Discusión sobre fallas de los transformadores de distribución de la red eléctrica rural
1. Introducción
Debido a la operación a largo plazo, los fallos y accidentes de los transformadores de distribución en las redes eléctricas rurales no se pueden evitar por completo. Estos fallos y accidentes son causados por una multitud de factores, como fuerzas externas como daños e impactos, y desastres naturales irresistibles como rayos. Al mismo tiempo, en algunas zonas rurales, las líneas de baja tensión están mal mantenidas, lo que frecuentemente resulta en sobrecargas y cortocircuitos, lo que causa que los transformadores de distribución se quemen. Esto se ha convertido en un factor importante que contribuye a los fallos.
Para prevenir que los transformadores de distribución se quemen y reducir sus fallos operativos en las redes eléctricas rurales, este documento resume y analiza algunos tipos de fallos típicos y sus causas, explora medidas preventivas, investiga y aborda los peligros potenciales y los eslabones débiles de los transformadores de distribución, previene y controla eficazmente la ocurrencia de fallos por quemaduras, y así mejora la confiabilidad del suministro de energía en las redes eléctricas rurales.
Actualmente, los transformadores de distribución utilizados en las redes eléctricas rurales son principalmente transformadores de distribución sumergidos en aceite. Los fallos de estos transformadores se clasifican comúnmente en fallos internos y externos. Los fallos internos se refieren a diversas fallas que ocurren dentro del tanque del transformador. Los tipos principales incluyen cortocircuitos entre bobinas, cortocircuitos entre vueltas dentro de las bobinas, y fallos de tierra donde las bobinas o salidas contactan con el exterior del tanque. Los fallos externos son diversas fallas que ocurren en los aisladores exteriores del tanque del transformador y sus salidas. Los tipos principales son tierras debido a descargas o roturas de aisladores, y cortocircuitos interfase o tierras de las líneas de salida de baja tensión.
Dado que los fallos de los transformadores de distribución abarcan un amplio rango, existen numerosos métodos de clasificación específicos. Por ejemplo, desde la perspectiva de los circuitos, se clasifican principalmente en fallos de circuito, fallos de circuito magnético y fallos de circuito de aceite. Si se clasifican según la estructura principal del transformador de distribución, se pueden dividir en fallos de bobina, fallos del núcleo, fallos de calidad de aceite y fallos de accesorios. Convencionalmente, los tipos de fallos de los transformadores de distribución se clasifican generalmente basándose en áreas propensas a fallos comunes, como fallos de aislamiento, fallos del núcleo, fallos del cambiador de tomas, etc. Entre ellos, el fallo de cortocircuito en la salida del transformador de distribución tiene el mayor impacto en el propio transformador y la tasa de ocurrencia más alta actualmente. Además, también existen fugas de transformadores de distribución, etc. Todos estos diferentes tipos de fallos pueden representar fallos térmicos, fallos eléctricos, o ambos fallos térmicos y de descarga simultáneamente. Sin embargo, la fuga de un transformador de distribución puede no presentar características de fallos térmicos o eléctricos en circunstancias normales.
Por lo tanto, es difícil categorizar los tipos de fallos de los transformadores de distribución dentro de un marco específico. Este documento adopta tipos de fallos relativamente comunes y generales de los transformadores de distribución, como fallos de cortocircuito, fallos de descarga, fallos de aislamiento, fallos del núcleo, fallos del cambiador de tomas, fallos de fuga de gas-aceite, fallos de daño por fuerza externa y fallos de protección por fusible. Cada tipo se discute por separado en términos de su causa y las medidas técnicas correspondientes.
2. Análisis de Fallos de Transformadores de Distribución
2.1 Fallos de Cortocircuito
2.1.1 Análisis de Causas de Fallos
Los fallos de cortocircuito de los transformadores de distribución se refieren principalmente a cortocircuitos en la salida de los transformadores de distribución, así como cortocircuitos entre las salidas internas o las bobinas a tierra, y cortocircuitos entre fases, que llevan a fallos.
Durante la operación normal de los transformadores de distribución, el daño causado por los fallos de cortocircuito en la salida es relativamente grave. Según estadísticas relevantes, los fallos directamente causados por el impacto de la corriente de cortocircuito en los transformadores de distribución en las redes eléctricas rurales representan aproximadamente el 40% de todos los fallos. Existen numerosos casos de este tipo. En particular, cuando ocurre un cortocircuito en la salida de baja tensión de un transformador de distribución, generalmente se deben reemplazar las bobinas. En casos graves, puede ser necesario reemplazar todas las bobinas, lo que resulta en consecuencias y pérdidas extremadamente graves. Por lo tanto, se debe prestar suficiente atención a esto.
