Razprava o napakah v distribucijskih transformatorjih podeželske električne mreže

1. Uvod

Zaradi dolgoročnega delovanja so napake in nesreče v distribucijskih transformatorjih v električnih omrežjih na podeželju neizbežne. Te napake in nesreče so povzročene mnogimi dejavniki, kot so zunanji sili, kot so poškodbe in udari, ter neprebojivi naravni nesreče, kot so gremljni udari. V nekaterih podeželskih območjih je vzdrževanje nizega napetostnega omrežja nedostatočno, kar pogosto vodi do preobremenitve in krajših zaprtij, ki povzročajo izgorelje distribucijskih transformatorjev. To je postalo glavni dejavnik, ki prispeva k napakam.

Za preprečevanje izgoreljivosti distribucijskih transformatorjev in zmanjšanje njihovih operativnih napak v podeželskih električnih omrežjih ta članek povzroči in analizira nekatere tipične vrste napak in vzrokov distribucijskih transformatorjev, raziskuje preventivne ukrepe, nadalje raziskuje in rešuje potencialne tveganja in šibke povezave distribucijskih transformatorjev, učinkovito preprečuje in omejuje pojav napak zaradi izgoreljivosti distribucijskih transformatorjev, s tem pa povečuje zanesljivost oskrbe z električno energijo v podeželskih električnih omrežjih.

Trenutno se v podeželskih električnih omrežjih uporabljajo predvsem masni distribucijski transformatorji. Napake teh transformatorjev so običajno razdeljene na notranje in zunanje napake. Notranje napake se nanašajo na različne nepravilnosti znotraj posode transformatorja. Glavne vrste so medfazna krajša zaprtja med navoji, mehurska krajša zaprtja znotraj navojev in zemljenja, ko navoji ali odvodi stikajo s spoljnjo posodo. Zunanje napake so različne nepravilnosti, ki se pojavljajo na izolacijskih gumbkah zunaj posode transformatorja in njihovih odvodov. Glavne vrste so zemljenje zaradi prosvetovanja ali polomov izolacijskih gumbkov in medfazna krajša zaprtja ali zemljenje nizega napetostnega izhoda.

Ker so napake distribucijskih transformatorjev široko razširjene, obstaja veliko specifičnih načinov razvrščanja. Na primer, iz perspektive vezanih zank so glavno razdeljene na napake vezane zanke, magnetne zanke in masne zanke. Če so razvrščeni glede na glavno strukturo distribucijskega transformatorja, se lahko razdelijo na napake navojev, jedra, kakovosti masla in pripomočkov. Običajno se vrste napak distribucijskih transformatorjev razvrščajo glede na skupne območja, kjer se najpogosteje pojavljajo napake, kot so napake izolacije, napake jedra, napake preklapljanja itd. Med njimi ima napaka pri krajšem zaprtju izhoda distribucijskega transformatorja največji vpliv na sam transformator in trenutno najvišjo stopnjo pojavljanja. Poleg tega so tudi napake utrku distribucijskega transformatorja itd. Vse te različne vrste napak lahko predstavljajo termične napake, električne napake ali hkrati termo-izpustne napake. Vendar utrka distribucijskega transformatorja pod normalnimi pogoji morda ne kaže karakteristik termičnih ali električnih napak.

Zato je težko razvrstiti vrste napak distribucijskih transformatorjev znotraj specifičnega okvira. Ta članek uporablja relativno pogoste in splošne vrste napak distribucijskih transformatorjev, kot so napake krajših zaprtij, izpustne napake, napake izolacije, napake jedra, napake preklapljanja, napake utrka masnega plina, napake zunanje sile in napake zaščite z varnostnimi ventili. Vsaka vrsta je ločeno obravnavana glede na svoj vzrok in ustrezne tehnične ukrepe.

