Анализ повреждаемости основного электрооборудования-
Глава ВКР: Исследование методов оценки показателей надежности систем электроснабжения
CC-BY
Черненко, Ю. В.
2019 год
Анализ повреждаемости и оценка технического состояния основного электрооборудования необходима для разработки мероприятий с целью обеспечения надежности и бесперебойной работы энергосистемы с учетом старения оборудования, наличия дефектов, качества технического обслуживания, механических и климатических воздействий, что способствует определению надежности различных типов оборудования и отдельных его узлов, снижению длительности и числа профилактических ремонтов. Все это позволяет оценить возможность дальнейшей эксплуатации оборудования и разработать мероприятия с целью увеличения срока службы оборудования. Рассмотрим основные виды повреждений силовых трансформаторов, измерительных трансформаторов напряжения и тока, выключателей, разъединителей, выполненный за 1997–2013 гг. на основе литературных источников [10,46,4]. За данный период произошло более 10000 повреждений электрооборудования подстанций. На рисунке 1.5 показано количество повреждений электрооборудования 110-750 кВ в процентах от общего количества повреждений электрооборудования. [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% Выключатели Трансформаторы тока Трансформаторы напряжения Силовые трансформаторы Разъединители Ограничители перенапряжений Рисунок 1.5 – Число повреждений электрооборудования Количество повреждений силовых трансформаторов и причины повреждений представлены соответственно на рисунках 1.6 и 1.7. [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% 110 кВ 500 кВ 330 кВ 220 кВ Рисунок 1.6 – Количество повреждений силовых трансформаторов разных классов напряжений На рисунке 1.8 показаны повреждения основных узлов силовых трансформаторов. На рисунке 1.9 представлены причины внутренних повреждений силовых трансформаторов. На рисунке 1.10 – причины повреждений устройств РПН силовых трансформаторов. На рисунке 1.11 – причины повреждений вводов силовых трансформаторов. 12- [ПРОЦЕНТ] 1- 11- [ПРОЦЕНТ] [ПРОЦЕНТ] 10- [ПРОЦЕНТ] 2- [ПРОЦЕНТ] 9- [ПРОЦЕНТ] 8- [ПРОЦЕНТ] 7- 3- [ПРОЦЕНТ] 4- [ПРОЦЕНТ] 6- 5- [ПРОЦЕНТ] [ПРОЦЕНТ] [ПРОЦЕНТ] 1 — старение изоляции обмоток 2-старение материала (коррозия, усталость металла, износ деталей, старение прокладочных материалов) 3-дефект изготовления 4-дефект конструкции 5-дефект ремонта 6-дефект монтажа 7-недостатки эксплуатации 8-климатические воздействия 9-посторонние воздействия 10-причины не определены 11-недопустимые режимы 12-желтый налет Рисунок 1.7 – Причины повреждения силовых трансформаторов 7- [ПРОЦЕНТ] 6- 1- [ПРОЦЕНТ] [ПРОЦЕНТ] 5- 1% 4- [ПРОЦЕНТ] 2- [ПРОЦЕНТ] 3- [ПРОЦЕНТ] 1-внутренние повреждения (повреждения магнитопроводов обмоток, отводов, приводящие к внутренним коротким замыканиям) 2-вводы 3-устройства регулирования напряжения (РПН) 4-система охлаждения 5-встроенные трансформаторы тока 6-газовая защита 7-уплотнения (течи масла) Рисунок 1.8 – Количество повреждений основных узлов силовых трансформаторов [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% старение изоляции и материалов дефекты изготовления и монтажа дефекты эксплуатации и ремонта климатические воздействия недопустимые режимы посторонние воздействия прочие причины Рисунок 1.9 – Основные причины внутренних повреждений силовых трансформаторов Из рисунка 1.9 видно, что основными причинами внутренних повреждений являлись старение материалов и изоляции, и недопустимые режимы, при этом наиболее часто повреждались обмотки трансформаторов – 11,3 %. [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% старение изоляции и материалов дефекты конструкции, изготовления и монтажа дефекты эксплуатации и ремонта климатические воздействия Рисунок 1.10 –Причины повреждений устройств РПН силовых трансформаторов [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% старение изоляции и материалов дефекты изготовления и монтажа дефекты эксплуатации и ремонта климатические воздействия недопустимые режимы посторонние воздействия прочие причины желтый налет Рисунок 1.11 –Причины повреждений вводов силовых трансформаторов Таким образом, результат проведенного анализа показал, что наиболее частой причиной нарушений в работе силовых трансформаторов 110-500 кВ являются повреждения вводов и устройств РПН (45 % всех повреждений). Количество повреждений измерительных трансформаторов напряжения (ТН) разных классов