Analýza selhání a případy řešení problémů distribučních transformátorů

Příčiny poruch distribučních transformátorů
Poruchy způsobené teplotním nárůstem
Vliv na kovové materiály
Když transformátor během provozu pracuje s příliš velkým proudem, což způsobí, že spotřebitelské zatížení překročí jeho nominální kapacitu, teplota transformátoru se zvýší, což vede k změknutí kovových materiálů a k dramatickému snížení jejich mechanické pevnosti. U mědi například dlouhodobé expozice na teplotu nad 200 °C způsobí výrazné oslabení mechanické pevnosti; pokud teplota krátce přesáhne 300 °C, mechanická pevnost rovněž dramaticky klesne. Pro hliníkové materiály by měla dlouhodobá pracovní teplota být omezena na nižší než 90 °C, a krátkodobá pracovní teplota by neměla přesahovat 120 °C.
Vliv špatného kontaktu
Špatný kontakt je důležitou příčinou mnoha poruch distribučního zařízení, a teplota elektrického kontaktu má velký vliv na kvalitu elektrického kontaktu. Když je teplota příliš vysoká, povrch vodiče elektrického kontaktu se silně oxiduje a odpor kontaktu se výrazně zvýší, což způsobí zvýšení teploty vodiče a jeho komponent, a v těžkých případech mohou kontakty splynout dohromady.
Vliv na izolační materiály
Když okolní teplota přesáhne rozumný rozsah, organické izolační materiály se stanou křehké, což urychluje jejich stárnutí, což vede ke značnému poklesu izolačních vlastností, a v těžkých případech může dojít k proražení dielektrika. Studie ukázaly, že u izolačních materiálů třídy A, v rámci jejich tepelné tolerance, každé zvýšení teploty o 8 - 10 °C zkracuje efektivní životnost materiálu téměř na polovinu. Tento vztah mezi teplotou a životností se nazývá „termální stárnutí“, což je důležitý faktor ovlivňující spolehlivost izolačních materiálů.
 Poruchy distribučních transformátorů způsobené špatným kontaktem
Poruchy způsobené oxidací ochranných vrstev
Aby byly zlepšeny komplexní vlastnosti vodičových komponent, se v inženýrské praxi často používají technologie povrchové úpravy k ošetření klíčových kontaktových částí. Uveďme jako příklad vodičový tyč transformátoru. Na jeho pracovní ploše se obvykle vytvoří drahokovová ochranná vrstva (např. zlato, stříbro nebo slitina obsahující cín) pomocí elektrolitického pokovování. Tato metalurgická spojovací vrstva může výrazně zlepšit fyzikální a chemické vlastnosti kontaktového rozhraní.

Je třeba poznamenat, že během mechanického provozu zařízení při jeho údržbě nebo pod dlouhodobým tepelným zatížením může ochranná vrstva částečně odpadnout nebo utrpět oxidaci a korozi, což vede k problémům jako je neobvyklý nárůst odporu kontaktu a snížení nosnosti proudu. Experimentální data ukazují, že když je ztráta tloušťky vrstvy vyšší než 30 %, stabilita elektrické vodivosti rozhraní se bude exponenciálně snižovat.
Chemická koroze způsobená přímým spojením mědi a hliníku
V elektrickém spojovacím systému přímý kontakt mezi mědí a hliníkem, které jsou různé kovy, vytvoří významný rozdíl elektrodového potenciálu, jehož hodnota může dosáhnout 0,6 - 0,7 V. Tento rozdíl potenciálů způsobí vážnou galvanickou korozi. V inženýrské praxi dochází kvůli neplnění stavebních specifikací nebo nevhodné volbě materiálů často k přímému spojení vodičů z mědi a hliníku bez přechodového zpracování.

Po zapojení tohoto spojení do síťového napětí se postupně vytvoří oxidová vrstva na kontaktovém rozhraní, což vede k nenelineárnímu nárůstu odporu kontaktu. Při nominální pracovní teplotě je efektivní životnost takových spojů obvykle ne delší než 2000 hodin, a nakonec dojde k poruše v důsledku zhoršení povrchu kontaktu.
Závažné zahřívání elektrických kontaktů způsobené špatným kontaktem
Při skutečném montáži distribučních transformátorů se na straně nízkého napětí obvykle konfigurují antikrádežní měřicí schránky. Kvůli omezenému vnitřnímu prostoru měřicí schránky a nestandardním montážním technikám se často vyskytují problémy, jako je vinutí drátů nebo volné mechanické svorkování konektorů. Tyto špatné spoje vedou k neobvyklému nárůstu odporu kontaktu, což způsobí přetopení pod vlivem zátěžového proudu a pak vyvolá ablázi vodičové tyče nízkého napětí.

