Discussione sui guasti dei trasformatori di distribuzione della rete elettrica rurale
1. Introduzione
A causa di un lungo periodo di operazione, i guasti e gli incidenti dei trasformatori di distribuzione nelle reti elettriche rurali non possono essere completamente evitati. Questi guasti e incidenti sono causati da una moltitudine di fattori, come forze esterne come danni e impatti, e disastri naturali irresistibili come fulmini. Inoltre, in alcune aree rurali, le linee a bassa tensione sono manutenute in modo inadeguato, causando frequentemente sovraccarichi e cortocircuiti, che portano al bruciamento dei trasformatori di distribuzione. Questo è diventato un fattore principale che contribuisce ai guasti.
Per prevenire il bruciamento dei trasformatori di distribuzione e ridurre i loro guasti operativi nelle reti elettriche rurali, questo documento riassume e analizza alcuni tipi di guasto tipici e le cause dei trasformatori di distribuzione, esplora misure preventive, approfondisce e affronta potenziali pericoli e punti deboli dei trasformatori di distribuzione, prevenendo efficacemente e frenando l'insorgenza di guasti di bruciamento, e quindi migliorando la affidabilità dell'energia elettrica nelle reti elettriche rurali.
Attualmente, i trasformatori di distribuzione utilizzati nelle reti elettriche rurali sono principalmente trasformatori a olio immerso. I guasti di tali trasformatori sono comunemente classificati in guasti interni ed esterni. I guasti interni si riferiscono a vari malfunzionamenti che si verificano all'interno della vasca del trasformatore. I principali tipi includono cortocircuiti interfasce tra avvolgimenti, cortocircuiti interbobina all'interno degli avvolgimenti e guasti di messa a terra dove gli avvolgimenti o i connettori toccano la carcassa esterna. I guasti esterni sono vari malfunzionamenti che si verificano sui bocchetti isolanti esterni alla vasca del trasformatore e sui loro connettori. I principali tipi sono messa a terra dovuta a flashover o rottura dei bocchetti isolanti, e cortocircuiti interfasce o messa a terra delle linee di uscita a bassa tensione.
Poiché i guasti dei trasformatori di distribuzione coprono un ampio spettro, esistono numerosi metodi specifici di classificazione. Ad esempio, dal punto di vista dei circuiti, sono principalmente classificati in guasti del circuito, guasti del circuito magnetico e guasti del circuito dell'olio. Se classificati in base alla struttura principale del trasformatore di distribuzione, possono essere suddivisi in guasti degli avvolgimenti, guasti del nucleo, guasti della qualità dell'olio e guasti degli accessori. Convenzionalmente, i tipi di guasto dei trasformatori di distribuzione sono generalmente classificati in base alle aree più soggette a guasti, come guasti d'isolamento, guasti del nucleo, guasti del cambio di presa, ecc. Tra questi, il guasto di cortocircuito all'uscita del trasformatore di distribuzione ha l'impatto più grave sul trasformatore stesso e attualmente ha la frequenza più alta. Inoltre, ci sono anche guasti di perdita nei trasformatori di distribuzione, ecc. Tutti questi diversi tipi di guasti possono rappresentare guasti termici, guasti elettrici o entrambi simultaneamente. Tuttavia, il guasto di perdita di un trasformatore di distribuzione può non presentare caratteristiche di guasto termico o elettrico in condizioni normali.
Pertanto, è difficile classificare i tipi di guasto dei trasformatori di distribuzione all'interno di uno specifico quadro. Questo documento adotta tipi di guasto relativamente comuni e generali dei trasformatori di distribuzione, come guasti di cortocircuito, guasti di scarica, guasti d'isolamento, guasti del nucleo, guasti del cambio di presa, guasti di perdita di gas-olio, guasti di danno da forza esterna e guasti di protezione a fusibile. Ogni tipo viene discusso separatamente in termini di causa e misure tecniche corrispondenti.
2. Analisi dei Guasti dei Trasformatori di Distribuzione
2.1 Guasti di Cortocircuito
2.1.1 Analisi delle Causi dei Guasti
I guasti di cortocircuito dei trasformatori di distribuzione si riferiscono principalmente a cortocircuiti all'uscita dei trasformatori di distribuzione, nonché a cortocircuiti tra connettori interni o avvolgimenti a terra e cortocircuiti interfasce, che portano a guasti.
