Discussion sur les pannes des transformateurs de distribution du réseau électrique rural
1. Introduction
En raison d'une longue période d'exploitation, les pannes et accidents des transformateurs de distribution dans les réseaux électriques ruraux ne peuvent être complètement évités. Ces pannes et accidents sont causés par de nombreux facteurs, tels que des forces externes comme les dommages et les impacts, ainsi que des catastrophes naturelles irrésistibles telles que les coups de foudre. En outre, dans certaines zones rurales, les lignes basse tension sont insuffisamment entretenues, ce qui entraîne fréquemment des surcharges et des courts-circuits, provoquant la destruction des transformateurs de distribution. Cela est devenu un facteur majeur contribuant aux pannes.
Pour prévenir la destruction des transformateurs de distribution et réduire leurs pannes opérationnelles dans les réseaux électriques ruraux, cet article résume et analyse certains types de pannes typiques et leurs causes, explore des mesures préventives, examine en profondeur les dangers potentiels et les points faibles des transformateurs de distribution, prévient et limite efficacement l'occurrence des pannes de destruction, et améliore ainsi la fiabilité de l'alimentation électrique des réseaux électriques ruraux.
Actuellement, les transformateurs de distribution utilisés dans les réseaux électriques ruraux sont principalement des transformateurs de distribution à huile. Les pannes de ces transformateurs sont généralement classées en pannes internes et externes. Les pannes internes se réfèrent à divers dysfonctionnements survenant à l'intérieur du réservoir du transformateur. Les principaux types incluent les courts-circuits entre phases des enroulements, les courts-circuits tour à tour au sein des enroulements, et les pannes de mise à la terre où les enroulements ou les sorties entrent en contact avec le boîtier extérieur. Les pannes externes sont divers dysfonctionnements survenant sur les embases isolantes à l'extérieur du réservoir du transformateur et leurs sorties. Les principaux types sont la mise à la terre due à la flashover ou à la rupture des embases isolantes, et les courts-circuits interphasiques ou la mise à la terre des lignes de sortie basse tension.
Comme les pannes des transformateurs de distribution couvrent un large éventail, il existe de nombreuses méthodes de classification spécifiques. Par exemple, du point de vue des circuits, elles sont principalement classées en pannes de circuit, pannes de circuit magnétique et pannes de circuit d'huile. Si on les classe selon la structure principale du transformateur de distribution, elles peuvent être divisées en pannes d'enroulement, pannes de noyau, pannes de qualité d'huile et pannes d'accessoires. Traditionnellement, les types de pannes des transformateurs de distribution sont généralement classés en fonction des zones de panne courantes, telles que les pannes d'isolation, les pannes de noyau, les pannes de changeur de dérivation, etc. Parmi elles, la panne de court-circuit de sortie du transformateur de distribution a le plus grand impact sur le transformateur lui-même et le taux d'occurrence actuel le plus élevé. De plus, il y a également des pannes de fuite de transformateur de distribution, etc. Tous ces différents types de pannes peuvent représenter des pannes thermiques, électriques ou à la fois thermiques et de décharge. Cependant, la panne de fuite d'un transformateur de distribution peut ne pas présenter de caractéristiques de panne thermique ou électrique dans des conditions normales.
Il est donc difficile de catégoriser les types de pannes des transformateurs de distribution dans un cadre spécifique. Cet article adopte des types de pannes relativement courants et généraux des transformateurs de distribution, tels que les pannes de court-circuit, les pannes de décharge, les pannes d'isolation, les pannes de noyau, les pannes de changeur de dérivation, les pannes de fuite d'huile-gaz, les pannes de dommage par force externe et les pannes de protection par fusible. Chaque type est discuté séparément en termes de cause et de mesures techniques correspondantes.
2. Analyse des pannes des transformateurs de distribution
2.1 Pannes de court-circuit
2.1.1 Analyse des causes de panne
Les pannes de court-circuit des transformateurs de distribution se réfèrent principalement aux courts-circuits de sortie des transformateurs de distribution, ainsi qu'aux courts-circuits entre les connexions internes ou les enroulements à la terre, et les courts-circuits entre les phases, qui conduisent à des pannes.
