Analýza diagnostických metod pro zjišťování vad zemnění jádra v transformátorech distribuční sítě 35 kV

35 kV distribuční transformátory: Analýza a diagnostické metody závad zemnění jádra

35 kV distribuční transformátory jsou běžným klíčovým zařízením v elektrických systémech, které nesou důležité úkoly přenosu elektrické energie. Během dlouhodobého provozu se však staly závady zemnění jádra hlavním problémem ovlivňujícím stabilní provoz transformátorů. Závady zemnění jádra nejen ovlivňují energetickou efektivitu transformátoru a zvyšují náklady na údržbu systému, ale mohou také vyvolat vážnější elektrické selhání.

S postupným stárnutím elektrického zařízení se četnost závad zemnění jádra postupně zvyšuje, což vyžaduje posílení diagnostiky a léčby těchto závad v provozu a údržbě elektrického zařízení. Ačkoli existují určité diagnostické metody, stále existují technické laťky, jako je nízká efektivita detekce a obtížné lokální stanovení závad. Je naléhavě potřeba prozkoumat a aplikovat přesnější a citlivější technologie diagnostiky závad, aby se zlepšila spolehlivost provozu zařízení a zajistila stabilita a bezpečnost elektrického systému.

1 Analýza příčin a charakteristik závad zemnění jádra u 35 kV distribučních transformátorů

1.1 Běžné příčiny závad zemnění jádra

U 35 kV distribučních transformátorů se obvykle používají izolační materiály mezi vrstvami jádra pro izolaci. V průběhu dlouhodobého provozu však interní elektrické pole a teplota způsobují postupné stárnutí izolačních materiálů, zejména v prostředí s vysokým napětím a vysokou teplotou, kde se rychle zhoršuje výkon izolace. S postupem stárnutí klesá odpor izolace a selhání izolace v částech může vést ke vzniku vícepunktových závad zemnění.

Transformátory nevyhnutelně zažívají mechanické kmitání během rozsáhlého provozu. Zejména za podmínek výrazných fluktuací zatížení může kmitání způsobit relativní posun jádra a součástí, které jádro drží. Uvolněné držáky jádra nebo poškozené izolační materiály mohou vyvolat závady zemnění. Výrobní vadách jádra transformátoru jsou také důležitými příčinami závad zemnění jádra. Během výroby, pokud mají plechy silice ostří, nerovnoměrné izolační povlaky nebo nedostatečnou přesnost zpracování jádra, může dojít k místnímu poškození izolace. Takové vady jsou často koncentrovány v zemněných částech transformátoru. Když je elektrické pole v jádře nerovnoměrně rozloženo, mohou dojít k částečným výbojkám.

1.2 Elektrické charakteristiky a rizika závad

Nejpřímější elektrickou charakteristikou závad zemnění jádra je zvýšený proud zemnění. Po vzniku závady zemnění obvykle tento proud zobrazuje kolísání s harmonickými složkami, zejména ve vysokofrekvenčních oblastech nad 50 Hz. Při výskytu závad má průběh tohoto proudu často nesinusoidální tvar s většími amplitudami harmonických složek.

Další typickou charakteristikou závad zemnění jádra je částečná výbojka. Po selhání izolačního materiálu se elektrické pole soustřeďuje v poškozených oblastech, což způsobuje koronové výbojky a částečné výbojky. Částečná výbojka obvykle generuje vysokofrekvenční pulsy proudu s frekvencemi obecně v rozmezí 3-30 MHz. Signály proudu v tomto frekvenčním pásmu lze zachytit a analyzovat pomocí specializovaných vysokofrekvenčních transformátorů proudu (HFCT).

Další elektrickou charakteristikou vyvolanou závadami zemnění jádra je tepelný efekt. Kvůli eddy current ztrátám v místě závady dochází k místnímu zvýšení teploty. Tento tepelný efekt nejen přímo poškozuje izolační materiály, ale může také způsobit přehřátí v částech jádra.

