Razgovor o kvarovima transformatora za raspodelu struje u ruralnim električnim mrežama

1. Uvod

Zbog dugotrajnog rada, greške i nesreće distribucijskih transformatora u ruralnim mrežama ne mogu biti potpuno izbežane. Ove greške i nesreće su uzrokovane mnogočim faktorima, poput vanjskih sila, kao što su oštećenja i udari, te neodoljivih prirodnih nesreća, poput udara munje. Takođe, u nekim ruralnim područjima, niskonaponske linije nisu dovoljno održavane, često do dolasko preopterećenja i kratkog spoja, što dovodi do spaljivanja distribucijskih transformatora. To je postalo glavni faktor koji doprinosi greškama.

Da bi se sprečilo spaljivanje distribucijskih transformatora i smanjile njihove operativne greške u ruralnim mrežama, ovaj rad sumirao i analizirao nekoliko tipičnih vrsta grešaka i uzroka distribucijskih transformatora, istražio prevencione mere, dalje ispitao i rešio potencijalne opasnosti i slabe veze distribucijskih transformatora, efektivno sprečio i ograničio pojavljivanje grešaka spaljivanja distribucijskih transformatora, i time povećao pouzdanost snabdevanja strujom ruralnih mreža.

Trenutno, distribucijski transformatori koji se koriste u ruralnim mrežama uglavnom su uljani distribucijski transformatori. Greške takvih transformatora obično se klasificiraju na interne i eksterne greške. Interne greške odnose se na razne nepravilnosti koje se javljaju unutar rezervoara transformatora. Glavne vrste uključuju međufazni kratak spoj između navojnice, kratak spoj između zavrta u navojnicama i greške zemljenja gdje navojnice ili izlazi kontaktiraju spoljnu kutiju. Eksterne greške su razne nepravilnosti koje se javljaju na izolacionim flanševima izvan rezervoara transformatora i njihovim izlazima. Glavne vrste su zemljenje zbog proboja ili loma izolacionih flanševa, i međufazni kratak spoj ili zemljenje niskonaponskih izlaznih linija.

Pošto se greške distribucijskih transformatora odnose na širok spektar, postoje brojne specifične metode klasifikacije. Na primjer, sa stanovišta strujnih petlji, one su uglavnom klasifikovane na strujne greške, magnetske greške i uljane greške. Ako se klasifikuju prema glavnoj strukturi distribucijskog transformatora, mogu se podeliti na greške navojnice, greške željeza, greške kvaliteta ulja i greške dodataka. Konvencionalno, vrste grešaka distribucijskih transformatora obično se klasifikuju prema najčešćim područjima pojavljivanja grešaka, poput grešaka izolacije, grešaka željeza, grešaka tap-changer-a itd. Međutim, greška kratkog spoja na izlazu distribucijskog transformatora ima najozbiljniji uticaj na sam transformator i najveću stopu pojavljivanja trenutno. Takođe, postoje i greške curenja distribucijskih transformatora itd. Sve ove različite vrste grešaka mogu predstavljati toplinske greške, električne greške ili istovremeno toplinske i električne greške. Međutim, greška curenja distribucijskog transformatora može ne pokazivati karakteristike toplinske ili električne greške u normalnim uslovima.

Stoga je teško klasifikovati vrste grešaka distribucijskih transformatora unutar specifičnog okvira. Ovaj rad koristi relativno uobičajene i generalne vrste grešaka distribucijskih transformatora, poput grešaka kratkog spoja, grešaka razlaganja, grešaka izolacije, grešaka željeza, grešaka tap-changer-a, grešaka curenja ulja i gasa, grešaka oštećenja vanjskom silom i grešaka zaštite fuze. Svaki tip se posebno razmatra u pogledu uzroka i odgovarajućih tehničkih mera.

