Анализ на диагностичните методи за дефектите на масивно заземване в преобразувателите за разпределение от 35 кВ

35 кВ трансформатори за разпределение: Анализ на дефектите в заземяването на ядрото и методи за диагностика

Трансформаторите за разпределение от 35 кВ са често срещани важни устройства в електроенергийните системи, изпълнявайки ключова роля в пренасянето на електрическа енергия. Въпреки това, при дългосрочна експлоатация, дефектите в заземяването на ядрото са станали основен проблем, влияещ на стабилната работа на трансформаторите. Дефектите в заземяването на ядрото не само влияят на енергийната ефективност на трансформаторите и увеличават разходите за поддръжка на системата, но могат да доведат до по-сериозни електрически дефекти.

С остаряването на електроустановките, честотата на дефектите в заземяването на ядрото постепенно нараства, което изисква подобряване на диагностицирането и леченето на дефектите в експлоатацията и поддръжката на електроустановките. Въпреки наличието на някои съществуващи диагностични методи, все още има технически узели като ниска ефективност на обнаружаването и трудно локализиране на дефектите. Има спешна нужда от изследване и приложение на по-точни и чувствителни технологии за диагностика на дефектите, за да се подобри надеждността на работата на устройствата и да се осигури стабилността и безопасността на електроенергийната система.

1 Анализ на причините и характеристиките на дефектите в заземяването на ядрото в 35 кВ трансформатори за разпределение

1.1 Често срещани причини за дефектите в заземяването на ядрото

В 35 кВ трансформаторите за разпределение, между пластините на ядрото обикновено се използват изолиращи материали за изолация. Въпреки това, при дългосрочна експлоатация, вътрешните електрически полета и температурата причиняват постепенно остаряване на изолиращите материали, особено в условия на високо напрежение и висока температура, където изолационните свойства бързо се влошават. С прогресирането на остаряването, изолационното съпротивление намалява и изолационни дефекти в частични области могат да формират многоточкови дефекти в заземяването.

Трансформаторите неизбежно преживяват механични вибрации при продължителна експлоатация. Особено при условия на значителни колебания на натоварването, вибрациите могат да причинят относително разместване на ядрото и компонентите за зажимане на ядрото. Разхлабени зажими на ядрото или повредени изолиращи материали могат да предизвикат дефекти в заземяването. Производствените дефекти при производството на ядрото на трансформаторите също са важни причини за дефектите в заземяването на ядрото. При производството, ако силиконовите желязна пластинки имат бурими, неравномерно покритие с изолация или недостатъчна точност на обработката на ядрото, местни изолационни повреди могат да се образуват. Такива дефекти често се концентрират в заземените части на трансформатора. Когато разпределението на електрическото поле в ядрото е неравномерно, може да се наблюдава частично разрядване.

1.2 Електрически характеристики и опасности от дефектите

Най-пряката електрическа характеристика на дефектите в заземяването на ядрото е увеличаване на заземяващия ток. След възникване на дефект в заземяването, заземяващият ток обикновено показва колебания на тока с хармонични компоненти, особено в високочестотните области над 50 Hz. При възникване на дефекти, формата на вълната на заземяващия ток често е несинусоидална, с по-големи амплитуди на хармоничните компоненти.

Друга типична характеристика на дефектите в заземяването на ядрото е частично разрядване. След повреда на изолиращия материал, електрическото поле се концентрира в повредените области, причинявайки коронно разрядване и явления на частично разрядване. Частичното разрядване обикновено генерира високочестотни импулси на тока с честотен диапазон обикновено между 3-30 MHz. Сигналите на тока в този честотен диапазон могат да бъдат засечени и анализирани с помощта на специализирани високочестотни трансформатори (HFCT).

Друга електрическа характеристика, предизвикана от дефектите в заземяването на ядрото, е ефектът на повишаване на температурата. В резултат на завихренията на тока в местата на дефектите, местната температура се увеличава. Този ефект на повишаване на температурата не само пряко поврежда изолиращите материали, но може да предизвика прекомерно загряване в частични области на ядрото.

