Analyse af diagnosticeringsmetoder til jordfejl i 35 kV fordelingstransformatorers kerne

35 kV fordelingstransformatorer: Analyse og diagnosticering af jordfejl i kernen

35 kV fordelingstransformatorer er almindelige vigtige udstyr i strømsystemer, der har på sig at overføre vigtig elektrisk energi. Under langvarig drift er imidlertid jordfejl i kernen blevet et stort problem, der påvirker den stabile drift af transformatorerne. Jordfejl i kernen påvirker ikke kun energieffektiviteten af transformatorerne og øger vedligeholdelseskostnaderne for systemet, men kan også udløse mere alvorlige elektriske fejl.

Da strømudstyr bliver ældre, stiger hyppigheden af jordfejl i kernen gradvist, hvilket kræver forbedret fejldiagnose og behandling under drift og vedligeholdelse af strømudstyr. Selvom der findes visse diagnosticeringsmetoder, er der stadig tekniske flaskehalse som lav opsporingseffektivitet og svær fejllokalisering. Der er en akut behov for at undersøge og anvende mere præcise, følsomme fejldiagnostikteknologier for at forbedre driftsfiabiliteten af udstyret og sikre strømsystemets stabilitet og sikkerhed.

1 Analyse af årsager og karakteristika ved jordfejl i kernen i 35 kV fordelingstransformatorer

1.1 Almindelige årsager til jordfejl i kernen

I 35 kV fordelingstransformatorer bruges isolerende materialer typisk mellem kerneslagene for isolation. Under langvarig drift forårsager dog interne elektriske felter og temperatur en gradvis aldring af isolerende materialer, især under højspænding og høje temperatur, hvor isolationsydeevnen hurtigt forringes. Med aldringen falder isolationsmodstanden, og isolationsfejl i partielle områder kan danne multipunkts jordfejl.

Transformatorer oplever uundgåeligt mekanisk vibration under forlænget drift. Især under betingelser med store lastfluktuationer kan vibrationen forårsage relativ forskydning af kernen og kerneklampekomponenterne. Løse kerneklamper eller skadede isoleringsmaterialer kan udløse jordfejl. Transformatorerns kernens produktionsdefekter er også vigtige årsager til jordfejl i kernen. Under produktionen kan uregelmæssigheder som spidsede kant på siliciumstålplader, ulige isoleringsbelægning, eller utilstrækkelig kerneprosessering nøjes med lokale isolationsbeskadigelser. Sådanne defekter koncentreres ofte i de jordede dele af transformatorerne. Når elektriske feltfordelingen i kernen er ulige, kan det give anledning til partielle udslag.

1.2 Elektriske karakteristika og farer ved fejl

Den mest direkte elektriske karakteristik ved jordfejl i kernen er en øget jordstrøm. Efter en jordfejl forekommer jordstrømmen normalt med strømfluktueringer med harmoniske komponenter, især i højfrekvensområdet over 50 Hz. Når fejl forekommer, ser bølgeformen af jordstrømmen ofte ikke-sinusform ud, med større amplituder af harmoniske komponenter.

En anden typisk karakteristik ved jordfejl i kernen er partielle udslag. Efter isoleringsmaterialefejl koncentrerer elektriske felt sig i skadede områder, hvilket fører til koronaudslag og partielle udslagsfænomener. Partielle udslag genererer typisk højfrekvensstrømpulser med frekvensområder generelt mellem 3-30 MHz. Strømsignaler i dette frekvensbånd kan registreres og analyseres ved hjælp af specialiserede højfrekvensstrømtransformatorer (HFCT).

En anden elektrisk karakteristik, der udløses af jordfejl i kernen, er temperatureffekten. På grund af virvelstrømtab ved fejlpunktet øges lokalt temperaturen. Denne temperatureffekt skader ikke kun isoleringsmaterialerne direkte, men kan også forårsage overophedning i partielle områder af kernen.