Lors de l'exploitation normale des transformateurs de distribution, les dommages causés par les pannes de court-circuit de sortie sont relativement graves. Selon des statistiques pertinentes, les pannes directement résultant des impacts de courant de court-circuit sur les transformateurs de distribution dans les réseaux électriques ruraux représentent environ 40% de toutes les pannes. Il y a de nombreux cas de ce type. En particulier, lorsqu'un court-circuit de sortie basse tension se produit dans un transformateur de distribution, les enroulements doivent généralement être remplacés. Dans les cas graves, tous les enroulements peuvent nécessiter un remplacement, entraînant des conséquences et des pertes extrêmement graves. Par conséquent, cela devrait faire l'objet d'une attention suffisante.
Les impacts des courts-circuits de sortie sur les transformateurs de distribution comprennent principalement les deux aspects suivants:
Panne d'isolation par surchauffe due au courant de court-circuit
En raison de l'entretien insuffisant de certaines lignes basse tension rurales, des surcharges et des courts-circuits se produisent fréquemment. Lorsqu'un transformateur de distribution subit soudainement un court-circuit, ses enroulements haute et basse tension peuvent simultanément passer des courants de court-circuit plusieurs dizaines de fois supérieurs à la valeur nominale. Cela génère une grande quantité de chaleur, faisant surchauffer gravement le transformateur de distribution et augmenter rapidement la température des bobines, entraînant le vieillissement de l'isolation. Lorsque la capacité du transformateur de distribution à supporter le courant de court-circuit est insuffisante et sa stabilité thermique est mauvaise, le matériau d'isolation du transformateur de distribution sera gravement endommagé, entraînant une rupture et un dommage du transformateur de distribution.
Panne de déformation d'enroulement due à la force électrodynamique de court-circuit
Lorsqu'un transformateur de distribution est impacté par un court-circuit, si le courant de court-circuit est faible et que le fusible fond correctement, la déformation de l'enroulement sera mineure. Si le courant de court-circuit est important et que le fusible fond avec retard ou ne fond pas, le côté secondaire générera un courant de court-circuit 20-30 fois supérieur au courant nominal. Le côté primaire du transformateur de distribution générera inévitablement un courant important pour contrer l'effet démagnétisant du courant de court-circuit du côté secondaire. Ce courant important génère une contrainte mécanique significative à l'intérieur de la bobine, faisant compresser, déplacer ou déformer la bobine, relâcher les coussinets et les plaques d'isolation, desserrer les boulons de serrage du noyau, tordre ou éclater l'enroulement haute tension, et finalement entraîner une panne du transformateur de distribution. En même temps, les enroulements sont soumis à un couple électromagnétique relativement important, et le matériau d'isolation s'écaille, exposant le corps du fil et causant des courts-circuits tour à tour. Pour des déformations mineures, si elles ne sont pas réparées en temps opportun, telles que la restauration de la position des coussinets, le resserrement des clous de pression des enroulements et des tiges de traction et des barres de la traverse, et le renforcement de la force de serrage des connexions, l'effet cumulatif après plusieurs impacts de court-circuit endommagera également le transformateur de distribution.
2.1.2 Mesures pour réduire les pannes de court-circuit
Optimisation des exigences de sélection. Lors de la sélection d'un transformateur de distribution, choisissez-en un qui puisse passer le test de court-circuit en douceur. Déterminez raisonnablement la capacité du transformateur de distribution et sélectionnez rationnellement son impédance de court-circuit. Essayez d'utiliser des transformateurs de distribution S11 à haute efficacité énergétique et éliminez les transformateurs à forte consommation d'énergie.
Optimisation des conditions et de l'environnement d'exploitation. Améliorez le niveau d'isolation des lignes électriques, en particulier le niveau d'isolation des lignes de sortie basse tension du transformateur de distribution sur une certaine distance. En même temps, relevez les normes de corridor de sécurité et d'exigences de distance de sécurité pour les lignes basse tension afin de réduire l'impact et les dangers des pannes dans les zones avoisinantes. Cela comprend de prêter attention à la qualité d'installation et de maintenance des terminaux de chute basse tension (car l'explosion des terminaux basse tension est souvent équivalente à un court-circuit secondaire), de prévenir l'intrusion des petits animaux, et d'améliorer les exigences de qualité des fusibles basse tension pour éviter des situations telles que les fusibles qui ne fondent pas.
Optimisation des modes d'exploitation. Lors de la détermination du mode d'exploitation, calculez le courant de court-circuit et limitez ses dangers. En particulier, empêchez le transformateur de distribution de fonctionner en surcharge. Essayez de calculer et d'ajuster la charge électrique du transformateur de distribution.
