Discusión sobre fallos de transformadores de distribución na rede eléctrica rural
1. Introducción
Debido á súa lonxitude de operación, non se poden evitar completamente as fallos e accidentes dos transformadores de distribución nas redes eléctricas rurais. Estes fallos e accidentes son causados por moitos factores, como forzas externas como danos e impactos, e desastres naturais incontrolables como descargas eléctricas. Ao mesmo tempo, en algúns áreas rurais, as liñas de baixa tensión están mal mantidas, provocando con frecuencia sobrecargas e cortocircuitos, que causan a quema dos transformadores de distribución. Este é un factor importante que contribúe aos fallos.
Para prevenir a quema dos transformadores de distribución e reducir os seus fallos operativos nas redes eléctricas rurais, este artigo resume e analiza algúns tipos de fallos típicos e as súas causas, explora medidas preventivas, investiga e aborda potenciais perigos e puntos débiles dos transformadores de distribución, previne e controla eficazmente a ocorrência de fallos de quema, e así aumenta a fiabilidade do suministro de enerxía nas redes eléctricas rurais.
Actualmente, os transformadores de distribución utilizados nas redes eléctricas rurais son principalmente transformadores de distribución imersos en óleo. Os fallos destes transformadores suelen clasificarse en fallos internos e externos. Os fallos internos refírense a varios malfuncionamentos que ocorren dentro do tanque do transformador. Os principais tipos inclúen cortocircuitos entre espiras, cortocircuitos entre voltas dentro das espiras, e fallos de aterramento onde as espiras ou saídas entran en contacto coa carcasa exterior. Os fallos externos son varios malfuncionamentos que ocorren nos tubos de aislamento fóra do tanque do transformador e nas súas saídas. Os principais tipos son aterramentos debido a descargas ou roturas de tubos de aislamento, e cortocircuitos interfasias ou aterramentos de liñas de saída de baixa tensión.
Dado que os fallos dos transformadores de distribución abarcan unha ampla gama, hai numerosos métodos específicos de clasificación. Por exemplo, desde o punto de vista dos circuitos, suelen clasificarse en fallos de circuito, fallos de circuito magnético e fallos de circuito de óleo. Se se clasifican segundo a estrutura principal do transformador de distribución, poden dividirse en fallos de espiras, fallos de núcleo, fallos de calidade do óleo e fallos de accesorios. Convencionalmente, os tipos de fallos dos transformadores de distribución xeralmente clasifícanse segundo as zonas comúns propensas a fallos, como fallos de aislamento, fallos de núcleo, fallos de cambia-tensión, etc. Entre eles, o fallo de cortocircuito na saída do transformador de distribución ten o maior impacto no propio transformador e a taxa de ocorrência máis alta actualmente. Ademais, tamén hai fallos de fuga nos transformadores de distribución, etc. Todos estes diferentes tipos de fallos poden representar fallos térmicos, eléctricos ou ambos térmicos e de descarga simultaneamente. No entanto, o fallo de fuga dun transformador de distribución pode non exhibir características de fallo térmico ou eléctrico en circunstancias normais.
Por tanto, é difícil categorizar os tipos de fallos dos transformadores de distribución dentro dun marco específico. Este artigo adopta tipos de fallos relativamente comúns e xerais dos transformadores de distribución, como fallos de cortocircuito, fallos de descarga, fallos de aislamento, fallos de núcleo, fallos de cambia-tensión, fallos de fuga de óleo-gás, fallos de danos por forzas externas e fallos de protección por fusibles. Cada tipo discútese separadamente en termos da súa causa e as medidas técnicas correspondentes.
2. Análise de Fallos dos Transformadores de Distribución
2.1 Fallos de Cortocircuito
2.1.1 Análise das Causas do Fallo
Os fallos de cortocircuito dos transformadores de distribución refírense principalmente a cortocircuitos na saída dos transformadores de distribución, así como cortocircuitos entre ligações internas ou espiras ao terra, e cortocircuitos entre fases, que levam a fallos.
Durante a operación normal dos transformadores de distribución, o dano causado por fallos de cortocircuito na saída é relativamente grave. Segundo estatísticas relevantes, os fallos directamente resultantes do impacto da corrente de fallo de cortocircuito nos transformadores de distribución nas redes eléctricas rurais supón aproximadamente o 40% de todos os fallos. Hai numerosos casos deste tipo. En particular, cando ocorre un cortocircuito na saída de baixa tensión dun transformador de distribución, xeralmente é necesario substituír as espiras. En casos graves, pode ser necesario substituír todas as espiras, resultando en consecuencias e perdas extremadamente graves. Polo tanto, debe recibir suficiente atención.
