Anàlisi de mètodes de diagnòstic per a faults de terra al nucli en transformadors de distribució de 35 kV

Transformadors de distribució de 35 kV: Anàlisi de falles de terra al nucli i mètodes de diagnòstic

Els transformadors de distribució de 35 kV són equips crítics comuns en els sistemes elèctrics, portant a terme tasques importants de transmissió d'energia elèctrica. No obstant això, durant la seva operació a llarg termini, les falles de terra al nucli han esdevingut un problema important que afecta l'operació estable dels transformadors. Les falles de terra al nucli no només impacten l'eficiència energètica dels transformadors i incrementen els costos de manteniment del sistema, sinó que també poden desencadenar falles elèctriques més serioses.

A mesura que el material elèctric es va fent vell, la freqüència de les falles de terra al nucli augmenta gradualment, necessitant una millora en el diagnòstic i tractament de les falles en l'operació i manteniment dels equips elèctrics. Tot i que actualment existeixen certs mètodes de diagnòstic, encara hi ha cuellos de botella tècnics com una baixa eficiència de detecció i dificultat per localitzar les falles. Hi ha una necessitat urgente d'explorar i aplicar tecnologies de diagnòstic de falles més precises i sensibles per millorar la fiabilitat operativa dels equips i assegurar l'estabilitat i seguretat del sistema elèctric.

1 Anàlisi de les causes i característiques de les falles de terra al nucli en els transformadors de distribució de 35 kV

1.1 Causes comunes de falles de terra al nucli

En els transformadors de distribució de 35 kV, materials aïllants s'utilitzen típicament entre les laminacions del nucli per a la seva isolació. No obstant això, durant la seva operació a llarg termini, els camps elèctrics interns i la temperatura causen un envellicament gradual dels materials aïllants, particularment en entorns d'alta tensió i alta temperatura on el rendiment dels aïllaments es deteriora ràpidament. A mesura que avança l'envellicament, la resistència aïlladora disminueix, i la fallada de l'aïllament en àrees parcials pot formar falles de terra multipunts.

Els transformadors experimenten inevitablement vibracions mecàniques durant la seva operació prolongada. Especialment en condicions de fluctuacions significatives de càrrega, la vibració pot causar un desplaçament relatiu del nucli i els components de presa del nucli. Preses de nucli suaus o materials d'isolació danysos poden desencadenar falles de terra. Defectes de fabricació del nucli del transformador també són causes importants de falles de terra al nucli. Durant la fabricació, si les fulles de ferro-silici s'han de banyols, revestiment aïllant irregular o precisió insuficient en el processament del nucli, poden produir-se danys locals de l'aïllament. Aquests defectes sovint estan concentrats en les parts de terra del transformador. Quan la distribució del camp elèctric en el nucli és irregular, pot ocórrer descàrrega parcial.

1.2 Característiques elèctriques i perillos de les falles

La característica elèctrica més directa de les falles de terra al nucli és l'augment de la corrent de terra. Després d'una falla de terra, la corrent de terra sol mostrar fluctuacions amb components harmòniques, especialment en regions de freqüència superior a 50 Hz. Quan ocorren falles, la forma d'ona de la corrent de terra sovint apareix no sinusoidal, amb amplituds més grans de components harmòniques.

Una altra característica típica de les falles de terra al nucli és la descàrrega parcial. Després de la fallada del material aïllant, el camp elèctric es concentra en les àrees dañades, causant descàrregues de corona i fenòmens de descàrrega parcial. La descàrrega parcial sol generar impulsos de corrent de alta freqüència amb rangs de freqüència generalment entre 3-30 MHz. Els senyals de corrent en aquesta banda de freqüències es poden capturar i analitzar utilitzant transformadors de corrent de freqüència alta (HFCT) especialitzats.

Un altre efecte elèctric desencadenat per les falles de terra al nucli és l'efecte de pujada de temperatura. Degut a les pèrdues per corrents turbinades al punt de falla, la temperatura local augmenta. Aquest efecte de pujada de temperatura no només daña directament els materials aïllants, sinó que també pot causar sobrecalentament en àrees parcials del nucli.

