Discussió sobre els errors de les transformadores de distribució de la xarxa elèctrica rural
1. Introducció
Degut a la llarga operació, els errors i accidents dels transformadors de distribució en les xarxes elèctriques rurals no es poden evitar completament. Aquests errors i accidents són causats per una multitud de factors, com forces externes com danys i impactes, i desastres naturals irresistibles com els cops de raig. Alhora, en algunes àrees rurals, les línies de baixa tensió estan mal mantenides, provocant sovint sobrecàrregues i circuits tancats, que fan que els transformadors de distribució es quemin. Això ha esdevingut un factor important que contribueix als errors.
Per prevenir que els transformadors de distribució es quemin i reduir els seus errors operatius en les xarxes elèctriques rurals, aquest article resumeix i analitza alguns tipus d'errors típics i causes dels transformadors de distribució, explora mesures preventives, investiga més endavant i aborda perillos potencials i punts febles dels transformadors de distribució, prevé eficacement i conté l'ocurrència d'errors de cremada dels transformadors de distribució, i així augmenta la fiabilitat de subministrament d'electricitat de les xarxes elèctriques rurals.
Actualment, els transformadors de distribució utilitzats en les xarxes elèctriques rurals són principalment transformadors de distribució immersos en oli. Els errors d'aquests transformadors es classifiquen sovint en errors interns i externs. Els errors interns es referen a diversos malfuncionaments que ocorren dins de la cisterna del transformador. Els tipus principals inclouen circuits tancats entre bobines, circuits tancats entre voltes dins de les bobines, i errors de terra on les bobines o les sortides contacten amb la carcassa exterior. Els errors externs són diversos malfuncionaments que ocorren en les preses aïllants fora de la cisterna del transformador i les seves sortides. Els tipus principals són errors de terra deguts a fulguracions o trencaments de les preses aïllants, i circuits tancats entre fases o errors de terra de les línies de sortida de baixa tensió.
Com que els errors dels transformadors de distribució abasten un ampli espectre, hi ha nombrosos mètodes de classificació específics. Per exemple, des del punt de vista dels circuits, es classifiquen principalment en errors de circuit, errors de circuit magnètic i errors de circuit d'oli. Si es classifiquen segons l'estructura principal del transformador de distribució, es poden dividir en errors de bobina, errors de nucli, errors de qualitat d'oli i errors d'accessoris. Conventionalment, els tipus d'errors dels transformadors de distribució es classifiquen generalment basant-se en àrees propenses a errors comuns, com errors d'aïllament, errors de nucli, errors de canvi de toma, etc. D'entre ells, l'error de circuit tancat de sortida del transformador de distribució té el major impacte en el propi transformador i la taxa d'ocurrència més alta actualment. A més, també hi ha errors de filtració dels transformadors de distribució, etc. Tots aquests diferents tipus d'errors poden representar errors tèrmics, errors elèctrics o simultàniament errors tèrmics i de descàrrega. No obstant això, l'error de filtració d'un transformador de distribució pot no mostrar característiques d'error tèrmic o elèctric en circumstàncies normals.
Per tant, és difícil categoritzar els tipus d'errors dels transformadors de distribució dins d'un marc específic. Aquest article adopta tipus d'errors dels transformadors de distribució relativament comuns i generals, com errors de circuit tancat, errors de descàrrega, errors d'aïllament, errors de nucli, errors de canvi de toma, errors de filtració d'oli i gas, errors de dany per força externa i errors de protecció de fusible. Cada tipus es tracta separat en termes de la seva causa i les mesures tècniques corresponents.
2. Anàlisi d'Errors dels Transformadors de Distribució
2.1 Errors de Circuit Tancat
2.1.1 Anàlisi de Causes d'Error
Els errors de circuit tancat dels transformadors de distribució es refereixen principalment a circuits tancats de sortida dels transformadors de distribució, així com circuits tancats entre conductors internes o bobines a terra, i circuits tancats entre fases, que condueixen a errors.
