35 kV jakautusmuuntajien ytimen maan yhteyden vikamääritysmenetelmien analyysi

35 kV-jako-transformatorit: Ytimen maayhteyden vikatilanteiden analyysi ja diagnostiikka

35 kV jakotransformatorit ovat yleisiä tärkeitä laitteita sähköverkoissa, jotka hoitavat tärkeitä sähkön siirtotehtäviä. Pitkäaikaisessa käytössä ytimen maayhteyden vikatilanteet ovat kuitenkin muodostuneet merkittäväksi ongelmaan, joka vaikuttaa transformatorien vakautettuun toimintaan. Ytimen maayhteyden vikatilanteet vaikuttavat ei vain transformatorin energiatehokkuuteen ja lisäävät järjestelmän huollon kustannuksia, mutta ne voivat myös aiheuttaa vakavampia sähkötekniikoiden vikatilanteita.

Kun sähkölaite ikääntyvät, ytimen maayhteyden vikatilanteiden esiintymistiheyttä kasvaa, mikä edellyttää parannettua vika-analyysia ja -hoitoa sähkölaitteiden operaatiivisessa ja ylläpitovaiheessa. Vaikka tietyt diagnostiset menetelmät ovat olemassa, teknisiä pulmia kuten matala havaitsemistehoste ja vaikeus vian paikanmäärityksessä on vielä olemassa. On kiireellistä tutkia ja soveltaa tarkempia, herkkämpiä vika-analyysimenetelmiä parantamaan laitteiden toiminnallista luotettavuutta ja varmistamaan sähköverkon vakaus ja turvallisuus.

1 Ytimen maayhteyden vikatilanteiden syiden ja ominaisuuksien analyysi 35 kV-jakotransformatorissa

1.1 Yleiset ytimen maayhteyden vikatilanteiden syyt

35 kV-jakotransformatorissa eristävät materiaalit käytetään yleensä ytimen levysten välillä eristyksen tarpeeseen. Kuitenkin pitkäaikaisessa käytössä sisäinen sähkökenttä ja lämpötila aiheuttavat eristämateriaalien hitaan vanhenemisen, erityisesti korkean jännitteen ja korkean lämpötilan olosuhteissa, joissa eristyskyky heikkenee nopeasti. Kun vanheneminen etenee, eristysh vastus laskee, ja osittainen eristysmateriaalin epäonnistuminen voi muodostaa usean pisteen maayhteydet.

Transformaattorit kohtaavat mekaanista värinää pitkäaikaisessa käytössä. Erityisesti suuret kuormituksen vaihtelut voivat aiheuttaa ytimen ja ytimeen kiinnittävien komponenttien suhteellisen siirron. Lohkota ydinpidike tai vaurioituneet eristämateriaalit voivat aiheuttaa maayhteyden vikatilanteita. Transformaattorydin valmistusvirheet ovat myös tärkeitä ytimen maayhteyden vikatilanteiden syyt. Valmistuksessa, jos silikitti-levyillä on karvat, epätasainen eristyspeite tai riittämätön ydinprosessointitarkkuus, paikallinen eristysvaurio voi tapahtua. Tällaiset virheet keskittyvät usein transformaattorin maaytykseen. Kun ytimen sähkökentän jakautuminen on epätasainen, voidaan ilmetä osittaisia purkauksia.

1.2 Vikojen sähköiset ominaisuudet ja vaarat

Ytimen maayhteyden vikatilanteiden suora sähköinen ominaisuus on kasvava maajennite. Maayhteyden vikatilanteen jälkeen maajennite näyttää tyypillisesti jännitetason fluctuaation, jossa on harmonisia komponentteja, erityisesti yli 50 Hz:n taajuuden alueella. Kun vikatilanne tapahtuu, maajenniten aaltoforma on usein epäsiniinen, ja harmonisten komponenttien amplitudit ovat suuremmat.

