Бартли У. Обзор повреждений трансформаторов

Уильям Бартли (William Bartley), руководитель рабочей группы по анализу повреждений силовых трансформаторов Международной ассоциации инженеров-страховщиков (The International Association of Engineering Insurers — IMIA)

Силовые трансформаторы являются одним из важнейших элементов электрической сети. Их выход из строя приводит к весомым экономическим потерям, которые связаны как со значительными затратами на покупку нового или восстановление повреждённого трансформатора, так и с ущербом от перерывов электроснабжения для конечного
потребителя.

Наиболее бурный период развития промышленности и экономики в целом наблюдался в первые десятилетия после Второй мировой войны. Рост мирового энергопотребления в этот период возрос с 1 до 11 трлн. кВт⋅ч. В то же время было установлено много силовых трансформаторов, большинство из которых до сих пор находится в работе. По информации Коммерческого Департамента США, пик роста промышленности в стране приходился на 1973–1974 годы.

В эти два года в США было введено в работу порядка 185 ГВ⋅А установленной мощности силовых трансформаторов. Сегодня средний срок их службы составляет примерно 30 лет. Старение парка эксплуатируемых силовых трансформаторов приводит к увеличению числа их повреждений. Ситуация усугубляется ростом энергопотребления во всём мире, в результате чего загрузка и без того изношенных трансформаторов возрастает.

В 2003 году рабочая группа IMIA провела исследования повреждения силовых трансформаторов, результаты которых были озвучены на 36-й Международной ежегодной конференции в Стокгольме.

Сбор исходной информации

Сбор исходной информации осуществлялся путём рассылки в национальные комитеты ассоциации запросов о повреждениях силовых трансформаторов мощностью 25 МВ⋅А и более за период с 1997 по 2001 год. Полученная информация была обработана и рассортирована по следующим позициям:

  • год, в котором произошло повреждение;
  • мощность повреждённого трансформатора;
  • причина возникновения повреждения;
  • возраст повреждённого трансформатора;
  • место применения повреждённого трансформатора;
  • экономический ущерб, связанный с повреждением трансформатора;
  • экономический ущерб для конечного потребителя электроэнергии.

Всего рассмотрено 94 случая. Некоторые из полученных ответов на запросы не содержали всей необходимой информации. В этих случаях обрабатывалось меньшее её количество.

Экономические потери от повреждений были переведены в доллары по действующему на тот момент курсу.

Бартли У. Обзор повреждений трансформаторов

Рис. 1. Ввод трансформаторов по годам в США

Обзор общей ситуаций по авариям

Наибольшее число повреждений в исследуемом периоде было в 1998 году (25 шт.), в денежном выражении максимум потерь зафиксирован 2000 году, наибольшая единичная авария произошла в 2000 году с потерями в 86 млн. USD.

Распределение количества аварий по годам и экономические потери от повреждений оборудования и перерывов в электроснабжении представлены в таблице 1.

Таблица 1. Количество повреждений трансформаторов и экономические потери

Год

Кол-во аварий

Суммарные потери, USD

Потери от повреждения оборудования, USD

Потери от перерывов в электроснабжении, USD

1997

19

40 779 507

25 036 973

15 742 834

1998

25

24 932 235

24 897 114

35 121

1999

15

37 391 591

36 994 202

397 389

2000

20

150 181 779

56 858 084

93 323 695

2001

15

33 343 700

19 453 016

13 890 684

Итого

94

286 628 811

163 239 089

123 389 722

Экономические потери по мощностям трансформаторов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Распределение экономических потерь по мощностям трансформаторов

Год Кол-во аварий Мощность поврежденных трансформаторов, МВ×А Экономические потери, USD Удельные потери, USD/ МВ×А
Всего С данными по потерям
1997 19 9 2567 20 456 741 7969
1998 25 25 5685 24 897 114 4379
1999 15 13 2433 36 415 806 14 967
2000 20 19 4386 56 354 689 12 849
2001 15 12 2128 16 487 058 7748
Итого 94 78 17199 154 611 408 8990

Отметим, что не все присланные ответы содержали информацию о мощности повреждённых трансформаторов, поэтому в таблице отражены данные по 78 авариям.

Средние удельные потери за рассматриваемый период составляют 8990 USD/МВ⋅А, или 9 USD/кВА мощности.