Amélioration du niveau de gestion de l'exploitation. Premièrement, prévenez les impacts de court-circuit dus à une mauvaise manipulation. Renforcez la surveillance et la maintenance en temps opportun des transformateurs de distribution, détectez promptement le degré de déformation des transformateurs de distribution, et assurez leur fonctionnement en toute sécurité. En même temps, intensifiez les efforts d'inspection sur la consommation d'électricité des utilisateurs dans la zone de distribution du transformateur pour prévenir les problèmes de surcharge causés par le vol d'électricité par les utilisateurs.
2.2 Pannes de décharge
Sur la base de la densité d'énergie de la décharge, les pannes de décharge des transformateurs de distribution sont généralement classées en décharge partielle, décharge par étincelle et décharge à haute énergie. La décharge a deux types d'effets destructeurs sur l'isolation : l'un est que les particules de décharge bombardent directement l'isolation, causant un dommage local de l'isolation et l'élargissant progressivement jusqu'à la rupture de l'isolation. L'autre est que l'action chimique des gaz actifs tels que la chaleur, l'ozone et les oxydes d'azote générés par la décharge corrode l'isolation locale, augmente la perte diélectrique, et finalement conduit à une rupture thermique.
2.2.1 Pannes de décharge partielle des transformateurs de distribution
La décharge partielle fait référence à un phénomène de décharge non transitoire qui se produit aux bords des espaces d'air, des films d'huile ou des conducteurs à l'intérieur de la structure d'isolation sous l'action de la tension. Au début, la décharge partielle est une décharge à faible énergie. Lorsque ce type de décharge se produit à l'intérieur d'un transformateur de distribution, la situation est relativement complexe. Selon différents milieux d'isolation, la décharge partielle peut être divisée en décharge partielle dans les bulles et décharge partielle dans l'huile. Selon les emplacements d'isolation, elle comprend la décharge partielle dans les cavités de l'isolation solide, aux pointes des électrodes, dans les espaces d'angle de l'huile, dans les espaces d'huile entre l'huile et les cartons d'isolation, et le long de la surface de l'isolation solide dans l'huile. Les raisons de la décharge partielle sont les suivantes :
Lorsqu'il y a des bulles dans l'huile ou des cavités dans le matériau d'isolation solide, en raison de la faible constante diélectrique du gaz, il supporte une forte intensité de champ électrique sous une tension alternative, mais sa résistance à la tension est inférieure à celle des matériaux d'isolation d'huile et de papier. Par conséquent, la décharge est susceptible de se produire en premier dans l'espace d'air.
Influence des conditions environnementales externes. Par exemple, si le traitement de l'huile n'est pas complet et que des bulles précipitent de l'huile, cela causera une décharge.
En raison d'une mauvaise qualité de fabrication. Par exemple, la décharge se produit à certains endroits avec des angles vifs. Des bulles, des débris et de l'humidité sont introduits, ou en raison de facteurs externes liés à la température tels que des nodules de peinture, ils supportent une intensité de champ électrique relativement élevée.
Décharge causée par un mauvais contact entre les parties métalliques ou les conducteurs. Bien que la densité d'énergie de la décharge partielle ne soit pas grande, si elle se développe davantage, elle formera un cycle vicieux de décharge, aboutissant finalement à la rupture ou à l'endommagement de l'équipement et causant des accidents de brûlure graves.
2.2.2 Pannes de décharge par étincelle des transformateurs de distribution
Généralement, la décharge par étincelle ne cause pas rapidement la rupture de l'isolation. Elle est principalement reflétée par une analyse chromatographique anormale de l'huile, une augmentation de la quantité de décharge partielle, ou un gaz léger. Elle est relativement facile à détecter et à traiter, mais une attention suffisante doit être portée à son développement. Il y a principalement deux raisons pour la décharge par étincelle :
Décharge par étincelle causée par un potentiel flottant. Dans les équipements électriques à haute tension, une certaine partie métallique, en raison de raisons structurelles ou d'un mauvais contact pendant le transport et l'exploitation, est déconnectée et se trouve entre les électrodes haute et basse tension, divisant la tension selon son impédance. Le potentiel par rapport à la terre généré sur cette partie métallique est appelé le potentiel flottant. L'intensité du champ électrique près d'un objet ayant un potentiel flottant est relativement concentrée, souvent brûlant progressivement l'isolant solide environnant ou le carbonisant.