напряжений представлены на рисунке 1.12. [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% 110 кВ 220 кВ 330 кВ 500 кВ 750 кВ Рисунок 1.12 – Количество повреждений трансформаторов напряжения разных классов напряжений Причины повреждения трансформаторов напряжения представлены на рисунке 1.13. Прочее 3% Посторонние Старение изоляции воздействия 37% 18% Феррорезонанс 14% Дефекты эксплуатации Нарушение 11% герметичности 11% Дефекты Старение изоляции изготовления Нарушение герметичности 6% Дефекты изготовления Дефекты эксплуатации Феррорезонанс Посторонние воздействия Прочее Рисунок 1.13 – Причины повреждения трансформаторов напряжения Наименьшее количество повреждений приходится на измерительные трансформаторы напряжения емкостного типа. Трансформаторы напряжения с элегазовой изоляцией стали применять на подстанциях относительно недавно, т.е. их количество небольшое от общего числа эксплуатируемых трансформаторов, поэтому данных об их повреждаемости пока нет. Количество повреждений трансформаторов тока разных классов напряжения показаны на рисунке.1.14. [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% 110 кВ 220 кВ 330 кВ 500 кВ 750 кВ Рисунок 1.14 – Количество повреждений трансформаторов тока разных классов напряжений Наибольшее количество отказов приходится на маслонаполненные трансформаторы тока – 87,9 % (чаще всего это трансформаторы тока типа ТФЗМ), для элегазовых трансформаторов тока количество отказов составляет 12,1 %. Причины повреждений маслонаполненных трансформаторов тока представлены на рисунке 1.15, элегазовых трансформаторов тока – на рисунке 1.16. Прочее Недопустимые 8% режимы 4% Дефекты эксплуатации Старение изоляции 3% 37% Дефекты изготовления и монтажа 12% Посторонние воздействия 36% Старение изоляции Посторонние воздействия Дефекты изготовления и монтажа Дефекты эксплуатации Недопустимые режимы Прочее Рисунок 1.15 – Причины повреждений маслонаполненных трансформаторов тока Для маслонаполненных трансформаторов тока большое количество отказов связано с посторонними воздействиями, например, в результате разлета осколков при повреждении трансформаторов тока соседних фаз (18,0%) и повреждения соседнего оборудования (выключатели, разъединители) – 14,0%. Прочее Неисправность 7% сигнализатора давления 3% Дефекты эксплуатации 10% Дефекты монтажа Дефекты 10% изготовления и конструкции 60% Посторонние воздействия 10% Дефекты изготовления и конструкции Посторонние воздействия Дефекты монтажа Дефекты эксплуатации Неисправность сигнализатора давления Прочее Рисунок 1.16 – Причины повреждений элегазовых трансформаторов тока Что касается элегазовых трансформаторов тока, то большая часть отказов связана с разными дефектами. Данные дефекты связаны с периодом освоения производства элегазовых трансформаторов тока как отечественных, так и зарубежных производителей. Распределение отказов выключателей разных классов напряжения показано на рисунке 1.17. [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% 110 кВ 220 кВ 330 кВ 500 кВ 750 кВ Рисунок 1.17 – Количество повреждений выключателей разных классов напряжений Распределение повреждений по типам выключателей представлено на рисунке 1.18. Элегазовые (62 шт) 2% Воздушные (480 шт) 15% Масляные баковые (1447 шт) 50% Маломасляные (987 штук) 33% Масляные баковые (1447 шт) Маломасляные (987 штук) Воздушные (480 шт) Элегазовые (62 шт) Рисунок 1.18 – Количество повреждений разных типов выключателей На рисунках 1.19-1.22 показана соответственно структура отказов разных типов выключателей (воздушных, маломасляных, баковых масляных и элегазовых). Механизмы привода Резиновые и 17% полиуретановые уплотнения 35% Остальные эементы (дугогасительное устройство, повреждение трубопровода) Опорная изоляция 26% 22% Резиновые и полиуретановые уплотнения Опорная изоляция Остальные эементы (дугогасительное устройство, повреждение трубопровода) Механизмы привода Рисунок 1.19 – Причины повреждений воздушных выключателей Наибольшее число отказов воздушных выключателей всех типов, например, ВВБ, ВВМ, ВВ, связано с утечкой сжатого воздуха. Основные места утечки воздуха – это соединения трубопроводов, резиновые и полиуретановые уплотнения, которые в результате низкого качества и долгого срока эксплуатации теряют свои упругие свойства. Несколько случаев отказов связано с неисправностями в механизмах привода, что приводит к невыполнению выключателем команд на включение или отключение, или самопроизвольному включению и