Los impactos de los cortocircuitos en la salida en los transformadores de distribución incluyen principalmente los siguientes dos aspectos:
Fallos de Sobrecalentamiento de Aislamiento Causados por la Corriente de Cortocircuito
Debido al mantenimiento inadecuado de algunas líneas de baja tensión rurales, se producen con frecuencia sobrecargas y cortocircuitos. Cuando un transformador de distribución experimenta un cortocircuito repentino, sus bobinas de alta y baja tensión pueden pasar simultáneamente corrientes de cortocircuito decenas de veces superior al valor nominal. Esto genera una gran cantidad de calor, lo que hace que el transformador de distribución se sobrecaliente severamente y la temperatura de la bobina aumente rápidamente, provocando el envejecimiento del aislamiento. Cuando la capacidad del transformador de distribución para soportar la corriente de cortocircuito es insuficiente y su estabilidad térmica es pobre, el material aislante del transformador de distribución se dañará severamente, resultando en la ruptura y daño del transformador de distribución.
Fallos de Deformación de Bobinas Causados por la Fuerza Electrodinámica de Cortocircuito
Cuando un transformador de distribución es impactado por un cortocircuito, si la corriente de cortocircuito es pequeña y el fusible se quema correctamente, la deformación de la bobina será menor. Si la corriente de cortocircuito es grande y el fusible se quema con retraso o no se quema, el lado secundario generará una corriente de cortocircuito 20-30 veces mayor que la corriente nominal. El lado primario del transformador de distribución inevitablemente generará una gran corriente para contrarrestar el efecto desmagnetizador de la corriente de cortocircuito del lado secundario. La gran corriente genera una gran tensión mecánica dentro de la bobina, lo que hace que la bobina se comprima, se desplace o se deforme, los aislantes y placas se aflojen, los pernos de sujeción del núcleo se vuelvan flojos, la bobina de alta tensión se distorsione o estalle, y finalmente lleve a un fallo del transformador de distribución. Al mismo tiempo, las bobinas están sometidas a un par electromagnético relativamente grande, y el material aislante se desprende, exponiendo el cuerpo del cable y causando cortocircuitos entre vueltas. Para deformaciones menores, si no se reparan a tiempo, como restaurar la posición de los aislantes, apretar los pernos de presión de las bobinas y las barras y varillas de yugo, y fortalecer la fuerza de sujeción de las salidas, el efecto acumulativo después de múltiples impactos de cortocircuito también dañará el transformador de distribución.
2.1.2 Medidas para Reducir los Fallos de Cortocircuito
Optimización de los Requisitos de Selección. Al seleccionar un transformador de distribución, elija uno que pueda pasar sin problemas la prueba de cortocircuito. Determine razonablemente la capacidad del transformador de distribución y seleccione su impedancia de cortocircuito de manera razonable. Trate de usar transformadores de distribución S11 de alta eficiencia y eliminar transformadores de alto consumo de energía.
Optimización de las Condiciones y el Entorno de Operación. Mejore el nivel de aislamiento de las líneas de alimentación, especialmente el nivel de aislamiento de las líneas de salida de baja tensión del transformador de distribución a cierta distancia. Al mismo tiempo, eleve los estándares de los requisitos de corredor de seguridad y distancia de seguridad de las líneas de baja tensión para reducir el impacto y los peligros de los fallos en áreas cercanas. Esto incluye prestar atención a la instalación y calidad de mantenimiento de los terminales de caída de baja tensión (ya que la explosión de los terminales de baja tensión es en su mayoría equivalente a un cortocircuito secundario), prevenir la intrusión de pequeños animales, y mejorar los requisitos de calidad de los fusibles de baja tensión para prevenir situaciones como que los fusibles no se quemen.
Optimización de los Modos de Operación. Al determinar el modo de operación, calcule la corriente de cortocircuito y limite sus peligros. En particular, evite que el transformador de distribución opere bajo sobrecarga. Trate de calcular y ajustar la carga eléctrica del transformador de distribución.