1.3 Indvirkning af fejl på transformatorer drift

Jordfejl i kernen fører til en øget jordstrøm, hvilket på sin side forårsager yderligere tab i transformatorernes kerne. Kernetab består primært af virvelstrømtab og hysterese-tab. Når jordfejl forekommer, øges den ulige magnetiske fluxfordeling indeni transformatorer signifikant virvelstrømtab i visse områder. Dette reducerer ikke kun energieffektiviteten af transformatorerne, men kan også betydeligt øge driftsomkostninger. De øgede kernetab forværrer overophedningen af transformatorer, hvilket yderligere påvirker langsigtede stabil drift.

Partielle udslag og temperatureffekter, der skyldes jordfejl i kernen, accelererer aldringen af de interne isoleringsmaterialer i transformatorerne. Under aldring af isolation falder modstanden af isolationslagene gradvist, og den elektriske isolationskapacitet mislykkes progressivt. Når isolation fuldstændigt mislykkes, kan det udløse lokale kortslutninger eller mere alvorlige fuldstændige kortslutningsulykker.

Jordfejl i kernen fører ikke bare til nedsat elektrisk ydeevne, men påvirker også kemisk sammensætning af transformatorolie. Når kernen jordes, forårsager partielle udslag og overophedning en stigning i oljetemperaturen internt, hvilket fører til ændringer i løste gaskomponenter i olien, især abnormale stigninger i metan (CH4) og ethylen (C2H4) indhold.

2 Diagnosticeringsmetoder og teknisk sammenligning for jordfejl i kernen

2.1 Traditionelle diagnosticeringsmetoder

DC-modstandsmetoden er en af de traditionelle diagnosticeringsmetoder for jordfejl i kernen, der primært bedømmer fejltilstedeværelse ved at måle isolationsmodstanden mellem kernen og jorden. Denne metode anvender DC-spænding og måler forholdet mellem strøm og spænding for at beregne isolationsmodstand. Idealvis skal kernens isolationsmodstand forblive høj; hvis modstanden falder under en bestemt tærskel, kan det indikere en jordfejl.

Dogmetoden for DC-resistans kan imidlertid ikke præcist lokalisere fejlsteder. Dens måleresultater kan kun afspejle den gennemsnitlige isoleringsydeevne for hele kernen og kan ikke bestemme specifikke fejlområder. Denne metode har også en vis forsinkelse, især når isoleringens aldring endnu ikke har forårsaget betydelige resistansændringer, hvilket gør tidlig fejlregistrering ineffektiv. Desuden kan DC-resistansmetoden ikke give information om fejltyper, og detaljerede fejlegenskaber kan ikke effektivt udtrækkes fra målingsdata.

Oliechromatografi analyse detekterer ændringer i opløste gaskomponenter i transformerolie for at slutte på fejltyper. Disse opløste gasser dannes typisk, når der opstår afledning, overophedning eller andre elektriske fejl inden i transformatorerne. Almindelige gaskomponenter i transformerolie inkluderer metan (CH4), etylen (C2H4), ethan (C2H6) osv. Ændringer i gaskoncentrationer kan afspejle transformatorernes driftsstatus. 

Ved at sammenligne opløste gaskoncentrationer i olie med fejltyper, er det muligt at foreløbig fastslå, om der er opstået en kernejordfejl i transformatorerne. Oliechromatografi analysen har en relativ forsinket respons; efter at en fejl er opstået, tager det tid, før opløste gasser akkumulerer, hvilket begrænser fejldiagnosekonsekvensen. Desuden kan oliechromatografi analyser ikke give præcise fejllokationer eller specifikke egenskaber, men kun indikere fejl gennem ændringer i gaskoncentration. For mindre eller intermittente fejl kan oliechromatografi diagnose være forsinket og ikke kunne reagere hurtigt på fejludviklingen.

2.2 Moderne instrumentdetektionsteknologier

Partiel afledningsdetektionsteknologi er baseret på principperne for højfrekvente strømtransformatorer (HFCT), som fanger og analyserer afledningspulssignaler, forårsaget af kernejord, for at diagnosticere fejl. Når der opstår kernejordfejl, genererer partiel afledning højfrekvente strømpulser ved isoleringsbeskadigelsespunkter. Disse strømsignaler manifesterer sig typisk som højfrekvent støj eller pulssignaler med frekvensområder normalt mellem 3-30 MHz. 

