Anàlisi de fallades i casos de resolució de problemes de transformadors de distribució

Causa de les Avaries en els Transformadors de Distribució
Avaries Provocades pel Augment de Temperatura
Impacte en els Materials Metàl·lics
Quan un transformador està en funcionament, si la corrent és massa gran, fent que la càrrega del client superi la capacitat nomenal del transformador, la temperatura del transformador augmentarà, el que a la vegada amolla els materials metàl·lics i reduïx significativament la seva resistència mecànica. Prenem el cobre com a exemple. Si es veu exposat a un ambient de alta temperatura superior als 200 °C durant un llarg període, la seva resistència mecànica s'afieixarà significativament; si la temperatura supera els 300 °C en un curt període, la resistència mecànica també caurà bruscament. Per als materials d'alumini, la temperatura de treball a llarg termini hauria de controlar-se per sota dels 90 °C, i la temperatura de treball a curt termini no hauria de superar els 120 °C.
Impacte d'un Contacte Deficient
El contacte deficient és una causa important de moltes avaries en equips de distribució, i la temperatura de la part de contacte elèctric té un gran impacte en la qualitat del contacte elèctric. Quan la temperatura és massa alta, la superfície del conductor de contacte elèctric oxidarà violentament, i la resistència de contacte augmentarà significativament, fent augmentar la temperatura del conductor i les seves components, i en casos greus, els contactes podrien soldar-se.
Impacte en els Materials aïllants
Quan la temperatura ambient supera l'abast raonable, els materials aïllants orgànics es tornaran fràgils, accelerant el seu procés d'envelleiment, provocant un declivi significatiu en les propietats aïllants, i en casos greus, pot produir-se un trencament dielèctric. Estudis han demostrat que per als materials aïllants de classe A, dins del seu rang de resistència a la temperatura, per cada increment de 8 - 10 °C en la temperatura, la vida útil efectiva del material es reduirà gairebé a la meitat. Aquesta relació entre la temperatura i la vida útil s'anomena "efecte d'envelleiment tèrmic", que és un factor important que afecta la fiabilitat dels materials aïllants.
 Avaries en els Transformadors de Distribució Provocades per un Contacte Deficient
Avaries Provocades per l'Oxidació de les Capes Protectora
Per millorar el rendiment integral dels components conductors, sovint es fan servir tecnologies de modificació superficial en la pràctica enginyera per tractar les parts clau de contacte. Prenem la barra conductora d'un transformador com a exemple. Normalment, es forma una capa protectora de metall preciós (com l'or, l'argent o alliages basats en estany) a la seva superfície de treball mitjançant electroplating. Aquesta capa de col·lissió metallúrgica pot millorar significativament les propietats físiques i químiques de la interfície de contacte.

Cal tenir en compte que durant l'operació mecànica en la mantença dels equips o sota una càrrega tèrmica a llarg termini, la capa pot descascalar parcialment o patir oxidació i corrosió, causant problemes com l'increment anormal de la resistència de contacte i la disminució de la capacitat portadora de corrent. Les dades experimentals mostren que quan la pèrdua d'espessor de la capa supera el 30%, la estabilitat de la conductivitat elèctrica de la seva interfície mostrarà una tendència de decadença exponencial.
Corrosió Química Provocada per la Connexió Directa de Cobre i Alumini
En un sistema de connexió elèctrica, el contacte directe entre metalls diferents com el cobre i l'alumini formarà una diferència de potencial elèctrod notable, i el seu valor pot arribar a 0,6 - 0,7 V. Aquesta diferència de potencial desencadenarà una corrosió galvànica seria. En la pràctica enginyera, degut al no compliment de les especificacions de construcció o a la tria inadequada de materials, la connexió directa de conductors de cobre i alumini sense tractament de transició ocorre freqüentment.

