Discussie over fouten in distributietransformatoren van het plattelands elektriciteitsnet
1. Inleiding
Vanwege de lange-termijnbedrijfsvaardigheid kunnen storingen en ongelukken van distributietransformatoren in plattelandsnetwerken niet volledig worden vermeden. Deze storingen en ongelukken worden veroorzaakt door een groot aantal factoren, zoals externe krachten zoals schade en inslag, en onweerstaanbare natuurlijke rampen zoals blikseminslagen. Tegelijkertijd zijn in sommige plattelandsgebieden de laagspanningslijnen onvoldoende onderhouden, wat vaak leidt tot overbelasting en kortsluitingen, waardoor distributietransformatoren uitbranden. Dit is een belangrijke factor die bijdraagt aan storingen.
Om te voorkomen dat distributietransformatoren uitbranden en om hun bedrijfsstoringen in plattelandsnetwerken te verminderen, wordt in dit artikel een samenvatting en analyse gegeven van enkele typische stortingssoorten en -oorzaken van distributietransformatoren, worden preventieve maatregelen verkend, worden potentiële gevaren en zwakke schakels van distributietransformatoren verder onderzocht en aangepakt, waardoor het optreden van uitbrandingsstoringen van distributietransformatoren effectief wordt voorkomen en beperkt, en daardoor de betrouwbaarheid van de elektriciteitsvoorziening in plattelandsnetwerken wordt verbeterd.
Momenteel worden in plattelandsnetwerken voornamelijk oliegedrenkte distributietransformatoren gebruikt. De storingen van dergelijke transformatoren worden meestal ingedeeld in interne en externe storingen. Interne storingen verwijzen naar verschillende storingen die binnen de transformatorbak ontstaan. De belangrijkste soorten zijn tussenfasenkortsluitingen tussen windingen, spoelkortsluitingen binnen windingen en aardingss storingen waarbij windingen of uitlegdingen contact maken met de buitenkant. Externe storingen zijn verschillende storingen die op de isolerende bushings buiten de transformatorbak en hun uitlegdingen ontstaan. De belangrijkste soorten zijn aarding als gevolg van flashover of breuk van isolerende bushings, en tussenfasenkortsluitingen of aarding van laagspanningsuitgangslijnen.
Aangezien de storingen van distributietransformatoren een breed scala aan problemen omvatten, zijn er talloze specifieke classificatiemethoden. Bijvoorbeeld, vanuit het perspectief van circuitlusjes, worden ze voornamelijk ingedeeld in circuitstoringen, magnetische circuitstoringen en oliecircuitstoringen. Indien ingedeeld volgens de hoofdstructuur van de distributietransformator, kunnen ze worden verdeeld in windingstoringen, kernstoringen, oliekwaliteitstoringen en accessoirestoringen. Traditioneel worden de storingentypen van distributietransformatoren doorgaans ingedeeld op basis van veelvoorkomende storinggebieden, zoals isolatieproblemen, kernstoringen, tap-changerstoringen, enz. Onder hen heeft de distributietransformatoruitgangskortsluitingsstoring de meest ernstige impact op de transformator zelf en het hoogste voorkomenspercentage momenteel. Daarnaast zijn er ook lekstoringen van distributietransformatoren, enz. Al deze verschillende soorten storingen kunnen thermische storingen, elektrische storingen of zowel thermische als ontladingstoringen tegelijk vertegenwoordigen. Echter, de lekstoring van een distributietransformator kan onder normale omstandigheden geen thermische of elektrische storingkenmerken vertonen.
Daarom is het moeilijk om de storingentypen van distributietransformatoren binnen een specifiek kader in te delen. Dit artikel hanteert relatief algemene en gebruikelijke storingtypen van distributietransformatoren, zoals kortsluitingsstoringen, ontladingsstoringen, isolatiestoringen, kernstoringen, tap-changerstoringen, olie-gaslekstoringen, externe-krachtbeschadigingsstoringen en zekeringbeschermingsstoringen. Elk type wordt afzonderlijk besproken in termen van oorzaak en bijbehorende technische maatregelen.
2. Storinganalyse van Distributietransformatoren
2.1 Kortsluitingsstoringen
2.1.1 Analyse van de oorzaak van de storing
Kortsluitingsstoringen van distributietransformatoren verwijzen voornamelijk naar uitgangskortsluitingen van distributietransformatoren, evenals kortsluitingen tussen interne uitlegdingen of windingen naar de grond, en kortsluitingen tussen fasen, die leiden tot storingen.
