Diskuse o chybách transformátorů v distribuční síti venkovských elektrických sítí

1. Úvod

V důsledku dlouhodobého provozu nelze úplně vyhnout selháním a nehodám distribučních transformátorů v elektrických sítích venkovských oblastí. Tyto selhání a nehody jsou způsobeny mnoha faktory, jako je vnější síla, například poškození a dopad, a neodbytné přírodní katastrofy, jako jsou blesky. Zároveň v některých venkovských oblastech jsou nízkonapěťové vedení nedostatečně udržovány, což často vede k přetížení a krátkým spojením, které způsobují vypalování distribučních transformátorů. To se stalo hlavním faktorem přispívajícím k poruchám.

Aby bylo možné zabránit vypalování distribučních transformátorů a snížit jejich provozní selhání v elektrických sítích na venkově, tato práce shrnuje a analyzuje některé typické druhy poruch a jejich příčiny u distribučních transformátorů, zkoumá preventivní opatření, dále prozkoumává a řeší potenciální rizika a slabá místa distribučních transformátorů, efektivně prevence a omezí výskyt poruch vypalování distribučních transformátorů a tím zlepší spolehlivost dodávky elektrické energie v elektrických sítích na venkově.

V současné době jsou v elektrických sítích na venkově používány především olejové distribuční transformátory. Poruchy těchto transformátorů se běžně dělí na interní a externí poruchy. Interní poruchy zahrnují různé nefunkčnosti vnitřně v nádrži transformátoru. Hlavní typy zahrnují mezifázová krátká spojení mezi cestami, závitová krátká spojení uvnitř cest a přepážení, kdy cesty nebo vývody kontaktují vnější obal. Externí poruchy jsou různé nefunkčnosti na izolačních hrdlech mimo nádrž transformátoru a jejich vývodech. Hlavní typy jsou přepážení v důsledku flashover nebo zlomení izolačních hrdel a mezifázová krátká spojení nebo přepážení nízkonapěťových výstupních vedení.

Protože poruchy distribučních transformátorů pokrývají široké spektrum, existuje mnoho konkrétních klasifikačních metod. Například z pohledu okruhů jsou hlavně klasifikovány do okruhových poruch, magnetických okruhových poruch a olejových okruhových poruch. Pokud jsou klasifikovány podle hlavní struktury distribučního transformátoru, lze je rozdělit na poruchy cest, jádrové poruchy, poruchy jakosti oleje a poruchy příslušenství. Obvykle se typy poruch distribučních transformátorů klasifikují na základě běžných oblastí s tendencí k poruchám, jako jsou poruchy izolace, jádrové poruchy, poruchy oděravče, atd. Mezi nimi má porucha krátkého spojení na výstupu distribučního transformátoru nejzávažnější dopad na samotný transformátor a v současnosti také nejvyšší výskyt. Kromě toho existují také poruchy úniku oleje z distribučního transformátoru, atd. Všechny tyto různé typy poruch mohou znamenat tepelné poruchy, elektrické poruchy nebo zároveň tepelné a výbojkové poruchy. Nicméně, porucha úniku oleje z distribučního transformátoru může běžně neukazovat charakteristiky tepelných nebo elektrických poruch.

Je proto obtížné zařadit typy poruch distribučních transformátorů do specifického rámce. Tato práce využívá relativně běžné a obecné typy poruch distribučních transformátorů, jako jsou poruchy krátkého spojení, výbojkové poruchy, poruchy izolace, jádrové poruchy, poruchy oděravče, poruchy úniku oleje a plynu, poruchy způsobené vnější silou, poruchy ochrany pojistkami. Každý typ je odděleně diskutován ohledně jeho příčiny a odpovídajících technických opatření.

2. Analýza poruch distribučních transformátorů
2.1 Poruchy krátkého spojení
2.1.1 Analýza příčin poruch

Poruchy krátkého spojení distribučních transformátorů se týkají především výstupních krátkých spojení distribučních transformátorů, stejně jako krátkých spojení mezi vnitřními vývody nebo cestami k zemi a krátkých spojení mezi fázemi, které vedou ke selhání.