Durante il normale funzionamento dei trasformatori di distribuzione, il danno causato dai guasti di cortocircuito all'uscita è relativamente grave. Secondo statistiche pertinenti, i guasti diretti causati dall'impatto di corrente di cortocircuito sui trasformatori di distribuzione nelle reti elettriche rurali rappresentano circa il 40% di tutti i guasti. Ci sono numerosi casi simili. In particolare, quando si verifica un cortocircuito all'uscita a bassa tensione in un trasformatore di distribuzione, generalmente è necessario sostituire gli avvolgimenti. In casi gravi, potrebbe essere necessario sostituire tutti gli avvolgimenti, con conseguenze e perdite estremamente gravi. Pertanto, tale situazione dovrebbe ricevere sufficiente attenzione.
Gli impatti dei cortocircuiti all'uscita sui trasformatori di distribuzione comprendono principalmente i seguenti due aspetti:
Guasto di Sovraccaloramento dell'Isolamento Causato dalla Corrente di Cortocircuito
A causa della manutenzione inadeguata di alcune linee a bassa tensione rurali, si verificano frequentemente sovraccarichi e cortocircuiti. Quando un trasformatore di distribuzione subisce un improvviso cortocircuito, i suoi avvolgimenti ad alta e bassa tensione possono passare contemporaneamente correnti di cortocircuito decine di volte superiore al valore nominale. Questo genera una grande quantità di calore, causando un sovraccaloramento severo del trasformatore di distribuzione e un rapido aumento della temperatura della bobina, portando all'invecchiamento dell'isolamento. Quando la capacità del trasformatore di distribuzione di sopportare la corrente di cortocircuito è insufficiente e la sua stabilità termica è scarsa, il materiale isolante del trasformatore di distribuzione sarà gravemente danneggiato, causando un guasto e un danno al trasformatore di distribuzione.
Guasto di Deformazione degli Avvolgimenti Causato dalla Forza Elettrodinamica del Cortocircuito
Quando un trasformatore di distribuzione è colpito da un cortocircuito, se la corrente di cortocircuito è piccola e il fusibile si spezza correttamente, la deformazione degli avvolgimenti sarà minima. Se la corrente di cortocircuito è grande e il fusibile si spezza con ritardo o non si spezza, il lato secondario genererà una corrente di cortocircuito 20-30 volte superiore alla corrente nominale. Il lato primario del trasformatore di distribuzione genererà inevitabilmente una grande corrente per contrastare l'effetto demagnetizzante della corrente di cortocircuito sul lato secondario. La grande corrente genera una significativa tensione meccanica all'interno della bobina, causando la compressione, lo spostamento o la deformazione della bobina, il rilassamento delle piastre e dei cuscinetti isolanti, il rilassamento dei bulloni di fissaggio del nucleo, la distorsione o lo scoppio dell'avvolgimento ad alta tensione, e infine portando a un guasto del trasformatore di distribuzione. Allo stesso tempo, gli avvolgimenti sono sottoposti a una torsione elettromagnetica relativamente grande, e il materiale isolante si stacca, esponendo il corpo del filo e causando cortocircuiti interbobina. Per deformazioni minori, se non riparate tempestivamente, come il ripristino della posizione dei cuscinetti, il serraggio dei chiodi di pressione degli avvolgimenti e delle leve e barre di trazione dello snodo, e il rafforzamento della forza di serraggio dei connettori, l'effetto cumulativo dopo più impatti di cortocircuito danneggerà anche il trasformatore di distribuzione.
2.1.2 Misure per Ridurre i Guasti di Cortocircuito
Ottimizzazione dei Requisiti di Selezione. Quando si seleziona un trasformatore di distribuzione, scegliere uno che possa superare agevolmente il test di cortocircuito. Determinare razionalmente la capacità del trasformatore di distribuzione e selezionare il suo impedenza di cortocircuito in modo ragionevole. Utilizzare il più possibile trasformatori di distribuzione S11 efficienti energeticamente ed eliminare i trasformatori ad alto consumo energetico.
Ottimizzazione delle Condizioni e dell'Ambiente Operativo. Migliorare il livello di isolamento delle linee elettriche, in particolare il livello di isolamento delle linee di uscita a bassa tensione del trasformatore di distribuzione per una certa distanza. Allo stesso tempo, aumentare gli standard per i corridoi di sicurezza e le esigenze di distanza di sicurezza delle linee a bassa tensione per ridurre l'impatto e i pericoli dei guasti nell'area circostante. Ciò include prestare attenzione alla qualità dell'installazione e della manutenzione dei terminali a bassa tensione (poiché l'esplosione dei terminali a bassa tensione è spesso equivalente a un cortocircuito secondario), prevenire l'intrusione di piccoli animali e migliorare le esigenze di qualità per i fusibili a bassa tensione per prevenire situazioni come fusibili che non si spezzano.
