Высоковольтное электротехническое оборудование в электроэнергетических системах: диагностика, дефекты, повреждаемость, мониторинг

ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ 
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ДИАГНОСТИКА, ДЕФЕКТЫ, ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ, МОНИТОРИНГ

А.Ю. ХРЕННИКОВ

Москва
ИНФРА-М
2023

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 
13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» 
(квалификация (степень) «магистр») (протокол № 10 от 27.05.2019)

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.2я73
 
Х91

Хренников А.Ю.
Х91 
 
Высоковольтное электротехническое оборудование в электроэнергетических системах: диагностика, дефекты, повреждаемость, мониторинг : учебное пособие / А.Ю. Хренников. — Москва : ИНФРА-М, 
2023. — 186 с. — (Высшее образование: Магистратура). — DOI 10.12737/
textbook_5d0c6b71495137.62422666.

ISBN 978-5-16-014439-9 (print)
ISBN 978-5-16-106401-6 (online)

В учебном пособии представлен анализ эффективности применения 
основных методов диагностики, который сопровождается примерами обнаружения дефектов и повреждений электрооборудования: силовых трансформаторов, реакторов, трансформаторов тока и напряжения, разъединителей, турбогенераторов, ограничителей перенапряжения (ОПН) и т.д.
Приведены примеры повреждений и расследования технологических 
нарушений трансформаторно-реакторного оборудования, связанных с потерей электродинамической стойкости обмоток при протекании сквозных 
токов короткого замыкания (КЗ). Рассмотрены вопросы электродинамических испытаний силовых трансформаторов (реакторов) на стойкость 
к токам КЗ, электромагнитные силы, действующие согласно закону Био — 
Савара на элемент тока, находящийся в магнитном поле. Приведены результаты расчетов и сравнения различных вариантов для строительства 
нового испытательного центра в России. 
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов магистратуры электроэнергетических 
специальностей, обучающихся по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника» (профили «Электроэнергетические системы 
и сети» и «Электрические станции»).

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.2я73

Р е ц е н з е н т :
Назарычев А.Н., доктор технических наук, профессор, ректор Петербургского энергетического института повышения квалификации

ISBN 978-5-16-014439-9 (print)
ISBN 978-5-16-106401-6 (online)
© Хренников А.Ю., 2019

Введение

Оценка фактического состояния силовых трансформаторов 
по результатам диагностических измерений является на сегодняшний день сложной и актуальной задачей.
Маслонаполненные трансформаторы с незначительными 
дефектами, в том числе с возникшими после КЗ остаточными 
деформациями в активной части, могут эксплуатироваться 
еще в течение многих лет, хотя в месте дефекта идут процессы 
увеличения нагрева, развития частичных разрядов (ЧР) в изоляции и, как следствие, происходит постоянное ухудшение 
результатов диагностических измерений и анализов масла. 
В дальнейшие годы эксплуатации, особенно при повторных 
близких КЗ, вероятен аварийный выход трансформатора 
из строя с тяжелыми последствиями.
Избежать этого поможет своевременная диагностика механического и электрического состояния активной части трансформаторов на предмет обнаружения деформаций их обмоток 
[1–11], которая проводится в соответствии с нормами «Объем 
и нормы испытаний электрооборудования» (ОНИЭ).
ОНИЭ [1] является основным нормативно-техническим 
документом по контролю и диагностике состояния электрооборудования, который, несмотря на некоторые недостатки, 
связанные с трудностью обнаружения ряда дефектов, позволяет получать достаточно близкую к объективной картину 
процессов, идущих внутри эксплуатируемого оборудования 
и приводящих в конечном итоге к возникновению дефектов 
и повреждений.
В настоящее время происходят пересмотр и дополнение 
ОНИЭ, подготовлена новая редакция, утвержденная распоряжением ПАО «Россети» от 26.05.2017 № 280р, включающая 
в себя разделы по вопросам испытаний силовых и измерительных трансформаторов с литой изоляцией до 110 кВ включительно, комбинированных измерительных трансформа

Введение

торов и электронных оптических измерительных трансформаторов, измерительных трансформаторов тока и напряжения 
с элегазовой изоляцией [1].
При комплексном диагностическом обследовании силовых 
трансформаторов рекомендательными, согласно вышеуказанному Распоряжению, являются: измерение уровня частичных 
разрядов при работе силового трансформатора под нагрузкой 
и в режиме холостого хода (акустическим и электрическим 
методами), измерение вибрационных характеристик, определение механического состояния (деформации) обмоток трансформатора (реактора) частотным методом (FRA), методом 
низковольтных импульсов (НВИ).
Новый документ дополнен в части испытаний вводов 
110–750 кВ c твердой RIP-, RBP-, RIN-изоляцией трансформаторов; добавлен раздел, посвященный оборудованию 
с элегазовой изоляцией, комплектным распределительным 
устройствам в металлической оболочке с элегазовой изоляцией. Новая редакция [1] пересмотрена в части испытания токопроводов с учетом внедрения современного оборудования 
в электрических сетях, в том числе для элегазовых токопроводов на напряжение 110–750 кВ, а также в части испытания 
кабельных линий, в том числе кабельных линий с пластмассовой изоляцией из сшитого полиэтилена и др.
Появились разделы «Статические установки для потребления и выдачи реактивной мощности», «Агрегаты и источники бесперебойного питания» и др.
ОНИЭ не предоставляют ответов на некоторые вопросы, 
например, что делать, когда:
 