Ještě závažnější je, že trvalý nárůst teploty na konci vychladnění nízkého napětí urychlí termální stárnutí izolačního materiálu, což vytváří riziko místního průrazu. Zároveň přetopení způsobí, že se transformátorový olej podrobí pyrolýze, což sníží jeho izolační sílu a chladicí vlastnosti. Experimentální data ukazují, že když teplota oleje trvale překračuje 85 °C, jeho průrazové napětí se sníží asi o 15-20 % ročně. Tento vícekrotný degradace je velmi pravděpodobně způsobí průraz izolace při setkání s přetopením bleskem nebo přepnutím přetopení, což nakonec vedlo k selhání transformátoru.
Poruchy distribučních transformátorů způsobené vlhkostí
Zvýšení relativní vlhkosti okolí má dvojitý dopad na izolační systém distribučního zařízení. Za prvé, dielektrická síla vlhkého vzduchu dramaticky klesne a její průrazové pole je negativně korelováno s vlhkostí; za druhé, adsorpce molekul vody na povrchu izolačních materiálů vytvoří vodivé kanály, což vede ke snížení povrchového odporu. Ještě závažnější je, když vlhkost pronikne dovnitř tuhého izolačního média nebo se rozpustí v transformátorovém oleji, což způsobí ostrý nárůst dielektrických ztrát.

Když obsah vody v transformátorovém oleji dosáhne přibližně 100 μL/L, jeho síťové průrazové napětí klesne na přibližně 12,5 % počáteční hodnoty. Tato degradace izolačních vlastností výrazně zvýší unikající proud zařízení. V vlhkém prostředí může dojít k místnímu průrazu i za nominálního pracovního napětí. Statistická data ukazují, že ve prostředí s relativní vlhkostí přesahující 85 % se frekvence poruch distribučních transformátorů zvýší o 3-5krát oproti suchému prostředí, což se projeví hlavně průrazem izolace a povrchovými výboji.

Poruchy distribučních transformátorů způsobené nesprávnou instalací bleskosvodů
V elektrickém systému přímo ovlivňuje spolehlivost zařízení pro ochranu před přetopením bezpečnost provozu transformátorů. Jako hlavní ochranné komponenty jsou kvalita instalace, provoz a údržba a preventivní testy oxidických bleskosvodů (MOA) klíčovými aspekty pro zajištění jejich efektivity. Nicméně, kvůli nestandardním montážním technikám, nedostatečnému provedení detekčních postupů a nedostatku odborné gramotnosti personálu pro provoz a údržbu, je skutečný ochranný efekt ochranných zařízení často dramaticky snížen, což je důležitou příčinou průrazu izolace distribučních transformátorů.

Z hlediska provozní praxe budou ochranná zařízení během dlouhodobé služby ovlivněna různými environmentálními stresy. Faktory jako teplotní cykly, mechanické vibrovaní a korozivní média mohou způsobit degradaci spojovacích vlastností zemnícího systému. Když systém podléhá bleskovému úderu, nefunkční zemnící smyčka nebude schopna včas vyústit přetopení energie, což vede k termálnímu průrazu samotného ochranného zařízení. Podle statistiky, mezi případy poruch ochranných zařízení představují exploze způsobené špatnou zemnicí více než 60 %, a proces uvolnění energie bývá často provázen intenzivním obloukovým výbojem.
Několik metod diagnostiky poruch distribučních transformátorů
Diagnostika poruch prostřednictvím intuitivního posouzení
Diagnostiku poruch distribučních transformátorů lze počátečně posoudit prostřednictvím externích charakteristik. Pozorované prvky zahrnují: integrity obalu (trhlinky, deformace), mechanické stav (volné spojovací prvky), uzavřenost (stopa unikání), povrchové stav (úroveň sazí, koroze) a neobvyklé znaky (změny barvy, stopa výboje, vznik dýmu) atd. Tyto externí charakteristiky mají specifické vztahy s interními poruchami .

Když transformátorový olej nabývá tmavě hnědé barvy a má spálenou vůni, spolu s neobvyklým nárůstem teploty a fungováním ochranných komponent na straně vysokého napětí, obvykle to naznačuje, že existují anomálie v magnetickém cestovém systému, možná poškození izolace mezi silikonovými litinami nebo vícebodové zemnící poruchy magnetického vodiče.

Pokud provozní proud náhle nápadně naroste, teplota oleje dramaticky stoupne, parametry tří fází jsou asymetrické, spolu s fungováním ochranných zařízení na straně nízkého napětí, dýmem v olejovém rezervoáru a fluktuacemi sekundárního napětí, lze určit, že jde o meziobvinovací krátké spojení způsobené selháním izolace mezi vodiči vinutí. Pokud elektrické parametry určité fáze kompletně zmizí (napětí a proud jsou 0), tento znak obvykle odpovídá poruše otevřeného obvodu vinutí nebo spojovacího vodiče.