2. Analiza grešaka distribucijskih transformatora
2.1 Greške kratkog spoja
2.1.1 Analiza uzroka grešaka

Greške kratkog spoja distribucijskih transformatora uglavnom se odnose na kratak spoj na izlazu distribucijskog transformatora, kao i na kratak spoj između internih izlaza ili navojnice na zemlju, i kratak spoj između faza, što dovodi do grešaka.

Tokom normalnog rada distribucijskih transformatora, oštećenje uzrokovano greškama kratkog spoja na izlazu je relativno ozbiljno. Prema relevantnim statistikama, greške direktno uzrokovane uticajem struje kratkog spoja na distribucijske transformatora u ruralnim mrežama čine oko 40% svih grešaka. Takvih slučajeva je mnogo. Posebno, kada se dogodi niskonaponski kratak spoj na izlazu distribucijskog transformatora, navojnice obično treba zameniti. U težim slučajevima, sve navojnice može biti potrebno zameniti, što dovodi do izuzetno ozbiljnih posledica i gubitaka. Stoga treba dati dovoljnu pažnju.

Uticaji kratkog spoja na izlazu na distribucijske transformatore uglavnom uključuju sledeća dva aspekta:
Greška pregrejanja izolacije uzrokavana strujom kratkog spoja
Zbog nedovoljnog održavanja nekih niskonaponskih linija u ruralnim područjima, često se javljaju preopterećenja i kratak spoj. Kada se distribucijski transformator suoči sa naglim kratkim spojem, njegove visokonaponske i niskonaponske navojnice mogu istovremeno proći strujom desetak puta veću od nominalne vrednosti. To generiše veliku količinu toplote, što dovodi do težak pregrejanja distribucijskog transformatora i brzog porasta temperature navojnice, što dovodi do starjenja izolacije. Kada je sposobnost distribucijskog transformatora da otpri struju kratkog spoja nedovoljna i njegova toplinska stabilnost loša, materijal izolacije distribucijskog transformatora će biti teško oštećen, što dovodi do probaja i oštećenja distribucijskog transformatora.
Greška deformacije navojnice uzrokavana elektrodinamičkom silom kratkog spoja
Kada se distribucijski transformator suoči sa kratkim spojem, ako je struja kratkog spoja mala i faza pravilno prekidaju, deformacija navojnice će biti mala. Ako je struja kratkog spoja velika i faze prekidaju sa kašnjenjem ili ne prekidaju, sekundarni strana će generisati struju 20-30 puta veću od nominalne struje. Primarna strana distribucijskog transformatora neizbežno generišće veliku struju kako bi se suprotstavila demagnetizirajućem efektu struje kratkog spoja na sekundarnoj strani. Velika struja generiše značajnu mehaničku napetost unutar navojnice, što dovodi do kompresije, pomjera ili deformacije navojnice, oslabljenja izolacionih podloga i ploča, oslabljenja boltova za klešenje željeza, izobličenja ili puca navojnice visokog napon i konačno do greške distribucijskog transformatora. U isto vreme, navojnice su izložene relativno velikom elektromagnetskom momentu, a materijal izolacije otapa, otkrivajući tijelo žice i dovodeći do kratak spoj između zavrta. Za male deformacije, ako se ne poprave na vreme, kao što je vraćanje pozicije podloga, zategivanje šrafova navojnice i povlačenja i štapova jare, i jačanje sile klešenja izlaza, kumulativni efekat nakon više uticaja kratak spoj takođe će oštetiti distribucijski transformator.

2.1.2 Mere za smanjenje grešaka kratkog spoja

• Optimizacija zahteva za izborom. Pri izboru distribucijskog transformatora, odaberite onaj koji može gladko proći test kratkog spoja. Rasudljivo odredite kapacitet distribucijskog transformatora i rasudljivo odaberite njegovu impedanciju kratkog spoja. Pokušajte koristiti energoefikasne S11-tipe distribucijske transformatore i eliminirati transformatore s visokim potrošnjom energije.