Toinen typinen ytimen maayhteyden vikatilanteen ominaisuus on osittainen purkaus. Kun eristämateriaali epäonnistuu, sähkökenttä keskittyy vaurioituneihin alueisiin, mikä aiheuttaa korona-purkauksen ja osittaisen purkauksen. Osittainen purkaus tuottaa yleensä korkeataajuuden sähkövirtapulssit, joiden taajuusalue on yleensä 3-30 MHz:n välillä. Näitä taajuusaluetta voidaan kartoittaa ja analysoida erikoisilla korkeataajuuden virtamuuntimilla (HFCT).

Toinen sähköinen ominaisuus, joka aiheutetaan ytimen maayhteyden vikatilanteista, on lämpötilan nousuvaikutus. Vika-alueen vuoksi pyörivyrtteiden tappiot aiheuttavat paikallisen lämpötilan nousun. Tämä lämpötilan nousuvaikutus ei vain suoraan vahingoita eristämateriaaleja, mutta se voi myös aiheuttaa ytimeen paikallista ylituhoa.

1.3 Vikojen vaikutukset transformaattorin toimintaan

Ytimen maayhteyden vikatilanteet johtavat kasvavaan maajennitteeseen, mikä puolestaan aiheuttaa lisätappioita transformaattorydissä. Ydin tappiot koostuvat pääasiassa pyörivyrtteiden ja hystereettisten tappioiden. Kun maayhteyden vikatilanne tapahtuu, epätasainen magnetifluksen jakautuminen transformaattorin sisällä aiheuttaa merkittävän pyörivyrtteiden tappion tietyillä alueilla. Tämä ei vain vähennä transformaattorin energiatehokkuutta, mutta se voi myös huomattavasti lisätä toimintakustannuksia. Lisäksi ytimen tappiot aiheuttavat transformaattorin ylilämpenemisen, mikä vaikuttaa pitkäaikaiseen vakautettuun toimintaan.

Ytimen maayhteyden vikatilanteiden aiheuttamat osittaiset purkaukset ja lämpötilan nousuvaikutukset kiihdyttävät transformaattorin sisäisten eristämateriaalien vanhenemista. Vanhenemisen aikana eristyskerrosten vastus vähenee asteittain, ja sähköinen eristyskyky heikkenee progressiivisesti. Kun eristys kokonaan epäonnistuu, se voi aiheuttaa paikallisia lyhytkeskusten tai vakavampia täydellisiä lyhytkeskusten onnettomuksia.

Ytimen maayhteyden vikatilanteet eivät ainoastaan johtaneet sähköiseen tehokkuuden laskuun, mutta ne vaikuttavat myös transformaattoriöljyn kemialliseen koostumukseen. Kun ydin maaytyy, osittaiset purkaukset ja ylilämpö aiheuttavat sisäisen öljyn lämpötilan nousun, mikä johtaa öljyssä liuenneiden kaasujen komponenttien muutoksiin, erityisesti metaanin (CH4) ja eteenen (C2H4) poikkeukselliseen lisääntymiseen.

2 Diagnostiset menetelmät ja tekninen vertailu ytimen maayhteyden vikatilanteille

2.1 Perinteiset diagnostiset menetelmät

Suoran jännitteen vastusmenetelmä on yksi perinteisistä diagnostisista menetelmistä ytimen maayhteyden vikatilanteiden käsittelyyn, joka perustuu ytimen ja maan välisen eristysvastuksen mittaukseen. Tämä menetelmä soveltaa suoraa jännitettä ja mitataan sähkövirta ja jännite suhteen laskemaan eristysvastusta. Idealisesti ytimen eristysvastus tulisi pysyä korkeana arvona; jos vastus laskee tietyltä kynnysarvolta, se voi viitata maayhteyden vikatilanteeseen.