2. Analiza napak distribucijskih transformatorjev
2.1 Napake krajših zaprtij
2.1.1 Analiza vzrokov napak

Napake krajših zaprtij distribucijskih transformatorjev se glavno nanašajo na krajša zaprtja izhoda distribucijskih transformatorjev, kot tudi na krajša zaprtja med notranjimi odvodi ali navoji do zemlje in krajša zaprtja med fazami, ki vodijo do napak.

Med normalnim delovanjem distribucijskih transformatorjev je poškodba zaradi krajših zaprtij izhoda distribucijskega transformatorja relativno resna. Po relevantnih statistikah napake, ki so neposredno posledica udarja tokov krajših zaprtij na distribucijske transformatorje v podeželskih električnih omrežjih, predstavljajo približno 40 % vseh napak. Takšnih primerov je veliko. Še posebej, ko se v distribucijskem transformatorju pojavi krajše zaprtje nizega napetostnega izhoda, navoji običajno morajo biti zamenjani. V težjih primerih je mogoče, da morajo biti zamenjani vsi navoji, kar privede do zelo resnih posledic in izgub. Zato bi morala biti temu posvečena zadostna pozornost.

Učinki krajših zaprtij izhoda na distribucijske transformatorje vključujejo predvsem naslednja dva vidika:
Napaka prekomerne segrevine izolacije zaradi toka krajšega zaprtja
Zaradi nedostatka vzdrževanja nekaterih podeželskih nizega napetostnega omrežja se pogosto pojavljajo preobremenitve in krajša zaprtja. Ko se distribucijski transformator sooča z nenadnimi krajšimi zaprtji, njegovi visoke in nize napetostne navoji hkrati prenašata tok krajšega zaprtja, ki je desetine krat večji od imenovane vrednosti. To generira veliko toplote, kar povzroči, da se distribucijski transformator zelo pregreje in temperatura navojev hitro raste, kar vodi do staranja izolacije. Ko je sposobnost distribucijskega transformatorja za odpor k tokom krajših zaprtij nedostatna in njegova toplinska stabilnost slaba, bo materijal izolacije distribucijskega transformatorja zelo poškodovan, kar bo vodilo do premika in poškodovanja distribucijskega transformatorja.
Napaka deformacije navojev zaradi elektrodinamske sile krajšega zaprtja
Ko je distribucijski transformator vpliven krajšim zaprtjem, če je tok krajšega zaprtja majhen in varnostni ventil pravilno odpne, bo deformacija navojev manjša. Če je tok krajšega zaprtja velik in varnostni ventil odpne z zamudo ali ne odpne, bo na drugi strani generiran tok krajšega zaprtja 20-30 krat večji od imenovane vrednosti. Na prvi strani distribucijskega transformatorja bo nujno generiran velik tok, da se odpove demagnetizacijski učinek toka krajšega zaprtja na drugi strani. Velik tok generira značilen mehanski stres znotraj navija, kar vodi do stiskanja, premikanja ali deformacije navija, izolacijskih podlag in platnov, sproščenih bolcev za pričepanje jedra, preoblikovanja ali razbitja visokonapetostnega navija in končno do neuspeha distribucijskega transformatorja. Hkrati so naviji podvrženi značilnemu elektromagnetnemu torquu, material izolacije se soli, odkrije telo žice in pride do mehursovega krajšega zaprtja. Za manjše deformacije, če niso popravljene včas, kot je obnovitev položaja podlag, utrditev tlaknih pripadkov navojev in vlečnih plošč in vratov, ter okrepitev pričepanja odvodov, akumulativni učinek po večkratnem vplivu krajših zaprtij bo tudi poškodoval distribucijski transformator.

2.1.2 Ukrepi za zmanjšanje napak krajših zaprtij

• Optimizacija zahtev glede izbire. Pri izbiri distribucijskega transformatorja izberite tistega, ki lahko gladko preteče test krajših zaprtij. Razumno določite kapaciteto distribucijskega transformatorja in razumno izberite njegov upor krajših zaprtij. Poskusite uporabiti energijsko učinkovite S11-tip distribucijske transformatorje in odstranite visoko porabne transformatorje.