отключению. Основные причины – некачественный и несвоевременный ремонт, а также усталость и выработка металлических деталей механизмов привода от длительной эксплуатации. Основными причинами выхода изоляторов из строя являются процессы старения, а также низкое качество фарфора. Остальные элементы Неправильная 21% работа привода 46% Опорная изоляция 28% Маслоуказательное стекло 5% Остальные элементы Опорная изоляция Маслоуказательное стекло Неправильная работа привода Рисунок 1.20 – Причины повреждений маломасляных выключателей Наибольшее число отказов выключателей произошло из-за неправильной работы привода, что приводило к невыполнению команд на включение и отключение, а также самопроизвольному включению, отключению и задержке выполнения операции. В большинстве случаев это приводило к повреждению самого выключателя. Анализ данных по отказам выключателей позволил выделить основные причины отказов привода: Наиболее частой причиной отказов являлась разрегулировка механизмов привода, как от несоблюдения технического обслуживания должным образом, так и от усталости материала при длительной эксплуатации и многократных срабатываниях. Практически всегда это приводило к заклиниванию привода и сгоранию электромагнитов включения и отключения в цепях управления. Довольно большое число отказов привода произошло из-за повреждения изоляции катушек электромагнитов — пробоя изоляции из-за длительной эксплуатации. Отказы также происходили из-за разрегулировки контактов в коммутирующих устройствах, что приводило к длительному протеканию тока в катушках включения и отключения и выходу их из строя. Большое количество маломасляных выключателей связано с повреждением опорных изоляторов. 6 % отказов выключателей были связаны с повреждениями передаточных механизмов от привода (изоляционные тяги, штанги, тросы). Основной причиной являлось нарушение структуры материала деталей, расщепление и потеря изолирующих свойств, что приводило к пробою изоляционного промежутка внутри маслонаполненной колонны. Некоторое количество отказов выключателей связаны с неисправностями дугогасительных устройств, что приводило к отказам в гашении дуги. Также отказы выключателей были связанны с утечкой масла. Места утечки масла: маслоуказательное стекло; уплотнения фланцевых соединений; уплотнения маслоуказательного стекла; трещины в корпусе, сливной кран, манометр; уплотнения выпускного клапана. Остальные элементы 11% Вводы 18% Звенья механизма привода 62% Дугогасительное устройство 9% Остальные элементы Вводы Дугогасительное устройство Звенья механизма привода Рисунок 1.21 – Причины повреждений масляных баковых выключателей Наибольшее количество отказов приходится на баковые масляные выключатели серии МКП и У. Самое большое число отказов выключателей произошло из-за неправильной работы привода, что привело к невыполнению команд на включение и отключение, а также самопроизвольному включению, отключению и задержке выполнения операции. В большинстве случаев это приводило к повреждению самого выключателя. Анализ данных по отказам выключателей позволил выделить основные причины отказов привода: Наибольшее число отказов привода произошло из-за сгорания электромагнитов включения и отключения из-за нарушения межвитковой изоляции в результате длительной эксплуатации и заедания штока сердечника электромагнита. Разрегулирование механизмов привода, а также пригорание и разрегулировка блок-контактов в коммутирующих устройствах также приводили к длительному протеканию тока по обмоткам электромагнитов, в результате чего они перегорали. Причиной этому являлся длительный срок эксплуатации и многократные операции выключателем, что приводило к износу деталей привода, а также некачественная регулировка механизмов после проведения капитальных ремонтов. 18 % отказов выключателей связано с повреждениями высоковольтных вводов: Наиболее частой причиной повреждения ввода является пробой бумажно-масляной изоляции, а также перекрытия по фарфоровой покрышке из-за отложения продуктов горения масла на ее поверхности. Повреждения фарфоровых рубашек ввода вызвано некачественным изготовлением на заводе-изготовителе, что приводило к появлению микротрещин, увлажнению бумажно-масляной изоляции и ее пробоя. 7 % отказов выключателей произошли из-за повреждения передаточных механизмов от привода. Основной причиной являлось нарушение структуры материала деталей, расщепление и потеря изолирующих свойств, что приводило к пробою масла внутри бака, путем перекрытия от тяг на корпус. В некоторых случаях это приводило к взрыву и полному разрушению выключателя. 