Analisi dei guasti e casi di risoluzione dei problemi dei trasformatori di distribuzione

Cause di guasto dei trasformatori di distribuzione
Guasti causati dall'aumento della temperatura
Impatto sui materiali metallici
Quando un trasformatore è in funzione, se la corrente è troppo alta, causando che il carico del cliente superi la capacità nominale del trasformatore, la temperatura del trasformatore aumenterà, il che a sua volta ammorbidirà i materiali metallici e ne ridurrà significativamente la resistenza meccanica. Prendiamo come esempio il rame. Se è esposto a un ambiente ad alta temperatura superiore ai 200 °C per un lungo periodo, la sua resistenza meccanica sarà notevolmente indebolita; se la temperatura supera i 300 °C in breve tempo, la resistenza meccanica cadrà drasticamente. Per i materiali in alluminio, la temperatura di lavoro a lungo termine dovrebbe essere controllata al di sotto dei 90 °C, e la temperatura di lavoro a breve termine non dovrebbe superare i 120 °C.
Impatto di una cattiva connessione
Una cattiva connessione è una causa importante di molti guasti degli apparecchi di distribuzione, e la temperatura della parte di contatto elettrico ha un grande impatto sulla qualità del contatto elettrico. Quando la temperatura è troppo alta, la superficie del conduttore di contatto elettrico si ossiderà violentemente, e la resistenza di contatto aumenterà significativamente, causando l'aumento della temperatura del conduttore e dei suoi componenti, e in casi gravi, i contatti potrebbero saldarsi insieme.
Impatto sui materiali isolanti
Quando la temperatura ambientale supera il range ragionevole, i materiali isolanti organici diventeranno fragili, accelerando il loro processo di invecchiamento, portando a un declino significativo delle proprietà isolanti, e in casi gravi, potrebbe verificarsi un guasto dielettrico. Studi hanno dimostrato che per i materiali isolanti di Classe A, nel loro range di resistenza alla temperatura, per ogni aumento di 8 - 10 °C, la vita utile effettiva del materiale sarà ridotta quasi a metà. Questa relazione tra temperatura e vita utile è conosciuta come "effetto di invecchiamento termico", che è un fattore importante che influenza l'affidabilità dei materiali isolanti.
 Guasti dei trasformatori di distribuzione causati da cattiva connessione
Guasti causati dall'ossidazione dei rivestimenti protettivi
Per migliorare le prestazioni complessive dei componenti conduttori, nelle pratiche ingegneristiche vengono spesso utilizzate tecnologie di modifica superficiale per trattare parti di contatto chiave. Prendiamo come esempio l'asta conduttrice di un trasformatore. Un rivestimento protettivo di metalli preziosi (come oro, argento o lega a base di stagno) viene solitamente formato sulla sua superficie di lavoro attraverso l'elettroplaccatura. Questo strato di legame metallurgico può migliorare significativamente le proprietà fisiche e chimiche dell'interfaccia di contatto.

È necessario notare che durante l'operazione meccanica nella manutenzione delle attrezzature o sotto carico termico a lungo termine, il rivestimento potrebbe staccarsi parzialmente o subire ossidazione e corrosione, causando problemi come un aumento anomalo della resistenza di contatto e una diminuzione della capacità di conduzione della corrente. I dati sperimentali mostrano che quando la perdita di spessore del rivestimento supera il 30%, la stabilità della conducibilità elettrica della sua interfaccia mostrerà una tendenza di decadimento esponenziale.
Corrosione chimica causata dalla connessione diretta di rame e alluminio
In un sistema di connessione elettrico, il contatto diretto tra metalli dissimili come rame e alluminio formerà una differenza di potenziale elettrodico significativa, il cui valore può raggiungere 0,6 - 0,7 V. Questa differenza di potenziale scatenerà una seria corrosione galvanica. Nella pratica ingegneristica, a causa della non conformità alle specifiche di costruzione o alla scelta impropria dei materiali, la connessione diretta di conduttori in rame e alluminio senza trattamento di transizione avviene frequentemente.