• Optimizacija uslova i okruženja rada. Unaprijedite nivo izolacije strujnih linija, posebno nivo izolacije niskonaponskih izlaznih linija distribucijskog transformatora na određenoj udaljenosti. Istovremeno, podignite standarde za zahteve bezbednosnog koridora i bezbednosne udaljenosti niskonaponskih linija kako biste smanjili uticaj i opasnosti grešaka u blizini. To uključuje obratu pažnju na kvalitet instalacije i održavanja niskonaponskih terminala padanja (pošto eksplozija niskonaponskih terminala uglavnom ekvivalentna je sekundarnom kratak spoju), sprječavanje ulaska malih životinja, i poboljšanje kvaliteta zahteva za niskonaponske fuze kako biste sprječili situacije poput neisključivanja fuza.

• Optimizacija načina rada. Kada se određuje način rada, izračunajte struju kratkog spoja i ograničite njene opasnosti. Posebno, sprječite preopterećenje distribucijskog transformatora. Pokušajte izračunati i prilagoditi električnu opterećenost distribucijskog transformatora.

• Unapređenje razine upravljanja radom. Prvo, sprječite uticaje kratkog spoja uzrokovane pogrešnim upravljanjem. Jačajte pravo vrijeme nadzor i održavanje distribucijskih transformatora, pravo vrijeme otkrijte stepen deformacije distribucijskih transformatora, i osigurajte njihov siguran rad. Istovremeno, povećajte inspekcioni napor na potrošnju struje korisnika u području distribucijskog transformatora kako biste sprječili probleme preopterećenja uzrokovane krađom struje.

2.2 Greške razlaganja

Na osnovu gustoće energije razlaganja, greške razlaganja distribucijskih transformatora obično se klasifikuju na parcijalno razlaganje, iskre i visokoenergetsko razlaganje. Razlaganje ima dva tipa destruktivnih efekata na izolaciju: jedan je da čestice razlaganja direktno bombardiraju izolaciju, dovodeći do lokalnog oštećenja izolacije i postepenog širenja dok izolacija ne propadne. Drugi je da hemijski efekti aktivnih gasova, poput toplote, ozona i oksida dušika, generisanih tokom razlaganja, koroziuju lokalnu izolaciju, povećavaju dielektričnu gubitke i konačno dovode do toplinskog propadanja.

2.2.1 Parcijalne greške razlaganja distribucijskih transformatora

Parcijalno razlaganje odnosi se na fenomen ne-probijanja razlaganja koji se javlja na rubovima vazdušnih razmaka, filmskih slojeva ulja ili vodilaca unutar strukture izolacije pod dejstvom napona. Na početku, parcijalno razlaganje je niska-energetska razlaganja. Kada se ova vrsta razlaganja javi unutar distribucijskog transformatora, situacija je relativno složena. Prema različitim medijima izolacije, parcijalno razlaganje može biti podijeljeno na parcijalno razlaganje u mrljama i parcijalno razlaganje u ulju. Prema lokacijama izolacije, uključuje parcijalno razlaganje u jamama čvrste izolacije, na vrhovima elektroda, u uglovima mrljama, u razmacima između ulja i folija izolacione papirne ploče, i duž površine čvrste izolacije u ulju. Razlozi za parcijalno razlaganje su sljedeći:

• Kada u ulju postoje mrlje ili jamice u čvrstom materijalu izolacije, zbog male dielektrične konstante gasa, nosi visoku jakost električnog polja pod napravnim naponom, ali njegova otpornost na napon je niža od ulja i folija izolacione papirne ploče. Stoga, razlaganje najčešće prvo nastaje u vazdušnom razmaku.

• Utjecaj vanjskih okruženjskih uvjeta. Na primjer, ako je obrada ulja nepotpuna i mrlje se taloše iz ulja, doći će do razlaganja.

• Zbog loše kvalitete proizvodnje. Na primjer, razlaganje se javlja na nekim dijelovima s ostrim uglovima. Uvedeni su mrlje, ostaci i vlaga, ili zbog vanjskih faktora povezanih s temperaturom, poput čvorova boje, nose relativno veliku jakost električnog polja.

