Diskussion über Fehler in Transformatoranlagen des ländlichen Stromnetzes

1. Einführung

Aufgrund langfristiger Betriebszeiten können Fehler und Unfälle von Verteilungstransformatoren in ländlichen Stromnetzen nicht vollständig vermieden werden. Diese Fehler und Unfälle sind durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht, wie äußere Kräfte wie Beschädigungen und Einschläge, sowie unvermeidbare Naturkatastrophen wie Blitzschläge. Gleichzeitig werden in einigen ländlichen Gebieten die Niederspannungsleitungen unzureichend gewartet, was häufig zu Überlastungen und Kurzschlüssen führt, die die Verteilungstransformatoren verbrennen lassen. Dies ist zu einem wesentlichen Faktor für Ausfälle geworden.

Um das Verbrennen von Verteilungstransformatoren und die Reduzierung ihrer Betriebsfehler in ländlichen Stromnetzen zu verhindern, fasst dieser Artikel einige typische Fehlerarten und -ursachen von Verteilungstransformatoren zusammen und analysiert sie, untersucht präventive Maßnahmen, erforscht und adressiert potenzielle Gefahren und Schwachstellen von Verteilungstransformatoren weiter, verhindert und bremst effektiv das Auftreten von Verbrennungsfehlern von Verteilungstransformatoren und erhöht damit die Versorgungsreliabilität der ländlichen Stromnetze.

Derzeit werden in ländlichen Stromnetzen hauptsächlich ölgetränkte Verteilungstransformatoren verwendet. Die Fehler solcher Transformatoren werden üblicherweise in interne und externe Fehler unterteilt. Interne Fehler beziehen sich auf verschiedene Störungen, die innerhalb des Transformatorbehälters auftreten. Die Hauptarten sind Kurzschlüsse zwischen Wicklungen, Umlaufkurzschlüsse innerhalb der Wicklungen und Erdungsfehler, bei denen Wicklungen oder Leiter zum Außenkasten kommen. Externe Fehler sind verschiedene Störungen, die an den isolierenden Büchsen außerhalb des Transformatorbehälters und deren Leitern auftreten. Die Hauptarten sind Erdungen aufgrund von Flammüberschlag oder Bruch der isolierenden Büchsen und Phasen-Phasen-Kurzschlüsse oder Erdungen der Niederspannungsausgangsleitungen.

Da die Fehler von Verteilungstransformatoren einen weiten Bereich abdecken, gibt es zahlreiche spezifische Klassifikationsmethoden. Zum Beispiel werden sie aus Sicht der Schaltkreisläufe hauptsächlich in Schaltkreisfehler, Magnetkreisfehler und Ölkreisfehler unterteilt. Wenn sie nach der Hauptstruktur des Verteilungstransformators klassifiziert werden, können sie in Wicklungsfehler, Kernfehler, Ölqualitätsfehler und Zubehörfehler unterteilt werden. Konventionell werden die Fehlerarten von Verteilungstransformatoren in der Regel nach häufigen fehleranfälligen Bereichen klassifiziert, wie Isolationsfehler, Kernfehler, Spannungsschalterfehler usw. Darunter hat der Kurzschlussfehler am Ausgang des Verteilungstransformators den größten Einfluss auf den Transformator selbst und die höchste Auftretensrate derzeit. Zusätzlich gibt es auch Leckagefehler von Verteilungstransformatoren usw. All diese verschiedenen Arten von Fehlern können thermische Fehler, elektrische Fehler oder gleichzeitig thermische und Entladungsfehler darstellen. Allerdings zeigt der Leckagefehler eines Verteilungstransformators unter normalen Umständen keine thermischen oder elektrischen Fehlermerkmale.

Daher ist es schwierig, die Fehlerarten von Verteilungstransformatoren innerhalb eines spezifischen Rahmens zu kategorisieren. Dieser Artikel verwendet relativ gebräuchliche und allgemeine Fehlerarten von Verteilungstransformatoren, wie Kurzschlussfehler, Entladungsfehler, Isolationsfehler, Kernfehler, Spannungsschalterfehler, Öl-Gas-Leckagefehler, externe Kraftbeschädigungsfehler und Sicherungsschutzfehler. Jede Art wird getrennt in Bezug auf ihre Ursache und entsprechende technische Maßnahmen diskutiert.

