Обсуждение неисправностей трансформаторов распределительных сетей сельской местности
1. Введение
В результате длительной эксплуатации неисправности и аварии распределительных трансформаторов в сельских электрических сетях не могут быть полностью избежаны. Эти неисправности и аварии вызываются множеством факторов, таких как внешние воздействия, такие как повреждения и удары, а также непреодолимые стихийные бедствия, такие как удары молнии. В то же время, в некоторых сельских районах недостаточно поддерживается состояние низковольтных линий, что часто приводит к перегрузкам и коротким замыканиям, вызывая выход из строя распределительных трансформаторов. Это стало одним из основных факторов, способствующих возникновению неисправностей.
Для предотвращения выхода из строя распределительных трансформаторов и снижения их эксплуатационных неисправностей в сельских электрических сетях, в данной статье обобщены и проанализированы некоторые типичные виды неисправностей и причины отказов распределительных трансформаторов, исследованы меры по предотвращению, более детально рассмотрены потенциальные опасности и слабые места распределительных трансформаторов, что эффективно предотвращает и сдерживает возникновение неисправностей, связанных с выходом из строя распределительных трансформаторов, и тем самым повышает надежность электроснабжения сельских электрических сетей.
В настоящее время в сельских электрических сетях преимущественно используются масляные распределительные трансформаторы. Неисправности таких трансформаторов обычно классифицируются на внутренние и внешние. Внутренние неисправности относятся к различным сбоям, происходящим внутри бака трансформатора. Основные виды включают межфазные короткие замыкания между обмотками, короткие замыкания между витками внутри обмоток, а также заземление, когда обмотки или выводы контактируют с внешним корпусом. Внешние неисправности — это различные сбои, происходящие на изоляционных втулках снаружи бака трансформатора и их выводах. Основные виды — это заземление вследствие пробоя или разрушения изоляционных втулок, а также межфазные короткие замыкания или заземление низковольтных выходных линий.
Поскольку неисправности распределительных трансформаторов охватывают широкий спектр, существует множество конкретных методов классификации. Например, с точки зрения цепей, они в основном классифицируются на неисправности цепи, магнитного контура и масляного контура. Если классифицировать по основной конструкции распределительного трансформатора, их можно разделить на неисправности обмоток, сердечника, качества масла и аксессуаров. Обычно типы неисправностей распределительных трансформаторов классифицируются на основе наиболее распространенных областей, подверженных неисправностям, таких как неисправности изоляции, сердечника, переключателя отпайки и т. д. Среди них, короткое замыкание на выходе распределительного трансформатора имеет самое серьезное влияние на сам трансформатор и самую высокую частоту возникновения в настоящее время. Кроме того, существуют также утечки распределительных трансформаторов и т. д. Все эти различные типы неисправностей могут представлять собой тепловые, электрические или одновременно тепловые и разрядные неисправности. Однако утечка распределительного трансформатора может не проявлять признаков тепловых или электрических неисправностей в нормальных условиях.
Поэтому трудно классифицировать типы неисправностей распределительных трансформаторов в рамках определенной структуры. В данной статье рассматриваются относительно распространенные и общие типы неисправностей распределительных трансформаторов, такие как короткие замыкания, разрядные неисправности, неисправности изоляции, сердечника, переключателя отпайки, утечки масла-газа, повреждения внешней силой и неисправности защиты предохранителями. Каждый тип рассматривается отдельно с точки зрения его причин и соответствующих технических мер.
2. Анализ неисправностей распределительных трансформаторов
2.1 Короткие замыкания
2.1.1 Анализ причин неисправностей
Короткие замыкания распределительных трансформаторов в основном относятся к коротким замыканиям на выходе распределительных трансформаторов, а также к коротким замыканиям между внутренними выводами или обмотками и землей, а также между фазами, что приводит к неисправностям.
Во время нормальной эксплуатации распределительных трансформаторов, повреждения, вызванные короткими замыканиями на выходе, относительно серьезны. По данным статистики, неисправности, вызванные прямыми воздействиями тока короткого замыкания на распределительные трансформаторы в сельских электрических сетях, составляют около 40% всех неисправностей. Таких случаев очень много. Особенно, когда происходит короткое замыкание на низковольтном выходе распределительного трансформатора, обмотки, как правило, требуют замены. В тяжелых случаях может потребоваться замена всех обмоток, что приводит к крайне серьезным последствиям и потерям. Поэтому этому следует уделять достаточное внимание.