• характеристики электрооборудования подошли к предельно допустимым значениям;
 
• срок эксплуатации оборудования превышает или близок 
к нормативному сроку (25 лет);
 
• электроаппарат испытал воздействие предельных значений 
токов КЗ;

Введение

 
• электроаппарат испытал воздействие ненормированных перенапряжений.
Как раз для решения этих задач и может служить данное 
учебно-методическое пособие, призванное дополнить ОНИЭ. 
В пособии автор предлагает и рассматривает примеры применения специальных методов диагностики, которые должны 
войти в ОНИЭ и уже широко применяются в течение десятилетий для обнаружения дефектов и повреждений, трудно диагностируемых традиционными методами как за рубежом, так 
и в нашей стране.
Такими специальными методами диагностики активной 
части силового трансформаторно-реакторного оборудования являются метод низковольтных импульсов (НВИ) для 
контроля механического состояния обмоток после протекания 
сквозных токов КЗ, мониторинг уровня частичных разрядов 
(ЧР) в изоляции вводов и обмоток в совокупности с контролем 
изоляционных характеристик традиционными методами, входящими в ОНИЭ (Rизол, tg), степень полимеризации бумажномасляной изоляции и др.). Эти методы диагностики позволяют 
охватить и состояние геометрии обмоток, и состояние их изоляции, что в сумме дает достаточно объективную общую картину «cамочувствия» активной части трансформатора.
К остальным необходимым элементам системы, так называемой комплексной диагностики, можно отнести измерение 
уровня вибрации с целью оценки состояния запрессовки обмоток, состояния магнитопровода; системы охлаждения силовых 
трансформаторов; физико-химические анализы трансформаторного масла и др. Достаточно информативными для оценки 
состояния электротехнического оборудования являются метод 
тепловизионного контроля с помощью средств инфракрасной 
диагностики и хроматографический анализ газов, растворенных 
в трансформаторном масле (ХАРГ), входящие в ОНИЭ [2].
В настоящем учебном пособии рассматривается применение тепловизионного контроля для выявления дефектных 

Введение

паек соединительных головок стержней обмотки статора 
турбогенераторов в процессе эксплуатации при проведении 
капитальных ремонтов, что является важным и интересным 
для специалистов Территориально-генерирующих компаний 
(ТГК). Кратко рассмотрены примеры повреждения измерительных трансформаторов тока и напряжения в случаях достижения tg изоляции предельно допустимых значений.
Специальные электродинамические испытания силовых 
трансформаторов на стойкость обмоток при протекании 
сквозных токов КЗ служат инструментом для разработки путей 
повышения надежности их конструкции [3, 9, 12, 13, 15–20]. Их 
суть заключается в проведении определенного количества зачетных опытов КЗ (как правило, 5–6) в условиях, максимально 
приближенных к тем, которые могут возникнуть при возможных аварийных ситуациях в период эксплуатации трансформатора. При этом контролируется состояние важнейших 
конструктивных элементов трансформатора, включая обмотки. 
Окончательное заключение о результатах испытаний выдается 
уже после разборки трансформатора на заводе-изготовителе.
Проведение натурных испытаний на стойкость к токам КЗ 
позволяет выявить в головном образце трансформатора (реактора) слабые места в конструкции, а затем внести изменения 
в конструкцию его обмоток исходя из результатов испытаний 
и разборки на заводе-изготовителе. Трансформатор нового 
типоисполнения может запускаться в серийное производство 
только с учетом этих изменений.
В учебно-методическом пособии проведены расчеты величин токов КЗ и выполнено сравнение вариантов предполагаемого размещения нового сетевого стенда для электродинамических испытаний силовых трансформаторов на стойкость 
к токам КЗ, результаты которых показали, что на подстанциях 
«Белый Раст» (750 кВ) и «Опытная» московского региона 
возможно создать необходимые значения токов КЗ для испытаний на стойкость к токам КЗ трансформаторов типа ТДЦ250000/220, ТДЦ-80000/110 и ТЦ-666000/500 [21–29].