2. Fehleranalyse von Verteilungstransformatoren
2.1 Kurzschlussfehler
2.1.1 Analyse der Fehlerursachen

Kurzschlussfehler von Verteilungstransformatoren beziehen sich hauptsächlich auf Ausgangskurzschlüsse von Verteilungstransformatoren, sowie Kurzschlüsse zwischen internen Leitern oder Wicklungen zur Erde und Kurzschlüsse zwischen Phasen, die zu Fehlern führen.

Während des normalen Betriebs von Verteilungstransformatoren ist der Schaden, der durch Ausgangskurzschlussfehler verursacht wird, relativ schwerwiegend. Laut relevanten Statistiken machen Fehler, die direkt durch Kurzschlussstromauswirkungen auf Verteilungstransformatoren in ländlichen Stromnetzen entstehen, etwa 40 % aller Fehler aus. Es gibt zahlreiche solche Fälle. Insbesondere, wenn ein Niederspannungsausgangskurzschluss in einem Verteilungstransformator auftritt, müssen die Wicklungen in der Regel ersetzt werden. In schweren Fällen müssen alle Wicklungen ersetzt werden, was extrem ernsthafte Folgen und Verluste zur Folge hat. Daher sollte dies ausreichend beachtet werden.

Die Auswirkungen von Ausgangskurzschlüssen auf Verteilungstransformatoren umfassen hauptsächlich die folgenden zwei Aspekte:
Überhitzungsfehler der Isolation durch Kurzschlussstrom
Aufgrund unzureichender Wartung einiger ländlicher Niederspannungsleitungen treten häufig Überlastungen und Kurzschlüsse auf. Wenn ein Verteilungstransformator plötzlich einen Kurzschluss erleidet, können seine Hoch- und Niederspannungswicklungen gleichzeitig Kurzschlussströme im Dutzendfachen des Nennwerts passieren. Dies erzeugt eine große Menge an Wärme, wodurch der Verteilungstransformator stark überhitzt und die Spulen temperatur schnell steigt, was zur Alterung der Isolation führt. Wenn die Fähigkeit des Verteilungstransformators, Kurzschlussströme zu widerstehen, unzureichend ist und seine thermische Stabilität schlecht ist, wird das Isolationsmaterial des Verteilungstransformators schwer beschädigt, was zu Durchschlägen und Schäden am Verteilungstransformator führt.
Verformungsfehler der Wicklung durch elektrodynamische Kurzschlusskräfte
Wenn ein Verteilungstransformator von einem Kurzschluss betroffen ist, und der Kurzschlussstrom klein ist und die Sicherung korrekt durchbrennt, wird die Wicklungsverformung gering sein. Wenn der Kurzschlussstrom groß ist und die Sicherung mit Verzögerung oder gar nicht durchbrennt, wird auf der Sekundärseite ein Kurzschlussstrom 20-30 Mal höher als der Nennstrom erzeugt. Auf der Primärseite des Verteilungstransformators wird zwangsläufig ein großer Strom erzeugt, um den demagnetisierenden Effekt des Sekundärseitenkurzschlusses zu kompensieren. Der große Strom erzeugt eine erhebliche mechanische Spannung innerhalb der Spule, wodurch die Spule zusammengedrückt, verschoben oder verformt wird, die Isolationsplatten und -platten lockern, die Kernbefestigungsbolzen schlaff werden, die Hochspannungsspule verzerrt oder platzt und letztendlich zu einem Ausfall des Verteilungstransformators führt. Gleichzeitig werden die Wicklungen einer relativ großen elektromagnetischen Drehmoment ausgesetzt, und das Isolationsmaterial bröselt ab, wodurch der Drahtkörper freigelegt und Umlaufkurzschlüsse entstehen. Bei geringfügigen Verformungen, die nicht rechtzeitig repariert werden, wie die Wiederherstellung der Position der Platten, das Festziehen der Drucknieten der Wicklungen und der Zugplatten und -stäbe des Yokes, und die Stärkung der Befestigungskraft der Leiter, kann der kumulative Effekt nach mehreren Kurzschlusswirkungen auch den Verteilungstransformator beschädigen.