Ved at installere højfrekvente strømsensorer på transformatorens jordforbindelse, kan partielle afledningssignaler fanges i realtid. Denne teknologi kan effektivt lokalisere partielle fejlsteder, har høj sensitivitet og kan detektere fejl i tidligt stadium. Partiel afledningsdetektion kan effektivt identificere mindre fejl, forårsaget af isoleringsaldring eller mekanisk beskadigelse, og give præcis fejldiagnoseinformation. Ved at analysere partielle afledningssignaler, kan alvorligheden og udviklingstendensen af fejl vurderes, hvilket gør det muligt at træffe tilsvarende vedligeholdelses- eller forebyggende foranstaltninger.

Infrarød termografiteknologi detekterer lokale temperaturstigninger i kernen ved hjælp af infrarøde termografer for at afgøre, om der findes jordfejl. Efter at jordfejl er opstået i transformatorer, forårsager eddystrømtab i lokale områder temperaturstigninger, især betydelige temperaturstigninger omkring fejlsteder. Infrarød termografiteknologi kan få realtidstemperaturfordeling på kernen overflade og afgøre fejltilstedeværelse gennem temperaturforskelle. Typisk, når temperaturforskeller overstiger 10°C, er det nødvendigt at undersøge dette område nærmere. Fordelen ved denne teknologi ligger i dens evne til at registrere temperaturændringer uden kontakt, med hurtig måling, hvilket gør den velegnet til hurtig påstedetekning.

Højfrekvente strømdetektionsmetoden anvender Rogowskispiraler til at måle højfrekvente strømændringer i jordlinjer, typisk i frekvensområdet 500 kHz til 2 MHz. Disse højfrekvente strømme dannes af afledningsprocesser, forårsaget af kernejordfejl. Ved at detektere strømsignaler i dette frekvensområde, kan fejltilstedeværelse effektivt identificeres. I forhold til partielle afledningsdetektionsteknologier, har højfrekvente strømdetektion højere sensitivitet og kan fange ekstremt svage fejl-signaler. Ved at bruge Rogowskispiraler til kontaktfri måling, forenkles installationen, og målnøjagtigheden forbedres. Denne teknologi er særligt velegnet til områder, der er vanskelige at nå direkte, og kan udføre online-detection uden at skade udstyr.

3 Optimering af fejldiagnoseprocessen og saganalyse

3.1 Anbefalinger for optimeret diagnostisk proces

Når der diagnosticeres kernejordfejl, bør det første trin være en præliminær screening ved hjælp af infrarød termografiteknologi. Infrarøde termografer kan hurtigt få temperaturfordelingskort af transformatoroverfladen, hvilket hjælper diagnosticeringspersonale med at identificere potentielle abnorme temperaturstigningsområder. Når præliminær screening har identificeret potentielle fejlområder, bør det næste trin kombinere højfrekvente strømdetektion og partielle afledningsdetektionsteknologier til præcis test.

Højfrekvente strømdetektionsmetoden fanger jordstrømmændringer i 500 kHz til 2 MHz frekvensbandet ved hjælp af Rogowskispiraler, hvilket effektivt identificerer kernejordfejlområder. Partiel afledningsdetektionsteknologi overvåger afledningspulssignaler i realtid ved hjælp af HFCT-sensorer, analyserer afledningsfrekvens og intensitet for at yderligere bekræfte fejlsteders placering.

Efter at have foretaget højfrekvente strøm- og partiel afledningsdetektion, er det sidste trin at verificere og analysere fejlalvorlighed gennem oliechromatografi-analyse. Ved at detektere opløste gasser i transformerolie, især koncentrationsændringer af metan (CH4), etylen (C2H4) og andre gasser, kan fejlens natur yderligere bekræftes. For alvorlige kernejordfejl vil oliechromatografi vise abnormt høje gaskomponenter. Ved at kombinere oliechromatografi-data med andre detectionsresultater, kan fejlindvirkningen komplet vurderes, og grundlaget for efterfølgende reparationer gives.

