Тепловые и механические испытания распределительных трансформаторов: обеспечение надежности и долговечности

Введение

В сложной области распределения электроэнергии, распределительные трансформаторы играют ключевую роль. Эти трансформаторы предназначены для снижения напряжения от первичных уровней распределения до соответствующих напряжений использования для конечных потребителей. Их правильная работа крайне важна для поддержания стабильной и эффективной энергосети. В данной статье подробно рассматриваются два основных аспекта оценки распределительных трансформаторов: тепловые испытания и механические испытания, а также способы предотвращения перебоев в обслуживании и управления колебаниями напряжения.

Тепловые испытания распределительных трансформаторов

Значимость термической инспекции

Распределительные трансформаторы генерируют тепло во время работы. Тепло в основном вырабатывается из-за потерь в обмотках и гистерезиса сердечника. Неуправляемое накопление тепла в трансформаторах может привести к деградации изоляции, ускорить процесс старения трансформаторов и создать значительный риск катастрофических отказов. Регулярные термические инспекции трансформаторов, таким образом, имеют первостепенное значение. Эти инспекции, включающие мониторинг температуры и обнаружение горячих точек в трансформаторах, действуют как системы раннего предупреждения. Благодаря своевременному выявлению термических аномалий, техники могут предотвратить сбои и обеспечить непрерывную передачу электроэнергии через распределительную сеть.

Основные компоненты тепловых испытаний трансформаторов

Несколько тестов составляют основу тепловых испытаний распределительных трансформаторов:

• Испытание на повышение температуры: это фундаментальный тест для трансформаторов, который измеряет увеличение температуры в обмотках и масле трансформаторов при номинальной нагрузке. Отклонения от установленных стандартов в трансформаторах сигнализируют о возможных проблемах, таких как неэффективное охлаждение или проблемы с внутренним сопротивлением. Такие выводы требуют более детального осмотра компонентов, таких как вентиляторы охлаждения, ребра или уровень охладителя в трансформаторах.

• Термографическая инспекция: для этого бесконтактного метода инспекции трансформаторов используются инфракрасные камеры. Они картографируют поверхностные температуры трансформаторов, выделяя скрытые горячие точки, которые могут быть вызваны ослабленными соединениями или заблокированными каналами внутри трансформаторов. Это позволяет провести целевые ремонты трансформаторов до повреждения изоляции.

• Анализ температуры масла: отбор проб и тестирование вязкости и кислотности масла трансформаторов предоставляют информацию о уровнях термического стресса, испытываемого трансформаторами. Повышенная кислотность масла в трансформаторах указывает на чрезмерный нагрев, что вызывает необходимость проверки источников тепла и механизмов охлаждения внутри трансформаторов.

Протоколы и стандарты инспекции трансформаторов

Стандарты, такие как IEEE C57.12.90 и IEC 60076, требуют систематических тепловых инспекций трансформаторов. Во время испытаний техники моделируют полную нагрузку на трансформаторы, тщательно контролируя градиенты температур. Например, для проведения испытания на повышение температуры трансформаторы должны стабилизироваться в течение нескольких часов перед записью показаний. Подробная документация каждого осмотра трансформаторов, включая окружающие условия, продолжительность испытаний и термические профили, облегчает анализ трендов трансформаторов со временем.

Частота и адаптивные стратегии инспекции трансформаторов

Частота тепловых инспекций трансформаторов зависит от различных факторов, таких как вариабельность нагрузки и окружающие условия. Распределительные трансформаторы в городских районах с колеблющейся нагрузкой могут требовать ежемесячных инспекций, тогда как в сельских районах достаточно ежеквартальных проверок. В жарком климате интервалы между тепловыми инспекциями трансформаторов сокращаются, чтобы противодействовать эффектам теплового стресса. Современные системы мониторинга позволяют проводить непрерывные тепловые инспекции трансформаторов с помощью встроенных датчиков, которые передают данные в реальном времени от трансформаторов в центры управления.

Преодоление трудностей инспекции трансформаторов

Тепловые инспекции трансформаторов сталкиваются с определенными трудностями. В частности, ложноположительные результаты могут возникать из-за кратковременных скачков нагрузки. Для минимизации этого техники коррелируют тепловые данные с электрическими параметрами, такими как токи нагрузки. Кроме того, доступ к труднодоступным компонентам, таким как внутренние обмотки, требует специализированных знаний. Некоторые инспекции трансформаторов требуют слива масла, что требует строгого соблюдения тщательных мер безопасности. Регулярная калибровка термических датчиков в трансформаторах обеспечивает точность результатов инспекции.