• Razlaganje uzrokovano lošim kontaktom između metalnih dijelova ili vodilaca. Iako je gustoća energije parcijalnog razlaganja mala, ako se razvija dalje, formirat će se zao krug razlaganja, konačno dovodeći do propadanja ili oštećenja opreme i uzrokujući teške greške spaljivanja.

2.2.2 Greške razlaganja iskrice distribucijskih transformatora

Obično, iskrice ne brzo dovode do propadanja izolacije. One se uglavnom odražavaju u anormalnoj analizi hromatografije ulja, povećanju količine parcijalnog razlaganja, ili laganim plinovima. Lako ih je otkriti i obraditi, ali njihovom razvoju treba dati dovoljnu pažnju. Postoje dva glavna razloga za iskrice:

Iskrice uzrokovane potencijalom plivanja. U visokonaponskom električnom opremu, određeni metalni dio, zbog strukturnih razloga ili lošeg kontakta tokom transporta i rada, odvoji se i nalazi između visokonaponskog i niskonaponskog elektroda, dijeleći napon prema svojoj impedanciji. Potencijal prema zemlji generisan na ovom metalnom dijelu naziva se potencijal plivanja. Jakost električnog polja oko objekta s potencijalom plivanja je relativno koncentrisana, često postupno spaljujući okolinu čvrstu dielektričnu materiju ili karbonizirajući ju.

To takođe dovodi do dekompozicije izolacionog ulja velike količine karakterističnih plinova pod uticajem potencijala plivanja, što dovodi do anormalnog rezultata analize hromatografije izolacionog ulja. Plivajuće razlaganje može nastati na metalnim dijelovima visokog potencijala unutar distribucijskog transformatora, kao što su regulaciona navojka, kada loptica flanša i vidici promjene položaja tap-changer-a imaju potencijal plivanja. Za dijelove na potencijalu zemlje, kao što su magnetični štit sirovog željeza i razni metalni boltovi za čvršćenje, ako je njihov kontakt s zemljom los ili otkriven, doći će do plivajućeg razlaganja. Loš kontakt na kraju visokonaponskog flanša distribucijskog transformatora takođe može formirati potencijal plivanja i uzrokovati iskrice.

Iskrice uzrokovane impuritetima u ulju
Glavni razlog za greške iskrice distribucijskih transformatora je uticaj impuriteta u ulju. Ovi impuriteti su sastavljeni od vode, vlaknih materija (uglavnom vlažnih vlakana) itd. Dielektrična konstanta ε vode je približno 40 puta veća od distribucijskog transformatora. U električnom polju, impuriteti su prvo polarizirani i privučeni u područje sa najvećom jakosti električnog polja, odnosno blizu elektroda, i poređani su u smjeru linija električnog polja. Time se formira "most" impuriteta blizu elektroda.

Vodljivost i dielektrična konstanta "mosta" su veće od distribucijskog transformatora. Prema principima elektromagnetskih polja, prisustvo "mosta" distorts električno polje u ulju. Budući da je dielektrična konstanta vlakana mala, električno polje u ulju na krajevima vlakana je jačano. Stoga, razlaganje prvo nastaje i razvija se u tom dijelu ulja. Ulje se disocijuje u visoko-jakom polju, dekomponirajući se na plinove, što dovodi do povećanja veličine mrlja i jačanja disocijacije. Zatim, proces postupno razvija, dovodeći do iskrice u cijelom uljnom razmaku preko kanala plina. Dakle, iskrice mogu nastati na relativno niskom naponu.

Ako je razmak između elektroda nije veliki i postoji dovoljno impuriteta, "most" može povezati dva elektroda. U tom trenutku, zbog relativno visoke vodljivosti "mosta", velika struja teče duž "mosta" (veličina struje zavisi od kapaciteta napajanja), što dovodi do intenzivnog zagrijavanja "mosta". Voda i blizu ulje u "mostu" vre i vaporiziraju, stvarajući plinski kanal - "mrljni most", i iskrice se javljaju.