Повреждения трансформаторов по месту установки

Наибольшее число повреждений произошло на сетевых подстанциях. Вместе с тем по экономическим потерям лидируют генераторные трансформаторы, где сумма ущерба составила 200 млн. USD. Данные по количеству повреждений и причинённому ущербу по месту установки трансформаторов отражены в таблице 3.

Таблица 3. Потери по месту применения трансформаторов

Год

Повышающий генераторный

Промышленность

Сетевые подстанции

Неизвестно

Общее число за год

1997

29 201 329

3

2 239 393

4

5 243 075

11

4 095 710

1

40 779 507

19

1998

15 800 148

8

3 995 229

6

5 136 858

11

24 932 235

25

1999

3 031 433

4

24 922 958

4

6 116 535

6

3 320 665

1

37 391 591

15

2000

123 417 788

10

24 724 182

4

2 039 810

6

150 181 779

20

2001

32 082 501

11

1 261 199

4

33 343 700

15

Итого

203 533 199

26

55 881 762

18

19 797 476

38

7 416 375

2

286 628 811

94

Повреждения трансформаторов по причине их возникновения

Распределение повреждений по причине их возникновения приведено в таблице 4.
Описанные в таблице 4 причины повреждения систематизированы следующим образом.

Повреждения изоляции — наиболее частая причина аварии. Сюда относятся все повреждения, за исключением произошедших по причине внешних воздействий: сетевых перенапряжений и молний. В большинстве случаев ухудшение параметров изоляции связаны с пиролизом (разложении изоляции при нагревании), окислением, воздействием кислоты, увлажнением. Повреждения изоляции по причине увлажнения рассматриваются ниже отдельным пунктом. Средний возраст повреждённых по причине плохой изоляции трансформаторов составил 18 лет.

Ошибки проектирования, плохой материал, неправильная установка — повреждения, связанные с отсутствием блокировок, плохой пайкой, плохим контактом, недостаточной изоляцией стержней, низкой динамической стойкостью к токам короткого замыкания, посторонними предметами внутри бака.

Загрязнение масла — повреждения по причинам, связанным с маслом. Характерным признаком таких повреждений являются шламообразование и углеродные следы.

Таблица 4. Распределение экономических потерь и повреждений по причине их возникновения 

Причина возникновения повреждения Количество Экономический ущерб, USD
Повреждения изоляции

24

149 967 277

Проектирование, материал, установка

22

64 969 051

Неизвестно

15

29 776 245

Загрязнение масла

4

11 836 367

Перегрузка

5

8 568 768

Возгорание/взрыв

3

8 045 771

Сетевые перенапряжения

4

4 959 691

Ошибки при обслуживании

5

3 518 783

Заливание водой

2

2 240 198

Плохие контакты

6

2 186 725

Удар молнии

3

657 935

Увлажнения изоляции

1

175 000

Всего 94 286 628 811

Перегрузка — повреждения, причиной возникновения которых послужила перегрузка трансформатора. В этом случае рассматривались только те трансформаторы, по которым были представлены данные по номинальной мощности.

Возгорания/взрывы — повреждения по причинам возгорания и взрывов вне трансформатора, при которых пострадал сам трансформатор. Здесь не учитывались возгорания и взрывы внутри трансформатора, ставшие следствием какого-либо дефекта.

Сетевые перенапряжения — повреждения из-за перенапряжений, вызванных коммутациями, короткими замыканиями, перекрытием изоляции линий и прочими причинами.

Ошибки при обслуживании — повреждения вследствие выведения из работы или плохой настройки защит, отсутствия охлаждения, плохой очистки масла, коррозии стальных элементов, то есть все повреждения, связанные с недостатками в обслуживании трансформатора.

Заливание водой — повреждения, вызванные попаданием воды в трансформатор, как по вине персонала, так и вследствие естественных процессов.

Плохие контакты — повреждения по причинам плохого монтажа, некачественного сопряжения разнородных материалов, плохих болтовых соединений и пр.

Молния — повреждения из-за молнии.

Увлажнения изоляции — повреждения вследствие утечек в насосах, оболочках, просачивания воды через вводы, уплотнения, наличия влаги в масле.

Повреждения трансформаторов по причине возраста

Возраст изоляции и возраст трансформатора – категории неидентичные, так как старение изоляции обусловлено не только календарным временем, но и во многом условиями работы. Состояние изоляции в значительной степени зависит от следующих факторов: температура, напряжённость электрического и магнитного полей, механические воздействия. По этой причине повреждения по возрасту трансформатора вынесены в отдельный пункт.