1.3 Влияние на дефектите върху работата на трансформатора

Дефектите в заземяването на ядрото водят до увеличаване на заземяващия ток, което от своя страна причинява допълнителни загуби в ядрото на трансформатора. Загубите в ядрото се състоят главно от загуби от завихрения и хистерезис. При възникване на дефекти в заземяването, неравномерното разпределение на магнитния поток във вътрешността на трансформатора значително увеличава загубите от завихрения в определени области. Това не само намалява енергийната ефективност на трансформатора, но може да увеличи значително операционните разходи. Увеличените загуби в ядрото усилват прекомерното загряване на трансформатора, което допълнително влияе на дългосрочната му стабилна работа.

Частичното разрядване и ефектът на повишаване на температурата, предизвикани от дефектите в заземяването на ядрото, ускоряват остаряването на вътрешните изолиращи материали на трансформаторите. По време на остаряването, съпротивлението на изолационните слоеве постепенно намалява, а електрическата изолационна способност се влошава. Когато изолацията се провали напълно, може да се предизвика локално замыкание или по-сериозни случаи на пълно замыкание.

Дефектите в заземяването на ядрото не само водят до намалена електрическа ефективност, но и влияят на химическия състав на трансформаторното масло. Когато ядрото е заземено, частичното разрядване и прекомерното загряване причиняват вътрешната температура на маслото да се увеличава, което води до промени в състава на растворените газове в маслото, особено до аномално увеличение на съдържанието на метан (CH4) и етен (C2H4).

2 Методи за диагностика и технически сравнение на дефектите в заземяването на ядрото

2.1 Традиционни методи за диагностика

Методът на DC съпротивление е един от традиционните методи за диагностика на дефектите в заземяването на ядрото, при който се прецени наличието на дефект чрез измерване на изолационното съпротивление между ядрото и земята. Този метод прилага DC напрежение и измерва отношениято между тока и напрежението, за да изчисли изолационното съпротивление. Идеално, изолационното съпротивление на ядрото трябва да остане на висока стойност; ако съпротивлението падне под определен праг, това може да указва на дефект в заземяването.

Однако метод DC съпротивление не може точно да локализира точки на дефект. Неговите измервания могат само да отразят средната изолационна способност на цялата ядро и не могат да определят конкретни области на дефект. Този метод има и определена закъснение, особено когато стареенето на изолацията все още не е довело до значителни промени в съпротивлението, което прави ранното откриване на дефекти неефективно. Освен това методът DC съпротивление не предоставя информация за типовете на дефекти, и детайлните характеристики на дефектите не могат да бъдат ефективно извлечени от данните от измерванията.

Аналитиката на маслохроматографията открива промени в състава на разтворените газове в трансформаторното масло, за да изведе типовете на дефекти. Тези разтворени газове обикновено се произвеждат, когато вътре в трансформатора се появяват пробой, прекомерно затопляне или други електрически дефекти. Общи компоненти на газове в трансформаторното масло включват метан (CH4), етен (C2H4), етан (C2H6) и др. Промените в концентрациите на газовете могат да отразят оперативното състояние на трансформатора. 

Чрез сравнение на концентрациите на разтворените газове в маслото с типовете на дефекти, е възможно предварително да се определи дали в трансформатора се е появило дефект на заземяване на ядрото. Аналитиката на маслохроматографията има относително забавен отговор; след появата на дефект, е необходимо време за натрупване на разтворените газове, което ограничава своевременността на диагностика на дефектите. Освен това, аналитиката на маслохроматографията не може да предостави точни места на дефектите или специфични характеристики, а само да покаже дефектите чрез промени в концентрацията на газовете. За малки или интермитентни дефекти, диагностика с аналитика на маслохроматографията може да бъде забавена и не може да реагира навременно при появата на дефект.