Després d'aquest mètode de connexió estar energitzat, s'formarà gradualment una capa d'òxid a la interfície de contacte, resultant en un increment no lineal de la resistència de contacte. Sota la temperatura de treball nomenal, la vida útil efectiva d'aquests joints sol ser inferior a 2000 hores, i finalment, ocorreran avaries degut al deteriorament de la superfície de contacte.
Escalfament Intens a les Connexions Elèctriques Provocat per un Contacte Deficient
Durant la instal·lació real dels transformadors de distribució, normalment es configuren caixes comptadores antirrobatori a la banda de baixa tensió. Degut a l'espai intern limitat de la caixa comptadora i tècniques de construcció no estàndard, sovint ocorren problemes com l'enrotllament dels cables o l'apretada mecànica deficiente dels terminals. Aquests connectors defectuosos conduiran a un increment anormal de la resistència de contacte, causant un escalfament excesiu sota l'acció de la corrent de càrrega, i desencadenant a continuació l'ablació de la barra conductora de baixa tensió.

Més greument, l'augment contínu de la temperatura al final de l'enrotllament de baixa tensió accelerarà el procés d'envelleiment tèrmic del material aïllant, creant perilloses de descàrregues parcials. Alhora, l'escalfament excessiu també farà que l'oli del transformador patisca una reacció de pirolisi, reduint la seva força aïllant i el seu rendiment de refrigeració. Les dades experimentals mostren que quan la temperatura de l'oli supera contínuament els 85 °C, la seva tensió de ruptura disminuirà aproximadament un 15% - 20% per any. Aquest múltiple efecte de deteriorament és molt probable que provoqui avaries de ruptura aïllant quan s'encara amb sobretensions per raig o per commutació, acabant finalment en l'averia del transformador.
Avaries en els Transformadors de Distribució Provocades per l'Humeditat
L'augment de l'humitat relativa ambient té un impacte dual en el sistema aïllant dels equips de distribució. Primer, la resistència dielèctrica de l'aire humit disminueix significativament, i la seva tensió de ruptura està negativament correlacionada amb l'humitat; segon, l'adsorció de molècules d'aigua a la superfície dels materials aïllants formarà canals conductors, resultant en una disminució de la resistivitat superficial. Més greument, quan l'humitat difón a l'interior dels mitjans aïllants sòlids o es dissol a l'oli del transformador, provocarà un increment agut de la pèrdua dielèctrica.

Quan el contingut d'aigua a l'oli del transformador arriba a uns 100 μL/L, la seva tensió de ruptura de freqüència industrial disminuirà a uns 12,5% del valor inicial. Aquest deteriorament del rendiment aïllant augmentarà significativament la corrent de fuga de l'equip. En un entorn humit, poden ocorrer descàrregues parcials fins i tot sota la tensió de treball nomenal. Les dades estadístiques mostren que en un entorn amb una humitat relativa superior al 85%, la taxa d'averia dels transformadors de distribució augmenta entre 3 i 5 vegades en comparació amb un entorn sec, manifestant-se principalment com avaries de ruptura aïllant i accidents de flashover superficial.

Avaries en els Transformadors de Distribució Provocades per una Instal·lació Inadequada de Parafulles
En el sistema elèctric, la fiabilitat de les prestacions dels dispositius de protecció contra sobretensions afecta directament la seguretat operativa dels transformadors. Com a components principals de protecció, la qualitat d'instal·lació, la operació i manteniment, i els tests preventius dels parafulles d'òxid metàl·lic (MOA) són els passos clau per assegurar la seva eficàcia. Tanmateix, degut a tècniques de construcció no estàndard, una implementació insuficient dels procediments de detecció i la falta de literacitat professional del personal d'operació i manteniment, l'efecte de protecció real dels dispositius sovint es redueix considerablement, el que és una causa important d'avaries de ruptura aïllant en els transformadors de distribució.