Durant l'operació normal dels transformadors de distribució, el dany causat pels errors de circuit tancat de sortida és relativament greu. Segons estadístiques rellevants, els errors causats directament per l'impacte de la corrent d'error de circuit tancat en els transformadors de distribució en les xarxes elèctriques rurals representen aproximadament el 40% de tots els errors. Hi ha nombrosos casos d'aquest tipus. En particular, quan ocorre un circuit tancat de sortida de baixa tensió en un transformador de distribució, generalment cal reemplaçar les bobines. En casos greus, es poden haver de reemplaçar totes les bobines, resultant en conseqüències i pèrdues extremadament greus. Per tant, se li hauria de donar suficient atenció.
Els impacts dels circuits tancats de sortida en els transformadors de distribució inclouen principalment els dos aspectes següents:
Error de Sobreaqueciment d'Aïllament Causat per la Corrent de Circuit Tancat
Degut al manteniment inadequat de diverses línies de baixa tensió rurals, sovint ocorren sobrecàrregues i circuits tancats. Quan un transformador de distribució experimenta un circuit tancat súbit, les seves bobines de baixa i alta tensió poden passar simultàniament corrents de circuit tancat de decenes de vegades el valor nominal. Això genera una gran quantitat de calor, causant que el transformador de distribució es sobreaqueci greument i la temperatura de la bobina augmenti ràpidament, provocant el vellissement de l'aïllament. Quan la capacitat del transformador de distribució per suportar la corrent de circuit tancat és insuficient i la seva estabilitat tèrmica és dolenta, el material aïllant del transformador de distribució es deteriorarà greument, resultant en un trencament i dany del transformador de distribució.
Error de Deformació de Bobina Causat per la Força Electrodinàmica de Circuit Tancat
Quan un transformador de distribució és impactat per un circuit tancat, si la corrent de circuit tancat és petita i el fusible salta correctament, la deformació de la bobina serà menor. Si la corrent de circuit tancat és gran i el fusible salta amb retard o no salta, el costat secundari generarà una corrent de circuit tancat 20-30 vegades superior a la corrent nominal. El costat primari del transformador de distribució generarà inevitablement una gran corrent per contrarestar l'efecte desmagnetitzador de la corrent de circuit tancat del costat secundari. La gran corrent genera una gran tensió mecànica a l'interior de la bobina, fent que la bobina es comprimeixi, es desplaçi o es deformi, es allarguin els aïllaments i les plaques, es relaxin els claus de fixació del nucli, la bobina d'alta tensió es distorció o es trenca, i finalment condueix a un error del transformador de distribució. Alhora, les bobines estan subjectes a una torçada electromagnètica relativament gran, i el material aïllant es descascella, exposant el cos del fil i causant circuits tancats entre voltes. Per deformacions menors, si no es reparen a temps, com restaurar la posició dels aïllaments, apretar els claus de pressió de les bobines i les barres i varilles de tracció de l'armadura, i intensificar la força de fixació de les sortides, l'efecte acumulatiu després de múltiples impacts de circuit tancat també deteriorarà el transformador de distribució.
2.1.2 Mesures per Reduir els Errors de Circuit Tancat
Optimització dels Requisits de Selecció. En seleccionar un transformador de distribució, trieu un que pugui passar satisfactòriament la prova de circuit tancat. Determineu raonablement la capacitat del transformador de distribució i seleccioneu-ne la impedància de circuit tancat de manera raonable. Intentau utilitzar transformadors de distribució S11 energèticament eficients i eliminar els transformadors de gran consum d'energia.
Optimització de les Condicions i l'Entorn d'Operació. Milloreu el nivell d'aïllament de les línies elèctriques, especialment el nivell d'aïllament de les línies de sortida de baixa tensió del transformador de distribució a una certa distància. Alhora, augmenteu els estàndards per als requisits de corredor de seguretat i distància de seguretat de les línies de baixa tensió per reduir l'impacte i els perills dels errors de la zona propera. Això inclou prestar atenció a la qualitat de la instal·lació i el manteniment de les terminacions de baixa tensió (ja que l'explosió de les terminacions de baixa tensió és gairebé equivalent a un circuit tancat secundari), prevenir la intrusió de petits animals, i millorar els requisits de qualitat dels fusibles de baixa tensió per prevenir situacions com que els fusibles no saltin.