Kuitenkin jännitevastusmenetelmä ei pysty paikallistamaan virhepaikkoja tarkasti. Mittaus tulokset voivat vain heijastaa koko ytimen keskimääräistä eristyskykyä eivätkä voi määrittää tiettyjä virhearvoja. Tämällä menetelmällä on myös tietty viive, erityisesti silloin kun eristyksen ikääntyminen ei ole vielä aiheuttanut merkittäviä vastuun muutoksia, mikä tekee varhaisesta virheiden havaitsemisesta tehottomaa. Lisäksi jännitevastusmenetelmä ei pysty antamaan tietoja virhetyyppien suhteen, ja yksityiskohtaisia virheominaisuuksia ei voida tehokkaasti poimia mittausdatan avulla.

Öljyanalyysi havaitsee muutoksia tuomittujen kaasujen komponenttien suhteen muuntajan öljyssä, jotta voidaan päätellä virhetyppejä. Nämä tuomitut kaasut ovat tyypillisesti tuotettuja, kun sähkövirtaukset, ylikuumeneminen tai muut sähköiset vika-tilanteet tapahtuvat muuntajan sisällä. Yleisiä kaasukomponentteja muuntajan öljyssä ovat metani (CH4), eteeni (C2H4), etana (C2H6) jne. Kaasupitoisuuksien muutokset heijastavat muuntajan toimintatilaa. 

Vertaamalla öljyn tuomittujen kaasujen pitoisuuksia virhetyppeihin on mahdollista alustavasti päätellä, onko muuntajassa tapahtunut ytimen maapitävä virhe. Öljyanalyysilla on suhteellisen viivästetty reaktio; virheen tapahduttua kestää aikaa ennen kuin tuomitut kaasut kertyvät, mikä rajoittaa virheen diagnostiikan ajallisuutta. Lisäksi öljyanalyysi ei pysty antamaan tarkkoja virhepaikkoja tai yksityiskohtaisia ominaisuuksia, vaan se ilmaisee virheet vain kaasupitoisuuksien muutosten kautta. Väliaikaisille tai pienille vikoille öljyanalyysin diagnostiikka voi olla viivästyneet eikä pysty vastaamaan nopeasti virheen ilmetessä.

2.2 Modernit laitteen valvonta teknologiat

Osaltaispulssi valvonta perustuu korkeataajuuden virtasensorien (HFCT) periaatteeseen, jossa valvotaan ja analysoidaan ytimen maapitävän vuoksi aiheutuneita pulssisignaaleja virheiden diagnostiikkaan. Kun ydinmaapitävät virheet tapahtuvat, osaltaispulssi tuottaa korkeataajuuden virtapulssit eristysvaurioissa. Nämä virtasignaalit ilmenevät yleensä korkeatajuisena meluna tai pulssisignaalina, joiden taajuusalue on yleensä 3-30 MHz välillä. 

Asentamalla korkeataajuuden virtasensorit muuntajan maapitoon osaltaispulssisignaalit voidaan valvoa reaaliaikaisesti. Tämä teknologia pystyy tehokkaasti paikallistamaan osittaisten vikojen sijainteja, sillä se on herkkä ja pystyy havaitsemaan vikkoja varhaisessa vaiheessa. Osaltaispulssi valvonta pystyy tehokkaasti tunnistamaan pieniä vikoja, jotka johtuvat eristysikääntymisestä tai mekaanisista vaurioista, tarjoten tarkkoja virhedianostustietoja. Osaltaispulssisignaalien analysoinnin avulla voidaan arvioida vikkojen vakavuus ja kehityssuunta, mikä mahdollistaa sopivat huollon tai ehkäisevät toimenpiteet.

Infrapunasilmukka teknologia havaitsee paikallisia lämpötilan nousualueita ytimessä infrapunaräätälaitteilla määrittääkseen, onko maapitävää virhettä. Kun maapitävät virheet tapahtuvat muuntajissa, paikalliset pyörivyrihäviöt aiheuttavat lämpötilannousun, erityisesti merkittävän lämpötilannousun virhepaikan ympärillä. Infrapunasilmukka teknologia pystyy saamaan reaaliaikaisen lämpötilajakauman ytimen pinnalle ja määrittelemään virheen olemassaolon lämpötilaeroiden kautta. Yleensä, kun lämpötilaerot ylittävät 10°C, kyseiseen alueeseen tarvitaan keskittynyttä tutkimusta. Teknologian etu on sen kyky havaita lämpötilamuutoksia kosketuksitta, mitä mittaustehokkuudella, mikä tekee siitä soveltuvan pikaiseen paikkakunnalliseen valvontaan.