Ako su vlakna suha, vodljivost "mosta" je vrlo mala, a njegov uticaj na iskrice napon ulja je takođe relativno mali; obrnuto, uticaj je veći. Stoga, iskrice distribucijskog transformatora ulja uzrokovane impuritetima su povezane s procesom zagrijavanja "mosta". Kada djeluje impulsni napon ili kada je električno polje izuzetno neuniformno, impuriteti se ne lako formiraju u "most", a njihov uticaj se ograničava samo na distorziju električnog polja. Proces iskrice uglavnom zavisi od veličine primijenjenog napona.

2.2.3 Greške lukovog razlaganja distribucijskih transformatora

Lukovo razlaganje je visokoenergetsko razlaganje, koje se obično vidi kao propadanje izolacije između zavrta ili slojeva navojnice. Ostale uobičajene greške uključuju prekid izlaza, iskrene na zemlju i lukove tap-changer-a.

• Uticaj luka. Zbog visoke gustoće energije grešaka luka, gas se brzo generiše. Često utiče na dielektrik u obliku elektronskih lavina, dovodeći do probijanja, karbonizacije ili ugljenovanja izolacione papire, deformacije ili topnje i spaljivanja metalnih materijala. U težim slučajevima, može doći do oštećenja opreme ili čak eksplozije. Takve nesreće obično su teško predvidljive unaprijed i nemaju očigledne predznake, često se pojavljuju iznenada.

• Plinske karakteristike luka. Nakon što se dogodi greška lukovog razlaganja, ulje distribucijskog transformatora takođe karbonizira i crne. Glavni sastojci karakterističnih plinova u ulju su H2 i C2H2, zatim C2H6 i CH4. Kada greška razlaganja uključuje čvrstu izolaciju, generišu se CO i CO2.Ukratko, tri forme razlaganja imaju i razlike i određene veze. Razlike se odnose na razinu energije razlaganja i sastav plinova, dok veza jest da parcijalno razlaganje predstavlja prethodu drugim dvema formama razlaganja, a druge dvije su neizbežni rezultat razvoja prvog. Budući da greške koje se javljaju unutar distribucijskih transformatora često su u stanju postepenog razvoja, i većina njih nisu jednosmjerne greške, već jedna vrsta ide uz drugu, ili se nekoliko vrsta javlja istovremeno. Stoga je potrebna pažljivija analiza i specifična obrada.

2.3 Greške izolacije

Trenutno, najšire korišćeni distribucijski transformatori u ruralnim mrežama su uljani transformatori. Izolacija distribucijskog transformatora odnosi se na sistem izolacije sastavljen od njegovih materijala izolacije. To je temeljno stanje za normalnu operaciju distribucijskog transformatora, a vreme života distribucijskog transformatora određuje se vremenom trajanja materijala izolacije (poput ulja-bumage ili smole). Praktična iskustva su dokazala da je većina oštećenja i grešaka distribucijskih transformatora uzrokovana oštećenjem sistema izolacije.

Stoga, zaštita normalne operacije distribucijskog transformatora i jačanje razumno održavanja sistema izolacije, do značajne mere, može osigurati relativno dugi vreme života distribucijskog transformatora. Prevencija i prediktivno održavanje su ključni za produženje vremena života distribucijskih transformatora i poboljšanje pouzdanosti snabdevanja strujom.

U uljanim distribucijskim transformatorima, glavni materijali izolacije su izolaciono ulje i čvrsti materijali izolacije, kao što su izolaciona papir, karton, i drveni blokovi. Ono što se naziva starenjem izolacije distribucijskog transformatora znači da se ti materijali dekomponiraju pod uticajem okruženjskih faktora, smanjujući ili gubeći svoju izolacionu čvrstoću.

2.3.1 Greške čvrste papirne izolacije

Čvrsta izolacija je jedan od glavnih sast