Dopo che questo metodo di connessione è alimentato, si formerà gradualmente uno strato di film ossido all'interfaccia di contatto, causando un aumento non lineare della resistenza di contatto. Alla temperatura di lavoro nominale, la vita utile effettiva di tali giunti è solitamente non superiore a 2000 ore, e infine, si verificheranno guasti a causa del deterioramento della superficie di contatto.
Riscaldamento intenso ai contatti elettrici causato da cattiva connessione
Durante l'installazione effettiva dei trasformatori di distribuzione, sono solitamente configurati box di misurazione antifurto sul lato a bassa tensione. A causa dello spazio interno limitato del box di misurazione e delle tecniche di costruzione non standard, spesso si verificano problemi come la connessione avvolta dei fili o la crimpatura meccanica allentata dei terminali. Queste cattive connessioni porteranno a un aumento anomalo della resistenza di contatto, causando sovraccarichi termici sotto l'azione della corrente di carico, e quindi innescando il fallimento per ablasione dell'asta conduttrice a bassa tensione.

Ancora più grave, l'aumento continuo della temperatura all'estremità dell'avvolgimento a bassa tensione accelererà il processo di invecchiamento termico del materiale isolante, creando rischi nascosti di scariche parziali. Allo stesso tempo, il surriscaldamento causerà anche la reazione di pirolisi dell'olio del trasformatore, riducendone la resistenza isolante e le prestazioni di raffreddamento. I dati sperimentali mostrano che quando la temperatura dell'olio supera costantemente i 85 °C, la sua tensione di rottura diminuirà di circa il 15% - 20% all'anno. Questo effetto di deterioramento multiplo è molto probabile che provochi incidenti di rottura isolante quando si incontra un sovratensione dovuta a fulmine o commutazione, portando infine al guasto del trasformatore.
Guasti dei trasformatori di distribuzione causati dall'umidità
L'aumento dell'umidità relativa ambientale ha un impatto doppio sul sistema di isolamento degli apparecchi di distribuzione. In primo luogo, la resistenza dielettrica dell'aria umida diminuisce significativamente, e la sua tensione di rottura è inversamente correlata all'umidità; in secondo luogo, l'assorbimento di molecole d'acqua sulla superficie dei materiali isolanti formerà canali conduttivi, causando una diminuzione della resistività superficiale. Ancora più grave, quando l'umidità si diffonde nell'interno dei media isolanti solidi o si dissolve nell'olio del trasformatore, causerà un aumento repentino della perdita dielettrica.

Quando il contenuto d'acqua nell'olio del trasformatore raggiunge circa 100 μL/L, la sua tensione di rottura a frequenza industriale cadrà a circa il 12,5% del valore iniziale. Questo deterioramento delle prestazioni di isolamento aumenterà significativamente la corrente di fuga dell'attrezzatura. In un ambiente umido, possono verificarsi scariche parziali anche a tensione operativa nominale. I dati statistici mostrano che in un ambiente con umidità relativa superiore all'85%, il tasso di guasto dei trasformatori di distribuzione aumenta di 3 - 5 volte rispetto a quello in un ambiente asciutto, manifestandosi principalmente come guasti di rottura isolante e incidenti di flashover superficiale.

Guasti dei trasformatori di distribuzione causati da un'impianto errato dei parafulmini
Nel sistema di potenza, l'affidabilità delle prestazioni dei dispositivi di protezione contro le sovratensioni influisce direttamente sulla sicurezza operativa dei trasformatori. Come principali componenti di protezione, la qualità dell'installazione, la manutenzione e le prove preventive dei parafulmini a ossido metallico (MOA) sono i punti chiave per garantire la loro efficacia. Tuttavia, a causa di tecniche di costruzione non standard, implementazione insufficiente delle procedure di controllo e mancanza di competenze professionali del personale di manutenzione, l'effetto protettivo effettivo dei dispositivi di protezione è spesso notevolmente ridotto, che è una causa importante degli incidenti di rottura isolante dei trasformatori di distribuzione.

Dal punto di vista della pratica operativa, i dispositivi di protezione saranno soggetti a vari stress ambientali durante il servizio a lungo termine. Fattori come cicli di temperatura, vibrazioni meccaniche e mezzi corrosivi possono causare la degradazione delle prestazioni di connessione del sistema di terra. Quando il sistema è colpito da fulmini, l'anello di terra difettoso non sarà in grado di scaricare l'energia di sovratensione in tempo, causando un guasto termico del dispositivo di protezione stesso. Secondo le statistiche, tra i casi di guasto dei dispositivi di protezione, gli incidenti esplosivi causati da una cattiva messa a terra rappresentano oltre il 60%, e il processo di rilascio di energia è spesso accompagnato da una scarica arco intensa.
Alcuni metodi di diagnosi dei guasti dei trasformatori di distribuzione
Diagnosi dei guasti tramite giudizio intuitivo
La diagnosi dei guasti dei trasformatori di distribuzione può essere inizialmente valutata attraverso le caratteristiche esterne. I contenuti dell'osservazione includono: l'integrità del guscio (crepe, deformazioni), stato meccanico (fissaggi allentati), prestazioni di sigillaggio (tracce di perdita), stato superficiale (livello di sporco, fenomeni di corrosione) e segni anomali (cambiamenti di colore, segni di scarica, emissione di fumo), ecc. Queste caratteristiche esterne hanno specifiche corrispondenze con i guasti interni.