Cela cause également la décomposition d'une grande quantité de gaz caractéristiques dans l'huile isolante sous l'action du potentiel flottant, entraînant un résultat anormal de l'analyse chromatographique de l'huile isolante. La décharge flottante peut se produire dans les parties métalliques à haut potentiel à l'intérieur du transformateur de distribution, telles que l'enroulement de réglage, lorsque la sphère de gradation de l'embase et la fourchette de changement de dérivation ont un potentiel flottant. Pour les parties à potentiel de terre, telles que la protection magnétique de la feuille de silicium et diverses vis de fixation, si leur connexion à la terre est lâche ou détachée, cela entraînera une décharge de potentiel flottant. Un mauvais contact à l'extrémité de l'embase haute tension du transformateur de distribution peut également former un potentiel flottant et provoquer une décharge par étincelle.
Décharge par étincelle causée par des impuretés dans l'huile
La cause principale des pannes de décharge par étincelle des transformateurs de distribution est l'influence des impuretés dans l'huile. Ces impuretés sont composées d'eau, de substances fibreuse (principalement des fibres humides), etc. La constante diélectrique ε de l'eau est environ 40 fois celle de l'huile du transformateur de distribution. Dans un champ électrique, les impuretés sont d'abord polarisées et attirées vers la zone avec la plus forte intensité de champ électrique, c'est-à-dire près des électrodes, et sont disposées dans la direction des lignes de champ électrique. Ainsi, un "pont" d'impuretés se forme près des électrodes.
La conductivité et la constante diélectrique du "pont" sont toutes deux supérieures à celles de l'huile du transformateur de distribution. Selon les principes des champs électromagnétiques, la présence du "pont" déforme le champ électrique dans l'huile. Comme la constante diélectrique des fibres est faible, le champ électrique dans l'huile aux extrémités des fibres est renforcé. Par conséquent, la décharge se produit et se développe en premier dans cette partie de l'huile. L'huile se dissocie dans un environnement de champ électrique élevé, se décomposant en gaz, ce qui fait augmenter la taille des bulles et renforcer la dissociation. Ensuite, le processus se développe progressivement, aboutissant à une décharge par étincelle dans l'ensemble de l'interstice d'huile par le biais du canal de gaz. Ainsi, une décharge par étincelle peut se produire à une tension relativement faible.
Si la distance entre les électrodes n'est pas grande et qu'il y a suffisamment d'impuretés, le "pont" peut relier les deux électrodes. À ce moment, en raison de la conductivité relativement élevée du "pont", un courant important circule le long du "pont" (la magnitude du courant dépend de la capacité de l'alimentation), faisant chauffer intensément le "pont". L'eau et l'huile voisine dans le "pont" bouillent et se vaporisent, créant un canal de gaz - le "pont de bulle", et une décharge par étincelle se produit.
Si les fibres ne sont pas humides, la conductivité du "pont" est très faible, et son influence sur la tension de décharge par étincelle de l'huile est également relativement faible ; inversement, l'influence est plus grande. Par conséquent, la décharge par étincelle de l'huile du transformateur de distribution causée par des impuretés est liée au processus de chauffage du "pont". Lorsqu'une tension d'impulsion agit ou que le champ électrique est extrêmement non uniforme, il n'est pas facile pour les impuretés de former un "pont", et leur effet se limite à déformer le champ électrique. Le processus de décharge par étincelle dépend principalement de la magnitude de la tension appliquée.
2.2.3 Pannes de décharge par arc des transformateurs de distribution
La décharge par arc est une décharge à haute énergie, qui est couramment observée comme une rupture d'isolation entre les tours ou les couches d'enroulement. D'autres pannes courantes incluent la rupture des connexions, la flashover vers la terre, et l'arcing des changeurs de dérivation.
Influence de la décharge par arc. En raison de la forte densité d'énergie des pannes de décharge par arc, le gaz est généré rapidement. Il impacte souvent le milieu diélectrique sous la forme d'avalanches d'électrons, faisant perforer, carboniser ou charbonner le papier isolant, déformant ou fondant et brûlant les matériaux métalliques. Dans les cas graves, cela peut causer l'endommagement de l'équipement ou même des explosions. De tels accidents sont généralement difficiles à prédire à l'avance et n'ont pas d'indices évidents, apparaissant souvent de manière soudaine.