Des del punt de vista de la pràctica operativa, els dispositius de protecció es veuran afectats per diverses tensions ambientals durant el servei a llarg termini. Factors com els cicles de temperatura, les vibracions mecàniques i els mitjans corrosius poden causar la degradació del rendiment de connexió del sistema de terra. Quan el sistema s'exposa a impacts de raig, el bucle de terra fallit no podrà descarregar l'energia de sobretensió a temps, provocant una ruptura tèrmica del propi dispositiu de protecció. Segons les estadístiques, en els casos d'averia dels dispositius de protecció, els accidents d'explosió causats per una mala connexió a terra representen més del 60%, i el procés de liberació d'energia sovint va acompanyat de descàrregues d'arc intenses.
Algunes Mètodes de Diagnòstic d'Avaries en els Transformadors de Distribució
Diagnòstic d'Avaries mitjançant el Julgament Intuïtiu
El diagnòstic d'averia dels transformadors de distribució es pot jutjar inicialment a través de les característiques externes. Els continguts d'observació inclouen: la integritat de la carcassa (creuades, deformacions), l'estat mecànic (fixacions sueltos), el rendiment de sellat (vestigis de filtració), l'estat superficial (nivell de suor, fenòmens de corrosió) i senyals anormals (canvis de color, marques de descàrrega, emissió de fum), etc. Aquestes característiques externes tenen correspondències específiques amb les avaries internes.

Quan l'oli del transformador mostra un color marró fosc i té olor de cremat, acompanyat d'un increment de temperatura anormal i l'operació de les components de protecció de la banda de tensió alta, sovint indica que hi ha anormalitats en el sistema de circuit magnètic, possiblement danys a l'aïllament entre fulls de ferro siliconós o avaries de terra multipunt del conductor magnètic.

Si la corrent d'operació augmenta anormalment, la temperatura de l'oli augmenta significativament, els paràmetres trifàsics són asimètrics, acompanyats de l'operació de dispositius de protecció a la banda de tensió baixa, fum en el conservador d'oli, i fluctuacions en la tensió secundària, es pot determinar com una avaria de curtcircuït bobina a bobina causada pel fracàs de l'aïllament entre conductors d'enrotllament. Quan els paràmetres elèctrics d'una fase desapareixen completament (tensió i corrent són 0), aquesta característica sol corresponder a una avaria d'obertura de bobina o de fusió del conductor de connexió.

El fenomen d'espritzament d'oli del conservador d'oli és un indicador important de grans avaries internes del transformador. Quan la velocitat de generació de gas de l'averia supera la capacitat de processament del dispositiu de descàrrega de pressió, es formarà pressió positiva dins del dipòsit d'oli. Inicialment, es manifestarà com filtracions als punts de sellat febles. Com la pressió continua augmentant, finalment pot ocórrer un espritzament d'oli a la superfície de junta del cos. Aquest tipus d'averia sovint es produeix per a la ruptura aïllant interfasial, generalment acompanyada de la fusió de les components de protecció de la banda de tensió alta. Segons les estadístiques de les accions del relé de gas, aproximadament el 75% de les avaries greus seguiran aquest procés de desenvolupament.
Diagnòstic d'Avaries mitjançant Canvis de Temperatura
Durant la operació dels transformadors de distribució, els conductors portadors de corrent inevitablament generaràn pèrdues de calor degudes a l'efecte Joule, el que és un fenomen físic normal. No obstant això, quan l'equip tingui anormalitats elèctriques (com la degradació de l'aïllament, contacte deficient) o defects mecànics (com la deformació de l'enrotllament, fallida del sistema de refrigeració), el seu estat de equilibri tèrmic es veurà pertorbat, manifestant-se com una temperatura de funcionament que supera el valor permès de disseny. Segons la teoria de l'envelleiment tèrmic, per a cada increment de 6 - 8 °C en la temperatura, la velocitat d'envelleiment dels materials aïllants es doblarà, així afectant significativament la vida útil de l'equip.

Per als increments de temperatura anormal causats per avaries internes, sovint hi ha anomalies evidents en el sistema de circuit d'oli. Quan la temperatura del punt calent arriba al valor crític, l'oli del transformador patirà una reacció de pirolisi, generant una gran quantitat de gas, fent funcionar el dispositiu de descàrrega de pressió, resultant en filtracions d'oli o espritzaments d'oli. En la pràctica enginyera, es pot utilitzar un mètode simple per jutjar inicialment l'estat de temperatura de l'equip: si la superfície de la carcassa del transformador es pot tocar amb la mà durant més de 10 segons, la seva temperatura superficial sol ser inferior a 60 °C. Aquest valor empíric es pot utilitzar com a referència per a una avaluació ràpida in situ.
Diagnòstic d'Avaries mitjançant Canvis d'Olor
Al moment d'obrir la tapa del coixí d'oli, es pot notar un olor peculiar i picant a cremat. Això indica que l'enrotllament dins del transformador està cremat, sovint acompanyat de la fusió de dos a tres fusibles de caiguda de fases.