9 % отказов выключателей связаны с неисправностями дугогасительных устройств. Небольшое количество отказов выключателей связано с утечкой масла. Наибольшее количество отказов элегазовых выключателей пришлось на выключатели производства «Уралэлектротяжмаш», а также выключателей импортного производства «Сименс»-«Евроконтакт» (отказ подогревательного устройства) и выключателей «АББ Электроинжиниринг» (отказ подогревательного устройства, неисправность сигнализации давления, замыкание вторичных цепей привода PLK- 220). Механизмы привода 42% Остальные элементы 39% Дугогасительный модуль 19% Остальные элементы Дугогасительный модуль Механизмы привода Рисунок 1.22 – Причины повреждений элегазовых выключателей Наибольшее число отказов элегазовых выключателей связано с неисправностью блоков отключения, которая является конструктивной недоработкой завода-изготовителя. Таким образом, проведенный анализ позволил выявить наиболее слабые элементы (узлы), повреждения которых приводили к отказам выключателей: 1) Наиболее слабым элементом воздушных выключателей являются резиновые и полиуретановые уплотнения, которые приводили к утечке сжатого воздуха из выключателя. 2) Наиболее повреждаемые элементы масляных баковых выключателей – привод и ввод. Более 50% отказов масляных баковых выключателей связаны с повреждением звеньев механизмов привода, электромагнитов, коммутирующих цепей и цепей управления. 3) Наиболее слабыми элементами маломасляных выключателей являются привод и опорная изоляция. 4) У элегазовых выключателей наиболее повреждаемым элементом является привод –42 %, дефект которого был допущен при изготовлении на заводе-изготовителе. На сегодняшний день согласно [43] на вновь проектируемых и реконструируемых подстанциях рекомендуется устанавливать элегазовые и вакуумные выключатели, масляные и воздушные выключатели применять нельзя. Распределение отказов разъединителей по разным классам напряжения представлен на рисунке 1.23. [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% 110 кВ 220 кВ 330 кВ 500 кВ 750 кВ Рисунок 1.23 – Количество повреждений разъединителей разных классов напряжений Причины повреждений разъединителей показаны на рисунке 1.24. Посторонние [ИМЯ КАТЕГОРИИ] воздействия [ЗНАЧЕНИЕ]% 6% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]%[ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% Низкое качество опорных изоляторов Старение изоляторов и материалов Атмосферные воздействия Дефекты проектирования и изготовления Дефекты монтажа и наладки Дефекты эксплуатации и ремонта Рисунок 1.24 – Причины повреждений разъединителей Структура повреждений разъединителей представлена на рисунке 1.25. [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% [ИМЯ КАТЕГОРИИ] [ЗНАЧЕНИЕ]% Опорная изоляция Контактная система Приводы, система управления Прочие причины Рисунок 1.25 – Причины повреждений основных элементов и узлов разъединителей Как следует из выше приведенных рисунков, наибольшее число повреждений разъединителей связано с повреждениями и разрушениями опорных изоляторов. Было установлено, что основными причинами повреждений опорных фарфоровых изоляторов разъединителей являются: а) низкое качество фарфора (51,5%); б) длительный срок эксплуатации – 30 лет и более (22,5%); в) разрушение арматуры (фланцев) изоляторов (1,2%). Также анализ данных о повреждаемости показал, что если есть дефектные опорные изоляторы в колонках, то разъединители 110 и 220 кВ могут повреждаться с падением изоляционных колонок как в период их стационарной работы, так и при осуществлении операций «включение – отключение», что может привести к тяжелым опасностям для эксплуатационного персонала. Для разъединителей на напряжения 330, 500 и 750 кВ с параллельными колонками опорных изоляторов подобных обрушений изоляционных конструкций не наблюдалось. В результате приведенного анализа также можно сделать вывод, что для повышения надежности разъединителей и снижения риска травматизма для эксплуатационного персонала необходима замена ненадежных фарфоровых опорных изоляторов, срок службы которых вышел, на современные опорные полимерные изоляторы. Повреждения контактной системы разъединителей связаны с недостатками проектирования и эксплуатации, монтажа и наладки, а также отсутствием своевременной диагностики технического состояния контактов коммутационного аппарата.