1.3 Impacte de les falles en l'operació del transformador

Les falles de terra al nucli duen a un augment de la corrent de terra, que a la vegada causa pèrdues addicionals en el nucli del transformador. Les pèrdues del nucli principalment consisteixen en pèrdues per corrents turbinades i pèrdues per histeresis. Quan ocorren falles de terra, la distribució irregular del flux magnètic dins del transformador incrementa significativament les pèrdues per corrents turbinades en certes àrees. Això no només redueix l'eficiència energètica del transformador, sinó que també pot incrementar considerablement els costos operatius. L'increment de les pèrdues del nucli agrava el sobrecalentament del transformador, afactant més endavant la seva operació estable a llarg termini.

La descàrrega parcial i l'efecte de pujada de temperatura causats per les falles de terra al nucli acceleren l'envellicament dels materials aïllants interns dels transformadors. Durant l'envellicament de l'aïllament, la resistència de les capes aïlladores disminueix gradualment, i la capacitat d'aïllament elèctric falla progressivament. Quan l'aïllament falla completament, pot desencadenar circuits curts locals o accidents de circuit curt més seriosos.

Les falles de terra al nucli no només duen a un decrement del rendiment elèctric, sinó que també afecten la composició química de l'oli del transformador. Quan el nucli té terra, la descàrrega parcial i el sobrecalentament fan pujar la temperatura interna de l'oli, provocant canvis en els components de gas dissolts en l'oli, especialment increments anòmalos en el contingut de metà (CH4) i etilè (C2H4).

2 Mètodes de diagnòstic i comparació tècnica per a falles de terra al nucli

2.1 Mètodes de diagnòstic tradicionals

El mètode de la resistència DC és un dels mètodes de diagnòstic tradicionals per a falles de terra al nucli, jutjant la existència de falles mitjançant la mesura de la resistència aïlladora entre el nucli i la terra. Aquest mètode aplica tensió DC i mesura la raó de corrent a tensió per calcular la resistència aïlladora. Idealment, la resistència aïlladora del nucli hauria de mantenir-se en un valor alt; si la resistència cau per sota d'un cert llindar, pot indicar una falla de terra.

No obstant això, el mètode de la resistència CC no pot localitzar amb precisió els punts d'error. Els seus resultats de mesura només poden reflectir el rendiment mitjà de l'aïllament de tota la màquina i no poden determinar àrees específiques d'error. Aquest mètode també té un cert retard, especialment quan l'envejeciment de l'aïllament encara no ha causat canvis significatius en la resistència, fent que la detecció precoç dels errors sigui ineficaz. A més, el mètode de la resistència CC no pot proporcionar informació sobre els tipus d'error, i les característiques detallades dels errors no es poden extreure efectivament dels dades de mesura.

L'anàlisi de cromatografia d'oli detecta canvis en els components de gasos dissolts en l'oli del transformador per inferir els tipus d'error. Aquests gasos dissolts solen produir-se quan hi ha descàrregues, sobrecalents o altres fallades elèctriques dins del transformador. Els components de gasos comuns en l'oli del transformador inclouen metà (CH4), etilè (C2H4), età (C2H6), etc. Els canvis en les concentracions de gasos poden reflectir l'estat operatiu del transformador. 

Comparant les concentracions de gasos dissolts en l'oli amb els tipus d'error, és possible determinar preliminarment si s'ha produït un error de terra al nucli del transformador. L'anàlisi de cromatografia d'oli té una resposta relativament retardada; després que ocorre un error, triga temps que els gasos dissolts s'acumulin, limitant la pertinència de la diagnosi de l'error. A més, l'anàlisi de cromatografia d'oli no pot proporcionar localitzacions d'error precises o característiques específiques, només indicant errors a través de canvis en les concentracions de gasos. Per a errors menors o intermitents, la diagnosi de l'anàlisi de cromatografia d'oli pot ser retardada i no poder respondre prontament a l'ocurrència de l'error.

2.2 Tecnologies de Detecció d'Instruments Moderns

La tecnologia de detecció de descàrregues parcials està basada en el principi dels transformadors de corrent de freqüència alta (HFCT), capturant i analitzant senyals de puls d'escopet per diagnosticar errors. Quan ocorren errors de terra al nucli, les descàrregues parcials generen pulsos de corrent de freqüència alta als punts de dany a l'aïllament. Aquests senyals de corrent solen manifestar-se com soroll de freqüència alta o senyals de puls amb rangs de freqüència generalment entre 3-30 MHz. 