1.3 Dopad závad na provoz transformátoru

Závady zemnění jádra vedou k zvýšení proudu zemnění, což dále způsobuje dodatečné ztráty v jádře transformátoru. Ztráty v jádře primárně spočívají v eddy current ztrátách a hysterezních ztrátách. Při vzniku závad zemnění není magnetické pole uvnitř transformátoru rovnoměrně rozloženo, což značně zvyšuje eddy current ztráty v určitých oblastech. To nejen snižuje energetickou efektivitu transformátoru, ale může také značně zvýšit provozní náklady. Zvýšené ztráty v jádře zhoršují přehřátí transformátoru, což dále ovlivňuje jeho dlouhodobý stabilní provoz.

Částečná výbojka a tepelný efekt způsobené závadami zemnění jádra zrychlují stárnutí interních izolačních materiálů v transformátoru. Během stárnutí izolace klesá odpor izolačních vrstev a schopnost elektrické izolace postupně selhává. Pokud izolace kompletně selže, může to vyvolat místní krátké zapojení nebo vážnější kompletní krátké zapojení.

Závady zemnění jádra nejen snižují elektrické vlastnosti, ale ovlivňují i chemické složení transformátorového oleje. Při zemnění jádra způsobí částečná výbojka a přehřátí zvýšení vnitřní teploty oleje, což vede ke změnám v rozpustených plynových složkách, zejména k neobvyklému zvýšení obsahu methanu (CH4) a etylenu (C2H4).

2 Diagnostické metody a technické porovnání závad zemnění jádra

2.1 Tradiční diagnostické metody

Metoda DC odporu je jednou z tradičních diagnostických metod pro závady zemnění jádra, která hlavně posuzuje existenci závad měřením odporu izolace mezi jádrem a zemí. Tato metoda aplikuje DC napětí a měří poměr proudu k napětí pro výpočet odporu izolace. Ideálně by měl odpor izolace jádra zůstat na vysoké hodnotě; pokud klesne pod určitou hranici, může to naznačovat závadu zemnění.

Nicméně metoda měření stejnosměrného odporu nemůže přesně lokalizovat místa poruch. Její výsledky mohou pouze odrážet průměrné izolační vlastnosti celého jádra a nedokážou určit konkrétní oblasti poruch. Tato metoda také má jistou prodlevu, zejména když stárnutí izolace ještě nezpůsobilo významné změny odporu, což činí detekci počátečních poruch neúčinnou. Kromě toho metoda měření stejnosměrného odporu nemůže poskytnout informace o typech poruch a detailní charakteristiky poruch nelze efektivně extrahovat z měřených dat.

Analýza olejové chromatografie detekuje změny složení rozpustných plynů v transformátorovém oleji, aby bylo možné usuzovat na typy poruch. Tyto rozpustné plyny jsou obvykle produkty, které vznikají při výbojích, přetopení nebo jiných elektrických selháních uvnitř transformátoru. Běžné složky plynů v transformátorovém oleji zahrnují methán (CH4), etylen (C2H4), ethan (C2H6) atd. Změny koncentrací plynů mohou odrážet operační stav transformátoru. 

Porovnáním koncentrací rozpustných plynů v oleji s typy poruch lze předběžně určit, zda došlo k poruše zemlení jádra v transformátoru. Analýza olejové chromatografie má relativně zpožděnou odezvu; po vzniku poruchy trvá nějaký čas, než se rozpustné plyny akumulují, což omezuje aktuálnost diagnostiky poruch. Kromě toho analýza olejové chromatografie nemůže poskytnout přesná místa poruch nebo specifické charakteristiky, ale pouze ukazuje poruchy prostřednictvím změn koncentrace plynů. Pro menší nebo přerušované poruchy může být diagnóza pomocí analýzy olejové chromatografie zpožděna a nemůže rychle reagovat na vznik poruchy.