Интеграция тепловых инспекций в обслуживание трансформаторов

Тепловые инспекции трансформаторов служат связующим звеном между сбором данных и действиями по обслуживанию. Комплексный отчет по инспекции, который выявляет горячие точки, неэффективность охлаждения или деградацию масла, направляет немедленные вмешательства. Например, если термографическая инспекция выявляет заблокированное охлаждающее ребро, его очистка или замена становится приоритетом. Включение тепловых инспекций в профилактические графики обслуживания трансформаторов позволяет операторам продлить срок службы трансформаторов и снизить уязвимость сети.

Механические испытания распределительных трансформаторов

Необходимость механической инспекции трансформаторов

Распределительные трансформаторы подвергаются механическим нагрузкам на протяжении всего своего жизненного цикла. Электрические неисправности могут генерировать интенсивные электромагнитные силы, которые могут деформировать обмотки трансформаторов. Кроме того, сейсмическая активность или грубое обращение при транспортировке могут повредить внутренние компоненты трансформаторов. Регулярные механические инспекции, начиная от визуальных проверок до динамических испытаний, необходимы для обнаружения скрытых дефектов. Выявление механических слабостей на ранних этапах позволяет операторам защититься от внезапных отказов, которые могут прервать подачу электроэнергии и угрожать всей инфраструктуре, зависящей от этих трансформаторов.

Основные компоненты механических испытаний трансформаторов

Несколько тестов являются неотъемлемой частью механических испытаний распределительных трансформаторов:

• Испытание на короткозамкнутый импульс: эта инспекция моделирует аварийные условия для оценки способности трансформаторов выдерживать электромагнитные силы. Отклонения в импедансе или смещении обмоток в трансформаторах сигнализируют о механическом стрессе, что требует проверки зажимных конструкций и опорных рам в трансформаторах.

• Инспекция анализа вибраций: датчики используются для мониторинга вибраций во время работы трансформаторов. Аномальные частоты, обнаруженные в трансформаторах, указывают на проблемы, такие как ослабленные части, несоосные сердечники или поврежденные вентиляторы охлаждения. Этот бесконтактный метод инспекции помогает техникам точно определить и устранить механические проблемы в трансформаторах до их эскалации.

• Испытание на механическое воздействие: применяется во время производства или после транспортировки трансформаторов, это испытание оценивает устойчивость трансформаторов к ударам. Тесты на падение или сейсмические симуляции выявляют уязвимости в компонентах, таких как бак, изоляторы или контактные соединения трансформаторов, что вызывает проверку критических соединений.

Протоколы и стандарты инспекции трансформаторов

Стандарты, такие как IEEE C57.12.90 и IEC 61378, требуют строгих механических инспекций трансформаторов. Во время испытаний техники следуют точным процедурам. Например, короткозамкнутые испытания в трансформаторах требуют контролируемого ввода тока, при этом тщательно контролируются механические реакции трансформаторов. Подробная документация каждого осмотра трансформаторов, включая параметры испытаний, наблюдаемые деформации и рекомендации по ремонту, создает историческую запись для будущего анализа трансформаторов.

Частота и контекстуальная адаптация инспекций трансформаторов

Частота механических инспекций трансформаторов варьируется в зависимости от условий использования. Распределительные трансформаторы в сейсмически активных регионах могут проходить квартальные вибрационные инспекции, тогда как в стабильных средах достаточно годовых проверок. Новые установленные трансформаторы часто проходят немедленные послетранспортные инспекции для проверки их целостности. Современные системы мониторинга теперь позволяют проводить непрерывные механические инспекции трансформаторов с помощью встроенных тензодатчиков и акселерометров.

Преодоление трудностей инспекции трансформаторов

Механические инспекции трансформаторов имеют свои сложности. Обнаружение внутренних повреждений без разборки трансформаторов является значительным препятствием. Некоторые инспекции, такие как ультразвуковое тестирование для выявления скрытых трещин, требуют специализированных знаний. Кроме того, различение нормального износа от аномальной деградации в трансформаторах требует опыта. Чтобы справиться с этими трудностями, техники комбинируют несколько методов инспекции, таких как анализ вибраций с визуальными проверками, и используют исторические данные для сравнительных оценок трансформаторов.

Интеграция механической инспекции с обслуживанием трансформаторов

Механические инспекции трансформаторов служат важным звеном между диагностикой и действием. Комплексный отчет по инспекции, который выявляет проблемы, такие как ослабленные болты, деформированные обмотки или поврежденные опоры, определяет срочные ремонты или замену компонентов. Например, если вибрационная инспекция выявляет несоосный сердечник в трансформаторе, перестановка и повторное затягивание становятся приоритетом. Включение механических инспекций в профилактические графики обслуживания трансформаторов позволяет операторам продлить срок службы трансформаторов и укрепить устойчивость сети.