Tijdens het normale gebruik van distributietransformatoren is de schade veroorzaakt door uitgangskortsluitingsstoringen relatief ernstig. Volgens relevante statistieken vormen storingen die direct resulteren uit kortsluitingsstroomimpacten op distributietransformatoren in plattelandsnetwerken ongeveer 40% van alle storingen. Er zijn vele dergelijke gevallen. Vooral wanneer er een laagspanningsuitgangskortsluiting optreedt in een distributietransformator, moeten de windingen meestal worden vervangen. In ernstige gevallen kunnen alle windingen vervangen moeten worden, wat extreem ernstige gevolgen en verliezen met zich meebrengt. Daarom moet hier voldoende aandacht aan besteed worden.
De impacten van uitgangskortsluitingen op distributietransformatoren omvatten voornamelijk de volgende twee aspecten:
Isolatie-oververhitte storing veroorzaakt door kortsluitingsstroom
Vanwege onvoldoende onderhoud van sommige laagspanningslijnen in plattelandsgebieden komen overbelasting en kortsluitingen vaak voor. Wanneer een distributietransformator plotseling een kortsluiting ervaart, kunnen de hoog- en laagspanningswindingen gelijktijdig kortsluitingsstromen doorgaan die tientallen malen hoger liggen dan de nominale waarde. Dit genereert een grote hoeveelheid warmte, waardoor de distributietransformator ernstig oververhit raakt en de spoeltemperatuur snel stijgt, wat leidt tot isolatieveroudering. Wanneer de capaciteit van de distributietransformator om kortsluitingsstroom te weerstaan ontoereikend is en de thermische stabiliteit slecht is, zal het isolatiemateriaal van de distributietransformator ernstig beschadigd raken, wat leidt tot doorbraak en schade aan de distributietransformator.
Windingdeformatiestoring veroorzaakt door kortsluitingselectro-dynamische kracht
Wanneer een distributietransformator wordt getroffen door een kortsluiting, zal de windingdeformatie gering zijn als de kortsluitingsstroom klein is en de zekering correct doorslaat. Als de kortsluitingsstroom groot is en de zekering met vertraging doorslaat of niet doorslaat, zal de secundaire zijde een kortsluitingsstroom genereren die 20-30 keer hoger ligt dan de nominale stroom. De primaire zijde van de distributietransformator zal onvermijdelijk een grote stroom genereren om de demagnetiserende werking van de secundaire-kortsluitingsstroom tegen te gaan. De grote stroom genereert een aanzienlijke mechanische spanning binnen de spoel, waardoor de spoel comprimeert, verschuift of deformeert, de isolatieplaten en -planken losser worden, de kernbevestigingsbouten slapper worden, de hoogspanningsspoel vervormt of barst, en uiteindelijk leidt tot een storing van de distributietransformator. Tegelijkertijd worden de windingen blootgesteld aan een relatief grote elektromagnetische koppel, en het isolatiemateriaal bladdert af, waardoor de draadlichaam bloot komt te liggen en tussen-spoelkortsluitingen ontstaan. Voor geringe deformaties, indien niet tijdig gerepareerd, zoals het herstellen van de positie van de platen, het aandraaien van de drukknopen van de windingen en de trekplaten en -stangen van de yoke, en het versterken van de bevestigingskracht van de uitlegdingen, zal de cumulatieve effect na meerdere kortsluitingsimpulsen ook de distributietransformator beschadigen.
2.1.2 Maatregelen om kortsluitingsstoringen te verminderen
Optimalisatie van selectievereisten. Bij het selecteren van een distributietransformator, kies er een die de kortsluitingstest vlot kan doorstaan. Bepaal redelijk de capaciteit van de distributietransformator en kies zijn kortsluitingsimpedantie rationeel. Probeer energie-efficiënte S11-type distributietransformatoren te gebruiken en faseer hoge-energie-transformatoren uit.
Optimalisatie van bedrijfsomstandigheden en -omgeving. Verbeter het isolatieniveau van elektriciteitsleidingen, vooral het isolatieniveau van de laagspanningsuitgangslijnen van de distributietransformator over een bepaalde afstand. Tegelijkertijd verhoog de normen voor de veiligheidsdoorgang en de veiligheidsafstandsvereisten van laagspanningsleidingen om de impact en gevaren van nabijheidsstoringen te verminderen. Dit omvat letten op de installatie- en onderhoudskwaliteit van laagspanningsdroppers (aangezien de explosie van laagspanningsdroppers meestal gelijk staat aan een secundaire kortsluiting), voorkomen dat kleine dieren binnendringen, en de kwaliteitsvereisten voor laagspanningszekeringen verbeteren om situaties zoals niet-doorslaande zekeringen te voorkomen.