Optimització dels Modes d'Operació. En determinar el mode d'operació, calculeu la corrent de circuit tancat i limiteu els seus perills. Especialment, prevegeu que el transformador de distribució operi en sobrecàrrega. Intentau calcular i ajustar la càrrega elèctrica del transformador de distribució.
Millora del Nivell de Gestió d'Operació. Primer, prevegeu els impacts de circuit tancat causats per mala manipulació. Intensifiqueu la monitorització i el manteniment oportuns dels transformadors de distribució, detecteu prontament el grau de deformació dels transformadors de distribució, i assegureu la seva operació segura. Alhora, incrementeu els esforços d'inspecció sobre el consum d'electricitat dels usuaris en l'àrea del transformador de distribució per prevenir problemes de sobrecàrrega causats pel robatori d'electricitat.
2.2 Errors de Descàrrega
Basant-se en la densitat d'energia de la descàrrega, els errors de descàrrega dels transformadors de distribució es classifiquen sovint en descàrrega parcial, descàrrega d'escintil·la i descàrrega d'alta energia. La descàrrega té dos tipus d'efectes destructius en l'aïllament: un és que les partícules de descàrrega bombardissen directament l'aïllament, causant un dany local de l'aïllament i anant-lo expandint fins que l'aïllament es trenca. L'altre és que l'acció química dels gasos actius com el calor, l'ozone i els òxids d'azot, generats per la descàrrega, corroïguen l'aïllament local, augmenten la pèrdua dielèctrica, i finalment porten a un trencament tèrmic.
2.2.1 Errors de Descàrrega Parcial dels Transformadors de Distribució
La descàrrega parcial es refereix a un fenomen de descàrrega no transversal que ocorre als marges dels espais d'aire, de pel·lícules d'oli o de conductors dins de l'estructura d'aïllament sota l'acció de la tensió. Al principi, la descàrrega parcial és una descàrrega de baixa energia. Quan aquest tipus de descàrrega ocorre a l'interior d'un transformador de distribució, la situació és relativament complexa. Segons diferents mitjans d'aïllament, la descàrrega parcial es pot dividir en descàrrega parcial en bombolles i descàrrega parcial en oli. Segons les ubicacions d'aïllament, incloeu la descàrrega parcial en cavidades de l'aïllament sòlid, a les puntes dels electrods, en espais angulars d'oli, en espais d'oli entre l'oli i les cartulines aïllants, i a la superfície de l'aïllament sòlid en oli. Les causes de la descàrrega parcial són les següents:
Quan hi ha bombolles a l'oli o cavidades en el material d'aïllament sòlid, degut a la petita constant dielèctica del gas, porta una forta intensitat de camp elèctric sota la tensió alternativa, però la seva resistència a la tensió és inferior a la de l'oli i els materials aïllants de paper. Per tant, la descàrrega sol ocorre primer en l'espai d'aire.
Influència de les condicions ambientals externes. Per exemple, si el tractament de l'oli no és complet i les bombolles precipiten de l'oli, això causarà descàrrega.
Degut a la mala qualitat de fabricació. Per exemple, la descàrrega ocorre en alguns punts amb angles aguts. Se'n introdueixen bombolles, detritus i humitat, o, degut a factors relacionats amb la temperatura externa com noduls de pintura, porten una forta intensitat de camp elèctric.
Descàrrega causada per un contacte deficient entre parts metàl·liques o conductors. Tot i que la densitat d'energia de la descàrrega parcial no és gran, si s'endevessa, formaria un cicle viciós de descàrrega, finalment portant a la ruptura o al dany de l'equipament i causant grans accidents de cremada.