Během normálního provozu distribučních transformátorů je poškození způsobené výstupními krátkými spojeními relativně závažné. Podle relevantních statistik představují poruchy způsobené přímým dopadem proudu krátkého spojení na distribuční transformátory v elektrických sítích na venkově přibližně 40 % všech poruch. Existuje mnoho takových případů. Zejména, když dojde k výstupnímu krátkému spojení na nízkém napětí u distribučního transformátoru, obvykle je třeba nahradit cesty. V těžkých případech mohou být třeba nahradit všechny cesty, což má extrémně závažné následky a ztráty. Proto by mělo být této otázce věnováno dostatečné pozornost.

Dopady výstupních krátkých spojení na distribuční transformátory zahrnují zejména následující dvě oblasti:
Přehřátí izolace způsobené proudem krátkého spojení
Z důvodu nedostatečné údržby některých venkovských nízkonapěťových vedení dochází k častému přetížení a krátkým spojením. Když dojde k náhlému krátkému spojení distribučního transformátoru, jeho vysokonapěťové a nízkonapěťové cesty mohou současně projít proudy desítkykrát vyššími než nominální hodnota. To generuje velké množství tepla, což způsobuje, že distribuční transformátor přehřívá a teplota cest rychle stoupá, což vede k stárnutí izolace. Když schopnost distribučního transformátoru odolat proudu krátkého spojení není dostatečná a termální stabilita je špatná, izolační materiál distribučního transformátoru bude vážně poškozen, což vede k průrazu a poškození distribučního transformátoru.
Deformační porucha cest způsobená elektrodynamickou silou krátkého spojení
Když je distribuční transformátor postižen krátkým spojením, pokud je proud krátkého spojení malý a pojistka správně odpálí, deformace cest bude malá. Pokud je proud krátkého spojení velký a pojistka odpálí s prodlevou nebo vůbec neodpálí, na sekundární straně se vygeneruje proud 20 - 30krát vyšší než nominální proud. Primární strana distribučního transformátoru nutně vygeneruje velký proud, aby protiúčinkovala demagnetizačnímu efektu sekundárního stranního krátkého spojení. Velký proud generuje významnou mechanickou sílu uvnitř cesty, což způsobí, že cesta stlačí, posune se nebo deformuje, izolační podložky a destičky se uvolní, závity stlačovacích šroubů se uvolní, vysokonapěťová cesta se deformuje nebo praskne a nakonec dojde k selhání distribučního transformátoru. Současně jsou cesty vystaveny relativně velkému elektromagnetickému momentu a izolační materiál odlupuje, což exponuje drát a způsobuje mezizávitové krátké spojení. U menších deformací, pokud nejsou včas opraveny, například obnovením polohy podložek, zatěsněním stlačovacích šroubů cest a táhel a pák, a posílením stlačovací síly vývodů, kumulativní efekt po několika dopadech krátkého spojení rovněž poškodí distribuční transformátor.

2.1.2 Opatření k snížení poruch krátkého spojení

• Optimalizace požadavků na výběr. Při výběru distribučního transformátoru zvolte ten, který bez problémů projde zkouškou krátkého spojení. Rozumně určete kapacitu distribučního transformátoru a jeho impedanci krátkého spojení. Snažte se používat energeticky efektivní transformátory typu S11 a vyřazovat vysokoenergetické transformátory.

• Optimalizace pracovních podmínek a prostředí. Zlepšete izolační stupeň elektrických vedení, zejména izolační stupeň nízkonapěťových výstupních vedení distribučního transformátoru v určitém rozsahu. Zároveň zvyšte standardy pro požadavky na bezpečnostní koridor a bezpečnostní vzdálenost nízkonapěťových vedení, abyste snížili dopad a rizika blízkých poruch. To zahrnuje dbání na kvalitu instalace a údržby nízkonapěťových konektorů (protože exploze nízkonapěťových konektorů je většinou ekvivalentní sekundárnímu krátkému spojení), prevenci vnikání malých zvířat a zlepšení požadavků na kvalitu nízkonapěťových pojistek, aby se zabránilo situacím, kdy pojistky neodpálí.

• Optimalizace způsobu provozu. Při určování způsobu provozu vypočítejte proud krátkého spojení a omezte jeho škodlivé účinky. Zvláště zabráňte provozu distribučního transformátoru v přetížení. Snažte se vypočítat a upravit elektrické zatěžování distribučního transformátoru.