Влияние коротких замыканий на выходе на распределительные трансформаторы включает следующие два аспекта:
Перегрев изоляции, вызванный током короткого замыкания
Из-за недостаточного обслуживания некоторых сельских низковольтных линий, часто происходят перегрузки и короткие замыкания. Когда распределительный трансформатор испытывает внезапное короткое замыкание, его высоковольтные и низковольтные обмотки могут одновременно пропускать ток короткого замыкания, который в десятки раз превышает номинальное значение. Это генерирует большое количество тепла, вызывая сильный перегрев распределительного трансформатора и быстрое повышение температуры катушки, что приводит к старению изоляции. Когда способность распределительного трансформатора выдерживать ток короткого замыкания недостаточна и его тепловая стабильность плоха, изоляционный материал распределительного трансформатора будет серьезно поврежден, что приведет к пробою и повреждению распределительного трансформатора.
Деформация обмоток, вызванная электродинамической силой короткого замыкания
Когда распределительный трансформатор подвергается воздействию короткого замыкания, если ток короткого замыкания мал и плавкий предохранитель срабатывает правильно, деформация обмоток будет небольшой. Если ток короткого замыкания велик и плавкий предохранитель срабатывает с задержкой или не срабатывает, вторичная сторона генерирует ток короткого замыкания, в 20-30 раз превышающий номинальный ток. Первичная сторона распределительного трансформатора неизбежно генерирует большой ток для противодействия демагниченному эффекту тока короткого замыкания на вторичной стороне. Большой ток создает значительное механическое напряжение внутри катушки, вызывая ее сжатие, смещение или деформацию, ослабление изоляционных прокладок и пластин, ослабление болтов зажима сердечника, искривление или взрыв высоковольтной катушки, что в конечном итоге приводит к неисправности распределительного трансформатора. Одновременно обмотки подвергаются относительно большому электромагнитному моменту, и изоляционный материал отслаивается, обнажая проводники и вызывая межвитковые короткие замыкания. При небольших деформациях, если их не ремонтировать своевременно, например, восстанавливая положение прокладок, затягивая болты зажима обмоток, тяги и штанги ярма, и усиливая усилие зажима выводов, кумулятивный эффект после нескольких воздействий короткого замыкания также повредит распределительный трансформатор.
2.1.2 Меры по снижению коротких замыканий
Оптимизация требований к выбору. При выборе распределительного трансформатора выбирайте тот, который успешно проходит тест на короткое замыкание. Разумно определите мощность распределительного трансформатора и рационально выберите его сопротивление короткому замыканию. Постарайтесь использовать энергоэффективные S11-типа распределительные трансформаторы и вывести из эксплуатации высокопотребляющие трансформаторы.
Оптимизация условий и окружающей среды эксплуатации. Улучшите уровень изоляции линий электропередач, особенно уровень изоляции низковольтных выходных линий распределительного трансформатора на определенном расстоянии. Одновременно повысьте стандарты для требований к безопасному коридору и безопасному расстоянию низковольтных линий, чтобы снизить влияние и опасности близлежащих неисправностей. Это включает внимание к качеству установки и обслуживания низковольтных понижающих терминалов (поскольку взрыв низковольтных терминалов в основном эквивалентен вторичному короткому замыканию), предотвращение проникновения мелких животных и повышение требований к качеству низковольтных плавких предохранителей, чтобы предотвратить ситуации, когда плавкие предохранители не срабатывают.
Оптимизация режимов работы. При определении режима работы рассчитайте ток короткого замыкания и ограничьте его опасности. В частности, предотвратите работу распределительного трансформатора при перегрузке. Постарайтесь рассчитать и скорректировать электрическую нагрузку распределительного трансформатора.
Улучшение уровня управления эксплуатацией. Во-первых, предотвратите короткие замыкания, вызванные ошибочной работой. Усиливайте своевременный мониторинг и обслуживание распределительных трансформаторов, своевременно обнаруживайте степень деформации распределительных трансформаторов и обеспечивайте их безопасную работу. Одновременно увеличивайте усилия по проверке потребления электроэнергии пользователями в зоне действия распределительного трансформатора, чтобы предотвратить проблемы перегрузки, вызванные хищением электроэнергии пользователями.
2.2 Разрядные неисправности
На основе плотности энергии разряда, разрядные неисправности распределительных трансформаторов обычно классифицируются на частичные разряды, искровые разряды и высоконапряженные разряды. Разряды имеют два типа разрушительных эффектов на изоляцию: один — это то, что частицы разряда непосредственно бомбардируют изоляцию, вызывая местное повреждение изоляции, которое постепенно расширяется до полного пробоя изоляции. Другой — это то, что химическое действие активных газов, таких как тепло, озон и оксиды азота, образующиеся при разряде, коррозирует местную изоляцию, увеличивает диэлектрические потери и, в конечном итоге, приводит к тепловому пробою.