Stříkání oleje z olejového rezervoáru je důležitým znakem závažných interních poruch transformátoru. Když rychlost vzniku plynu při poruše překročí kapacitu zařízení pro uvolnění tlaku, vytvoří se v nádrži kladný tlak. Počátečně se projeví unikáním v slabých uzavřených místech. Jak tlak nadále stoupá, může konečně dojít ke stříkání oleje na spojovací ploše těla nádrže. Tato porucha je obvykle způsobena mezifázovým průrazem izolace vinutí, obvykle spolu s splynutím ochranných komponent na straně vysokého napětí. Podle statistiky působení plynného relého se přibližně 75 % závažných poruch vyvíjí tímto procesem.
Diagnostika poruch prostřednictvím změn teploty
Během provozu distribučních transformátorů se vodičové vodiče nutně ohřejí ztrátami tepla z důvodu Jouleova efektu, což je normální fyzikální jev. Nicméně, když zařízení má elektrické anomálie (jako je degradace izolace, špatný kontakt) nebo mechanické defekty (jako je deformace vinutí, selhání chladicího systému), jeho tepelné rovnováha bude narušena, což se projeví pracovní teplotou překračující navrženou povolenou hodnotu. Podle teorie tepelného stárnutí se pro každé 6-8 °C zvýšení teploty rychlost stárnutí izolačních materiálů zdvojnásobí, což výrazně ovlivňuje životnost zařízení.

Pro neobvyklé nárůsty teploty způsobené interními poruchami bývají obvykle zřetelné anomálie v olejovém obvodu. Když teplota horkého místa dosáhne kritické hodnoty, transformátorový olej projde pyrolýzou, což vede k vytvoření velkého množství plynu, což způsobí, že zařízení pro uvolnění tlaku funguje, což vede k unikání oleje nebo jeho stříkání. V inženýrské praxi lze použít jednoduchou metodu k počátečnímu posouzení teplotního stavu zařízení: pokud lze povrch obalu transformátoru dotýkat více než 10 sekund, jeho povrchová teplota obvykle nepřekračuje 60 °C. Tuto empirickou hodnotu lze použít jako referenci pro rychlé posouzení na místě.
Diagnostika poruch prostřednictvím změn vůně
Okamžik, kdy je otevřen poklop olejového rezervoáru, lze cítit specifickou ostrou spálenou vůni. To naznačuje, že vinutí uvnitř transformátoru je spálené, často spolu s splynutím dvou až třífázových vypadacích pojistek.

Diagnostika poruch prostřednictvím změn zvuku
Během provozu transformátoru se magnetoskopický efekt generovaný magnetizací jádra způsobí periodické mechanické vibrace. Tyto vibrace a jejich zvukové charakteristiky slouží jako důležité indikátory normálního chodu zařízení. Akustická diagnostika umožňuje efektivní sledování pracovního stavu transformátoru. Konkrétně, frekvenční charakteristiky zvukového signálu, změny hladiny zvukového tlaku a spektrální charakteristiky vibrací mohou odhalit potenciální poruchy zařízení.

Při použití akustické detekce lze použít vodičový prut (jako je izolační prut) jako médium pro přenos zvukové vlny. Jedna strana prutu je přivedena do kontaktu s vnějškem zařízení, a druhá strana je umístěna blízko auditivního orgánu pro naslouchání. Jakmile jsou zjištěny neobvyklé zvukové signály, by měly být okamžitě provedeny preventivní údržbové opatření, aby se zabránilo eskalaci poruch. Následující jsou vztahy mezi typickými akustickými charakteristikami a typy poruch:

• Intermitentní "klikající" zvuky: Obvykle to naznačuje, že jsou lamely jádra uvolněné nebo že moment obraty není dostatečný. Hladina zvukového tlaku obvykle padá do rozmezí 60 až 70 decibelů.
  Vysokofrekvenční výbojové zvuky: Spolu s místním výbojem, zvukové signály mají charakteristiku "trhání". V těžkých případech může hladina zvukového tlaku překročit 85 decibelů, a často jsou viditelné stopy výboje.

• Náhlé explozivní zvuky: Tyto se nejčastěji vyskytují, když je poškozena izolace vodičů nebo dochází k výboji na zem. Náhlá změna hladiny zvukového tlaku překračuje 20 decibelů.

• Nízkofrekvenční hřmoty: Jsou běžně spojené s zemnícími poruchami na straně nízkého napětí, frekvence zvukových signálů se soustřeďuje v rozmezí 100 až 400 herců.

• Ostré hvízdavé zvuky: To naznačuje, že zařízení je v přetěženém stavu, a hlavní frekvence zvukových signálů je obvykle mezi 1 a 2 kilohertzy.

• Zvuk bublajícího varu: Spolu s neobvyklým nárůstem teploty oleje, zvukové signály zobrazují charakteristiku kontinuálního "bublání", což obvykle naznačuje degradaci vlastností izolace oleje.

Diagnostika poruch prostřednictvím přístrojů