Os impactos dos cortocircuitos na saída nos transformadores de distribución inclúen principalmente os seguintes dous aspectos:
Fallo de Sobrecaloramento de Aislamento Causado pola Corrente de Cortocircuito
Debido á manutenção inadeuada de algunhas liñas de baixa tensión rurais, as sobrecargas e cortocircuitos ocorren con frecuencia. Cando un transformador de distribución experimenta un cortocircuito repentino, as súas espiras de alta e baixa tensión poden pasar simultáneamente correntes de cortocircuito decenas de veces o valor nominal. Isto xera unha gran cantidade de calor, provocando que o transformador de distribución sofra un sobrecaloramento severo e a temperatura das bobinas suba rapidamente, provocando o envellecemento do aislamento. Cando a capacidade do transformador de distribución para resistir a corrente de cortocircuito é insuficiente e a súa estabilidade térmica é pobre, o material de aislamento do transformador de distribución será gravemente danado, resultando en ruptura e danos ao transformador de distribución.
Fallo de Deformación de Espriras Causado pola Forza Eletrodinámica de Cortocircuito
Cando un transformador de distribución é impactado por un cortocircuito, se a corrente de cortocircuito é pequena e o fusible salta correctamente, a deformación das espiras será mínima. Se a corrente de cortocircuito é grande e o fusible salta con retardo ou non salta, o lado secundario xerará unha corrente de cortocircuito 20-30 veces superior á corrente nominal. O lado primario do transformador de distribución xerará inevitabelmente unha gran corrente para contrarrestar o efecto desmagnetizador da corrente de cortocircuito do lado secundario. A gran corrente xera unha significativa forza mecánica dentro da bobina, causando que a bobina se comprima, desplace ou deforme, que as placas e almofadas de aislamento se afrouxen, que os parafusos de aperto do núcleo se afrouxen, que a bobina de alta tensión se distorsione ou rompa, e finalmente llelle a un fallo do transformador de distribución. Ao mesmo tempo, as espiras están sometidas a un torque electromagnético relativamente grande, e o material de aislamento se desprende, exponendo o corpo do filamento e causando cortocircuitos intervoltas. Para deformacións menores, se non se reparan a tempo, como restaurar a posición das placas, apertar os parafusos de presión das espiras e as barras e varas de tracción do yugo, e fortalecer a forza de aperto das saídas, o efecto acumulativo após múltiples impactos de cortocircuito tamén danará o transformador de distribución.
2.1.2 Medidas para Reducir os Fallos de Cortocircuito
Optimización dos Requisitos de Selección. Ao seleccionar un transformador de distribución, escóllese un que poida pasar suavemente a proba de cortocircuito. Determine racionalmente a capacidade do transformador de distribución e seleccione a súa impedancia de cortocircuito de forma racional. Trate de usar transformadores de distribución S11-eficientes e elimine transformadores de alto consumo de enerxía.
Optimización das Condicions de Operación e Ambiente. Mejore o nivel de aislamento das liñas eléctricas, especialmente o nivel de aislamento das liñas de saída de baixa tensión do transformador de distribución a unha certa distancia. Ao mesmo tempo, aumente os estándares para os requisitos de corredor de seguridade e distancia de seguridade das liñas de baixa tensión para reducir o impacto e os perigos dos fallos na área próxima. Esto inclúe prestar atención á calidade da instalación e manutención dos terminais de caída de baixa tensión ( xa que a explosión dos terminais de baixa tensión é case equivalente a un cortocircuito secundario), prevenir a intrusión de pequenos animais, e mellorar os requisitos de calidade para fusibles de baixa tensión para evitar situacions como fusibles que non saltan.
Optimización dos Modos de Operación. Ao determinar o modo de operación, calcule a corrente de cortocircuito e limite os seus perigos. En particular, evite que o transformador de distribución opere con sobrecarga. Trate de calcular e axustar a carga eléctrica do transformador de distribución.