2.2.1 Частичные разрядные неисправности распределительных трансформаторов
Частичный разряд — это явление разряда, которое не проходит через всю структуру изоляции и происходит на краях воздушных зазоров, масляных пленок или проводников внутри изоляционной структуры под действием напряжения. В начале частичный разряд является разрядом с низкой энергией. Когда такой разряд происходит внутри распределительного трансформатора, ситуация становится относительно сложной. В зависимости от различных изоляционных сред, частичный разряд можно разделить на частичный разряд в пузырьках и частичный разряд в масле. В зависимости от местоположения изоляции, он включает частичный разряд в полостях твердой изоляции, на концах электродов, в масляных угловых зазорах, в масляных зазорах между маслом и изоляционными картонами, а также по поверхности твердой изоляции в масле. Причины частичного разряда следующие:
Когда в масле есть пузырьки или полости в твердом изоляционном материале, из-за малой диэлектрической постоянной газа, он подвергается высокой напряженности электрического поля при переменном напряжении, но его прочность на пробой ниже, чем у масла и бумажной изоляции. Поэтому разряд, как правило, начинается в воздушном зазоре.
Влияние внешних условий. Например, если очистка масла не завершена, и из масла выпадают пузырьки, это может вызвать разряд.
Из-за низкого качества изготовления. Например, разряд происходит на некоторых участках с острыми углами. Введение пузырьков, загрязнений и влаги, или из-за внешних температурных факторов, таких как капли краски, которые подвергаются относительно высокой напряженности электрического поля.
Разряд, вызванный плохим контактом между металлическими частями или проводниками. Хотя плотность энергии частичного разряда невелика, если он развивается дальше, он может привести к порочному кругу разрядов, в конечном итоге приводящему к пробою или повреждению оборудования и вызывающему серьезные аварии сгорания.
2.2.2 Искровые разрядные неисправности распределительных трансформаторов
Обычно искровые разряды не быстро вызывают пробой изоляции. Они в основном проявляются в аномальном анализе хроматографии масла, увеличении количества частичных разрядов или легком газе. Их относительно легко обнаружить и устранить, но необходимо уделять должное внимание их развитию. Основных причин искровых разрядов две:
Искровой разряд, вызванный плавающим потенциалом. В высоковольтном оборудовании определенная металлическая часть, из-за конструктивных причин или плохого контакта во время транспортировки и эксплуатации, отсоединяется и находится между высоковольтным и низковольтным электродами, разделяя напряжение по своему импедансу. Потенциал этой металлической части к земле называется плавающим потенциалом. Электрическое поле рядом с объектом, имеющим плавающий потенциал, относительно сконцентрировано, часто постепенно выжигает окружающую твердую диэлектрическую среду или карбонизирует ее.
Это также вызывает разложение масла на большое количество характерных газов под действием плавающего потенциала, что приводит к аномальному результату хроматографического анализа изоляционного масла. Плавающий разряд может происходить на металлических частях, находящихся на высоком потенциале, внутри распределительного трансформатора, таких как регулирующая обмотка, когда шаровой заземлитель втулки и вилка переключателя без нагрузки имеют плавающий потенциал. Для частей, находящихся на земляном потенциале, таких как магнитный экран из листовой стали и различные металлические болты для крепления, если их соединение с землей ослабло или отсоединен, это приведет к плавающему потенциальному разряду. Плохой контакт на конце высоковольтной втулки распределительного трансформатора также может формировать плавающий потенциал и вызывать искровой разряд.
Искровой разряд, вызванный загрязнениями в масле
Основной причиной искровых разрядных неисправностей распределительных трансформаторов является влияние загрязнений в масле. Эти загрязнения состоят из влаги, волокнистых веществ (в основном влажных волокон) и т. д. Диэлектрическая постоянная ε воды примерно в 40 раз выше, чем у масла распределительного трансформатора. В электрическом поле загрязнения сначала поляризуются и притягиваются к области с самой высокой напряженностью электрического поля, то есть к электродам, и располагаются в направлении линий электрического поля. Таким образом, образуется "мост" из загрязнений рядом с электродами.