Распределение повреждений по возрасту трансформатора приведено в таблице 5.

Таблица 5. Экономические потери, связанные с возрастом трансформатора

Возраст на момент повреждения, лет

Количество

Экономический ущерб, USD

до 5

9

11 246 360

от 6 до 10

6

22 465 881

от 11 до 15

9

3 179 291

от 16 до 20

9

10 518 283

от 21 до 25

10

16 441 930

более 25

16

15 042 761

нет данных

35

207 734 306

Прогнозы повреждений

Помимо повреждений, уже произошедших, вызывают интерес повреждения, которые произойдут в будущем, то есть прогнозные показатели надёжности. Для их расчёта рассмотрим существующие модели оценки будущих повреждений.

Первая попытка оценить прогнозные показатели надёжности была опубликована в страховой литературе в 1825 году Гомпертцом (Gompertz).

При построении модели он исходил из аналогии между повреждаемостью трансформаторов и смертностью людей, на основании чего им была предложена следующая функция повреждения:

Бартли У. Обзор повреждений трансформаторов

где α – константа, β – постоянная времени.

В 1860 году Макегам (Makeham) модифицировал модель Гомпертца. Он учёл внезапные повреждения, введя в формулу постоянную А, которая корректирует недостаток формулы (1):

Бартли У. Обзор повреждений трансформаторов

Дальнейшую модификацию функции повреждения в 1932 году провели Перкс и Берд (Peks, Beard). Они повысили точность модели при описании повреждений в конце срока службы трансформатора.

Для этих целей была введена постоянная μ:

Бартли У. Обзор повреждений трансформаторов

Описанная функция повреждения представлена на рис. 2. Постоянная А, учитывающая случайные повреждения (вандализм, молнии, ошибочные действия), была принята равной 0,005 (то есть 0,5%). Экспоненциальное распределение построено на предположении, что 50% повреждений происходят в возрасте 50 лет.

Бартли У. Обзор повреждений трансформаторов

Рис. 2. Распределение функции повреждения оборудования
в зависимости от срока эксплуатации

Как было указано выше, существуют различия в возрасте изоляции и возрасте трансформатора, поэтому при анализе повреждаемости трансформатора при помощи функции повреждения необходимо учитывать условия его эксплуатации и историю загрузки.

Исследуем ущерб, который может возникнуть по причине старения трансформатора. Для этого воспользуемся функцией повреждения. Ущерб установим, определив суммарную мощность трансформаторов, вышедших из строя за расчётных год.

Функцию ущерба построим для парка трансформаторов, выпущенных в США за период с 1964 по 1992 год, на основании данных рис. 1. Результаты расчётов представлены на рис. 3.

Бартли У. Обзор повреждений трансформаторов

Рис. 3. Ущерб от повреждений трансформаторов по причине старения в ГВ⋅А

На рис. 3 каждый год состоит из группы столбиков, отражающих год выпуска повреждённых трансформаторов. Каждый столбик по порядку слева направо соответствует году выпуска трансформатора: 64, 66, 68, 70, 72, 74 и т.д. через два года. После 1992 года количество
столбиков в группе составляет 15.

Отметим, что в приведённых расчётах не учтено, что поврежденный трансформатор восстанавливается и вводится в дальнейшую эксплуатацию.

На рис. 4 в более крупном плане показана функция повреждений для 6 лет (2003–2008 годы). Исходя из рис. 4 некоторые вопросы вызывает большее количество повреждённых трансформаторов с более поздним сроком выпуска. Например, повреждённых трансформаторов, выпущенных в 1972, 2006 и 2008 годах больше, чем 1964 года выпуска.

Бартли У. Обзор повреждений трансформаторов

Рис. 4. Увеличенная картина рис. 3 (2003–2008 годы)

Это связано с объёмами производства трансформаторов, пик выпуска которых, как было указано ранее, приходился на 1970-е годы.

Бартли У. Обзор повреждений трансформаторов

Рис. 5. Суммарная повреждаемость по годам

Выпуск трансформаторов

Переход на рыночные отношения с созданием оптового рынка электроэнергии в некоторых странах стал причиной ряда новых проблем для энергосистем. В частности, сопутствующая указанным изменениям конкуренция привела, с одной стороны, к снижению стоимости электроэнергии, с другой — к снижению затрат на обслуживание и ремонты оборудования. Как результат — резкое снижение капитальных вложений в строительство новых и модернизацию старых подстанций.