Ottimizzazione delle Modalità Operative. Quando si determina la modalità operativa, calcolare la corrente di cortocircuito e limitarne i pericoli. In particolare, prevenire l'operazione del trasformatore di distribuzione in sovraccarico. Tentare di calcolare e regolare il carico elettrico del trasformatore di distribuzione.
Miglioramento del Livello di Gestione Operativa. Primo, prevenire gli impatti di cortocircuito causati da errori di manovra. Rafforzare il monitoraggio e la manutenzione tempestiva dei trasformatori di distribuzione, rilevare prontamente il grado di deformazione dei trasformatori di distribuzione, e garantirne l'operazione sicura. Allo stesso tempo, intensificare i controlli sul consumo di energia degli utenti nell'area del trasformatore di distribuzione per prevenire problemi di sovraccarico causati dal furto di energia da parte degli utenti.
2.2 Guasti di Scarica
In base alla densità di energia della scarica, i guasti di scarica dei trasformatori di distribuzione sono comunemente classificati in scarica parziale, scarica a scintilla e scarica ad alta energia. La scarica ha due tipi di effetti distruttivi sull'isolamento: uno è che le particelle di scarica bombardano direttamente l'isolamento, causando un danno locale dell'isolamento e ampliandolo gradualmente fino al crollo dell'isolamento. L'altro è che l'azione chimica di gas attivi come calore, ozono e ossidi di azoto generati dalla scarica corrode l'isolamento locale, aumenta la perdita dielettrica, e alla fine porta a un crollo termico.
2.2.1 Guasti di Scarica Parziale dei Trasformatori di Distribuzione
La scarica parziale si riferisce a un fenomeno di scarica non penetrante che si verifica ai bordi di bolle d'aria, film d'olio o conduttori all'interno della struttura isolante sotto l'azione della tensione. All'inizio, la scarica parziale è una scarica a bassa energia. Quando questo tipo di scarica si verifica all'interno di un trasformatore di distribuzione, la situazione è relativamente complessa. A seconda di diversi materiali isolanti, la scarica parziale può essere suddivisa in scarica parziale in bolle e scarica parziale in olio. A seconda delle posizioni isolate, include scarica parziale in cavità di isolamento solido, alla punta degli elettrodi, negli spazi angolari di olio, negli spazi di olio tra olio e lastre di carta isolante, e lungo la superficie dell'isolamento solido in olio. Le cause della scarica parziale sono le seguenti:
Quando ci sono bolle nell'olio o cavità nel materiale isolante solido, a causa della piccola costante dielettrica del gas, esso sopporta un campo elettrico elevato sotto tensione alternata, ma la sua resistenza a tensione è inferiore a quella dei materiali isolanti di olio e carta. Pertanto, la scarica è probabilmente la prima a verificarsi nella fessura d'aria.
Influenza delle condizioni ambientali esterne. Ad esempio, se il trattamento dell'olio non è completo e le bolle precipitano dall'olio, ciò causerà una scarica.
A causa di una qualità di fabbricazione scarsa. Ad esempio, la scarica si verifica in alcune parti con angoli acuti. Bolle, detriti e umidità vengono introdotti, o a causa di fattori esterni legati alla temperatura come noduli di vernice, che sopportano un campo elettrico relativamente elevato.
Scarica causata da un contatto povero tra parti metalliche o conduttori. Anche se la densità di energia della scarica parziale non è elevata, se si sviluppa ulteriormente, formerà un ciclo vizioso di scarica, portando alla fine al crollo o al danno dell'equipaggiamento e causando gravi incidenti di bruciatura.
2.2.2 Guasti di Scarica a Scintilla dei Trasformatori di Distribuzione
Generalmente, la scarica a scintilla non provoca rapidamente il crollo dell'isolamento. Si manifesta principalmente in un'anomalia nell'analisi cromatografica dell'olio, un aumento della quantità di scarica parziale, o un gas leggero. È relativamente facile da rilevare e gestire, ma si deve prestare sufficiente attenzione al suo sviluppo. Ci sono principalmente due motivi per la scarica a scintilla:
Scarica a Scintilla Causata da Potenziale Fluttuante. Nell'attrezzatura elettrica ad alta tensione, una certa parte metallica, a causa di ragioni strutturali o di un contatto povero durante il trasporto e l'operazione, si stacca e si trova tra gli elettrodi ad alta e bassa tensione, dividendo la tensione secondo la sua impedenza. Il potenziale rispetto a terra generato su questa parte metallica è chiamato potenziale fluttuante. La forza del campo elettrico vicino a un oggetto con potenziale fluttuante è relativamente concentrata, spesso brucia gradualmente il dielettrico solido circostante o lo carbonizza.