2.1.2 Maßnahmen zur Reduzierung von Kurzschlussfehlern

• Optimierung der Auswahlkriterien. Beim Auswählen eines Verteilungstransformators wählen Sie einen, der den Kurzschlussversuch problemlos bestehen kann. Bestimmen Sie die Kapazität des Verteilungstransformators vernünftig und wählen Sie seinen Kurzschlusswiderstand rational. Versuchen Sie, energiesparende S11-Typ-Verteilungstransformatoren zu verwenden und energieintensive Transformatoren auszuphasen.

• Optimierung der Betriebsbedingungen und -umgebung. Verbessern Sie die Isolationsstufe der Stromleitungen, insbesondere die Isolationsstufe der Niederspannungsausgangsleitungen des Verteilungstransformators über eine bestimmte Entfernung. Gleichzeitig erhöhen Sie die Anforderungen an den Sicherheitskorridor und die Sicherheitsabstandsanforderungen der Niederspannungsleitungen, um die Auswirkungen und Gefahren von Störungen in der Nähe zu reduzieren. Dies beinhaltet die Beachtung der Installations- und Wartungsqualität der Niederspannungsabnehmer (da die Explosion von Niederspannungsabnehmern meist einem Sekundärkurzschluss entspricht), die Verhinderung des Eindringens kleiner Tiere und die Verbesserung der Qualitätsanforderungen an Niederspannungsicherungen, um Situationen wie nicht durchbrennende Sicherungen zu vermeiden.

• Optimierung der Betriebsmodi. Beim Festlegen des Betriebsmodus berechnen Sie den Kurzschlussstrom und begrenzen seine Gefahren. Insbesondere verhindern Sie, dass der Verteilungstransformator unter Überlast betrieben wird. Versuchen Sie, die elektrische Last des Verteilungstransformators zu berechnen und anzupassen.

• Verbesserung des Betriebsmanagements. Zuerst verhindern Sie Kurzschlusswirkungen, die durch Fehlbetrieb verursacht werden. Stärken Sie die zeitnahe Überwachung und Wartung von Verteilungstransformatoren, stellen Sie rechtzeitig den Verformungsgrad der Verteilungstransformatoren fest und stellen Sie sicher, dass sie sicher betrieben werden. Gleichzeitig erhöhen Sie die Prüfungsbemühungen bezüglich des Stromverbrauchs der Nutzer im Verteilungstransformatorbereich, um Überlastprobleme durch Stromdiebstahl zu vermeiden.

2.2 Entladungsfehler

Basierend auf der Energiedichte der Entladung werden die Entladungsfehler von Verteilungstransformatoren üblicherweise in partielle Entladung, Funkenentladung und Hochenergieentladung unterteilt. Entladung hat zwei Arten von zerstörerischen Auswirkungen auf die Isolation: Eine ist, dass die Entladungspartikel die Isolation direkt bombardieren, lokale Isolierungsschäden verursachen und diese schrittweise erweitern, bis die Isolation durchschlägt. Die andere ist, dass die chemische Wirkung von aktiven Gasen wie Wärme, Ozon und Stickoxiden, die durch die Entladung erzeugt werden, die lokale Isolation angreift, den diëlektrischen Verlust erhöht und letztendlich zu einem thermischen Durchschlag führt.

2.2.1 Partielle Entladungsfehler von Verteilungstransformatoren

Partielle Entladung bezieht sich auf ein nicht durchgehendes Entladungsphänomen, das an den Rändern von Luftspalten, Ölfilmen oder Leitern innerhalb der Isolationsstruktur unter dem Einfluss von Spannung auftritt. Anfangs ist partielle Entladung eine niedrigenergetische Entladung. Wenn diese Art von Entladung innerhalb eines Verteilungstransformators auftritt, ist die Situation relativ komplex. Abhängig von verschiedenen Isolationsmedien kann partielle Entladung in Blasen und in Öl unterteilt werden. Abhängig von Isolationsorten umfasst sie partielle Entladung in Hohlräumen fester Isolation, an Elektroden Spitzen, in Ölfilmzwischenräumen, in Ölfilmzwischenräumen zwischen Öl und Isolationspapierplatten und entlang der Oberfläche fester Isolation im Öl. Die Gründe für partielle Entladung sind wie folgt:

• Wenn in Öl Blasen oder in feste Isolationsmaterialien Hohlräume vorhanden sind, trägt die Gasphase aufgrund ihres kleinen Diëlektrizitätskonstanten unter Wechselspannung eine hohe elektrische Feldstärke, aber ihre Spannungsfestigkeit ist geringer als die von Öl und Papierisolationsmaterialien. Daher tritt Entladung wahrscheinlich zuerst in der Luftspalte auf.

• Einfluss externer Umgebungsbedingungen. Zum Beispiel, wenn die Ölbehandlung unvollständig ist und Blasen aus dem Öl ausfällt, kann dies zu Entladung führen.

• Aufgrund mangelnder Herstellungsqualität. Zum Beispiel tritt Entladung an Teilen mit scharfen Kanten auf. Blasen, Fremdkörper und Feuchtigkeit werden eingeführt, oder aufgrund externer temperaturabhängiger Faktoren wie Lackknötchen, tragen sie eine relativ hohe elektrische Feldstärke.

• Entladung durch mangelnden Kontakt zwischen Metallteilen oder Leitern. Obwohl die Energiedichte der partiellen Entladung nicht groß ist, kann sie, wenn sie sich weiterentwickelt, einen Teufelskreis der Entladung bilden, was letztendlich zum Durchschlag oder Schaden des Geräts und schweren Verbrennungsunfällen führt.

2.2.2 Funkenentladungsfehler von Verteilungstransformatoren

Im Allgemeinen führt Funkenentladung nicht schnell zu einem Isolationsdurchschlag. Sie spiegelt sich hauptsächlich in einer abnormalen Ölchromatographieanalyse, einem Anstieg der partiellen Entladungsmenge oder leichtem Gas wider. Sie ist relativ leicht zu erkennen und zu behandeln, aber ihre Entwicklung sollte ausreichend beachtet werden. Es gibt hauptsächlich zwei Gründe für Funkenentladung:

Funkenentladung durch schwimmendes Potential. In Hochspannungseinrichtungen trennt sich ein bestimmtes Metallteil aufgrund struktureller Gründe oder mangelnden Kontakts während des Transports und des Betriebs und befindet sich zwischen den Hoch- und Niederspannungselektroden, teilt die Spannung gemäß seinem Impedanz. Das Potential zu Boden, das auf diesem Metallteil entsteht, wird als schwimmendes Potential bezeichnet. Die elektrische Feldstärke in der Nähe eines Objekts mit schwimmendem Potential ist relativ konzentriert, oft brennt sie die umliegende feste Diëlektrikum oder karbonisiert es allmählich.

Es führt auch dazu, dass das Isolieröl unter dem Einfluss des schwimmenden Potentials eine große Menge charakteristischer Gase abspaltet, was zu einem anomalen Ergebnis der Isolieröl-Chromatographieanalyse führt. Schwimmende Entladung kann in Metallteilen mit hohem Potential innerhalb des Verteilungstransformators auftreten, wie z.B. in der Regulierungswicklung, wenn die Spannungsteilerkugel der Buchse und der Leerlauf-Spannungsschalter-Wippen einen schwimmenden Potential haben. Für Teile mit Erdpotential, wie z.B. die Siliziumstahl-Magnetabschirmung und verschiedene Metallschrauben zur Befestigung, führt ein loser oder abgelöster Kontakt zum Erdpotential zu einer schwimmenden Entladung. Ein mangelnder Kontakt am Ende der Hochspannungsbuchse des Verteilungstransformators kann ebenfalls ein schwimmendes Potential bilden und zu Funkenentladung führen.