2.2.2 Errors de Descàrrega d'Escintil·la dels Transformadors de Distribució
Generalment, la descàrrega d'escintil·la no provoca ràpidament la ruptura de l'aïllament. Es manifesta principalment en l'anàlisi cromatogràfica anormal de l'oli, un augment en la quantitat de descàrrega parcial, o gas lleuger. És relativament fàcil de detectar i tractar, però se li hauria de donar suficient atenció al seu desenvolupament. Hi ha principalment dues causes de la descàrrega d'escintil·la:
Descàrrega d'Escintil·la Causada per Potencial Flotant. En l'equipament elèctric de alta tensió, una certa part metàl·lica, degut a raons estructurals o a un contacte deficient durant el transport i l'operació, queda desconnectada i es troba entre els electrods de alta i baixa tensió, dividint la tensió segons la seva impedància. El potencial a terra generat en aquesta part metàl·lica es diu potencial flotant. La intensitat de camp elèctric proper a un objecte amb potencial flotant és relativament concentrada, sovint va queman lentament l'aïllament sòlid proper o el carbonitza gradualment.
També fa que l'oli aïllant descomponga una gran quantitat de gasos característics sota l'acció del potencial flotant, resultant en un resultat anormal de l'anàlisi cromatogràfica de l'oli aïllant. La descàrrega flotant pot ocorre en parts metàl·liques a alt potencial dins del transformador de distribució, com la bobina de regulació, quan la bola de graduació de la presa i la forquilla de canvi de toma buida tenen un potencial flotant. Per a les parts a potencial de terra, com la blindatge magnètic de fulls de silici i diversos claus metàl·lics de fixació, si la seva connexió a terra és frouxa o desconnectada, això portarà a la descàrrega de potencial flotant. Un contacte deficient al final de la presa de alta tensió del transformador de distribució també pot formar un potencial flotant i causar una descàrrega d'escintil·la.
Descàrrega d'Escintil·la Causada per Impurities a l'Oli
La causa principal dels errors de descàrrega d'escintil·la dels transformadors de distribució és l'influència de les impurities a l'oli. Aquestes impurities estan compostes d'aigua, substàncies fibroses (principalment fibres humides), etc. La constant dielèctica ε de l'aigua és aproximadament 40 vegades la de l'oli del transformador de distribució. En un camp elèctric, les impurities es polaritzen primer i s'atrauen a l'àrea amb la major intensitat de camp elèctric, és a dir, prop de els electrods, i es col·loquen en la direcció de les línies de camp elèctric. Així, es forma un "pont" d'impurities prop de els electrods.
La conductivitat i la constant dielèctica del "pont" són superiors a les de l'oli del transformador de distribució. Segons els principis dels camps electromagnètics, la presència del "pont" distorsiona el camp elèctric a l'oli. Com que la constant dielèctica de les fibres és petita, el camp elèctric a l'oli a les extremitats de les fibres s'intensifica. Per tant, la descàrrega ocorre i es desenvolupa primer en aquesta part de l'oli. L'oli es descompon en un entorn de camp de forta intensitat, descomposant-se en gasos, el que fa que les bombolles creixin en mida i la descomposició s'intensifiqui. Posteriorment, el procés va desenvolupant-se gradualment, portant a una descàrrega d'escintil·la a tot l'espai d'oli a través del canal de gas. Així, la descàrrega d'escintil·la pot ocorre a una tensió relativament baixa.
Si la distància entre els electrods no és gran i hi ha suficients impurities, el "pont" pot connectar els dos electrods. En aquest moment, degut a la conductivitat relativament elevada del "pont", una gran corrent flueix a través del "pont" (la magnitud de la corrent depèn de la capacitat de la font d'alimentació), fent que el "pont" es escalfi intensament. L'aigua i l'oli proper al "pont" bullen i vaporitzen, creant un canal de gas - el "pont de bombolla", i ocorre una descàrrega d'escintil·la.
Si les fibres no estan humides, la conductivitat del "pont" és molt petita, i la seva influència en la tensió de descàrrega d'escintil·la de l'oli també és relativament petita; al contrari, la influència és més gran. Per tant, la descàrrega d'escintil·la de l'oli del transformador de distribució causada per les impurities està relacionada amb el procés de escalfament del "pont". Quan actua una tensió impulsiva o el camp elèctric és extremadament inhomogeni, no és fàcil que les impurities formen un "pont", i la seva influència només queda limitada a distorsionar el camp elèctric. El procés de descàrrega d'escintil·la depèn principalment de la magnitud de la tensió aplicada.