Проводимость и диэлектрическая постоянная "моста" выше, чем у масла распределительного трансформатора. Согласно принципам электромагнитных полей, наличие "моста" искажает электрическое поле в масле. Поскольку диэлектрическая постоянная волокон мала, электрическое поле в масле на концах волокон усиливается. Поэтому разряд сначала происходит и развивается в этой части масла. Масло диссоциирует в условиях высокой напряженности электрического поля, разлагаясь на газы, что приводит к увеличению размеров пузырьков и усилению диссоциации. Затем процесс постепенно развивается, приводя к искровому разряду во всем масляном зазоре через газовый канал. Таким образом, искровый разряд может произойти при относительно низком напряжении.
Если расстояние между электродами не велико и достаточно загрязнений, "мост" может соединить два электрода. В этом случае, из-за относительно высокой проводимости "моста", по нему протекает большой ток (величина тока зависит от емкости источника питания), что вызывает интенсивный нагрев "моста". Влага и масло вблизи "моста" кипят и испаряются, создавая газовый канал - "пузырьковый мост", и происходит искровой разряд.
Если волокна не влажные, проводимость "моста" очень мала, и его влияние на напряжение искрового разряда масла также относительно мало; наоборот, влияние больше. Поэтому искровой разряд масла распределительного трансформатора, вызванный загрязнениями, связан с процессом нагрева "моста". Когда действует импульсное напряжение или электрическое поле крайне неоднородно, загрязнениям трудно сформировать "мост", и их влияние ограничивается искажением электрического поля. Процесс искрового разряда в основном зависит от величины приложенного напряжения.
2.2.3 Дуговые разрядные неисправности распределительных трансформаторов
Дуговой разряд — это разряд с высокой энергией, который обычно проявляется как пробой изоляции между витками или слоями обмоток. Другие распространенные неисправности включают обрыв выводов, пробой на землю и дуговые разряды переключателей отпайки.
Влияние дугового разряда. Из-за высокой плотности энергии дуговых разрядных неисправностей, газы образуются быстро. Они часто воздействуют на диэлектрик в виде электронных лавин, вызывая пробой, обугливание или карбонизацию изоляционной бумаги, деформацию или плавление и горение металлических материалов. В тяжелых случаях это может привести к повреждению оборудования или даже взрыву. Такие аварии обычно трудно предсказать заранее и не имеют явных признаков, часто возникают внезапно.
Газовые характеристики дугового разряда. После возникновения дугового разряда масло распределительного трансформатора также карбонизируется и чернеет. Основные компоненты характерных газов в масле — это H2 и C2H2, затем C2H6 и CH4. Когда разрядная неисправность затрагивает твердую изоляцию, также образуются CO и CO2.Таким образом, три формы разряда имеют как различия, так и определенные связи. Различия заключаются в уровне энергии разряда и составе газов, а связь в том, что частичный разряд является предшественником двух других форм разряда, а последние являются неизбежным результатом развития первого. Поскольку неисправности, возникающие внутри распределительных трансформаторов, часто находятся в состоянии постепенного развития, и большинство из них не являются однотипными, а сопровождаются другим типом или несколькими типами, возникающими одновременно, требуется более тщательный анализ и специфическая обработка.
2.3 Неисправности изоляции
В настоящее время, наиболее широко используемые распределительные трансформаторы в сельских электрических сетях — это маслонаполненные трансформаторы. Изоляция распределительного трансформатора — это изоляционная система, состоящая из его изоляционных материалов. Это основное условие для нормальной работы распределительного трансформатора, и срок службы распределительного трансформатора определяется сроком службы изоляционных материалов (например, масла-бумаги или смолы). Практический опыт показывает, что большинство повреждений и неисправностей распределительных трансформаторов вызваны повреждением изоляционной системы.
Следовательно, защита нормальной работы распределительного трансформатора и укрепление рационального обслуживания изоляционной системы могут, в значительной степени, обеспечить относительно длительный срок службы распределительного трансформатора. Предупредительное и прогностическое обслуживание являются ключом к продлению срока службы распределительных трансформаторов и улучшению надежности электроснабжения.
В маслонаполненных распределительных трансформаторах основными изоляционными материалами являются изоляционное масло и твердые изоляционные материалы, такие как изоляционная бумага, картон и деревянные блоки. Так называемое старение изоляции распределительного трансформатора означает, что эти материалы разлагаются под влиянием факторов окружающей среды, снижая или теряя свою изоляционную прочность.
2.3.1 Твердая бумажная изоляция
Твердая изоляция является одной из основных компонентов изоляции маслонаполненных распределительных трансформаторов, включая изоляционную бумагу, изоляционные пластины, изоляционные прокладки, изоляционные катушки, изоляционные обвязочные ленты и т. д. Ее основным компонентом является целлюлоза. После старения изоляционной бумаги степень полимеризации и прочность на растяжение постепенно снижаются, и образуются