Diagnòstic d'Avaries mitjançant Canvis de So
Durant la operació d'un transformador, l'efecte de magnetoestrictió generat per la magnetització del nucli de ferro desencadenarà vibracions mecàniques periòdiques. Aquestes vibracions i les seves característiques acústiques associades serveixen com a importants indicadors del funcionament normal de l'equip. La tecnologia de diagnòstic acústic permet un monitoratge eficaç de l'estat operatiu del transformador. Específicament, les característiques de freqüència del senyal de so, els canvis en el nivell de pressió sonora, i les característiques del espectre de vibració poden revelar avaries potencials de l'equip.

Quan es fa servir el mètode de detecció acústica, es pot utilitzar una varilla conductora (com una varilla aïlladora) com a mitjà de conducció de ones sonores. Un extrem de la varilla s'hi posa en contacte amb la carcassa exterior de l'equip, i l'altre extrem es col·loca a prop de l'òrgan auditiu per escoltar. Un cop detectats senyals de so anormals, s'haurien de implementar mesures de manteniment preventiu de manera prompta per evitar l'escalada de les avaries. A continuació, es presenten les correspondències entre les característiques acústiques típiques i els tipus d'averia:

• So "clac" intermitent: Normalment, això indica que les llaminacions del nucli de ferro estan foltes o que els fixadors tenen un torquet insuficient. El nivell de pressió sonora generalment es troba dins de l'interval de 60 a 70 decibels.
  Sons d'alta freqüència de descàrrega: Acompanyant fenòmens de descàrrega parcial, els senyals sonors presenten una característica "crepitant". En casos greus, el nivell de pressió sonora pot superar els 85 decibels, i sovint hi ha marques visibles de descàrrega.

• So explosiu súbit: Aquests solen ocorrer quan l'aïllament dels conductors està dañat o hi ha una descàrrega a terra. El canvi súbit en el nivell de pressió sonora supera els 20 decibels.

• So roncant de baixa freqüència: Habitualment associat a avaries de terra a la banda de baixa tensió, la freqüència dels senyals sonors es concentra dins de l'interval de 100 a 400 hertz.

• So silbant agut: Això indica que l'equip està en un estat d'excitació excessiva, i la freqüència principal dels senyals sonors sol ser entre 1 i 2 quilohertz.

• So de bulliment de bombolla: Acompanyant increments anormals en la temperatura de l'oli, els senyals sonors mostren una característica contínua de "bulliment", sol indicant la deterioració del rendiment aïllant de l'oli.

Diagnòstic d'Avaries mitjançant Instruments
Degut a les limitacions de la tecnologia de l'equip, les estacions d'electrificació solen utilitzar un multimetre per mesurar si la resistència dels conductors d'enrotllament està conduint per determinar si hi ha fils trencats o curtcircuits bobina a bobina dins del transformador; es fa servir un tester de resistència aïllant per mesurar la resistència aïllant de cada enrotllament del transformador a terra, així com per determinar si l'aïllament principal està trencat. Quan l'aïllament entre l'enrotllament i la terra o entre fases està trencat, el seu valor d'impedància aïllant s'aproximarà a 0 Ω.

Quan es testa el rendiment aïllant de l'enrotllament, cal mesurar els paràmetres d'aïllament de les següents tres circuits respectivament: la resistència aïllant entre l'enrotllament primari, l'enrotllament secundari i la carcassa; la resistència aïllant entre l'enrotllament secundari, l'enrotllament primari i la carcassa; i la resistència aïllant entre l'enrotllament primari i l'enrotllament secundari. Cal tenir en compte que el punt de referència de potencial a terra en la prova és l'estructura de la carcassa metàl·lica del transformador. Els valors de referència de la resistència aïllant dels transformadors d'oli immersos es mostren a la Taula 1.