Quando l'olio del trasformatore mostra un colore marrone scuro e ha un odore bruciato, accompagnato da un aumento anormale della temperatura e dall'attivazione dei componenti di protezione del lato ad alta tensione, di solito indica che ci sono anomalie nel sistema magnetico, possibilmente danni isolanti tra le lamine di acciaio silicio o guasti di terra multipla del conduttore magnetico.

Se la corrente operativa aumenta in modo anomalo, la temperatura dell'olio sale significativamente, i parametri trifase sono asimmetrici, accompagnati dall'attivazione dei dispositivi di protezione del lato a bassa tensione, fumo nel serbatoio di conservazione dell'olio e fluttuazioni della tensione secondaria, si può determinare come un guasto di cortocircuito bobina-bobina causato dal fallimento dell'isolamento tra i conduttori dell'avvolgimento. Quando i parametri elettrici di una certa fase scompaiono completamente (tensione e corrente sono 0), questa caratteristica di solito corrisponde a un guasto di apertura dell'avvolgimento o di fusione del conduttore di connessione.

Il fenomeno di spruzzo d'olio del serbatoio di conservazione dell'olio è un segno importante di gravi guasti interni del trasformatore. Quando il tasso di formazione di gas del guasto supera la capacità di elaborazione del dispositivo di rilascio di pressione, si formerà una pressione positiva all'interno del serbatoio. Inizialmente, si manifesta come perdita nei punti di sigillaggio deboli. Con il proseguire dell'aumento della pressione, potrebbe infine verificarsi lo spruzzo d'olio sulla superficie di giunzione del corpo del serbatoio. Questo tipo di guasto è in gran parte causato dalla rottura dell'isolamento interfasce, solitamente accompagnato dalla fusione dei componenti di protezione del lato ad alta tensione. Secondo le statistiche delle azioni del relè di gas, circa il 75% dei gravi guasti passerà attraverso questo processo di sviluppo.
Diagnosi dei guasti tramite cambiamenti di temperatura
Durante l'operazione dei trasformatori di distribuzione, i conduttori portatori di corrente genereranno inevitabilmente perdite termiche a causa dell'effetto Joule, che è un fenomeno fisico normale. Tuttavia, quando l'attrezzatura presenta anomalie elettriche (come degradazione dell'isolamento, cattiva connessione) o difetti meccanici (come deformazione dell'avvolgimento, guasto del sistema di raffreddamento), il suo stato di equilibrio termico sarà compromesso, manifestandosi con la temperatura operativa che supera il valore progettato consentito. Secondo la teoria dell'invecchiamento termico, per ogni aumento di 6 - 8 °C, il tasso di invecchiamento dei materiali isolanti raddoppierà, influendo significativamente sulla vita utile dell'attrezzatura.

Per gli aumenti anormali di temperatura causati da guasti interni, di solito ci sono evidenti anomalie nel sistema di circuito dell'olio. Quando la temperatura del punto caldo raggiunge il valore critico, l'olio del trasformatore subirà una reazione di pirolisi, generando una grande quantità di gas, causando l'operazione del dispositivo di rilascio di pressione, risultando in perdite d'olio o spruzzi d'olio. Nella pratica ingegneristica, può essere utilizzato un metodo semplice per valutare inizialmente lo stato di temperatura dell'attrezzatura: se la superficie del guscio del trasformatore può essere toccata a mano per più di 10 secondi, la sua temperatura superficiale di solito non supera i 60 °C. Questo valore empirico può essere utilizzato come riferimento per una rapida valutazione sul campo.
Diagnosi dei guasti tramite cambiamenti di odore
Il momento in cui si apre il coperchio del cuscino d'olio, si può sentire un odore pungente e bruciato particolare. Questo indica che la bobina all'interno del trasformatore è bruciata, spesso accompagnata dalla fusione di due o tre fusibili a caduta trifase.

