

• Строгое соблюдение технологий намотки, пайки, сушки изоляции и прессовки обмоток. Обеспечение необходимой механической прочности обмоток для противостояния усилиям при КЗ и достаточных изоляционных промежутков.

• Тщательный многоступенчатый выходной контроль качества на заводе-изготовителе.

6.2. При эксплуатации:

• Соблюдение режимов работы: Недопущение длительных систематических перегрузок сверх установленных норм, контроль температуры верхних слоев масла и наиболее нагретой точки обмотки (если предусмотрен).

• Обеспечение эффективной работы систем защиты: Правильный выбор уставок и регулярная проверка релейной защиты, исправное состояние ограничителей перенапряжений (ОПН), грозозащитных тросов на ОРУ.

• Поддержание в исправном состоянии системы охлаждения: Регулярная очистка радиаторов, проверка работы вентиляторов и маслонасосов.

Регулярный контроль параметров:

• Проведение плановых диагностических обследований (включая методы, описанные в п.4) в соответствии с нормативными документами и рекомендациями производителя.

• Периодический отбор проб и анализ трансформаторного масла (ХАРГ, физико-химические показатели, содержание влаги и механических примесей).

Своевременное и качественное техническое обслуживание и ремонты:

• Очистка внешней изоляции, подтяжка болтовых контактных соединений.

• Регулярное техническое обслуживание устройств РПН (например, RS 5/RS 5.3), включая проверку состояния контактов, масла в баке контактора, механизма привода, согласно регламенту завода-изготовителя.

6.3. Применение систем онлайн-мониторинга: 

Современные системы непрерывного мониторинга позволяют в режиме реального времени отслеживать ключевые параметры трансформатора (температуры, концентрации растворенных газов, активность частичных разрядов, параметры работы РПН и др.). Это дает возможность оперативно реагировать на возникающие аномалии и предотвращать развитие серьезных дефектов.

7. Заключение

Обмотки являются критически важным компонентом силового трансформатора, и их повреждение может иметь серьезные экономические и эксплуатационные последствия. Понимание основных типов дефектов, причин их возникновения и современных методов диагностики является ключом к обеспечению надежной работы этого оборудования.

Комплексный подход, включающий правильную эксплуатацию, регулярную и всестороннюю диагностику (с применением как традиционных, так и передовых методов), а также качественное техническое обслуживание, является залогом долгой и безаварийной службы трансформатора. Особое внимание следует уделять состоянию и корректной работе устройств РПН, таких как RS 5 и RS 5.3, так как их неисправности напрямую связаны с риском повреждения регулировочных частей обмоток. Инвестиции в современные методы диагностики и системы мониторинга окупаются за счет предотвращения аварий и продления срока службы дорогостоящего оборудования.