• Optimizacija delovnih pogojev in okolja. Izboljšajte izolacijsko raven električnih vod, zlasti izolacijsko raven nizega napetostnega izhoda distribucijskega transformatorja na določeno razdaljo. Hkrati dvignite standarde za varnostni koridor in zahteve glede varnostne razdalje nizega napetostnega omrežja, da zmanjšate vpliv in tveganja blizu ležečih napak. To vključuje pozornost pri namestitvi in vzdrževanju nizega napetostnega padca (ker je eksplozija nizega napetostnega padca večinoma enaka sekundarnemu krajšemu zaprtju), preprečevanje vpada malih živali in izboljšanje kakovostnih zahtev za nizega napetostnega varnostnega ventila, da se prepreči situacije, kot je neodpiranje varnostnega ventila.

• Optimizacija načinov delovanja. Pri določitvi načina delovanja izračunajte tok krajšega zaprtja in omejite njegove škode. Še posebej preprečite, da bi distribucijski transformator deloval pod preobremenitvijo. Poskusite izračunati in prilagoditi električno obremenitev distribucijskega transformatorja.

• Izboljšanje ravni upravljanja delovanja. Prvič, preprečite vpliv krajših zaprtij zaradi zamenjave. Okrepimo včasno spremljanje in vzdrževanje distribucijskih transformatorjev, pravočasno zaznajte stopnjo deformacije distribucijskih transformatorjev in zagotovite njihovo varno delovanje. Hkrati povečajte napore pri pregledu porabe električne energije uporabnikov v območju distribucijskega transformatorja, da preprečite težave z preobremenitvijo, ki jih povzroča kraja uporabnikov.

2.2 Izpustne napake

Na podlagi gostote energije izpusta se izpustne napake distribucijskih transformatorjev običajno razdelijo na delni izpust, izpust iskre in visokoenergijski izpust. Izpust ima dva vrsta uničujočih učinkov na izolacijo: ena je, da izpustne delci neposredno bombardirajo izolacijo, kar povzroči lokalno poškodbo izolacije in jo postopoma razširja, dokler ne pride do propada izolacije. Druga je, da aktivni plini, kot so toplota, ozon in oksidi dušika, generirani z izpustom, kemikalno razgradijo lokalno izolacijo, povečajo dielektrične izgube in končno vodijo do termičnega propada.

2.2.1 Delne izpustne napake distribucijskih transformatorjev

Delni izpust se nanaša na pojav izpusta, ki ne preteče celega sistema in se pojavlja na robih zračnih lukenj, masnih filmov ali vodil v strukturi izolacije pod vplivom napetosti. Na začetku je delni izpust izpust z nizko energijo. Ko se ta vrsta izpusta pojavi znotraj distribucijskega transformatorja, je situacija precej kompleksna. Glede na različne izolacijske medije se delni izpust lahko razdeli na delni izpust v mehurčkih in delni izpust v masu. Glede na lokacije izolacije vključuje delni izpust v jamah trdnih izolacijskih materialov, na koncih elektrod, v masnih rogovih, v masnih luknjah med masom in izolacijskimi papirnatimi ploščami in vzdolž površine trdne izolacije v masu. Vzroki za delne izpusti so naslednji:

• Če so v masu mehurčki ali jamice v trdnih izolacijskih materialih, zaradi majhne dielektrične konstante plina prenaša visoko električno polje pod vplivom napetosti, toda njegova trdnost za trpenje napetosti je nižja od mas in papirnatih izolacijskih materialov. Torej se izpust verjetno najprej pojavi v zračni luknji.

• Vpliv zunanje okoljskega stanja. Na primer, če je masna obravnava nedokončana in mehurčki padajo iz masa, bo to povzročilo izpust.

• Zaradi slabe kakovosti izdelave. Na primer, izpust se pojavi na nekaterih delih s ostrimi robovi. Mehurčki, odpadki in vlaga so uvedeni, ali zaradi zunanje temperaturne povezanosti, kot so barvice, nosijo značilno visoko električno polje.