Diagnosi dei guasti tramite cambiamenti di suono
Durante l'operazione di un trasformatore, l'effetto magnetostrittivo generato dalla magnetizzazione del nucleo di ferro scatenerà vibrazioni meccaniche periodiche. Queste vibrazioni e le loro caratteristiche acustiche associate servono come indicatori importanti della normale operazione dell'attrezzatura. La tecnologia di diagnosi acustica consente un monitoraggio efficace dello stato operativo del trasformatore. Specificamente, le caratteristiche di frequenza del segnale sonoro, i cambiamenti nel livello di pressione sonora e le caratteristiche dello spettro di vibrazione possono rivelare potenziali guasti dell'attrezzatura.

Quando si utilizza il metodo di rilevamento acustico, può essere impiegato un asta conduttrice (come un asta isolante) come mezzo di conduzione delle onde sonore. Un'estremità dell'asta viene portata in contatto con la carcassa esterna dell'attrezzatura, e l'altra estremità viene posizionata vicino all'organo uditivo per l'ascolto. Una volta rilevati segnali sonori anomali, dovrebbero essere implementate tempestivamente misure di manutenzione preventiva per prevenire l'escalation dei guasti. Di seguito sono riportate le corrispondenze tra le caratteristiche acustiche tipiche e i tipi di guasto:

• Rumori "clic" intermittenti: Di solito, questo indica che le lamine del nucleo di ferro sono allentate o che i fissaggi hanno una coppia insufficiente. Il livello di pressione sonora di solito cade all'interno del range di 60 a 70 decibel.
  Rumori di scarica ad alta frequenza: Accompagnando fenomeni di scarica parziale, i segnali sonori presentano una caratteristica "scoppiettante". In casi gravi, il livello di pressione sonora può superare 85 decibel, e spesso sono presenti segni visibili di scarica.

• Rumori esplosivi improvvisi: Questi si verificano di solito quando l'isolamento dei conduttori è danneggiato o c'è una scarica a terra. Il cambiamento improvviso del livello di pressione sonora supera 20 decibel.

• Rumori rimbombanti a bassa frequenza: Comunemente associati a guasti di terra sul lato a bassa tensione, la frequenza dei segnali sonori è concentrata all'interno del range di 100 a 400 hertz.

• Rumori fischi acuti: Questo indica che l'attrezzatura è in uno stato di sovraeccitazione, e la frequenza principale dei segnali sonori è solitamente compresa tra 1 e 2 chilohertz.

• Rumori di bollitura di bolle: Accompagnando aumenti anomali della temperatura dell'olio, i segnali sonori presentano una caratteristica continua "borbottante", indicando di solito il deterioramento delle prestazioni isolanti dell'olio.

Diagnosi dei guasti tramite strumenti
A causa dei vincoli tecnologici dell'attrezzatura, le stazioni di fornitura di energia utilizzano principalmente un multimetro per misurare se la resistenza dei conduttori dell'avvolgimento è conduttiva per determinare se ci sono interruzioni o cortocircuiti tra bobine all'interno del trasformatore; un tester di resistenza isolante viene utilizzato per misurare la resistenza isolante di ciascun avvolgimento del trasformatore a terra, al fine di determinare se l'isolamento principale è rotto. Quando l'isolamento tra l'avvolgimento e la terra o tra fasi è rotto, il suo valore di impedenza isolante si avvicinerà a 0 Ω.

Quando si testa le prestazioni di isolamento dell'avvolgimento, è necessario misurare i parametri di isolamento dei seguenti tre circuiti: la resistenza isolante tra l'avvolgimento primario, l'avvolgimento secondario e il guscio; la resistenza isolante tra l'avvolgimento secondario, l'avvolgimento primario e il guscio; e la resistenza isolante tra l'avvolgimento primario e l'avvolgimento secondario. Si deve notare che il punto di riferimento del potenziale a terra nel test è la struttura del guscio metallico del trasformatore. I valori di riferimento della resistenza isolante dei trasformatori a immersione in olio sono mostrati nella Tabella 1.