Caractéristiques gazeuses de la décharge par arc. Après l'occurrence d'une panne de décharge par arc, l'huile du transformateur de distribution se carbonise également et devient noire. Les principaux composants des gaz caractéristiques dans l'huile sont H2 et C2H2, suivis de C2H6 et CH4. Lorsque la panne de décharge implique l'isolation solide, CO et CO2 seront également produits.En résumé, les trois formes de décharge ont à la fois des différences et certaines connexions. Les différences se réfèrent au niveau d'énergie de décharge et à la composition des gaz, tandis que la connexion est que la décharge partielle est un prélude aux deux autres formes de décharge, et que les deux dernières sont des résultats inévitables du développement de la première. Étant donné que les pannes survenues à l'intérieur des transformateurs de distribution sont souvent dans un état de développement progressif, et que la plupart d'entre elles ne sont pas des pannes de type unique, mais plutôt un type accompagné d'un autre type, ou plusieurs types se produisent simultanément. Par conséquent, une analyse plus minutieuse et un traitement spécifique sont nécessaires.
2.3 Pannes d'isolation
Actuellement, les transformateurs de distribution les plus largement utilisés dans les réseaux électriques ruraux sont des transformateurs à huile. L'isolation d'un transformateur de distribution fait référence au système d'isolation composé de ses matériaux d'isolation. C'est une condition fondamentale pour le fonctionnement normal du transformateur de distribution, et la durée de vie du transformateur de distribution est déterminée par la durée de vie des matériaux d'isolation (tels que l'huile-papier ou la résine). L'expérience pratique a prouvé que la plupart des dommages et des pannes des transformateurs de distribution sont causés par l'endommagement du système d'isolation.
Par conséquent, protéger le fonctionnement normal du transformateur de distribution et renforcer l'entretien raisonnable du système d'isolation peuvent, dans une large mesure, assurer une durée de vie relativement longue pour le transformateur de distribution. La maintenance préventive et prédictive sont les clés pour prolonger la durée de vie des transformateurs de distribution et améliorer la fiabilité de l'alimentation électrique.
Dans les transformateurs de distribution à huile, les principaux matériaux d'isolation sont l'huile isolante et les matériaux d'isolation solide tels que le papier isolant, le carton, et les blocs de bois. Le soi-disant vieillissement de l'isolation du transformateur de distribution signifie que ces matériaux se décomposent sous l'influence des facteurs environnementaux, réduisant ou perdant leur force d'isolation.
2.3.1 Pannes d'isolation en papier solide
L'isolation solide est l'un des principaux composants de l'isolation des transformateurs de distribution à huile, comprenant le papier isolant, le carton isolant, le coussinet isolant, l'enroulement isolant, la bande de liaison isolante, etc. Son principal composant est la cellulose. Après le vieillissement du papier isolant, son degré de polymérisation et sa résistance à la traction diminuent progressivement, et de l'eau, du CO et du CO2 sont produits. De plus, du furfural (furfuraldéhyde) est également produit. La plupart de ces produits de vieillissement sont nocifs pour les équipements électriques. Ils peuvent réduire la tension de claquage et la résistivité volumique du papier isolant, augmenter la perte diélectrique, diminuer la résistance à la traction, et même corroder les matériaux métalliques dans l'équipement.
2.3.2 Pannes d'isolation en huile liquide
Raisons de la dégradation de l'huile du transformateur de distribution
La contamination signifie que de l'eau et des impuretés sont mélangées à l'huile. Ces éléments ne sont pas des produits d'oxydation de l'huile. Les performances d'isolation de l'huile contaminée se dégradent, la tension de claquage diminue, et l'angle de perte diélectrique augmente.
La dégradation est le résultat de l'oxydation de l'huile. Cette oxydation ne concerne pas seulement l'oxydation des hydrocarbures dans l'huile pure, mais inclut également l'accélération du processus d'oxydation par les impuretés dans l'huile, en particulier les copeaux de cuivre, de fer et d'aluminium.
L'oxygène provient de l'air à l'intérieur du transformateur de distribution. Même dans un transformateur de distribution totalement scellé, il y a encore environ 0,25% d'oxygène en volume. L'oxygène a une solubilité relativement élevée, il occupe donc une proportion relativement élevée parmi les gaz dissous dans l'huile.
Lorsque l'huile du transformateur de distribution s'oxyde, l'eau en tant que catalyseur et la chaleur en tant qu'accélérateur font que l'huile du transformateur de distribution génère des dépôts. Ses principaux impacts sont les suivants : sous l'action du champ électrique, les particules de dépôt sont grandes ; les impuretés se concentrent dans la zone avec le champ électrique le plus fort, formant un "pont" conducteur pour l'isolation du transformateur de distribution ; les dép