Optimalisatie van bedrijfsmodi. Bij het bepalen van de bedrijfsmodus, bereken de kortsluitingsstroom en beperk de gevaren ervan. Vooral voorkom dat de distributietransformator onder overbelasting werkt. Probeer de elektrische belasting van de distributietransformator te berekenen en aan te passen.
Verbetering van het bedrijfsmanagementniveau. Ten eerste, voorkom kortsluitingseffecten veroorzaakt door foute bediening. Versterk de tijdige monitoring en onderhoud van distributietransformatoren, detecteer op tijd de mate van deformatie van distributietransformatoren, en zorg voor hun veilige werking. Tegelijkertijd verhoog de inspectie-inspanningen op de elektriciteitsopname van gebruikers in het gebied van de distributietransformator om overbelastingsproblemen veroorzaakt door elektriciteitsdiefstal te voorkomen.
2.2 Ontladingsstoringen
Op basis van de energiedichtheid van de ontlading worden de ontladingsstoringen van distributietransformatoren meestal ingedeeld in partiële ontlading, vonkontlading en hoge-energie-ontlading. Ontlading heeft twee soorten destructieve effecten op isolatie: ten eerste bombarderen de ontladingsdeeltjes de isolatie rechtstreeks, waardoor lokale isolatieschade ontstaat en geleidelijk uitbreidt totdat de isolatie breekt. Ten tweede verwekt de chemische werking van actieve gassen zoals warmte, ozon en stikstofoxiden die door de ontlading worden geproduceerd, corrosie van de lokale isolatie, vergroot de dielectric loss, en leidt uiteindelijk tot thermische doorbraak.
2.2.1 Partiële ontladingsstoringen van distributietransformatoren
Partiële ontlading verwijst naar een niet-doorlopende ontladingsverschijnsel dat optreedt aan de randen van luchtgaten, oliefilms of geleiders binnen de isolatiestructuur onder invloed van spanning. Aanvankelijk is partiële ontlading een laag-energie-ontlading. Wanneer dit soort ontlading optreedt binnen een distributietransformator, is de situatie vrij complex. Afhankelijk van verschillende isolatiemedia kan partiële ontlading worden ingedeeld in partiële ontlading in belletjes en partiële ontlading in olie. Afhankelijk van isolatieplaatsen, omvat het partiële ontlading in holtes van vaste isolatie, aan elektrodetoppen, in olie-hoekgaten, in oliegaten tussen olie en isolatiekarton, en langs de oppervlakte van vaste isolatie in olie. De oorzaken van partiële ontlading zijn als volgt:
Wanneer er belletjes in de olie of holtes in het vaste isolatiemateriaal zijn, neemt vanwege de kleine dielectric constant van het gas een hoge elektrisch veldsterkte op onder wisselspanning, maar de spanningsterkte is lager dan die van olie en papierisolatiematerialen. Daarom treedt ontlading waarschijnlijk eerst op in de luchtkamer.
Invloed van externe omgevingsomstandigheden. Bijvoorbeeld, als de oliebehandeling niet volledig is en belletjes uit de olie neerslaan, zal dit ontlading veroorzaken.
Vanwege slechte productiekwaliteit. Bijvoorbeeld, ontlading vindt plaats op sommige punten met scherpe hoeken. Belletjes, vuil en vocht worden geïntroduceerd, of door externe temperatuurgerelateerde factoren zoals verfvlokken, nemen ze een relatief grote elektrisch veldsterkte op.
Ontlading veroorzaakt door slechte contacten tussen metalen delen of geleiders. Hoewel de energiedichtheid van partiële ontlading niet groot is, zal als het verder ontwikkelt, het een vicieuze cirkel van ontlading vormen, uiteindelijk leidend tot de doorbraak of schade aan de apparatuur en zware brandstoringen.
2.2.2 Vonkontladingstoringen van distributietransformatoren
Over het algemeen veroorzaakt vonkontlading niet snel isolatie-throughbreak. Het wordt voornamelijk weerspiegeld in abnormale oliechromatografische analyses, een toename in de hoeveelheid partiële ontlading, of lichtgas. Het is relatief gemakkelijk te detecteren en te behandelen, maar er moet voldoende aandacht worden besteed aan de ontwikkeling ervan. Er zijn voornamelijk twee oorzaken voor vonkontlading:
Vonkontlading veroorzaakt door zwevend potentieel. In hoogspanningsapparatuur, is een bepaald metaaldeel, vanwege structuur of slecht contact tijdens transport en bedrijf, losgekoppeld en bevindt zich tussen de hoog- en laagspanningelektroden, verdeelt de spanning volgens zijn impedantie. Het potentieel tot de grond dat op dit metaaldeel wordt gegenereerd, wordt zwevend potentieel genoemd. Het elektrisch veldsterkte in de buurt van een object met zwevend potentieel is relatief geconcentreerd, vaak geleidelijk de omringende vaste dielectric verbrandend of karboniserend.