В США с этой проблемой столкнулись уже в 80-е годы прошлого столетия при создании оптового рынка электроэнергии. Многие компании в условиях конкуренции воздерживались от капитальных затрат, в результате чего к 1990 году на ввод новых трансформаторов они достигли  своего десятилетнего минимума. В таких условиях ряд крупных копаний (GE, Westinghouse, Allis Chalmers, McGraw Edison и др.) были вынуждены уйти из этого сегмента рынка. Другие в целях выживания минимизировали свои расходы.

Рынок трансформаторов ожил в 1999–2000 годах, что была связано с развитием генерации на базе газотурбинного оборудования. Спрос на повышающие генераторные трансформаторы в этот период возрос почти вдвое. Ожидалось, что с 2000 по 2015 год будет введено порядка 750 ГВт новых мощностей, однако стремительный рост сменился спадом, и компании опять начали терпеть убытrи. Инвесторы и застройщики сконцентрировали своё внимание на уже имеющихся и ещё не завершенных строительством подстанциях.

Вот как отзываются об этой ситуации топ-менеджеры ведущих электротехнических компаний. Боман (Boman), директор по маркетингу, силовые трансформаторы, АВВ северная Америка: «…Упадок превысил все негативные ожидания: за шесть месяцев рынок упал более чем на 50%». Дюранте (Durante), вице президент коммерческого отдела Elin/VATech, северная Америка: «…Бум 1999 и начала 2000 года вряд ли повторится в течение ближайших 30 лет. У потребителей есть возможность экономить, и они будут идти на затраты только тогда, когда это будет действительно необходимо».

Состояние дел на рынке продаж таково, что сегодня трансформаторы стоят существенно дешевле, чем несколько лет назад. Купить новый трансформатор дешевле, чем восстановить старый. При этом срок гарантии производителей составляет от 3 до 5 лет.

Фукс (Fuchs), вице президент по продажам, Сименс: «…Застой рынка характерен для США, Европы и дальнего Востока, в то время как в других частях света, в частности, в Азии, экономика развивается быстрыми темпами, поэтому здесь можно ожидать повышение спроса на трансформаторы».

В такой ситуации возникает вопрос: что может остановить падение рынка трансформаторов: государственное регулирование или отсутствие такового?

Бовман (АВВ): «…Покупатель главным образом обращает внимание на низкую цену трансформатора и не заботится о надёжности его работы и затратах на обслуживание, поэтому многие производители делают акцент на дешёвые трансформаторы».

Фукс (Сименс): «…Помимо фактора снижения цены со снижением качества конечного продукта на рынке наблюдается безнаказанный демпинг цены».

Дюрант (Elin/VATech): «…Капиталовложениям мешает отсутствие регулирования на рынке». По мнению Дюранта, последующий рост на рынке трансформаторов в Северной Америке будет наблюдаться в передающих и распределительных сетях: системообразующие трансформаторы, фазосдвигающие трансформаторы, автотрансформаторы.

Заключение

Электричество — особый товар: живительная сила экономики и показатель качества жизни. Мир переходит в новую цифровую эру, в связи с чем наша зависимость от электричества ещё больше возрастает. В такой ситуации требования к энергетике особенно высоки, что делает необходимым постоянные капиталовложения на замену, обслуживание и модернизацию оборудования. Ожидания общества в отношении дешёвой и одновременно доступной и качественной энергии в таком мире ошибочны. Стремление рынка к экономии и связанное с ней невнимание к надёжности работы оборудования может привести к крупным авариям, большим потерям и печальным результатам.

Журнал “Энергетика и менеджмент”, № 1(58). –  2011. – С. 40-45.

От администрации сайта: данная статья еще раз подтверждает важность поддержания состояния изоляционной системы трансформатора на надлежащем уровне. Ведь именно ее поломки лидируют среди всех возможных повреждений (табл. 4).

Для продления срока службы и повышения надежности работы как изоляционной системы, так и всего трансформатора целесообразно применять установки регенерации трансформаторных масел типа СММ-Р. Это позволит избежать больших убытков, сэкономить топливные ресурсы за счет повторного использования масла, а также снизить нагрузку на окружающую среду.