Melhora do Nivel de Xestión de Operación. Primeiro, evite os impactos de cortocircuito causados por mala operación. Fortalezca a monitorización e manutención oportunas dos transformadores de distribución, detecte oportunamente o grao de deformación dos transformadores de distribución, e asegure a súa operación segura. Ao mesmo tempo, aumente os esforzos de inspección no consumo de enerxía dos usuarios na área do transformador de distribución para evitar problemas de sobrecarga causados polo furto de enerxía dos usuarios.
2.2 Fallos de Descarga
Segundo a densidade de enerxía da descarga, os fallos de descarga dos transformadores de distribución suelen clasificarse en descarga parcial, descarga de chispazo e descarga de alta enerxía. A descarga ten dous tipos de efectos destructivos no aislamento: un é que as partículas de descarga bombardean directamente o aislamento, causando danos locais no aislamento e expandindo-o gradualmente ata que o aislamento se rompa. O outro é que a acción química de gases activos como o calor, o ozono e os óxidos de nitróxeno xerados pola descarga corroen o aislamento local, aumentan a perda dieléctrica, e finalmente levan a un colapso térmico.
2.2.1 Fallos de Descarga Parcial dos Transformadores de Distribución
A descarga parcial refírese a un fenómeno de descarga de tipo non pasante que ocorre nas bordas de bolsas de aire, películas de óleo ou conductores dentro da estrutura de aislamento baixo a acción da tensión. Ao principio, a descarga parcial é unha descarga de baixa enerxía. Cando esta descarga ocorre dentro dun transformador de distribución, a situación é relativamente complexa. Segundo diferentes medios de aislamento, a descarga parcial pode dividirse en descarga parcial en burbujas e descarga parcial en óleo. Segundo as localizacións de aislamento, inclúe descarga parcial en cavidades de aislamento sólido, nas puntas de electrodos, en espazos de esquina de óleo, en espazos de óleo entre óleo e cartón de aislamento, e ao longo da superficie de aislamento sólido en óleo. As causas da descarga parcial son as seguintes:
Cando hai burbujas no óleo ou cavidades no material de aislamento sólido, debido á pequena constante dieléctica do gas, soporta unha forte intensidade de campo eléctrico baixo tensión alternativa, pero a súa resistencia a tensión é menor que a de óleo e materiais de aislamento de papel. Polo tanto, a descarga probablemente ocorrerá primeiro na bolsa de aire.
Influencia das condicións ambientais externas. Por exemplo, se o tratamento do óleo non está completo e as burbujas precipitan do óleo, causará descarga.
Debido á mala calidade de fabricación. Por exemplo, a descarga ocorre en partes con bordas afiadas. Introducen-se burbujas, detritos e humidade, ou debido a factores relacionados coa temperatura externa como nódulos de pintura, soportan unha intensidade de campo eléctrico relativamente grande.
Descarga causada por mal contacto entre partes metálicas ou conductores. Aínda que a densidade de enerxía da descarga parcial non sexa grande, se se desenvolve máis, formará un ciclo vicioso de descarga, finalmente levando ao colapso ou danos no equipo e causando graves acidentes de quema.
2.2.2 Fallos de Descarga de Chispazo dos Transformadores de Distribución
Xeralmente, a descarga de chispazo non causa rapidamente un colapso de aislamento. Reflécese principalmente en unha análise cromatográfica anómala do óleo, un aumento na cantidade de descarga parcial, ou un gas leve. É relativamente fácil de detectar e tratar, pero debe prestarse suficiente atención ao seu desenvolvemento. As principais causas da descarga de chispazo son as seguintes:
Descarga de Chispazo Causada por Potencial Flotante. Nos equipos de alta tensión, unha certa parte metálica, debido a razóns estruturais ou mal contacto durante o transporte e a operación, está desconectada e está situada entre os electrodos de alta e baixa tensión, dividindo a tensión segundo a súa impedancia. O potencial ao terreo xerado nesta parte metálica chámase potencial flotante. A intensidade de campo eléctrico próximo a un obxecto con potencial flotante é relativamente concentrada, frecuentemente queimando gradualmente o dielectrico sólido circundante ou carbonizándoo.