Causa inoltre la decomposizione di una grande quantità di gas caratteristici nell'olio isolante sotto l'azione del potenziale fluttuante, risultando in un risultato anomalo dell'analisi cromatografica dell'olio isolante. La scarica fluttuante può verificarsi in parti metalliche ad alto potenziale all'interno del trasformatore di distribuzione, come l'avvolgimento di regolazione, quando la sfera di gradazione del bocchettone e la forcella del cambio di presa a vuoto hanno un potenziale fluttuante. Per le parti a potenziale di terra, come il rivestimento magnetico di lamiera di silicio e varie viti metalliche di fissaggio, se la loro connessione a terra è allentata o staccata, ciò porterà a una scarica fluttuante. Un contatto povero alla fine del bocchettone ad alta tensione del trasformatore di distribuzione può formare un potenziale fluttuante e causare una scarica a scintilla.
Scarica a Scintilla Causata da Impurità nell'Olio
La causa principale dei guasti di scarica a scintilla nei trasformatori di distribuzione è l'influenza delle impurità nell'olio. Queste impurità sono composte da acqua, sostanze fibrose (principalmente fibre umide), ecc. La costante dielettrica ε dell'acqua è circa 40 volte quella dell'olio del trasformatore di distribuzione. In un campo elettrico, le impurità vengono prima polarizzate e attratte verso l'area con la maggiore intensità del campo elettrico, cioè vicino agli elettrodi, e vengono disposte nella direzione delle linee di campo elettrico. Così, si forma un "ponte" di impurità vicino agli elettrodi.
La conduttività e la costante dielettrica del "ponte" sono entrambe superiori a quelle dell'olio del trasformatore di distribuzione. Secondo i principi dei campi elettromagnetici, la presenza del "ponte" distorce il campo elettrico nell'olio. Poiché la costante dielettrica delle fibre è piccola, il campo elettrico nell'olio alle estremità delle fibre viene rafforzato. Pertanto, la scarica si verifica e si sviluppa per prima in questa parte dell'olio. L'olio si dissociere in un ambiente ad alto campo elettrico, decomponendosi in gas, che fa aumentare di dimensioni le bolle e rafforzare la dissociazione. Successivamente, il processo si sviluppa gradualmente, portando a una scarica a scintilla in tutto il gap di olio attraverso il canale gassoso. Quindi, la scarica a scintilla può verificarsi a una tensione relativamente bassa.
Se la distanza tra gli elettrodi non è grande e ci sono abbastanza impurità, il "ponte" può collegare i due elettrodi. In questo caso, a causa della relativa alta conduttività del "ponte", scorre un'alta corrente lungo il "ponte" (la magnitudine della corrente dipende dalla capacità della fonte di alimentazione), facendo riscaldare intensamente il "ponte". L'acqua e l'olio vicini nel "ponte" bollono e vaporizzano, creando un canale gassoso - il "ponte a bolle", e si verifica una scarica a scintilla.
Se le fibre non sono umide, la conduttività del "ponte" è molto piccola, e il suo effetto sulla tensione di scarica a scintilla dell'olio è anche relativamente piccolo; al contrario, l'effetto è maggiore. Pertanto, la scarica a scintilla dell'olio del trasformatore di distribuzione causata dalle impurità è legata al processo di riscaldamento del "ponte". Quando agisce una tensione impulsiva o il campo elettrico è estremamente non uniforme, non è facile per le impurità formare un "ponte", e il loro effetto si limita a distorcere il campo elettrico. Il processo di scarica a scintilla dipende principalmente dalla magnitudine della tensione applicata.
2.2.3 Guasti di Scarica ad Arco dei Trasformatori di Distribuzione
La scarica ad arco è una scarica ad alta energia, che è comunemente vista come il crollo dell'isolamento tra gli avvolgimenti o i piani. Altri guasti comuni includono la rottura dei connettori, il flashover a terra e l'arco nei cambi di presa.
Influenza della Scarica ad Arco. A causa dell'elevata densità di energia dei guasti di scarica ad arco, il gas viene generato rapidamente. Spesso impatta il dielettrico sotto forma di valanghe elettroniche, causando la perforazione, la carbonizzazione o la carbonizzazione della carta isolante, deformando o fondendo e bruciando i materiali metallici. In casi gravi, può causare il danno dell'equipaggiamento o addirittura esplosioni. Tali incidenti sono generalmente difficili da prevedere in anticipo e non hanno chiari presagi, emergendo spesso in modo repentino.