Instal·lant sensors de corrent de freqüència alta a la línia de terra del transformador, els senyals de descàrrega parcial es poden capturar en temps real. Aquesta tecnologia pot localitzar eficientment punts d'error parcials, té una sensibilitat alta i pot detectar errors en estadi inicial. La detecció de descàrregues parcials pot identificar eficazment errors menors causats per l'envejeciment de l'aïllament o danys mecànics, proporcionant informació precisa de diagnosi d'errors. Analitzant els senyals de descàrrega parcial, es pot avaluar la severitat i la tendència d'evolució dels errors, permetent prendre mesures de manteniment o preventives corresponents.

La tecnologia de termografia infraroja detecta zones de pujada de temperatura local al nucli utilitzant càmeres termogràfiques infrarojes per determinar si existeixen errors de terra. Després que ocorren errors de terra en els transformadors, les pèrdues de corrents de Foucault en zones locals causen augment de temperatura, especialment increments significatius de temperatura al voltant dels punts d'error. La tecnologia de termografia infraroja pot obtenir la distribució de temperatura en temps real a la superfície del nucli i determinar l'existència d'errors a través de diferències de temperatura. Normalment, quan les diferències de temperatura superen els 10°C, cal investigar aquesta zona amb deteniment. L'avantatge d'aquesta tecnologia resideix en la seva capacitat per detectar canvis de temperatura sense contacte, amb una velocitat de mesura ràpida, fent-la adequada per a la detecció ràpida en situ.

El mètode de detecció de corrent de freqüència alta utilitza bobines de Rogowski per mesurar els canvis de corrent de freqüència alta en les línies de terra, normalment en un rang de freqüència de 500 kHz a 2 MHz. Aquests corrents de freqüència alta són generats pels processos de descàrrega causats pels errors de terra al nucli. Detectant els senyals de corrent en aquest rang de freqüència, es pot identificar eficazment l'existència d'errors. En comparació amb la tecnologia de detecció de descàrregues parcials, la detecció de corrent de freqüència alta té una sensibilitat superior i pot capturar senyals d'error extremadament febles. Utilitzar bobines de Rogowski per a la mesura sense contacte no només simplifica l'instal·lació sinó que també millora la precisió de la mesura. Aquesta tecnologia és especialment adequada per a zones difícils d'accés i pot realitzar deteccions en línia sense enderrocar l'equipament.

3 Optimització del Procés de Diagnosi d'Errors i Anàlisi de Casos

3.1 Recomanacions per a un Procés de Diagnosi Òptim

En diagnosticar errors de terra al nucli, el primer pas hauria de ser una selecció preliminar utilitzant la tecnologia de termografia infraroja. Les càmeres termogràfiques infrarojes poden obtenir ràpidament mapes de distribució de temperatura de la superfície del transformador, ajudant el personal de diagnosi a identificar possibles zones d'increment anormal de temperatura. Un cop la selecció preliminar hagi identificat àrees d'error potencials, el següent pas hauria de combinar les tecnologies de detecció de corrent de freqüència alta i de descàrregues parcials per a una prova precisa.

El mètode de detecció de corrent de freqüència alta captura canvis de corrent de terra en la banda de freqüència de 500 kHz a 2 MHz utilitzant bobines de Rogowski, identificant eficazment àrees d'error de terra al nucli. La tecnologia de detecció de descàrregues parcials monitoritza els senyals de puls de descàrrega en temps real utilitzant sensors HFCT, analitzant la freqüència i intensitat de la descàrrega per confirmar més endavant la ubicació dels punts d'error.

Després de realitzar la detecció de corrent de freqüència alta i de descàrregues parcials, l'últim pas és verificar i analitzar la severitat de l'error a través de l'anàlisi de cromatografia d'oli. Detectant gasos dissolts en l'oli del transformador, especialment canvis en les concentracions de metà (CH4), etilè (C2H4) i altres gasos, es pot confirmar més endavant la naturalesa de l'error. Per a errors de terra al nucli greus, la cromatografia d'oli mostrarà components de gasos anormalment elevats. Combinant les dades de cromatografia d'oli amb altres resultats de detecció, es pot avaluar de manera comprensiva l'impacte de l'error i proporcionar una base per a les tasques de reparació posteriors.