Tamén causa que o óleo aislante decompose unha gran cantidade de gases característicos baixo a acción do potencial flotante, resultando nun resultado anómalo da análise cromatográfica do óleo aislante. A descarga flotante pode ocorrer en partes metálicas de alta potencial dentro do transformador de distribución, como a bobina de regulación, cando a bola de gradación do tubo de salida e a forquilla do cambia-tensión de vacío teñen un potencial flotante. Para partes en potencial de terreo, como a pantalla magnética de lámina de silicio e varias tuercas metálicas de aperto, se a súa conexión ao terreo está floxa ou desprendida, levará a descargas de potencial flotante. Un mal contacto no extremo do tubo de alta tensión do transformador de distribución tamén pode formar un potencial flotante e causar descarga de chispazo.
Descarga de Chispazo Causada por Impurezas no Óleo
A principal causa dos fallos de descarga de chispazo nos transformadores de distribución é a influencia de impurezas no óleo. Estas impurezas están compuestas por humidade, substancias fibrosas (principalmente fibras húmidas), etc. A constante dieléctica ε da auga é aproximadamente 40 veces a do óleo do transformador de distribución. No campo eléctrico, as impurezas polarízanse primeiro e atraense á área coa intensidade de campo eléctrico máis forte, isto é, próximo aos electrodos, e alínanse na dirección das liñas de campo eléctrico. Así, forma un "puente" de impurezas próximo aos electrodos.
A conductividade e a constante dieléctica do "puente" son ambas maiores que as do óleo do transformador de distribución. Segundo os principios dos campos electromagnéticos, a presenza do "puente" distorce o campo eléctrico no óleo. Dado que a constante dieléctica das fibras é pequena, o campo eléctrico no óleo nas puntas das fibras fortifícase. Polo tanto, a descarga ocorre e desenvólvese primeiro nesta parte do óleo. O óleo se disociará en un ambiente de alto campo eléctrico, descompoñéndose en gases, que farán que as burbujas aumenten de tamaño e a disociación se fortifique. Posteriormente, o proceso desenvólvese gradualmente, levando a descargas de chispazo no espazo de óleo enteiro a través do canal de gas. Así, a descarga de chispazo pode ocorrer a unha tensión relativamente baixa.
Se a distancia entre os electrodos non é grande e hai suficientes impurezas, o "puente" pode conectar os dous electrodos. Neste momento, debido á relativamente alta conductividade do "puente", unha gran corrente fluirá a lo largo do "puente" (a magnitude da corrente depende da capacidade da fonte de alimentación), facendo que o "puente" se aqueza intensamente. A humidade e o óleo próximo no "puente" ferben e vaporízanse, creando un canal de gas - o "puente de burbuja", e a descarga de chispazo ocorre.
Se as fibras non están húmidas, a conductividade do "puente" é moi pequena, e a súa influencia na tensión de descarga de chispazo do óleo tamén é relativamente pequena; polo contrario, a influencia é maior. Polo tanto, a descarga de chispazo do óleo do transformador de distribución causada por impurezas está relacionada co proceso de aquecemento do "puente". Cando actúa unha tensión impulsiva ou o campo eléctrico é extremadamente non uniforme, non é fácil que as impurezas formen un "puente", e o seu efecto limitase a distorcer o campo eléctrico. O proceso de descarga de chispazo depende principalmente da magnitude da tensión aplicada.
2.2.3 Fallos de Descarga de Arco nos Transformadores de Distribución
A descarga de arco é unha descarga de alta enerxía, que comúnmente veñese como un colapso de aislamento entre voltas ou capas. Outros fallos comúns inclúen rotura de ligações, descarga ao terreo, e arcos nos cambia-tensión.
Influencia da Descarga de Arco. Debido á alta densidade de enerxía dos fallos de descarga de arco, o gas xérase rapidamente. Frequentemente impacta o dielectrico na forma de avalanchas de electróns, causando que o papel aislante se perfure, carbonize ou char, deformando ou fundindo e queimando os materiais metálicos. En casos graves, pode causar danos no equipo ou incluso explosións. Tales acidentes xeralmente son difíciles de prever con antelación e non teñen indicios claros, xeralmente emergindo de forma súbita.