Het veroorzaakt ook dat de isolatieolie een grote hoeveelheid karakteristieke gassen produceert onder invloed van het zwevende potentieel, wat leidt tot een abnormaal resultaat van de isolatieolie chromatografische analyse. Zwevende ontlading kan optreden in metaaldeeltjes op hoog potentieel binnen de distributietransformator, zoals de regelwinding, wanneer de gradatiebol van de bushing en de no-load tap-changer shift fork een zwevend potentieel hebben. Voor delen op grondpotentieel, zoals de siliciumstaal magnetische schilden en diverse bouten voor vastzetten, als hun verbinding met de grond los of losgeraakt is, zal dit leiden tot zwevende-potentieel-ontlading. Slecht contact aan het einde van de hoogspanningsbushing van de distributietransformator kan ook een zwevend potentieel vormen en vonkontlading veroorzaken.
Vonkontlading veroorzaakt door onzuiverheden in de olie
De belangrijkste oorzaak van vonkontladingstoringen in distributietransformatoren is de invloed van onzuiverheden in de olie. Deze onzuiverheden bestaan uit vocht, vezelige stoffen (voornamelijk natte vezels), enz. De dielectric constante ε van water is ongeveer 40 keer die van de distributietransformator olie. In een elektrisch veld worden de onzuiverheden eerst gepolariseerd en aangetrokken naar het gebied met de sterkste elektrisch veldsterkte, namelijk in de buurt van de elektroden, en gerangschikt in de richting van de elektrisch veldlijnen. Zo wordt een "brug" van onzuiverheden gevormd in de buurt van de elektroden.
De geleidbaarheid en dielectric constante van de "brug" zijn beide groter dan die van de distributietransformator olie. Volgens de principes van elektromagnetische velden, verdraait de aanwezigheid van de "brug" het elektrisch veld in de olie. Aangezien de dielectric constante van de vezels klein is, wordt het elektrisch veld in de olie aan de einden van de vezels versterkt. Dus de ontlading vindt eerst en ontwikkelt zich in dit deel van de olie. De olie dissociëert in een omgeving met hoge veldsterkte, decomposeert in gassen, waardoor de belletjes in grootte toenemen en de dissociatie versterkt. Vervolgens ontwikkelt het proces geleidelijk, leidend tot vonkontlading in de hele oliegap door de gaschannel. Dus vonkontlading kan optreden bij een relatief lage spanning.
Als de afstand tussen de elektroden niet groot is en er genoeg onzuiverheden zijn, kan de "brug" de twee elektroden verbinden. Op dat moment, vanwege de relatief hoge geleidbaarheid van de "brug", stroomt er een grote stroom langs de "brug" (de grootte van de stroom hangt af van de capaciteit van de energiebron), waardoor de "brug" hevig verhit raakt. Het vocht en de nabijgelegen olie in de "brug" koken en verdampen, creërend een gaschannel - de "belletjesbrug", en vonkontlading vindt plaats.
Als de vezels niet nat zijn, is de geleidbaarheid van de "brug" zeer klein, en haar invloed op de vonkontladingsspanning van de olie is ook relatief klein; andersom is de invloed groter. Dus de vonkontlading van de distributietransformator olie veroorzaakt door onzuiverheden is gerelateerd aan het verhittingsproces van de "brug". Wanneer een impulsspanning werkt of het elektrisch veld extreem onevenredig is, is het niet gemakkelijk voor de onzuiverheden om een "brug" te vormen, en hun effect is alleen beperkt tot het verdraaien van het elektrisch veld. Het vonkontladingproces hangt voornamelijk af van de grootte van de toegepaste spanning.
2.2.3 Boogontladingstoringen van distributietransformatoren
Boogontlading is een hoge-energie-ontlading, die meestal wordt gezien als isolatie-throughbreak tussen windinglagen of windingen. Andere veelvoorkomende storingen zijn leiderscheuren, flashover naar de grond, en arcering van tap-changers.