• Izpust, ki je povzročen zaradi slabe stikovanosti med kovinskimi deli ali vodili. Čeprav je gostota energije delnega izpusta majhna, če se razvije, bo tvoril negotov cikel izpustov, ki bo končno vodil do propada ali poškodovanja opreme in povzročil resne izgorljive nesreče.

2.2.2 Izpustne napake iskre distribucijskih transformatorjev

Običajno izpust iskre ne hitro povzroči propada izolacije. Predvsem se odraža v nepravilnem analizi masnega kromatograma, povečanem količniku delnega izpusta ali svetlem plinu. Je precej enostavno zaznati in obravnavati, toda njegovo razvoj mora biti dovolj pozorno spremljan. Obstajata glavna vzroka za izpust iskre:

Izpust iskre zaradi plavajočega potenciala. V visokonapetostni električni opremi se zaradi strukturnih razlogov ali slabe stikovanosti med transportom in delovanjem nekateri kovinski deli odtrgnujo in se nahajajo med visokonapetostnimi in nizegnapetostnimi elektrodi, razdeljujo napetost glede na njihov upor. Potencial do tla, ki se ustvari na tem kovinskem delu, se imenuje plavajoči potencial. Električno polje blizu predmeta z plavajočim potencialom je precej koncentrirano, pogosto postopoma izgore solidne dielektrične material ali jih prepeljavi.

Prav tako povzroči, da se izolacijski mas razloči veliko značilnih plinov pod vplivom plavajočega potenciala, kar vodi do nepravilnega rezultata analize kromatograma izolacijskega masa. Plavajoči izpust se lahko pojavi na kovinskih delih z visokim potencialom znotraj distribucijskega transformatorja, kot je regulacijski navoj, ko ima gradnja gumbka gumbka in brezobremenno preklapljalnik preklapljalnika plavajoči potencial. Za dele na potencialu tla, kot so silikatna lista magnetskega ščita in različni kovinski boltci za pričepanje, če je njihova povezava s tlem rahla ali odstranjena, bo to vodilo do plavajočega potencialnega izpusta. Slaba stikovanost na koncu visokonapetostnega gumbka distribucijskega transformatorja lahko tudi ustvari plavajoči potencial in povzroči izpust iskre.

Izpust iskre zaradi onesnaženosti masa
Glavni vzrok za izpustne napake iskre distribucijskih transformatorjev je vpliv onesnaženosti v masu. Ti onesnaževalci so sestavljeni iz vlage, vlaknenih snovi (predvsem vlage vlaknen) itd. Dielektrična konstanta ε vode je približno 40-krat večja od dielektrične konstante masa distribucijskega transformatorja. V električnem polju so onesnaževalci najprej polarizirani in privlačeni v območje z največjo močjo električnega polja, to je blizu elektrod, in so usmerjeni v smeri električnih poljnih črt. Tako se oblikuje "most" onesnaževalcev blizu elektrod.

Provodnost in dielektrična konstanta "mosta" sta oba večja od masa distribucijskega transformatorja. Po principih elektromagnetskih polj prisotnost "mosta" prekriva električno polje v masu. Ker je dielektrična konstanta vlaken majhna, se električno polje v masu na koncilih vlaken okrepiti. Torej se izpust najprej pojavi in se razvija v tej delu masa. Masa se razloči v visokopoljskem okolju, razloči se v plin, kar povzroči, da se mehurčki povečajo in razločevanje se okrepiti. Nato se proces postopoma razvija, kar vodi do izpusta iskre v celotnem masnem prelivu skozi plinski kanal. Torej se izpust iskre lahko pojavi pri relativno nizki napetosti.

Če je razdalja med elektrodami nevelika in je dovolj onesnaževalcev, "most" lahko poveže obe elektrodi. V tem času, zaradi relativno visoke provodnosti "mosta", velik tok teče skozi "most" (velikost toka je odvisna od zmogljivosti virja), kar povzroči, da se "most" intenzivno segreje. Vlaga in bližnji mas v "mostu" se varljajo in parajo, ustvarjajo plinski kanal - "mehurčni most", in se pojavi izpust iskre.