Mejora del Nivel de Gestión de Operación. Primero, evite los impactos de cortocircuito causados por malas operaciones. Refuerce la supervisión y mantenimiento oportuno de los transformadores de distribución, detecte oportunamente el grado de deformación de los transformadores de distribución, y asegure su operación segura. Al mismo tiempo, incremente los esfuerzos de inspección sobre el consumo de energía de los usuarios en el área del transformador de distribución para prevenir problemas de sobrecarga causados por el robo de energía por parte de los usuarios.
2.2 Fallos de Descarga
Basándose en la densidad de energía de la descarga, los fallos de descarga de los transformadores de distribución se clasifican comúnmente en descarga parcial, descarga de chispas y descarga de alta energía. La descarga tiene dos tipos de efectos destructivos en el aislamiento: uno es que las partículas de descarga bombardean directamente el aislamiento, causando daños locales en el aislamiento y expandiéndolos gradualmente hasta que el aislamiento se rompe. El otro es que la acción química de gases activos como el calor, el ozono y los óxidos de nitrógeno generados por la descarga corroen el aislamiento local, aumentan la pérdida dieléctrica, y finalmente conducen a un fallo térmico.
2.2.1 Fallos de Descarga Parcial de los Transformadores de Distribución
La descarga parcial se refiere a un fenómeno de descarga no penetrante que ocurre en los bordes de espacios de aire, películas de aceite o conductores dentro de la estructura de aislamiento bajo la acción del voltaje. Al principio, la descarga parcial es una descarga de baja energía. Cuando esta descarga ocurre dentro de un transformador de distribución, la situación es relativamente compleja. Según diferentes medios de aislamiento, la descarga parcial se puede dividir en descarga parcial en burbujas y descarga parcial en aceite. Según las ubicaciones de aislamiento, incluye descarga parcial en cavidades de aislamiento sólido, en puntas de electrodos, en espacios de esquina de aceite, en espacios de aceite entre aceite y cartón aislante, y a lo largo de la superficie de aislamiento sólido en aceite. Las razones para la descarga parcial son las siguientes:
Cuando hay burbujas en el aceite o cavidades en el material de aislamiento sólido, debido a la pequeña constante dieléctrica del gas, soporta una alta intensidad de campo eléctrico bajo voltaje alterno, pero su resistencia a la tensión es menor que la de los materiales de aislamiento de aceite y papel. Por lo tanto, la descarga es probable que ocurra primero en el espacio de aire.
Influencia de las condiciones ambientales externas. Por ejemplo, si el tratamiento del aceite no es completo y las burbujas precipitan del aceite, causará descarga.
Debido a la mala calidad de fabricación. Por ejemplo, la descarga ocurre en algunas partes con bordes afilados. Se introducen burbujas, residuos y humedad, o debido a factores relacionados con la temperatura externa, como nódulos de pintura, que soportan una intensidad de campo eléctrico relativamente alta.
Descarga causada por el mal contacto entre piezas metálicas o conductores. Aunque la densidad de energía de la descarga parcial no es grande, si se desarrolla más, formará un ciclo vicioso de descarga, conduciendo finalmente a la ruptura o daño del equipo y causando serios accidentes de quemado.
2.2.2 Fallos de Descarga de Chispas de los Transformadores de Distribución
Generalmente, la descarga de chispas no causa rápidamente la ruptura del aislamiento. Se manifiesta principalmente en un análisis cromatográfico anormal del aceite, un aumento en la cantidad de descarga parcial, o gas ligero. Es relativamente fácil de detectar y manejar, pero se debe prestar suficiente atención a su desarrollo. Hay principalmente dos razones para la descarga de chispas:
Descarga de Chispas Causada por Potencial Flotante. En equipos de alta tensión, ciertas partes metálicas, debido a razones estructurales o mal contacto durante el transporte y operación, se desconectan y se encuentran entre los electrodos de alta y baja tensión, dividiendo la tensión según su impedancia. El potencial respecto a tierra generado en esta parte metálica se llama potencial flotante. La intensidad del campo eléctrico cerca de un objeto con potencial flotante está relativamente concentrada, a menudo quemando gradualmente el dielectrículo sólido circundante o carbonizándolo.
También hace que el aceite aislante se descomponga en grandes cantidades de gases característicos bajo la acción del potencial flotante, resultando en un análisis cromatográfico anormal del aceite aislante. La descarga flotante puede ocurrir en partes metálicas de alto potencial dentro del transformador de distribución, como el devanado de regulación, cuando la bola de gradiente del cubreterminal y la horquilla del cambiador de tomas sin carga tienen un potencial flotante. Para partes a potencial de tierra, como la pantalla magnética de lámina de silicio y diversos pernos metálicos de fijación, si su conexión a tierra es floja o se desprenden, llevará a la descarga de potencial flotante. El mal contacto en el extremo del cubreterminal de alta tensión del transformador de distribución también puede formar un potencial flotante y causar una descarga de chispas.