Tecnologie di diagnosi dei guasti per i trasformatori di distribuzione
Le tecnologie di diagnosi dei guasti per i trasformatori di distribuzione sono mezzi cruciali per assicurare la sicura operazione dell'attrezzatura. Attraverso tecnologie di diagnosi avanzate, è possibile rilevare in tempo i guasti potenziali e prendere misure efficaci per prevenire l'espansione dei guasti. Di seguito vengono introdotte alcune tecnologie di diagnosi dei guasti comunemente utilizzate per i trasformatori di distribuzione.
Prova della resistenza DC dell'avvolgimento
La prova della resistenza DC dell'avvolgimento è uno dei metodi di base per rilevare lo stato di salute degli avvolgimenti del trasformatore. Misurando la resistenza DC dell'avvolgimento, è possibile determinare se vi sono problemi come interruzioni, cattiva connessione o cortocircuiti tra bobine nell'avvolgimento. Ad esempio, durante un ispezione di routine di un trasformatore in una certa area, è stata rilevata una resistenza DC anomala dell'avvolgimento del lato ad alta tensione. Ulteriori ispezioni hanno rivelato un cortocircuito tra bobine nell'avvolgimento. Il tempestivo sostituzione dell'avvolgimento ha evitato l'insorgere di un guasto più grave. La prova della resistenza DC dell'avvolgimento ha i vantaggi di un'operazione semplice e risultati intuitivi, ed è un metodo di rilevamento indispensabile nella manutenzione quotidiana dei trasformatori.
Analisi dei gas disciolti (DGA)
L'analisi dei gas disciolti (DGA) è un importante mezzo tecnico per diagnosticare i guasti interni dei trasformatori. Analizzando i componenti e i contenuti dei gas disciolti nell'olio del trasformatore, è possibile determinare se vi sono guasti come sovraccarichi termici e scariche all'interno del trasformatore. Utilizzando il metodo a tre rapporti IEC60599, è possibile identificare accuratamente i guasti di tipo scarica. Ad esempio, in un certo trasformatore sono stati rilevati elevati livelli di acetilene (C2H2) e idrogeno (H2). L'analisi con il metodo a tre rapporti ha determinato che si trattava di un guasto di tipo scarica. La manutenzione tempestiva ha evitato il danno all'attrezzatura. La DGA ha i vantaggi di alta sensibilità e diagnosi accurata, ed è un mezzo importante per monitorare lo stato dei trasformatori.
Rilevamento delle scariche parziali
Il rilevamento delle scariche parziali è un metodo importante per valutare le condizioni di isolamento dei trasformatori. Le scariche parziali si verificano solitamente in aree di isolamento deboli, e la scarica a lungo termine porterà al graduale deterioramento dei materiali isolanti, causando infine guasti gravi. Attraverso il rilevamento delle scariche parziali, è possibile rilevare in tempo i difetti di isolamento e prendere misure preventive. Ad esempio, durante il rilevamento delle scariche parziali di un certo trasformatore, è stato rilevato un fenomeno di scarica nella bushing ad alta tensione. Dopo aver sostituito la bushing, il fenomeno di scarica è scomparso, prolungando efficacemente la vita utile dell'attrezzatura. Il rilevamento delle scariche parziali ha i vantaggi di non distruttività e alta sensibilità, ed è un mezzo importante per monitorare l'isolamento dei trasformatori.
Rilevamento combinato di vibrazioni e acustica
Il rilevamento combinato di vibrazioni e acustica consiste nel determinare se ci sono guasti meccanici interni all'attrezzatura analizzando i segnali di vibrazione e acustica durante l'operazione del trasformatore. Ad esempio, per un trasformatore difettoso, l'ampiezza della vibrazione ha superato di 3 dB la norma nella banda di frequenza di 125 Hz. L'ispezione ha rivelato che l'attacco del nucleo di ferro era allentato. Dopo il tempestivo serraggio, la vibrazione è tornata alla normalità. Il rilevamento combinato di vibrazioni e acustica ha i vantaggi del monitoraggio in tempo reale e della diagnosi accurata, ed è un mezzo importante per diagnosticare i guasti meccanici dei trasformatori.
Rilevamento termografico a infrarossi
Il rilevamento termografico a infrarossi consiste nel determinare se ci sono guasti di sovraccarico termico nell'attrezzatura rilevando la distribuzione della temperatura sulla superficie del trasformatore. Ad esempio, durante il rilevamento termografico a infrarossi di un certo trasformatore, è stata rilevata una temperatura anomala alla connessione della bushing ad alta tensione. L'ispezione ha rivelato che i bulloni di connessione erano allentati. Dopo il tempestivo serraggio, la temperatura è tornata alla normalità. Il rilevamento termografico a infrarossi ha i vantaggi di non contatto e diagnosi rapida, ed è un mezzo importante per diagnosticare i guasti di sovraccarico termico dei trasformatori.
Metodi e esempi di eliminazione dei guasti per i trasformatori di distribuzione
Discesa di linea causata da cortocircuito tra bobine in un trasformatore
Fenomeno del guasto
Si è verificata un'intermittenza di corrente su una linea a 10 kV in una certa sottostazione. Dopo aver ridotto parte del carico, si è verificata ancora un'intermittenza di corrente durante il riaccensione di prova.
Analisi della causa del guasto