Caratteristiche Gas della Scarica ad Arco. Dopo l'insorgenza di un guasto di scarica ad arco, anche l'olio del trasformatore di distribuzione si carbonizza e diventa nero. I principali componenti dei gas caratteristici nell'olio sono H2 e C2H2, seguiti da C2H6 e CH4. Quando il guasto di scarica coinvolge l'isolamento solido, si genereranno anche CO e CO2.In sintesi, le tre forme di scarica presentano sia differenze che certe connessioni. Le differenze si riferiscono al livello di energia di scarica e alla composizione del gas, mentre la connessione è che la scarica parziale è un precursore delle altre due forme di scarica, e queste ultime sono risultati inevitabili dello sviluppo della prima. Poiché i guasti che si verificano all'interno dei trasformatori di distribuzione sono spesso in uno stato di sviluppo graduale, e la maggior parte di essi non sono guasti di un solo tipo, ma piuttosto un tipo accompagnato da un altro tipo, o diversi tipi che si verificano simultaneamente. Pertanto, è richiesta un'analisi più accurata e un trattamento specifico.
2.3 Guasti d'Isolamento
Attualmente, i trasformatori di distribuzione più ampiamente utilizzati nelle reti elettriche rurali sono i trasformatori a olio immerso. L'isolamento di un trasformatore di distribuzione si riferisce al sistema di isolamento composto dai suoi materiali isolanti. È una condizione fondamentale per il funzionamento normale del trasformatore di distribuzione, e la durata del trasformatore di distribuzione è determinata dalla longevità dei materiali isolanti (come olio-carta o resina). L'esperienza pratica ha dimostrato che la maggior parte dei danni e dei guasti dei trasformatori di distribuzione è causata dal danno del sistema di isolamento.
Pertanto, proteggere il funzionamento normale del trasformatore di distribuzione e rafforzare la manutenzione ragionevole del sistema di isolamento, possono, in larga misura, garantire una durata relativamente lunga per il trasformatore di distribuzione. La manutenzione preventiva e predittiva sono le chiavi per prolungare la durata del trasformatore di distribuzione e migliorare la affidabilità dell'energia elettrica.
Nei trasformatori di distribuzione a olio immerso, i principali materiali isolanti sono olio isolante e materiali isolanti solidi come carta, cartoncino e blocchi di legno. Il cosiddetto invecchiamento dell'isolamento del trasformatore di distribuzione significa che questi materiali si decompongono sotto l'influenza di fattori ambientali, riducendo o perdendo la loro resistenza isolante.
2.3.1 Guasti d'Isolamento Solido Cartaceo
L'isolamento solido è uno dei componenti principali dell'isolamento dei trasformatori di distribuzione a olio immerso, incluso carta isolante, tavola isolante, cuscinetto isolante, avvolgimento isolante, nastro isolante di legatura, ecc. Il suo componente principale è la cellulosa. Dopo l'invecchiamento della carta isolante, il suo grado di polimerizzazione e la resistenza alla trazione diminuiscono gradualmente, e si generano acqua, CO e CO2. Inoltre, si produce anche l'acroleina (furfuraldeide). La maggior parte di questi prodotti di invecchiamento è nocivo per l'attrezzatura elettrica. Possono ridurre la tensione di crollo e la resistività volumetrica della carta isolante, aumentare la perdita dielettrica, diminuire la resistenza alla trazione, e persino corrosione i materiali metallici nell'attrezzatura.
2.3.2 Guasti d'Isolamento Liquido a Olio
Ragioni per il Deterioramento dell'Olio del Trasformatore di Distribuzione
La contaminazione significa che l'acqua e le impurità si mescolano all'olio. Questi non sono prodotti di ossidazione dell'olio. Le prestazioni di isolamento dell'olio contaminato peggiorano, la tensione di crollo del campo elettrico diminuisce, e l'angolo di perdita dielettrica aumenta.
Il deterioramento è il risultato dell'ossidazione dell'olio. Questa ossidazione non si riferisce solo all'ossidazione degli idrocarburi nell'olio puro, ma include anche l'accelerazione del processo di ossidazione da parte delle impurità nell'olio, in particolare scorie metalliche di rame, ferro e alluminio.
L'ossigeno proviene dall'aria all'interno del trasformatore di distribuzione. Anche in un trasformatore di distribuzione completamente sigillato