2.2 Съвременни технологии за детекция с инструменти

Технологията за детекция на частични пробои е основана на принципа на високочестотни трансформатори (HFCT), като засича и анализира импулсни сигнали, причинени от заземяване на ядрото, за диагностика на дефекти. Когато се появят дефекти на заземяване на ядрото, частичните пробои генерират високочестотни импулси на повредени точки на изолацията. Тези токови сигнали обикновено се проявяват като високочестотни шумове или импулсни сигнали с честотен диапазон между 3-30 МХц. 

Чрез монтиране на сензори за високочестотен ток на заземващата жица на трансформатора, сигналите от частични пробои могат да бъдат засечени в реално време. Тази технология може ефективно да локализира места на частични дефекти, има висока чувствителност и може да засича дефекти в ранните стадии. Детекцията на частични пробои може ефективно да идентифицира малки дефекти, причинени от стареене на изолацията или механични повреди, предоставящи точна информация за диагностика на дефектите. Чрез анализ на сигналите от частични пробои, може да се прецени сериозността и трендът на развитие на дефектите, позволявайки съответни поддръжки или превантивни мерки.

Технологията за термографски образи в инфрачервено спектър засича местни области с повишена температура в ядрото, използвайки термографски камери, за да се определи дали има дефект на заземяване. След появата на дефект на заземяване в трансформатора, завихряещите загуби в местни области причиняват увеличение на температурата, особено значително увеличение на температурата около точките на дефект. Технологията за термографски образи в инфрачервено спектър може да получи реално време на разпределението на температурата на повърхността на ядрото и да определи наличието на дефект чрез разликите в температурата. Обикновено, когато разликите в температурата надхвърлят 10°C, е необходим фокусирано изследване на тази област. Преимуществото на тази технология е в способността ѝ да засича промени в температурата без контакт, с бърза скорост на измерване, което я прави подходяща за бързо настано изследване.

Методът за детекция на високочестотен ток използва Роговски оброви за измерване на промени в високочестотния ток в заземващите жици, обикновено в честотен диапазон от 500 кХц до 2 МХц. Тези високочестотни токове се генерират от процеси на пробой, причинени от дефекти на заземяване на ядрото. Чрез засичане на токови сигнали в този честотен диапазон, може ефективно да се идентифицира наличието на дефект. В сравнение с технологията за детекция на частични пробои, детекцията на високочестотен ток има по-висока чувствителност и може да засича много слаби сигнали на дефект. Използването на Роговски оброви за безконтактно измерване не само улеснява монтажа, но и подобрява точността на измерването. Тази технология е особено подходяща за области, които са трудни за достъп, и може да се извършва онлайн детекция без повреда на оборудването.

3 Оптимизация на процеса на диагностика и анализ на случаи

3.1 Предложения за оптимизиран процес на диагностика

При диагностика на дефекти на заземяване на ядрото, първата стъпка трябва да бъде предварително екрансиране чрез технологията за термографски образи в инфрачервено спектър. Инфрачервените камери могат бързо да получат карти на разпределението на температурата на повърхността на трансформатора, помагайки на персонала за диагностика да идентифицира възможни области с аномално повишена температура. След като предварителното екрансиране идентифицира потенциални области на дефект, следващата стъпка трябва да комбинира технологии за детекция на високочестотен ток и частични пробои за точни тестове.

Методът за детекция на високочестотен ток засича промени в заземващия ток в честотен диапазон от 500 кХц до 2 МХц, използвайки Роговски оброви, ефективно идентифицирайки области на дефект на заземяване на ядрото. Технологията за детекция на частични пробои наблюдава импулсни сигнали от пробой в реално време, използвайки HFCT сензори, анализирайки честотата и интензитета на пробоя, за да се потвърди местоположението на точките на дефект.

След извършване на детекция на високочестотен ток и частични пробои, последната стъпка е да се провери и анализира сериозността на дефекта чрез аналитика на маслохроматографията. Чрез засичане на разтворените газове в трансформаторното масло, особено промени в концентрациите на метан (CH4), етен (C2H4) и други газове, може да се потвърди природата на дефекта. При сериозни дефекти на заземяване на ядрото, аналитиката на маслохроматографията ще покаже аномално високи компоненти на газове. Комбинирането на данни от аналитиката на маслохроматографията с други резултати от детекции може да даде комплексна оценка на въздействието на дефекта и да предостави основа за последващи ремонти.