Descarga de Chispas Causada por Impurezas en el Aceite
La causa principal de los fallos de descarga de chispas en los transformadores de distribución es la influencia de impurezas en el aceite. Estas impurezas están compuestas por humedad, sustancias fibrosas (principalmente fibras húmedas), etc. La constante dieléctrica ε del agua es aproximadamente 40 veces la del aceite del transformador de distribución. En un campo eléctrico, las impurezas se polarizan y atraen primero a la zona con la mayor intensidad de campo eléctrico, es decir, cerca de los electrodos, y se disponen en la dirección de las líneas de campo eléctrico. Así, se forma un "puente" de impurezas cerca de los electrodos.
La conductividad y la constante dieléctrica del "puente" son ambas mayores que las del aceite del transformador de distribución. Según los principios de campos electromagnéticos, la presencia del "puente" distorsiona el campo eléctrico en el aceite. Dado que la constante dieléctrica de las fibras es pequeña, el campo eléctrico en el aceite en los extremos de las fibras se fortalece. Por lo tanto, la descarga ocurre y se desarrolla primero en esta parte del aceite. El aceite se disocia en un entorno de alto campo eléctrico, descomponiéndose en gases, lo que hace que las burbujas aumenten de tamaño y la disociación se fortalezca. Posteriormente, el proceso se desarrolla gradualmente, conduciendo a una descarga de chispas en toda la brecha de aceite a través del canal de gas. Por lo tanto, la descarga de chispas puede ocurrir a un voltaje relativamente bajo.
Si la distancia entre los electrodos no es grande y hay suficientes impurezas, el "puente" puede conectar los dos electrodos. En este caso, debido a la alta conductividad del "puente", una corriente grande fluye a lo largo del "puente" (la magnitud de la corriente depende de la capacidad de la fuente de alimentación), causando que el "puente" se caliente intensamente. La humedad y el aceite cercano en el "puente" hierven y se vaporizan, creando un canal de gas - el "puente de burbujas", y ocurre una descarga de chispas.
Si las fibras no están húmedas, la conductividad del "puente" es muy pequeña, y su influencia en el voltaje de descarga de chispas del aceite también es relativamente pequeña; en cambio, la influencia es mayor. Por lo tanto, la descarga de chispas del aceite del transformador de distribución causada por impurezas está relacionada con el proceso de calentamiento del "puente". Cuando actúa un voltaje de impulso o el campo eléctrico es extremadamente no uniforme, no es fácil que las impurezas formen un "puente", y su efecto se limita solo a distorsionar el campo eléctrico. El proceso de descarga de chispas depende principalmente de la magnitud del voltaje aplicado.
2.2.3 Fallos de Descarga de Arco de los Transformadores de Distribución
La descarga de arco es una descarga de alta energía, que se ve comúnmente como la ruptura del aislamiento entre vueltas o capas. Otros fallos comunes incluyen la ruptura de conexiones, flashover a tierra y arcos en los cambiadores de tomas.
Influencia de la Descarga de Arco. Debido a la alta densidad de energía de los fallos de descarga de arco, el gas se genera rápidamente. A menudo impacta el dieléctrico en forma de avalanchas de electrones, causando que el papel aislante se perfora, se carboniza o se carboniza, deformando o derritiendo y quemando los materiales metálicos. En casos graves, puede causar daños en el equipo o incluso explosiones. Tales accidentes generalmente son difíciles de prever con anticipación y no tienen signos obvios, surgiendo de manera súbita.
Características de Gases de la Descarga de Arco. Después de que ocurre un fallo de descarga de arco, el aceite del transformador de distribución también se carboniza y se vuelve negro. Los componentes principales de los gases característicos en el aceite son H2 y C2H2, seguidos de C2H6 y CH4. Cuando el fallo de descarga involucra aislamiento sólido, también se generarán CO y CO2.En resumen, las tres formas de descarga tienen tanto diferencias como ciertas conexiones. Las diferencias se refieren al nivel de energía de la descarga y a la composición de los gases, mientras que la conexión es que la descarga parcial es un precursor de las otras dos formas de descarga, y las dos últimas son resultados inevitables del desarrollo de la primera. Dado que los fallos que ocurren dentro de los transformadores de distribución a menudo están en un estado de desarrollo gradual, y la mayoría de ellos no son fallos de un solo tipo, sino que un tipo va acompañado de otro tipo, o varios tipos ocurren simultáneamente. Por lo tanto, se requiere un análisis más cuidadoso y un tratamiento específico.