2.2 Moderní detekční technologie

Technologie detekce částečných výbojů je založena na principu vysokofrekvenčních proudových transformátorů (HFCT), zachytávání a analýzy signálů pulsních výbojů způsobených zemlením jádra pro diagnostiku poruch. Když dojde k poruše zemlení jádra, částečné výboje generují pulsy vysokofrekvenčního proudu v místech poškození izolace. Tyto signály proudu se obvykle projevují jako vysokofrekvenční šum nebo pulsní signály s frekvenčním rozsahem obvykle mezi 3-30 MHz. 

Instalací vysokofrekvenčních senzorů proudu na zemnící vodič transformátoru lze zachytit signály částečných výbojů v reálném čase. Tato technologie může efektivně lokalizovat částečné místa poruch, má vysokou citlivost a dokáže detekovat poruchy ve fázi jejich vzniku. Detekce částečných výbojů může efektivně identifikovat menší poruchy způsobené stárnutím izolace nebo mechanickým poškozením a poskytovat přesné diagnostické informace o poruchách. Analyzou signálů částečných výbojů lze hodnotit závažnost a vývojový trend poruch, což umožňuje provést odpovídající údržbu nebo preventivní opatření.

Technologie infračervené termografie detekuje lokální oblasti teplotního nárůstu v jádru pomocí infračervených termografií, aby bylo možné určit, zda existují poruchy zemlení. Po vzniku poruch zemlení v transformátorech dochází k nárůstu eddy proudu v lokálních oblastech, což způsobuje zvláště výrazné zvýšení teploty okolo míst poruch. Technologie infračervené termografie může získat reálné distribuce teplot na povrchu jádra a určit existence poruch prostřednictvím rozdílů teplot. Obvykle, když rozdíly teplot přesahují 10°C, je třeba se zaměřit na detailní vyšetření této oblasti. Výhodou této technologie je schopnost detekovat změny teplot bez kontaktu, s rychlostí měření, což ji činí vhodnou pro rychlé místní měření.

Metoda detekce vysokofrekvenčního proudu používá Rogowskiho cívek k měření změn vysokofrekvenčního proudu v zemnících vodičích, obvykle v frekvenčním rozsahu 500 kHz až 2 MHz. Tyto vysokofrekvenční proudy jsou generovány procesy výbojů způsobených poruchami zemlení jádra. Detekcí signálů proudu v tomto frekvenčním rozsahu lze efektivně identifikovat existence poruch. Ve srovnání s technologií detekce částečných výbojů má metoda detekce vysokofrekvenčního proudu vyšší citlivost a může zachytit velmi slabé signály poruch. Použití Rogowskiho civek pro bezkontaktní měření nejen zjednodušuje instalaci, ale také zlepšuje přesnost měření. Tato technologie je zejména vhodná pro oblasti, které jsou obtížně dostupné, a může provádět online detekci bez poškození zařízení.

3 Optimalizace diagnostického procesu a analýza případů

3.1 Doporučení pro optimalizovaný diagnostický proces

Při diagnostice poruch zemlení jádra by prvním krokem měla být předběžná selekce pomocí technologie infračervené termografie. Infračervené termografie mohou rychle získat mapy distribuce teplot na povrchu transformátoru, což pomáhá diagnostickému personálu identifikovat možné oblasti anomálního teplotního nárůstu. Jakmile předběžná selekce identifikuje potenciální oblasti poruch, dalším krokem by měla být kombinace metod detekce vysokofrekvenčního proudu a částečných výbojů pro přesné testování.

Metoda detekce vysokofrekvenčního proudu zachytává změny zemnícího proudu v frekvenčním pásmu 500 kHz až 2 MHz pomocí Rogowskiho civek, což efektivně identifikuje oblasti poruch zemlení jádra. Technologie detekce částečných výbojů monitoruje pulsní signály výbojů v reálném čase pomocí senzorů HFCT, analyzováním frekvence a intenzity výbojů dále potvrzuje místa poruch.

Po provedení detekce vysokofrekvenčního proudu a částečných výbojů je konečným krokem ověření a analýza závažnosti poruchy pomocí analýzy olejové chromatografie. Detekcí rozpustných plynů v transformátorovém oleji, zejména změn koncentrace methánu (CH4), etylenu (C2H4) a jiných plynů, lze dále potvrdit povahu poruchy. U závažných poruch zemlení jádra bude v analýze olejové chromatografie vidět abnormální zvýšení složek plynů. Kombinace dat z analýzy olejové chromatografie s jinými výsledky detekce umožňuje komplexní hodnocení dopadu poruchy a poskytuje základ pro následnou opravu.