Funkenentladung durch Verunreinigungen im Öl
Der Hauptgrund für Funkenentladungsfehler in Verteilungstransformatoren ist der Einfluss von Verunreinigungen im Öl. Diese Verunreinigungen bestehen aus Feuchtigkeit, faserigen Substanzen (hauptsächlich feuchten Fasern) usw. Die Diëlektrizitätskonstante ε von Wasser beträgt etwa 40-mal so viel wie das Verteilungstransformatoröl. Im elektrischen Feld werden die Verunreinigungen zunächst polarisiert und an den Bereich mit der stärksten elektrischen Feldstärke, d.h. in der Nähe der Elektroden, angezogen und in Richtung der elektrischen Feldlinien angeordnet. So entsteht nahe den Elektroden eine Verunreinigungs-"Brücke".

Die Leitfähigkeit und die Diëlektrizitätskonstante der "Brücke" sind beide größer als die des Verteilungstransformatoröls. Gemäß den Prinzipien der elektromagnetischen Felder verzerrt die Anwesenheit der "Brücke" das elektrische Feld im Öl. Da die Diëlektrizitätskonstante der Fasern gering ist, wird das elektrische Feld im Öl an den Enden der Fasern verstärkt. Daher tritt die Entladung zuerst und entwickelt sich in diesem Teil des Öls. Das Öl dissoziiert in einem hochfeldstärken Umfeld, zerfällt in Gase, was die Blasen vergrößert und die Dissoziation verstärkt. Im Anschluss entwickelt sich der Prozess schrittweise, was letztendlich zu einer Funkenentladung im gesamten Ölspalt durch den Gasweg führt. Daher kann Funkenentladung bei vergleichsweise geringer Spannung auftreten.

Wenn der Abstand zwischen den Elektroden nicht groß ist und genügend Verunreinigungen vorhanden sind, kann die "Brücke" die beiden Elektroden verbinden. In diesem Fall, aufgrund der relativ hohen Leitfähigkeit der "Brücke", fließt ein großer Strom entlang der "Brücke" (die Größe des Stroms hängt von der Kapazität der Stromquelle ab), was die "Brücke" intensiv erwärmt. Die Feuchtigkeit und das benachbarte Öl in der "Brücke" kochen und verdampfen, was einen Gasweg, die "Blasenbrücke", bildet, und Funkenentladung erfolgt.

Wenn die Fasern nicht feucht sind, ist die Leitfähigkeit der "Brücke" sehr gering, und ihr Einfluss auf die Funkenentladungsspannung des Öls ist auch relativ gering; im Gegenteil, der Einfluss ist größer. Daher hängt die Funkenentladung des Verteilungstransformatoröls durch Verunreinigungen vom Heizprozess der "Brücke" ab. Wenn eine Impulsspannung wirkt oder das elektrische Feld extrem ungleichmäßig ist, bilden die Verunreinigungen keine "Brücke", und ihr Einfluss beschränkt sich darauf, das elektrische Feld zu verzerren. Der Prozess der Funkenentladung hängt hauptsächlich von der Größe der angewendeten Spannung ab.

2.2.3 Bogenentladungsfehler von Verteilungstransformatoren

Bogenentladung ist eine Hochenergieentladung, die häufig als Isolationsdurchschlag zwischen Wicklungsdurchgängen oder -lagen auftritt. Andere häufige Fehler sind Leiterbrüche, Erdungsfunkenschläge und Spannungsschalterbogen.

• Einfluss der Bogenentladung. Aufgrund der hohen Energiendichte von Bogenentladungsfehlern wird Gas schnell erzeugt. Es beeinflusst häufig die Diëlektrika in Form von Elektronlawinen, wodurch das Isolierungspapier perforiert, verkohlt oder verkarbonisiert, Metallmaterialien verformt, geschmolzen oder verbrannt werden. In schweren Fällen kann es zu Geräteschäden oder sogar Explosionen führen. Solche Unfälle sind im Allgemeinen schwer vorhersehbar und zeigen keine offensichtlichen Vorzeichen, sondern treten oft plötzlich auf.