• Zlepšení úrovně operačního řízení. Nejdříve zabráňte dopadům krátkého spojení způsobeným chybou. Zintenzivněte pravidelné monitorování a údržbu distribučních transformátorů, včas detekujte stupeň deformace distribučních transformátorů a zajistěte jejich bezpečný provoz. Zároveň zvýšte intenzitu kontrol spotřeby elektrické energie u uživatelů v oblasti distribučního transformátoru, abyste zabránilí problémům s přetížením způsobenými krádeží elektrické energie uživateli.

2.2 Výbojkové poruchy

Na základě hustoty energie výboje se výbojkové poruchy distribučních transformátorů běžně dělí na částečný výboj, jiskrový výboj a výboj s vysokou energií. Výboj má dva typy destruktivních účinků na izolaci: jedním je, že částice výboje přímo bombardují izolaci, způsobují lokální poškození izolace a postupně ho rozšiřují, až dojde k průrazu izolace. Druhým je, že chemická akce aktivních plynů, jako je teplo, ozón a oxidy dusíku, generovaných výbojem, koroze lokální izolace, zvyšuje dielektrickou ztrátu a nakonec vede k tepelnému průrazu.

2.2.1 Částečné výbojkové poruchy distribučních transformátorů

Částečný výboj se týká neprostupného typu výbojového jevu, který se vyskytuje na okrajích vzduchových mezery, olejové vrstvy nebo vodičů uvnitř izolační struktury pod vlivem napětí. Na začátku je částečný výboj výbojem s nízkou energií. Když tento typ výboje nastane uvnitř distribučního transformátoru, situace je relativně komplexní. Podle různých izolačních médií lze částečný výboj rozdělit na částečný výboj v bublinách a částečný výboj v oleji. Podle umístění izolace zahrnuje částečný výboj částečný výboj v dutinách tuhé izolace, na okrajích elektrod, ve vrstvách oleje ve vtáčkách, ve vzduchových mezerech mezi olejem a izolačními papírovými deskami a po povrchu tuhé izolace v oleji. Příčiny částečného výboje jsou následující:

• Když v oleji nebo tuhé izolačním materiálu existují bublinky nebo dutiny, kvůli malému dielektrickému činiteli plynu nese vysokou sílu elektrického pole při střídavém napětí, ale jeho odolnost proti napětí je nižší než u oleje a papírových izolačních materiálů. Proto se výboj pravděpodobně nejprve objeví v vzduchové mezere.

• Vliv vnějších podmínek. Například, pokud je olej neúplně zpracován a z něj vyparovávají bublinky, může dojít k výboji.

• Z důvodu špatné kvality výroby. Například, výboj se objevuje na některých částech s ostrými hranami. Bublinky, odpad a vlhkost jsou zavedeny, nebo kvůli vnějším faktorům, jako jsou noduly barvy, nesou relativně vysokou sílu elektrického pole.

• Výboj způsobený špatným kontaktem mezi kovovými částmi nebo vodiči. I když hustota energie částečného výboje není velká, pokud se dále vyvine, vytvoří to zlý cyklus výboje, který nakonec vede k průrazu nebo poškození zařízení a způsobí vážné shoření.

2.2.2 Jiskrové výbojkové poruchy distribučních transformátorů

Obecně nemusí jiskrový výboj rychle způsobit průraz izolace. Je hlavně vidět v anomáliích analýzy olejové chromatografie, zvýšení množství částečného výboje nebo lehkého plynu. Je relativně snadné ho detekovat a vyřešit, ale jeho vývoj by měl být dostatečně sledován. Existují především dvě příčiny jiskrového výboje:

Jiskrový výboj způsobený plovoucím potenciálem. V vysokonapěťovém elektrickém zařízení může nějaká kovová část kvůli konstrukčním důvodům nebo špatnému kontaktu během přepravy a provozu být odpojena a nacházet se mezi vysokonapěťovými a nízkonapěťovými elektrodami, dělí napětí podle své impedance. Potenciál k zemi generovaný na této kovové části se nazývá plovoucí potenciál. Elektrické pole poblíž objektu s plovoucím potenciálem je relativně soustředěné, často postupně shoří okolní tuhou dielektriku nebo ji karbonizuje.