2.3 Fallos de Aislamiento
Actualmente, los transformadores de distribución más ampliamente utilizados en las redes eléctricas rurales son transformadores sumergidos en aceite. El aislamiento de un transformador de distribución se refiere al sistema de aislamiento compuesto por sus materiales aislantes. Es una condición fundamental para la operación normal del transformador de distribución, y la vida útil del transformador de distribución está determinada por la vida útil de los materiales aislantes (como aceite-papel o resina). La experiencia práctica ha demostrado que la mayoría de los daños y fallos de los transformadores de distribución son causados por el daño del sistema de aislamiento.
Por lo tanto, proteger la operación normal del transformador de distribución y fortalecer el mantenimiento razonable del sistema de aislamiento pueden, en gran medida, garantizar una vida útil relativamente larga para el transformador de distribución. El mantenimiento preventivo y predictivo son clave para extender la vida útil de los transformadores de distribución y mejorar la confiabilidad del suministro de energía.
En los transformadores de distribución sumergidos en aceite, los principales materiales aislantes son el aceite aislante y los materiales aislantes sólidos como el papel aislante, cartón y bloques de madera. Lo que se llama envejecimiento del aislamiento del transformador de distribución significa que estos materiales se descomponen bajo la influencia de factores ambientales, reduciendo o perdiendo su resistencia aislante.
2.3.1 Fallos de Aislamiento de Papel Sólido
El aislamiento sólido es uno de los componentes principales del aislamiento de los transformadores de distribución sumergidos en aceite, incluyendo papel aislante, tablero aislante, almohadillas aislantes, bobinas aislantes, cintas de atado aislantes, etc. Su componente principal es celulosa. Después de que el papel aislante envejece, su grado de polimerización y resistencia a la tracción disminuyen gradualmente, y se generan agua, CO y CO2. Además, se produce furfural (furfuraldehído). La mayoría de estos productos de envejecimiento son perjudiciales para los equipos eléctricos. Pueden reducir la tensión de ruptura y la resistividad volumétrica del papel aislante, aumentar la pérdida dieléctrica, disminuir la resistencia a la tracción, e incluso corroer los materiales metálicos en el equipo.
2.3.2 Fallos de Aislamiento de Aceite Líquido
Razones para la Deterioración del Aceite del Transformador de Distribución
La contaminación significa que la humedad y las impurezas se mezclan en el aceite. Estos no son productos de oxidación del aceite. El rendimiento aislante del aceite contaminado empeora, la tensión de ruptura eléctrica disminuye, y el ángulo de pérdida dieléctrica aumenta.
La deterioración es el resultado de la oxidación del aceite. Esta oxidación no solo se refiere a la oxidación de los hidrocarburos en el aceite puro, sino que también incluye la aceleración del proceso de oxidación por impurezas en el aceite, especialmente virutas de metal de cobre, hierro y aluminio.
El oxígeno proviene del aire dentro del transformador de distribución. Incluso en un transformador de distribución completamente sellado, aún hay alrededor del 0.25% de oxígeno en volumen. El oxígeno tiene una solubilidad relativamente alta, por lo que ocupa una proporción relativamente alta entre los gases disueltos en el aceite.
Cuando el aceite del transformador de distribución se oxida, la humedad como catalizador y el calor como acelerador hacen que el aceite del transformador de distribución genere lodo. Sus principales impactos son los siguientes: bajo la acción del campo eléctrico, las partículas de sedimento son grandes; las impurezas se concentran en la zona con el campo eléctrico más fuerte, formando un "puente" conductor para el aislamiento del transformador de distribución; el sedimento no es uniforme, sino que forma tiras delgadas separadas, y puede estar dispuesto en la dirección de las líneas de campo eléctrico, lo que indudablemente obstaculiza la disipación de calor, acelera el envejecimiento de los materiales aislantes, y lleva a una disminución de la resistencia aislante y del nivel de aislamiento.
El Proceso de Deterioración del Aceite del Transformador de Distribución
Durante el proceso de deterioración del aceite, los principales productos en cada etapa son peróxidos, ácidos, alcoholes, cetonas y lodo.