• Gasmerkmale der Bogenentladung. Nachdem ein Bogenentladungsfehler aufgetreten ist, wird das Verteilungstransformatoröl auch verkarbonisiert und schwarz. Die Hauptkomponenten der charakteristischen Gase im Öl sind H2 und C2H2, gefolgt von C2H6 und CH4. Wenn der Entladungsfehler feste Isolationen betrifft, werden auch CO und CO2 erzeugt.Zusammenfassend haben die drei Entladungsformen sowohl Unterschiede als auch bestimmte Verbindungen. Die Unterschiede beziehen sich auf die Entladungsenergie und das Gasgemisch, während die Verbindung darin besteht, dass partielle Entladung ein Vorläufer der anderen beiden Entladungsformen ist, und die letzteren sind unvermeidliche Ergebnisse der Entwicklung der ersten. Da die in Verteilungstransformatoren auftretenden Fehler oft in einem Zustand der schrittweisen Entwicklung sind und die meisten davon nicht einzigartige Fehler sind, sondern eine Art kommt mit einer anderen Art einher, oder mehrere Arten treten gleichzeitig auf. Daher ist eine sorgfältigere Analyse und spezifische Behandlung erforderlich.

2.3 Isolationsfehler

Derzeit sind die am weitesten verbreiteten Verteilungstransformatoren in ländlichen Stromnetzen ölgetränkte Transformatoren. Die Isolation eines Verteilungstransformators bezieht sich auf das Isolationssystem, das aus seinen Isolationsmaterialien besteht. Es ist eine grundlegende Bedingung für den normalen Betrieb des Verteilungstransformators, und die Lebensdauer des Verteilungstransformators wird durch die Lebensdauer der Isolationsmaterialien (wie Öl-Papier oder Harz) bestimmt. Praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass der Großteil der Schäden und Fehler von Verteilungstransformatoren durch den Schaden des Isolationssystems verursacht wird.

Daher kann der Schutz des normalen Betriebs des Verteilungstransformators und die Stärkung der vernünftigen Wartung des Isolationssystems in hohem Maße eine relativ lange Lebensdauer für den Verteilungstransformator sicherstellen. Präventive und prädiktive Wartung sind die Schlüssel zur Verlängerung der Lebensdauer von Verteilungstransformatoren und zur Verbesserung der Versorgungssicherheit.

Bei ölgetränkten Verteilungstransformatoren sind die Hauptisolationsmaterialien Isolieröl und feste Isolationsmaterialien wie Isolierungspapier, Pappen und Holzblöcke. Das sogenannte Altern der Verteilungstransformatorisolation bedeutet, dass diese Materialien unter dem Einfluss von Umwelteinflüssen zerfallen, wodurch ihre Isolationsstärke verringert oder verloren geht.

2.3.1 Feste Papierisolationsfehler

Feste Isolation ist eine der Hauptkomponenten der Isolation von ölgetränkten Verteilungstransformatoren, einschließlich Isolierungspapier, Isolierungspappe, Isolierungspolster, Isolierungsspulen, Isolierband usw. Ihre Hauptkomponente ist Cellulose. Nachdem das Isolierungspapier gealtert ist, nimmt sein Polymisationsgrad und seine Zugfestigkeit allmählich ab, und Wasser, CO und CO2 werden erzeugt. Darüber hinaus wird auch Furfural (Furfuraldehyd) gebildet. Die meisten dieser Alterungsprodukte sind schädlich für elektrische Geräte. Sie können die Durchschlagspannung und den Volumenwiderstand des Isolierungspapiers verringern, den Diëlektrischen Verlust erhöhen, die Zugfestigkeit verringern und sogar Metallmaterialien im Gerät korrodieren.

2.3.2 Flüssige Ölisolationsfehler

Gründe für die Verschlechterung des Verteilungstransformatoröls

Verschmutzung bedeutet, dass Feuchtigkeit und Verunreinigungen in das Öl gemischt werden. Diese sind keine Oxidationsprodukte des Öls. Die Isolationsleistung verschmutzten Öls verschlechtert sich, die Durchschlagsfeldstärke sinkt, und der Diëlektrische Verlustwinkel erhöht sich.
Verschlechterung ist das Ergebnis der Oxydation des Öls. Diese Oxydation bezieht sich nicht nur auf die Oxydation von Kohlenwasserstoffen im reinen Öl, sondern auch auf die Beschleunigung des Oxidationsprozesses durch Verunreinigungen im Öl, insbesondere Kupferspäne, Eisenspäne und Aluminiumspäne.

S