3.2 Typisk saganalyse

Under drift i en understation bemærkede vedligeholdelsespersonale en markant stigning i jordstrømmen i en 35 kV fordelingstransformator, langt over normale værdier. Overvågningdata viste, at jordstrømmen nåede 5 A, mens under normale forhold burde jordstrømmen være under 100 mA. Udfordringen var, at selvom jordstrømmen anormalt steg, var der ingen tydelige ydre fysiske fejlindikationer. Traditionelle elektriske diagnostiske metoder som DC-resistans-test og oliechromatografi-analyse kunne ikke give klare fejllokationsoplysninger.

For at løse dette problem med jordforbindelse i transfomerens kerne, anvendte vedligeholdelsespersonale flere moderne diagnostiske teknologier. Først brugte de en FLIR T640 infrarød termisk kamera til en foreløbig gennemgang, hvilket hurtigt lokaliserede områder med temperaturstigning i kernen og relaterede komponenter. Derefter brugte de PD-Tech HFCT højfrekvens strømsensorer til at overvåge jordstrøm. Til sidst benyttede de PD-Tech partielle udladningsdetektorer til at teste og analysere udladningssignaler, hvilket lokaliserede fejlpunktet. Testresultaterne vises i tabel 1.

Tabel 1. Detektionsresultater for transformerfejl

Baseret på resultaterne af infrarød termisk kameraovervågning nåede temperaturforskellen nær kernen og klemmekomponenterne 12°C, hvilket overstiger det normale område, og bekræfter forløbende en mulig overophedning i dette område. Ved realtidsmåling med højfrekvente strømsensorer blev der registreret en jordstrøm på 5 A, hvilket er betydeligt over den normale værdi på 100 mA, og indikerer, at en fejl har udviklet sig inden for transformator. Yderligere partielle udladningsmålinger viste stærke fluktuationer i højfrekvente strømsignaler i frekvensområdet 4,5-18 MHz, med gradvis stigende udladningsintensitet, hvilket indikerer, at fejlpunktet var placeret ved kernen og klemmekomponenterne, og at fejlen blev forværret.

Det endelige bekræftede fejlpunkt var ved isoleringspladen til klemmekomponenterne. Isoleringsmaterialet havde foråldret sig på grund af langvarig drift, hvilket havde ført til mindre skader i isolationen, som udløste jordfejlen. Fejlbehandlingsforanstaltninger inkluderede udskiftning af isoleringspladen, og efterfølgende testering bekræftede, at jordstrømmen var vendt tilbage til normal, hvilket fjerne fejlen og genoprette stabil drift af udstyret.

Dette tilfælde demonstrerer, at kombinationen af infrarød termografiteknologi, teknologi til partielle udladningsmålinger, og højfrekvente strømmålinger kan effektivt forbedre effektiviteten og præcisionen af diagnose af jordfejl i kernen. Under faktiske drifts- og vedligeholdelsesprocesser bør personale regelmæssigt anvende disse teknologier til samarbejdende diagnose for at sikre sikkert og stabil drift af transformatorer.

4 Konklusion

I diagnosticeringen af jordfejl i kernen kan den kombinerede anvendelse af flere moderne diagnostiske teknologier betydeligt forbedre præcisionen af fejllokalisering og diagnostiskeffektivitet. Gennem synnergistiske effekter af højfrekvente strømmålinger, partielle udladningsanalyser, og infrarød termografiteknologi kan potentielle udstyrrisici blive opdaget i tidligt stadium, og fejlkilder kan præcist identificeres, hvilket reducerer nedetid for udstyr og forlænger levetiden for transformatorer.

I fremtiden vil med den fortsatte udvikling og anvendelse af nye måleteknologier blive diagnosticering og vedligeholdelse af jordfejl i kernen mere effektiv og præcis, hvilket beskytter stabiliteten og sikkerheden i strømsystemer.