Авария трансформатора на городской подстанции (СИБЭКО) в Новосибирске побудила сотрудников нашей компании поискать информацию вокруг аварий трансформаторов вообще. И среди горы различных материалов по теме встретилась статья Уильяма Баркли (Уильям Бартли (William Bartley), руководитель рабочей группы по анализу повреждений силовых трансформаторов Международной ассоциации инженеров-страховщиков (The International Association of Engineering Insurers — IMIA)).


Авария трансформатора на городской подстанции (СИБЭКО) в Новосибирске побудила сотрудников нашей компании поискать информацию вокруг аварий трансформаторов вообще. И среди горы различных материалов по теме встретилась статья Уильяма Баркли (Уильям Бартли (William Bartley), руководитель рабочей группы по анализу повреждений силовых трансформаторов Международной ассоциации инженеров-страховщиков (The International Association of Engineering Insurers — IMIA)).

В ней предложен ряд интересных выводов. Мы же, с невысокой башни наше опыта работы с трансформаторным оборудование, смеем предположить, что должно существовать некое решение проблемы для страховки от случаев гибели с жесткими последствиями такового оборудования. Вполне возможно, что наша компания сможет предложить подобное решение нашим клиентам…

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.

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 ПО МЕСТУ УСТАНОВКИ ТРАНСФОРМАТОРА

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 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 ПО ПРИЧИНЕ ВОЗРАСТА ТРАНСФОРМАТОРА

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:

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):

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:

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.

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.

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.

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.

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».