3.2 Anàlisi de Casos Típics

Durant l'operació a una subestació, el personal de manteniment va notar un increment significatiu de la corrent de terra en un transformador de distribució de 35 kV, molt més amunt dels valors normals. Les dades de monitorització mostraven que la corrent de terra havia arribat a 5 A, mentre que en condicions normals, la corrent de terra hauria de ser inferior a 100 mA. El repte era que, encara que la corrent de terra havia augmentat anormalment, no hi havia indicis físics evidents d'error extern. Els mètodes de diagnosi elèctrica tradicionals com la prova de resistència CC i l'anàlisi de cromatografia d'oli no van proporcionar informació clara sobre la localització de l'error.

Per resoldre aquest problema de fuga a terra del nucli del transformador, el personal de manteniment va utilitzar diverses tecnologies diagnòstiques modernes. Primer, van utilitzar un termògraf infraroig FLIR T640 per a una primera tria, localitzant ràpidament les àrees de pujada de temperatura en el nucli i els components relacionats. Després, van utilitzar sensors de corrent d'alta freqüència PD-Tech HFCT per a monitoritzar la corrent a terra. Finalment, van utilitzar detectors de descàrregues parcials PD-Tech per a testar i analitzar senyals de descàrrega, localitzant el punt de fallada. Els resultats dels tests es mostren a la Taula 1.

Taul.1 Resultats de detecció dels problemes del transformador

Basant-se en els resultats de la detecció amb càmera tèrmica infraroja, la diferència de temperatura prop dels components de premsatge del nucli arribà a 12°C, superant el rang normal, confirmant preliminarment una possible sobrecaloració en aquesta àrea. La detecció en temps real mitjançant sensors de corrent d'alta freqüència va revelar un corrent a terra de 5 A, significativament superior al valor normal de 100 mA, indicant que s'havia desenvolupat un defecte dins del transformador. Una detecció adicional de descàrregues parcials va mostrar fortes fluctuacions de senyals de corrent d'alta freqüència en el rang de freqüències de 4,5-18 MHz, amb una intensitat de descàrrega que anava augmentant gradualment, indicant que el punt de defecte es trobava en l'ensamblat de premsatge del nucli i que el defecte estava aggravant-se.

La confirmació final del punt de defecte fou a la capa d'aïllament del component de premsatge del nucli. El material aïllant s'havia envelat per l'operació a llarg termini, causant un petit dañament de l'aïllament que va desencadenar el defecte a terra. Les mesures de tractament del defecte van incloure el canvi de la capa d'aïllament, i les proves posteriors van confirmar que el corrent a terra havia tornat a valors normals, eliminant el defecte i restablint l'operació estable de l'equipament.

Aquest cas demostra que la combinació de tecnologia de càmera tèrmica infraroja, tecnologia de detecció de descàrregues parcials i tecnologia de detecció de corrent d'alta freqüència pot millorar eficientment l'eficiència i la precisió en la diagnosi de defectes de premsatge del nucli. En els processos reals d'operació i manteniment, el personal hauria de fer servir regularment aquestes tecnologies per a diagnòstics conjunts per assegurar l'operació segura i estable dels transformadors.

4 Conclusió

En la diagnosi de defectes de premsatge del nucli, l'aplicació combinada de diverses tecnologies modernes de diagnòstic pot millorar significativament la precisió en la localització del defecte i l'eficiència diagnòstica. Gràcies als efectes sinèrgics de la detecció de corrent d'alta freqüència, l'anàlisi de descàrregues parcials i la tecnologia de càmera tèrmica infraroja, es poden detectar riscos potencials en les primeres etapes, i identificar precisament les fonts del defecte, reduint el temps d'aturada de l'equipament i prolongant la vida útil del transformador.

En el futur, amb el desenvolupament continu i l'aplicació de noves tecnologies de detecció, la diagnosi i el manteniment de defectes de premsatge del nucli es faran més eficients i precisos, garantint la estabilitat i la seguretat dels sistemes elèctrics.