Tecnologies de Diagnòstic d'Avaries per a Transformadors de Distribució
Les tecnologies de diagnòstic d'averia per a transformadors de distribució són mitjans crucials per assegurar el funcionament segur de l'equip. A través de tecnologies de diagnòstic avançades, es poden detectar a temps avaries potencials i prendre mesures eficaços per prevenir l'expansió de les avaries. A continuació, es presenten algunes tecnologies de diagnòstic d'averia habituals per a transformadors de distribució.
Prova de Resistència CC de l'Enrotllament
La prova de resistència CC de l'enrotllament és un dels mètodes bàsics per detectar l'estat de salut dels enrotllaments del transformador. Mesurant la resistència CC de l'enrotllament, es pot determinar si hi ha problemes com fils trencats, contacte deficient o curtcircuits bobina a bobina en l'enrotllament. Per exemple, durant la inspecció rutinària d'un transformador en una certa àrea, es va detectar una resistència CC anormal de l'enrotllament de la banda de tensió alta. Una inspecció posterior va revelar un curtcircuit bobina a bobina a l'enrotllament. La substitució oportuna de l'enrotllament va evitar l'ocurrència d'una averia més greu. La prova de resistència CC de l'enrotllament té les avantatges d'una operació simple i resultats intuïtius, i és un mètode de detecció indispensable en el manteniment diari dels transformadors.
Anàlisi de Gases Dissolts (DGA)
L'Anàlisi de Gases Dissolts (DGA) és un mitjà tècnic important per diagnosticar avaries internes dels transformadors. Analitzant els components i continguts dels gases dissolts a l'oli del transformador, es pot determinar si hi ha avaries com sobrecalentament o descàrregues a l'interior del transformador. Fent servir el mètode de tres ratios IEC60599, es poden identificar amb precisió avaries de tipus descàrrega. Per exemple, es van detectar concentracions elevades d'acetilè (C2H2) i hidrogen (H2) a l'oli d'un cert transformador. L'anàlisi mitjançant el mètode de tres ratios va determinar que era una avaria de tipus descàrrega. La manteniment oportuna va evitar el dany de l'equip. La DGA té les avantatges d'una sensibilitat elevada i diagnòstic precís, i és un mitjà important per monitoritzar l'estat dels transformadors.
Detecció de Descàrregues Parcials
La detecció de descàrregues parcials és un mètode important per avaluar l'estat aïllant dels transformadors. Les descàrregues parcials solen ocorrer en àrees d'aïllament feble, i una descàrrega a llarg termini farà que els materials aïllants es deterioren gradualment, finalment causant avaries greus. Mitjançant la detecció de descàrregues parcials, es poden detectar defectes aïllants a temps i prendre mesures preventives. Per exemple, durant la detecció de descàrregues parcials d'un cert transformador, es va trobar un fenomen de descàrrega al tub de tensió de la banda de tensió alta. Després de substituir el tub, el fenomen de descàrrega va desaparèixer, estenent eficaçment la vida útil de l'equip. La detecció de descàrregues parcials té les avantatges de no destructivitat i alta sensibilitat, i és un mitjà important per monitoritzar l'aïllament dels transformadors.
Detecció Combinada de Vibracions i So
La detecció combinada de vibracions i so consisteix a determinar si hi ha avaries mecàniques a l'interior de l'equip analitzant els senyals de vibració i so durant la operació del transformador. Per exemple, per a un transformador defectuós, l'amplitud de vibració va superar l'estàndard en 3 dB en la banda de freqüència de 125 Hz. La inspecció va revelar que la presa del nucli de ferro estava folta. Després de l'ajustament oportú, la vibració va tornar a la normalitat. La detecció combinada de vibracions i so té les avantatges de monitorització en temps real i diagnòstic precís, i és un mitjà important per diagnosticar avaries mecàniques dels transformadors.
Detecció Termogràfica Infraroja