3.2 Анализ на типичен случай

По време на работа в един трансформаторен пункт, техническият персонал забеляза значително увеличение на заземващия ток в 35 кВ разпределителен трансформатор, далеч над нормалните стойности. Данните от мониторинга показаха, че заземващият ток достигна 5 А, докато при нормални условия, заземващият ток трябва да бъде под 100 мА. Предизвикателството беше, че въпреки аномалното увеличение на заземващия ток, нямаше очевидни външни физически указания за дефект. Традиционните електрически методи за диагностика, като измерване на DC съпротивление и аналитика на маслохроматографията, не предоставиха ясна информация за местоположението на дефекта.

За решаване на проблема със заземяването на ядрото на трансформатора, техническият персонал използва няколко модерни диагностични технологии. Първо, те използваха инфрачервена термографска камера FLIR T640 за предварителна проверка, бързо локализирайки области с повишена температура в ядрото и свързаните компоненти. След това използваха датчици за високочестотен ток PD-Tech HFCT за мониторинг на заземващия ток. Накрая, използваха детектори за частични разряди PD-Tech за тестове и анализ на сигнали от разряди, локализирайки точката на дефект. Резултатите от тестовете са показани в Таблица 1.

Таб.1 Резултати от обнаружаване на проблеми с трансформатора

На основании резултатите от измерванията с инфрачервен термограф, температурната разлика в близост до компонентите за зажимане на ядрото достигна 12°C, превишавайки нормалния диапазон, и предварително се потвърди, че в този район е възможно прекомерно загряване. Реално време измервания с датчици за високочестотен ток показаха, че токът към земята е 5 А, което значително надхвърля нормалната стойност от 100 мА, указвайки, че в преобразувателя се е развил дефект. Допълнителни измервания на частичните разряди показаха силни колебания на сигнала на високочестотния ток в диапазона от 4,5 до 18 МГц, с постепенно увеличаваща се интензивност на разряда, което сочи, че точката на дефекта е разположена при компонентите за зажимане на ядрото и че дефектът се усилва.

Крайното потвърждение на точката на дефекта беше при изолационната подложка на компонента за зажимане на ядрото. Изолационният материал се беше износил поради дълготрайната работа, причинявайки леки повреди на изолацията, които спровокираха дефекта към земята. Мерки за обработка на дефекта включиха замяна на изолационната подложка, а последващите тестове потвърдиха, че токът към земята се е възвърнал до нормалната стойност, елиминирайки дефекта и възстановявайки стабилната работа на оборудването.

Този случай демонстрира, че комбинацията на технологията за инфрачервено термографско измерване, технологията за измерване на частични разряди и технологията за измерване на високочестотен ток може да увеличи ефективността и точността на диагностицирането на дефекта на землене на ядрото. В реални процеси на операция и поддръжка, персоналът трябва регулярно да използва тези технологии за съвместна диагностика, за да гарантира безопасна и стабилна работа на преобразувателите.

4 Заключение

В диагностицирането на дефекта на землене на ядрото, комбинираното приложение на много современи диагностични технологии може значително да подобри точността на определението на местоположението на дефекта и ефективността на диагностицирането. Чрез синергетичните ефекти на измерването на високочестотен ток, анализ на частични разряди и технологията за инфрачервено термографско измерване, ранни рискове за оборудването могат да бъдат открити, а источниците на дефекта могат да бъдат точно идентифицирани, намалявайки времената на извънработа на оборудването и удължавайки срока на служба на преобразувателите.

В бъдеще, с непрекъснатото развитие и приложение на нови технологии за измерване, диагностицирането и поддръжката на дефекта на землене на ядрото ще станат още по-ефективни и точни, осигурявайки стабилността и безопасността на системите за електроенергия.