Také způsobuje, že izolační olej se rozkládá na velké množství charakteristických plynů pod vlivem plovoucího potenciálu, což vede k anomálnímu výsledku analýzy chromatografie izolačního oleje. Plovoucí výboj se může objevit u kovových částí s vysokým potenciálem uvnitř distribučního transformátoru, jako je regulační cesta, kdy má kulový článek hrdla a výklopný článek oděravče plovoucí potenciál. Pro části s potenciálem k zemi, jako je magnetoštit z litiny a různé kovové šrouby pro upevnění, pokud je jejich spojení s zemí volné nebo odpojené, může dojít k plovoucímu potenciálu a jiskrovému výboji. Špatný kontakt na konci vysokonapěťového hrdla distribučního transformátoru také může vytvořit plovoucí potenciál a způsobit jiskrový výboj.

Jiskrový výboj způsobený znečištěním v oleji
Hlavní příčinou jiskrových výbojkových poruch distribučních transformátorů je vliv znečištění v oleji. Tyto znečišťující látky se skládají z vody, vláknitých látek (především vlhkých vláken) atd. Dielektrický činitel ε vody je přibližně 40krát vyšší než u oleje distribučního transformátoru. V elektrickém poli se nejprve polarizují a přitahují k oblasti s nejvyšší silou elektrického pole, tedy blízko elektrod, a uspořádají se v směru elektrických linii. Tak se tedy vytváří "most" z znečišťujících látek blízko elektrod.

Vodivost a dielektrický činitel "mostu" jsou oba vyšší než u oleje distribučního transformátoru. Podle principů elektromagnetických polí přítomnost "mostu" zkresluje elektrické pole v oleji. Protože dielektrický činitel vláken je malý, elektrické pole v oleji na koncích vláken je zesíleno. Proto se výboj nejprve objevuje a vyvíjí v této části oleje. Olej se v prostředí s vysokou silou pole rozkládá na plyny, což způsobuje, že bublinky narůstají a rozklad se zesiluje. Následně se proces postupně vyvíjí, což vede k jiskrovému výboji v celé olejové mezere prostřednictvím plynového kanálu. Takže jiskrový výboj může nastat při relativně nízkém napětí.

Pokud je vzdálenost mezi elektrodami malá a existuje dostatek znečišťujících látek, může "most" spojit obě elektrody. V tomto případě, vzhledem k relativně vysoké vodivosti "mostu", proudí vysoký proud po "mostu" (velikost proudu závisí na kapacitě zdroje), což způsobuje, že "most" intenzivně zahřívá. Voda a blízký olej v "mostu" vaří a vyparovávají, vytvářejí plynový kanál - "bublinový most" a dojde k jiskrovému výboji.

Pokud jsou vlákna suchá, vodivost "mostu" je velmi malá a její vliv na jiskrové výbojové napětí oleje je také relativně malý; naopak, vliv je větší. Proto je jiskrový výboj oleje distribučního transformátoru způsobený znečišťujícími látkami spojen s vytápěcím procesem "mostu". Když působí impulsní napětí nebo je elektrické pole extrémně nerovnoměrné, není snadné, aby se znečišťující látky utvořily do "mostu", a jejich vliv je omezen pouze na zkreslení elektrického pole. Jiskrový výbojový proces závisí především na velikosti aplikovaného napětí.

2.2.3 Výbojkové poruchy s obloukem distribučních transformátorů

Výboj s obloukem je výboj s vysokou energií, který se běžně objevuje jako průraz izolace mezi závity nebo vrstvami. Jiné běžné poruchy zahrnují zlomení vývodů, flashover k zemi a výboj oděravče.

• Vliv výboje s obloukem. V důsledku vysoké hustoty energie výbojkových poruch s obloukem se plyny generují rychle. Často ovlivňují dielektrické materiály ve formě elektronových lavin, což způsobuje, že izolační papír prokousá, karbonizuje nebo zčernalí, deformuje nebo tavení a shoření kovových materiálů. V těžkých případech může dojít k poškození zařízení nebo dokonce k explozi. Takové nehody jsou obecně těžko předem předpověditelné a nemají žádné zřetelné předzvěsti, často vznikají náhlým způsobem.

• Plynové charakteristiky výboje s obloukem. Po výskytu výbojkové poruchy s obloukem se olej distribučního transformátor