Предотвращение перебоев в обслуживании распределительных трансформаторов

Как работают трансформаторы, вторичные цепи и предохранители

Распределительные трансформаторы снижают напряжение от уровня распределения или основного питателя до уровня использования. Они подключены к основному питателю, подпитателям и ответвлениям через основные предохранители или предохранительные выключатели. Основной предохранитель отключает связанный с ним распределительный трансформатор от основного питателя при возникновении неисправности трансформатора или низкоомной неисправности вторичной цепи. Предохранительные выключатели, обычно закрытые, предоставляют удобный способ отключения малых распределительных трансформаторов для инспекции и обслуживания.

Удовлетворительная защита от перегрузки распределительного трансформатора не может быть достигнута только с помощью основного предохранителя. Это связано с разницей в форме его кривой тока-времени и безопасной кривой тока-времени распределительного трансформатора. Если используется слишком маленький предохранитель для полной защиты от перегрузки трансформатора, значительная часть ценной перегрузочной мощности трансформатора теряется, так как предохранитель срабатывает преждевременно. Такой маленький предохранитель также часто срабатывает ненужно на импульсных токах. Поэтому основной предохранитель должен выбираться исходя из предоставления защиты от короткого замыкания, с минимальным током срабатывания, обычно превышающим 200% полного тока нагрузки связанного с ним трансформатора.

Распределительные трансформаторы, подключенные к воздушным открытопроводным питателям, часто подвергаются серьезным воздействиям молнии. Для минимизации разрушения изоляции и отказов трансформаторов от молнии широко используются молниеотводы с этими трансформаторами.

Вторичные выводы распределительного трансформатора обычно твердо соединены с радиальными вторичными цепями, от которых отбираются услуги потребителей. Это означает, что трансформатор не защищен от перегрузок и высокоомных неисправностей на его вторичных цепях. Сравнительно мало распределительных трансформаторов выгорает из-за перегрузок, в основном потому, что они часто не используются полностью до своей перегрузочной мощности. Другим фактором, способствующим низкому числу отказов, связанных с перегрузками, являются частые проверки нагрузки и принятие корректирующих мер до возникновения опасных перегрузок. Однако высокоомные неисправности на вторичных цепях, вероятно, вызывают больше отказов распределительных трансформаторов, чем перегрузки, особенно в районах с плохими условиями деревьев.

Предохранители во вторичных выводах распределительных трансформаторов малоэффективны в предотвращении выгорания трансформаторов по аналогичным причинам. Правильный способ получения удовлетворительной защиты распределительного трансформатора от перегрузок и высокоомных неисправностей — установка автоматического выключателя во вторичных выводах трансформатора. Кривая срабатывания этого автоматического выключателя должна быть правильно согласована с безопасной кривой тока-времени трансформатора. Основной предохранитель также должен быть согласован с вторичным выключателем, чтобы выключатель срабатывал на любом токе, который может пройти через него, прежде чем предохранитель будет поврежден.

Неисправности на соединении услуг потребителя от вторичной цепи до сервисного выключателя крайне редки. Таким образом, использование вторичного предохранителя в точке, где соединение услуг подключается к вторичной цепи, экономически необоснованно, за исключением редких случаев, таких как крупные услуги от подземных вторичных цепей.

Рассмотрение вариаций напряжения

Предполагая максимальную вариацию напряжения около 10% на любом сервисном выключателе потребителя, деление этой падины между различными частями системы, при полной нагрузке, может быть примерно следующим:

• 2% вариации напряжения на основном питателе между первым и последним трансформаторами

• 2,5% вариации напряжения в распределительном трансформаторе

• 3% вариации напряжения во вторичной цепи

• 0,5% вариации напряжения на соединении услуг потребителя

Факт, что напряжение на первичной стороне первого распределительного трансформатора обычно не может поддерживаться точно, объясняет остальные 2%.

Эти цифры типичны для воздушных систем, снабжающих жилые нагрузки. Однако они могут существенно отличаться в подземных системах, где используются кабельные цепи и большие распределительные трансформаторы, или при снабжении промышленных и коммерческих нагрузок.

Экономический размер распределительного трансформатора и комбинации вторичной цепи для любой однородной плотности нагрузки и типа конструкции, при конкретных рыночных ценах, можно легко определить, как только будет установлено общее допустимое падение напряжения в этих двух частях системы. Если трансформатор слишком велик, стоимость вторичной цепи и общая стоимость будут чрезмерными. Наоборот, если трансформатор слишком мал, стоимость трансформатора и общая стоимость будут слишком высокими.