Características de Gás da Descarga de Arco. Despois de ocorrer un fallo de descarga de arco, o óleo do transformador de distribución tamén carboniza e escurece. Os componentes principais dos gases característicos no óleo son H2 e C2H2, seguidos de C2H6 e CH4. Cando o fallo de descarga envolve aislamento sólido, tamén se xerarán CO e CO2.En resumo, as tres formas de descarga teñen tanto diferenzas como certas conexións. As diferenzas refírense ao nivel de enerxía de descarga e a composición de gases, mentres que a conexión é que a descarga parcial é un precursor das outras dúas formas de descarga, e as últimas dúas son resultados inevitables do desenvolvemento da primeira. Dado que os fallos que ocorren dentro dos transformadores de distribución xeralmente están en un estado de desenvolvemento gradual, e a maioría deles non son fallos de un único tipo, senón que un tipo vai acompañado de outro tipo, ou varios tipos ocorren simultaneamente. Polo tanto, requiren unha análise máis cuidadosa e un trato específico.
2.3 Fallos de Aislamento
Actualmente, os transformadores de distribución máis amplamente utilizados nas redes eléctricas rurais son transformadores imersos en óleo. O aislamento dun transformador de distribución refírese ao sistema de aislamento composto polos seus materiais de aislamento. É unha condición fundamental para a operación normal do transformador de distribución, e a vida útil do transformador de distribución determinase pola duración dos materiais de aislamento (como óleo-papel ou resina). A experiencia práctica demostrou que a maioría dos danos e fallos dos transformadores de distribución son causados polo dano do sistema de aislamento.
Polo tanto, protexer a operación normal do transformador de distribución e fortalecer a manutenção razonable do sistema de aislamento, pode, en gran medida, asegurar unha vida útil relativamente longa para o transformador de distribución. A manutención preventiva e predictiva son clave para prolongar a vida útil dos transformadores de distribución e mellorar a fiabilidade do suministro de enerxía.
Nos transformadores de distribución imersos en óleo, os principais materiais de aislamento son óleo aislante e materiais de aislamento sólido como papel aislante, cartón e bloques de madeira. O chamado envejecemento do aislamento do transformador de distribución significa que estes materiais se descompoñen baixo a influencia de factores ambientais, reducindo ou perdendo a súa forza de aislamento.
2.3.1 Fallos de Aislamento de Papel Sólido
O aislamento sólido é un dos compoñentes principais do aislamento dos transformadores de distribución imersos en óleo, incluíndo papel aislante, placa aislante, almofada aislante, bobina aislante, fita de ligadura aislante, etc. O seu componente principal é a celulosa. Despois de que o papel aislante envellece, o seu grao de polimerización e a súa forza de tracción diminúen gradualmente, e xéranse auga, CO e CO2. Ademais, tamén se xera furfural (furfuraldehído). A maioría destes produtos de envellecemento son nocivos para os equipos eléctricos. Poden reducir a tensión de ruptura e a resistividad volumétrica do papel aislante, aumentar a perda dieléctica, diminuir a forza de tracción, e incluso corroer os materiais metálicos no equipo.
2.3.2 Fallos de Aislamento de Óleo Líquido
Razóns para o Deterioro do Óleo do Transformador de Distribución
A contaminación significa que a humidade e as impurezas mistúranse no óleo. Estas non son produtos de oxidación do óleo. O rendemento de aislamento do óleo contaminado deteriorase, a intensidade de campo eléctrico de ruptura diminúe, e o ángulo de perda dieléctica aumenta.
O deterioro é o resultado da oxidación do óleo. Esta oxidación non se refire só á oxidación dos hidrocarburos no óleo puro, senón tamén inclúe a aceleración do proceso de oxidación por impurezas no óleo, especialmente las limaduras de metal de cobre, hierro e aluminio.
O oxíxeno provén do aire dentro do transformador de distribución. Incluso en un transformador de distribución totalmente selado, aínda hai aproximadamente o 0,25% de oxíxeno en volume. O oxíxeno ten unha solubilidade relativamente alta, polo que ocupa unha proporción relativamente alta entre os gases disoltos no óleo.
Cando o óleo do transformador de distribución se oxida, a humidade como catalizador e o calor como acelerador causan que o óleo do transformador de distribución xere lodo. Os seus principais impactos son os seguintes: baixo a acción do campo eléctrico, as partículas de sedimento son grandes; as impurezas concéntranse na área coa intensidade de campo eléctrico máis forte, formando un "puente" conductor para o aislamento do transformador de distribución; o sedimento non é uniforme, pero forma tiras esbeltas separadas, e pode alinear-se na dirección das liñas de campo eléctrico, o que sin dúbida obstaculiza a dissipación de calor, acelera o envellecemento dos materiais de aislamento, e leva a unha diminución da resistencia de aislamento e do nivel de aislamento.
O Pro
