Wat zijn fouten in transformatoren?

Wat zijn storingen in een transformator?

Definitie van transformatorstoringen

Storingen in een transformator verwijzen naar problemen zoals isolatiefouten en kernfouten die zich binnen of buiten de transformator kunnen voordoen.

Externe storingen in een stroomtransformator

Externe korte sluiting van een stroomtransformator

Korte sluitingen kunnen optreden in twee of drie fasen van het elektrische stroomsysteem. De foutstroom is meestal hoog, afhankelijk van de kortgesloten spanning en de circuitimpedantie tot aan het foutpunt. Deze hoge foutstroom verhoogt de koperverliezen, wat interne verhitting in de transformator veroorzaakt. Het creëert ook ernstige mechanische spanningen, vooral tijdens de eerste cyclus van de foutstroom.

Hoge spanningsstoornis in een stroomtransformator

Hoge spanningsstoornissen in een stroomtransformator komen in twee vormen voor,

• Tijdelijke overspanning

• Overbelasting op netfrequentie

Tijdelijke overspanning

Een hoge spanning en hoge frequentie overspanning kan in het stroomsysteem ontstaan door een van de volgende oorzaken,

• Boogslag als het neutrale punt geïsoleerd is.

• Schakeloperaties van verschillende elektrische apparatuur.

• Atmosferische blikseminslag.

Ongeacht de oorzaken van de overspanning, het is tenslotte een reizende golf met een hoge en steile vorm en een hoge frequentie. Deze golf reist door het elektrische stroomsysteemnetwerk, en bij aankomst in de stroomtransformator veroorzaakt het een isolatiebreuk tussen windingen nabij de lijnterminal, wat kan leiden tot een korte sluiting tussen windingen.

Overbelasting op netfrequentie

Er is altijd een kans op systeemoverbelasting door plotseling afkoppelen van grote lasten. Hoewel de amplitude van deze spanning hoger is dan het normale niveau, is de frequentie hetzelfde als in normale omstandigheden. Overbelasting in het systeem zorgt voor een toename van de belasting op de isolatie van de transformator. Zoals we weten, verhoogt een verhoogde spanning evenredig de werking van de flux.

Dit veroorzaakt een toename in ijzerverlies en een proportioneel grote toename in de magnetiseringsstroom. De toegenomen flux wordt afgeleid van de transformatorkern naar andere staalconstructiedelen van de transformator. Kernbouten die normaal gesproken weinig flux dragen, kunnen worden blootgesteld aan een groot component van de flux die wordt afgeleid van de verzadigde regio van de kern. Onder dergelijke omstandigheden kan de bout snel verhitten en hun eigen isolatie evenals de windingisolatie vernietigen.

Onderfrequentie-effect in een stroomtransformator

Aangezien de spanning bepaald wordt door het aantal windingen. Uit deze vergelijking blijkt dat als de frequentie in een systeem afneemt, de flux in de kern toeneemt, de effecten zijn meer of minder gelijk aan die van overbelasting.

Interne storingen in een stroomtransformator

De belangrijkste storingen die zich binnen een stroomtransformator voordoen, zijn gecategoriseerd als,

• Isolatiebreuk tussen winding en aarde

• Isolatiebreuk tussen verschillende fasen

• Isolatiebreuk tussen aangrenzende windingen, d.w.z. inter-turn-fout

• Transformatorkernfout

Interne aardfouten in een stroomtransformator

Interne aardfouten in een ster-verbonden winding met neutraal punt via een impedantie aangesloten op aarde

In een ster-verbonden winding met het neutrale punt via een impedantie aangesloten op aarde, hangt de foutstroom af van de aardingimpedantie en de afstand van het foutpunt tot het neutrale punt. De spanning op het foutpunt is hoger als het verder van het neutrale punt ligt, wat leidt tot een hogere foutstroom. De foutstroom hangt ook af van de lekreactantie van het windinggedeelte tussen het foutpunt en het neutrale punt, maar dit is meestal laag ten opzichte van de aardingimpedantie.

Interne aardfouten in een ster-verbonden winding met neutraal punt massief aangesloten op aarde

In dit geval is de aardingimpedantie ideaal gezien nul. De foutstroom hangt af van de lekreactantie van het windinggedeelte tussen het foutpunt en het neutrale punt van de transformator. De foutstroom hangt ook af van de afstand tussen het neutrale punt en het foutpunt in de transformator.

Zoals in het vorige geval vermeld, hangt de spanning tussen deze twee punten af van het aantal windingen dat tussen het foutpunt en het neutrale punt ligt. Dus in een ster-verbonden winding met het neutrale punt massief aangesloten op aarde, hangt de foutstroom af van twee hoofdfactoren: ten eerste de lekreactantie van het windinggedeelte tussen het foutpunt en het neutrale punt, en ten tweede de afstand tussen het foutpunt en het neutrale punt. 

Maar de lekreactantie van de winding varieert op een complexe manier met de positie van de fout in de winding. Het wordt gezien dat de reactantie zeer snel afneemt naarmate het foutpunt dichter bij het neutrale punt komt, waardoor de foutstroom het hoogst is voor een fout dicht bij het neutrale einde. Op dit punt is de beschikbare spanning voor de foutstroom laag, en tegelijkertijd is de reactantie die de foutstroom tegenwerkt ook laag, waardoor de waarde van de foutstroom hoog genoeg is. 

Opnieuw, bij een foutpunt ver weg van het neutrale punt, is de beschikbare spanning voor de foutstroom hoog, maar tegelijkertijd is de reactantie die wordt geboden door het windinggedeelte tussen het foutpunt en het neutrale punt ook hoog. Het kan worden opgemerkt dat de foutstroom op een zeer hoog niveau blijft door de hele winding. Met andere woorden, de foutstroom behoudt een zeer hoge magnitude ongeacht de positie van de fout op de winding.

Interne fase-tot-fase fouten in een stroomtransformator

Fase-tot-fase fouten in de transformator zijn zeldzaam. Als zo'n fout optreedt, zal dit leiden tot een aanzienlijke stroom om de instantane overstromingsrelais aan de primaire zijde en het differentiële relais te activeren.

Inter-turn-fouten in een stroomtransformator

Een stroomtransformator die is verbonden met een elektrisch extra hoogspannings-transmissiesysteem, loopt een grote kans om blootgesteld te worden aan hoge magnitude, steile front en hoge frequentie impulsspanningen door bliksemslag op de transmissielijn. De spanningsspanningen tussen windingturns worden zo groot, dat ze de spanning niet kunnen handhaven en leiden tot isolatiefaal tussen inter-turns op sommige punten. Ook de lage spanning winding staat onder spanning door de overgebrachte impulsspanning. Een zeer groot aantal stroomtransformatoruitval ontstaat door fouten tussen turns. Inter-turn-fouten kunnen ook optreden door mechanische krachten tussen turns veroorzaakt door externe korte sluiting.

Kernfout in een stroomtransformator

Als een deel van de kernlaminatie beschadigd of gebrugd is door geleidend materiaal, kan dit eddy-stromen en lokale verhitting veroorzaken. Dit kan ook gebeuren als de isolatie van de bouten die de kernlaminaties aandraaien, faalt. Deze fouten veroorzaken ernstige lokale verhitting, maar beïnvloeden de ingangs- en uitgangsstroom van de transformator niet significant, waardoor ze moeilijk te detecteren zijn met standaard elektrische beschermingschema's. Excessive overheating can break down transformer oil, releasing gases that accumulate in the Buchholz relay and trigger an alarm.