Обработка изменений нагрузки в трансформаторах

Как и в любой другой части системы распределения, изменения или рост нагрузки должны учитываться и планироваться в распределительных трансформаторах и вторичных цепях. Распределительные трансформаторы и вторичные цепи устанавливаются не только для обслуживания существующих на момент установки нагрузок, но и для учета некоторых будущих нагрузок. Однако экономически нецелесообразно делать чрезмерные поправки на рост.

Когда распределительный трансформатор становится опасно перегружен, он может быть заменен на трансформатор большего размера, если пропускная способность вторичной цепи и общая регулировка напряжения это позволяют. Если нет, можно установить еще один трансформатор примерно того же размера между перегруженным трансформатором и соседним. Это включает в себя снятие нагрузки с перегруженного трансформатора путем подключения части его вторичной цепи и связанной с ней нагрузки к новому трансформатору. Это также уменьшает нагрузку на вторичную цепь перегруженного трансформатора и улучшает общую регулировку напряжения. В районах с относительно равномерной нагрузкой, трансформаторы могут потребоваться для установки с обеих сторон перегруженного трансформатора относительно быстро, чтобы поддерживать удовлетворительные условия напряжения и предотвращать перегрузку частей вторичной цепи. Тот же результат можно достичь, установив новый трансформатор и переместив перегруженный трансформатор, чтобы он питался в центр своей укороченной вторичной цепи.

Банковское обслуживание трансформаторов для улучшения обслуживания

С распределительными трансформаторами и вторичными цепями, расположенными в типичной радиальной конфигурации, любая одна нагрузка подается через только один трансформатор и только в одном направлении по вторичной цепи. Из-за этого внезапно применяемая нагрузка, такая как запуск двигателя, на услугах потребителя может вызывать неприятное мерцание света на услугах других потребителей, подключенных к тому же трансформатору. Увеличивающееся использование двигателей в бытовых приборах в жилых районах приводит к значительному числу жалоб на мерцание света. В некоторых районах мерцание света, а не регулировка напряжения, может быть определяющим фактором в размере и расположении трансформаторов и вторичных цепей.

Банковское обслуживание распределительных трансформаторов обычно является лучшим и наиболее экономически выгодным средством улучшения или устранения мерцания света. Банковское обслуживание трансформаторов означает параллельное соединение на вторичной стороне нескольких трансформаторов, все подключенных к одной и той же основной цепи. Вторичная схема в банковской конфигурации трансформаторов может принимать различные формы, такие как петли или сетки, подобные тем, которые используются в системе вторичной сети. Однако банкированные трансформаторы, подключенные к и питаемые по одной радиальной основной цепи, являются формой радиальной системы распределения, в отличие от петли или сетки вторичной сети, которая питается по двум или более основным цепям и предлагает значительно большую надежность обслуживания.

Переход от обычной радиальной схемы вторичной цепи к банковской конфигурации трансформаторов обычно можно выполнить просто и недорого, закрыв промежутки между радиальными вторичными цепями нескольких трансформаторов, связанных с одной и той же основной цепью, и установив соответствующие основные и вторичные предохранители.

Защита при банковском обслуживании трансформаторов

Два основных вида защиты использовались при банковском обслуживании распределительных трансформаторов. Первый вариант, который, вероятно, самый старый и распространенный, включает подключение распределительных трансформаторов к основной цепи через основные предохранители или предохранительные выключатели. Эти предохранители должны срабатывать только при неисправности в связанном с ними трансформаторе. Все трансформаторы подключены к общей вторичной цепи через вторичные предохранители, цель которых — отключить неисправный трансформатор от вторичной цепи. Размер вторичного предохранителя должен быть таким, чтобы он срабатывал при неисправности между его трансформатором и связанным с ним основным предохранителем. Неисправности на вторичной цепи обычно ожидают, что они сами сгорят. Чтобы предотвратить частое срабатывание вторичных предохранителей при неисправностях на вторичной цепи, эти предохранители должны иметь относительно длительные времена срабатывания на всех токах неисправностей, но не настолько длительные, чтобы не обеспечивать некоторую защиту трансформаторов от вторичных неисправностей, которые не сгорают быстро.

Использование вторичного выключателя с правильными характеристиками тока-времени предпочтительнее вторичных предохранителей при банковском обслуживании трансформаторов, так как это обеспечивает большую защиту трансформатора от перегрузок и высокоомных неисправностей. Вторичные предохран