Če so vlakna suha, je provodnost "mosta" zelo majhna, in njegov vpliv na napetost izpusta iskre masa je tudi relativno majhen; obratno, vpliv je večji. Torej izpust iskre masa distribucijskega transformatorja zaradi onesnaževalcev je povezan z segrevalnim procesom "mosta". Ko deluje impulzna napetost ali je električno polje zelo neenakomerno, je težko, da se onesnaževalci oblikujejo v "most", in njihov vpliv je omejen le na prekrivanje električnega polja. Proces izpusta iskre se glavno odvija glede na velikost uporabljene napetosti.

2.2.3 Izpustne napake loka distribucijskih transformatorjev

Lok je visokoenergijski izpust, ki se običajno kaže kot propad izolacije med navoji ali sloji. Druge pogoste napake vključujejo prekid odvoda, prosvetovanje na tlo in izpust preklapljalnika.

• Vpliv loka. Zaradi visoke gostote energije izpustnih napak loka se plin hitro generira. To pogosto vpliva na dielektrik v obliki elektronskih lavin, kar povzroči, da se izolacijski papir perforira, prepeljavi ali karbonizira, deformira ali taloči in izgore metali. V težjih primerih lahko povzroči poškodbo opreme ali celo eksplozije. Take nesreče so običajno težko predvidljive vnaprej in nimajo očitnih znakov, običajno se pojavijo nenadno.

• Plinski znaki loka. Po pojavu izpustne napake loka se tudi mas distribucijskega transformatorja karbonizira in postane črn. Glavni sestavine značilnih plinov v masu so H2 in C2H2, sledi C2H6 in CH4. Ko izpustna napaka vključuje trdno izolacijo, se bodo tudi generirali CO in CO2.V skladu z zgornjim imajo tri oblike izpusta kako razlike, tako tudi določene povezave. Razlike se nanašajo na ravni energije izpusta in sestav plinov, povezava pa je, da je delni izpust predhodnik ostalih dveh oblik izpusta, in zadnji dve so neizbežni rezultati razvoja prve. Ker se napake, ki se pojavljajo znotraj distribucijskih transformatorjev, običajno pojavljajo v stanju postopnega razvoja, in večina jih ni eno-tipne napake, ampak so ena vrsta s poprto drugo vrsto, ali pa se pojavljajo hkrati več vrst. Zato je potrebno precejšnje analiziranje in specifično ravnanje.

2.3 Napake izolacije

Trenutno se v podeželskih električnih omrežjih najpogosteje uporabljajo masni distribucijski transformatorji. Izolacija distribucijskega transformatorja se nanaša na sistem izolacije, sestavljen iz izolacijskih materialov. To je temeljno pogojev za normalno delovanje distribucijskega transformatorja, in življenjska doba distribucijskega transformatorja je določena s življenjsko dobo izolacijskih materialov (kot je masni papir ali smola). Praktična izkušnja je dokazala, da je večina poškodb in napak distribucijskih transformatorjev povzročena poškodbo sistema izolacije.

Zato zaščita normalnega delovanja distribucijskega transformatorja in okrepitev razumnega vzdrževanja sistema izolacije lahko v veliki meri zagotovi relativno dolgo življenjsko dobo distribucijskega transformatorja. Preventivno in prediktivno vzdrževanje sta ključna za podaljšanje življenjske dobe distribucijskih transformatorjev in izboljšanje zanesljivosti oskrbe s struy.

V masnih distribucijskih transformatorjih so glavni izolacijski materiali izolacijski mas in trdni izolacijski materiali, kot so izolacijski papir, karton, lesne bloke. Tako imenovano starenanje izolacije distribucijskega transformatorja pomeni, da se ti materiali razgradijo pod vplivom okoljski