Введение

Вопрос строительства нового стенда для электродинамических испытаний на стойкость к токам КЗ, безусловно, относится к новым технологиям. Его создание позволит применить новые научные разработки в трансформаторостроении 
и повысить надежность работы трансформаторно-реакторного 
оборудования подстанций Единой электрической сети [3–14, 
30–46].
Значение онлайн-диагностики (без отключения) силовых 
трансформаторов методом оценки состояния обмоток по значению сопротивления КЗ становится все более ощутимым 
в свете последних решений Правительства РФ по развитию 
цифровой экономики. Методы диагностического мониторинга 
технического состояния маслонаполненного электрооборудования в интересах цифровизации подстанций и открытых 
распределительных устройств (ОРУ) электростанций рассмотрены в последней главе пособия.
Основные методы диагностики, рассмотренные в пособии:
 
• инфракрасная диагностика;
 
• измерение tg изоляции;
 
• мониторинг интенсивности частичных разрядов (ЧР) в изоляции;
 
• дефектографирование низковольтными импульсами (НВИ) 
и FRA геометрии обмоток;
 
• измерение сопротивления КЗ (Zk);
 
• мониторинг индуктивности силовых трансформаторов 
и реакторов.
В результате обучения по данному пособию обучающийся 
должен:
знать
 
• закон Био — Савара для электромагнитной силы, действующей на элемент тока, находящийся в магнитном поле;
 
• основные нормативные документы, определяющие объем 
испытаний и измерений;
 
• основные виды электрооборудования электрических 
станций и подстанций: силовые трансформаторы, реакторы, 

Введение

трансформаторы тока и напряжения, разъединители, турбогенераторы, ограничители перенапряжений (ОПН) и др.;
 
• основные методы диагностики состояния электрооборудования для выявления дефектов и повреждений в процессе 
эксплуатации: инфракрасная диагностика, измерение tg 
изоляции, мониторинг интенсивности частичных разрядов 
(ЧР) в изоляции, дефектографирование низковольтными 
импульсами (НВИ) и FRA механического состояния обмоток, измерение сопротивления КЗ (Zk) и др.;
 
• основные виды электрооборудования, которые диагностируются с помощью средств инфракрасной диагностики;
 
• основные причины и мероприятия по предотвращению возникновения феррорезонанса трансформаторов напряжения;
 
• меры техники безопасности при проведении измерений;
 
• основные виды потери электродинамической устойчивости обмоток силовых трансформаторов при протекании 
сквозных токов короткого замыкания;
 
• основные формулы для расчетов максимального значения 
апериодической (ударной) составляющей тока короткого 
замыкания силовых трансформаторов;
уметь
 
• рассчитывать сопротивление КЗ трансформатора, сопротивление КЗ сети;
 
• рассчитывать действующее значение периодической и апериодической составляющей тока КЗ по стороне высокого 
напряжения (ВН) в двухобмоточном режиме;
 
• определять передаваемые тепловые потоки в технологическом и энергетическом оборудовании и потоки массы;
 
• определять необходимые площади поверхностей тепломассообмена и оптимальные размеры соответствующего энергетического и технологического оборудования;
владеть
 
• основными положениями нормативных документов, определяющих объем испытаний и измерений при комплексном 
обследовании электрооборудования;

Введение

 
• основными методами расчета сопротивления КЗ трансформатора, сопротивления КЗ сети;
 
• основными методами расчета действующего значения периодической и апериодической составляющей тока КЗ 
по стороне ВН в двухобмоточном режиме.

Глава 1. 

ИНФРАКРАСНАЯ ДИАГНОСТИКА 
ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ 
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

1.1. ИНФРАКРАСНАЯ ДИАГНОСТИКА 
ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ ТЕПЛОВЫХ 
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ (ТЭЦ)

Значительная часть электрического оборудования станций, 
подстанций, системы передачи и распределения электроэнергии выработала свой ресурс, но продолжает эксплуатироваться, так как на его замену требуются большие финансовые 
средства. В связи с этим с каждым годом увеличиваются 
затраты на проведение комплексных обследований и диагностики. Оценка фактического состояния силового электрооборудования по результатам диагностических измерений 
является очень сложной и актуальной задачей.
Тепловизионный контроль является одним из основных 
направлений развития системы технической диагностики, 
обеспечивающей возможность контроля теплового состояния 
оборудования и сооружений без вывода их из работы, выявления дефектов на ранней стадии развития, сокращение затрат на техническое обследование за счет прогнозирования 
сроков и объема ремонтных работ [1, 3, 4].
О тепловидении и его применении для контроля состояния 
электрооборудования известно несколько десятков лет. Тепловизионный контроль стал обычным и повседневным инструментом в руках специалистов, занимающихся диагностикой и ремонтом оборудования электростанций, распределительных сетей и подстанций [3, 4].
Метод тепловизионного контроля с помощью средств 
инфракрасной диагностики и хроматографический анализ