3.2 Analýza typického případu

Během provozu v podstanicích si personál údržby všiml výrazně zvýšeného zemnícího proudu v distribučním transformátoru 35 kV, který daleko přesáhl normální hodnoty. Měřená data ukázala, že zemnící proud dosáhl 5 A, zatímco za normálních podmínek by měl být zemnící proud nižší než 100 mA. Problémem bylo, že i když zemnící proud byl výrazně zvýšen, nebyly žádné zřetelné externí fyzické indikace poruchy. Tradiční elektrotechnické diagnostické metody, jako je měření stejnosměrného odporu a analýza olejové chromatografie, nebyly schopny poskytnout jasnou informaci o místě poruchy.

Pro řešení problému s uzemněním jádra transformátoru vybudovali personál údržby několik moderních diagnostických technologií. Nejprve použili infračervenou termografii FLIR T640 pro předběžné zjišťování, rychle lokalizovali oblasti s nárůstem teploty v jádře a souvisejících komponentech. Poté použili čidlo PD-Tech HFCT pro sledování proudu uzemnění. Nakonec využili detektory částečných výbojků PD-Tech k testování a analýze signálů výbojků, lokalizace místa poruchy. Výsledky testů jsou uvedeny v tabulce 1.

Tab.1 Výsledky detekce problémů s transformátorem

Na základě výsledků detekce tepelnou kamerou dosáhla teplotní rozdíl u části blízké středovým svorkovacím komponentům 12°C, což přesahuje normálný rozsah. Toto ukazuje na možné přehřívání v této oblasti. Detekce v reálném čase pomocí senzorů vysokofrekvenčného proudu odhalila zemný proud o velikosti 5 A, což je výrazně nad normálnou hodnotou 100 mA, což naznačuje, že došlo k vzniku poruchy uvnitř transformátoru. Další detekce částečných výbojů ukázala silné fluktuace signálů vysokofrekvenčného proudu v frekvenčním pásmu 4,5-18 MHz s postupným zvyšováním intenzity výboje, což naznačuje, že místo poruchy se nachází u středového svorkovacího uspořádání a že porucha se zhoršuje.

Konečné potvrzení místa poruchy bylo u izolační podložky středového svorkovacího komponentu. Izolační materiál se prostaral v důsledku dlouhotrvajícího provozu, což vedlo k drobnému poškození izolace a vyvolání zemných poruch. Opotřebení poruchy zahrnovalo výměnu izolační podložky, a následné testy potvrdily, že zemný proud se vrátil do normálu, což eliminuje poruchu a obnovuje stabilní provoz zařízení.

Tento případ ukazuje, že kombinace infračervené termografické technologie, technologie detekce částečných výbojů a technologie detekce vysokofrekvenčného proudu může efektivně zlepšit efektivitu a přesnost diagnostiky zemných poruch středu. Během skutečného provozu a údržby by personál měl pravidelně tyto technologie používat k současné diagnostice, aby zajistil bezpečný a stabilní provoz transformátorů.

4 Závěr

V diagnostice zemných poruch středu může kombinované použití více moderních diagnostických technologií výrazně zlepšit přesnost určení místa poruchy a efektivitu diagnostiky. Díky synergii detekce vysokofrekvenčného proudu, analýzy částečných výbojů a infračervené termografie lze detekovat potenciální rizika zařízení již ve včasných fázích a přesně identifikovat zdroje poruch, což snižuje dobu výpadku zařízení a prodlužuje životnost transformátoru.

V budoucnu, s neustálým rozvojem a aplikací nových detekčních technologií, se diagnostika a údržba zemných poruch středu stane ještě efektivnější a přesnější, což zajistí stabilitu a bezpečnost elektrických systémů.