2.2.3 Errors de Descàrrega d'Arc dels Transformadors de Distribució
La descàrrega d'arc és una descàrrega d'alta energia, que sovint es veu com la ruptura de l'aïllament entre voltes o capes de bobina. Altres errors comuns inclouen la ruptura de conductors, la fulguració a terra i l'arc de canvis de toma.
Influència de la Descàrrega d'Arc. Degut a la densitat d'energia elevada de la descàrrega d'arc, es genera gas ràpidament. Sovint impacta el dielètric en forma d'avalanches d'electrons, fent que el paper aïllant es perfori, carbonitzi o s'incendi, deformant o fonent els materials metàl·lics. En casos greus, pot causar el dany de l'equipament o fins i tot explosions. Aquests accidents són generalment difícils de preveure amb antelació i no tenen omens evidents, sovint emergint de manera súbita.
Característiques de Gas de la Descàrrega d'Arc. Després d'ocurrir un error de descàrrega d'arc, l'oli del transformador de distribució també es carbonitza i es torna negre. Els components principals dels gasos característics a l'oli són H2 i C2H2, seguits de C2H6 i CH4. Quan l'error de descàrrega involucre l'aïllament sòlid, també es generarà CO i CO2.En resum, les tres formes de descàrrega tenen tant diferències com certs lligams. Les diferències es referen al nivell d'energia de la descàrrega i la composició de gas, mentre que el lligam és que la descàrrega parcial és un precursor de les altres dues formes de descàrrega, i aquestes últimes són resultats inevitables del desenvolupament de la primera. Com que els errors que ocorren a l'interior dels transformadors de distribució sovint estan en un estat de desenvolupament gradual, i la majoria no són errors d'un únic tipus, sinó que un tipus va acompanyat d'un altre tipus, o diversos tipus ocorren simultàniament. Per tant, es requereixen un anàlisi més minucios i un tractament específic.
2.3 Errors d'Aïllament
Actualment, els transformadors de distribució més ampliament utilitzats en les xarxes elèctriques rurals són els transformadors immersos en oli. L'aïllament d'un transformador de distribució es refereix al sistema d'aïllament format pels seus materials d'aïllament. És una condició fonamental per a l'operació normal del transformador de distribució, i la vida útil del transformador de distribució es determina per la durada dels materials d'aïllament (com oli-paper o resina). L'experiència pràctica ha demostrat que la majoria dels danys i errors dels transformadors de distribució són causats pel dany del sistema d'aïllament.
Per tant, protegir l'operació normal del transformador de distribució i intensificar el manteniment raonable del sistema d'aïllament pot, en gran mesura, assegurar una vida útil relativament llarga per al transformador de distribució. El manteniment preventiu i predictiu són la clau per estendre la vida útil dels transformadors de distribució i millorar la fiabilitat del subministrament d'electricitat.
En els transformadors de distribució immersos en oli, els materials d'aïllament principals són l'oli aïllant i els materials d'aïllament sòlids com el paper aïllant, cartulina, blocs de fusta. El que s'anomena envejeciment de l'aïllament del transformador de distribució significa que aquests materials es descomponen sota l'influència de factors ambientals, reduint o perdent la seva força d'aïllament.
2.3.1 Errors d'Aïllament Sòlid de Paper
L'aïllament sòlid és un dels components principals de l'aïllament dels transformadors de distribució immersos en oli, incloent el paper aïllant, la placa aïllant, el tapet aïllant, la bobina aïllant, la cinta d'enrotllament aïllant, etc. El seu component principal és la cel·lulosa. Després de l'envejeciment del paper aïllant, el seu grau de polimerització i la força de tracció gradualment disminueixen, i es produeix aigua, CO i CO2. A més, es produeix furfural (aldehí de furfural). La majoria d'aquests productes d'envejeciment són nocius per als equips elèctrics. Poden reduir la tensió de ruptura i la resistència volumètrica del paper aïllant, augmentar la pèrdua dielèctrica, disminuir la força de tracció, i fins i tot corroer els materials metàl·lics en l'equipament.