Invloed van boogontlading. Vanwege de hoge energiedichtheid van boogontladingstoringen, wordt gas snel geproduceerd. Het beïnvloedt vaak de dielectric in de vorm van elektronlawines, waardoor het isolatiepapier perforaties krijgt, verkoold of gekarboniseerd raakt, metalen materialen vervormd, gesmolten of verbrand, en in ernstige gevallen kan het apparatuurschade of zelfs explosies veroorzaken. Dergelijke ongelukken zijn meestal moeilijk te voorspellen en hebben geen duidelijke voortekenen, vaak plotseling optredend.
Gaskarakteristieken van boogontlading. Na het optreden van een boogontladingstoring, wordt de distributietransformator olie ook gekarboniseerd en zwart. De belangrijkste componenten van de karakteristieke gassen in de olie zijn H2 en C2H2, gevolgd door C2H6 en CH4. Wanneer de ontladingsstoring vaste isolatie betreft, worden CO en CO2 ook geproduceerd.Samengevat, de drie vormen van ontlading hebben zowel verschillen als bepaalde verbindingen. De verschillen verwijzen naar het ontladingsenergieniveau en de gascompositie, terwijl de verbinding is dat partiële ontlading een voorloper is van de andere twee vormen van ontlading, en de laatste twee zijn onvermijdelijke resultaten van de ontwikkeling van de eerste. Aangezien de storingen die binnen distributietransformatoren optreden vaak in een staat van geleidelijke ontwikkeling zijn, en de meeste niet van één type zijn, maar eerder een type gaat samen met een ander type, of meerdere types gelijktijdig optreden. Daarom is meer zorgvuldige analyse en specifieke behandeling vereist.
2.3 Isolatiestoringen
Momenteel zijn de meest gebruikte distributietransformatoren in plattelandsnetwerken oliegedrenkte transformatoren. De isolatie van een distributietransformator verwijst naar het isolatiesysteem dat bestaat uit zijn isolatiematerialen. Het is een fundamentele voorwaarde voor het normale functioneren van de distributietransformator, en de levensduur van de distributietransformator wordt bepaald door de levensduur van de isolatiematerialen (zoals olie-papier of hars). Praktijkervaring heeft bewezen dat de meeste schade en storingen aan distributietransformatoren worden veroorzaakt door de schade aan het isolatiesysteem.
Daarom, het beschermen van het normale functioneren van de distributietransformator en het versterken van de redelijke onderhoudsmaatregelen voor het isolatiesysteem kunnen, in grote mate, een relatief lange levensduur voor de distributietransformator garanderen. Preventief en predictief onderhoud zijn de sleutels tot het verlengen van de levensduur van distributietransformatoren en het verbeteren van de betrouwbaarheid van de elektriciteitsvoorziening.
In oliegedrenkte distributietransformatoren zijn de belangrijkste isolatiematerialen isolatieolie en vaste isolatiematerialen zoals isolatiepapier, karton, en houtblokken. Het zogenaamde verouderen van de isolatie van de distributietransformator betekent dat deze materialen onder invloed van omgevingsfactoren afbreken, waardoor hun isolatiesterkte afneemt of verloren gaat.
2.3.1 Vaste papierisolatiestoringen
Vaste isolatie is een van de belangrijkste componenten van de isolatie van oliegedrenkte distributietransformatoren, waaronder isolatiepapier, isolatieplaat, isolatieplaat, isolatie-spoel, isolatie-bindband, enz. Het belangrijkste component is cellulose. Naarmate het isolatiepapier veroudert, nemen de graad van polymerisatie en de treksterkte geleidelijk af, en worden water, CO, en CO2 geproduceerd. Daarnaast wordt furfurol (furfuraldehyde) ook geproduceerd. De meeste van deze verouderingsproducten zijn schadelijk voor elektrische apparatuur. Ze kunnen de doorbraakspanning en volumetrische weerstand van het isolatiepapier verminderen, de dielectric loss verhogen, de treksterkte verminderen, en zelfs de metalen materialen in de apparatuur corroderen.
2.3.2 Vloeibare olieisolatiestoringen
Oorzaken van de Verslechtering van Distributietransformatorolie
Besmetting betekent dat vocht en onzuiverheden in de olie worden gemengd. Dit zijn geen oxidatieproducten van de olie. De isolatieprestaties van besmette olie verslechteren, de doorbraaksnelheid van het elektrisch veld neemt af, en de dielectric loss hoek neemt toe.
Verslechtering is het resultaat van olieoxidatie. Deze oxidatie verwijst niet alleen naar de oxidatie van kool