Korkeataajuuden virtavalvonta menetelmä käyttää Rogowskin kieleitä maapitoon liittyvien korkeatajuisten virtamuutosten mittaamiseen, yleensä 500 kHz - 2 MHz taajuusalueella. Nämä korkeataajuudet virtat syntyvät ytimen maapitävien virheiden aiheuttamissa purkautumisprosesseissa. Korkeatajuisten virtasignaalien havaitsemalla tämä menetelmä pystyy tehokkaasti tunnistamaan virheen olemassaolon. Osaltaispulssi valvonta teknologiaa verrattuna korkeataajuuden virtavalvonta on herkkämpi ja pystyy havaitsemaan äärimmäisen heikkoja virhesignaaleja. Rogowskin kieleillä tehty kosketuksitta mittaaminen ei ainoastaan yksinkertaista asennusta, mutta parantaa myös mittaustarkkuutta. Tämä teknologia on erityisen soveltuva sellaisiin alueisiin, joissa on vaikea pääsy, ja se voi suorittaa verkossa valvonnan ilman laitteiden vahingoittamista.

3 Virhedianostus prosessin optimointi ja tapaustutkimus

3.1 Ehdotukset optimoitulle diagnostiselle prosessille

Ytimen maapitävien virheiden diagnostiikassa ensimmäinen askel pitäisi olla alustava valinta käyttäen infrapunasilmukka teknologiaa. Infrapunaräätälaitteet voivat nopeasti hankkia muuntajan pinnan lämpötilajakauman, auttaen diagnostiseen henkilöstöön tunnistamaan mahdollisia epäilyttäviä lämpötilan nousualueita. Kun alustava valinta on tunnistanut potentiaaliset virhealueet, seuraavana askeleena pitäisi yhdistää korkeatajuuden virtavalvonta ja osaltaispulssi valvonta teknologiat tarkkaan testaamiseen.

Korkeatajuuden virtavalvonta menetelmä havaitsee maapitoon liittyvät virtamuutokset 500 kHz - 2 MHz taajuusalueella Rogowskin kieleillä, mikä mahdollistaa ytimen maapitävien virheiden alueiden tehokkaan tunnistamisen. Osaltaispulssi valvonta teknologia valvoo purkautumispulssisignaaleja reaaliaikaisesti HFCT-sensorien avulla, analysoi purkautumisfrekvenssin ja intensiteetin vahvistaakseen lisää virhepaikan sijainnin.

Korkeatajuuden virta- ja osaltaispulssi valvonnasta jälkeen viimeinen askel on vahvistaa ja analysoida virheen vakavuus öljyanalyysin avulla. Muuntajan öljyssä olevien tuomittujen kaasujen havainnoinnilla, erityisesti metaanin (CH4), eteenin (C2H4) ja muiden kaasujen pitoisuuksien muutosten kautta, virhen luonne voidaan vahvistaa lisää. Vakavissa ytimen maapitävissä virheissä öljyanalyysi näyttää poikkeuksellisen korkeita kaasukomponentteja. Öljyanalyysin datan yhdistäminen muihin valvontatuloksiin mahdollistaa virheen vaikutuksen kattavan arvioinnin ja tarjoaa perustan jälkimmäiselle korjaustyölle.

3.2 Tyypillinen tapaustutkimus

Alustan toiminnassa huoltoyksikkö huomasi huomattavan maapitoon liittyvän virtan nousun 35 kV jakamismuuntajassa, joka ylitti normaaliarvot huomattavasti. Valvontadatat osoittivat, että maapitoon liittyvä virta oli 5 A, kun taas normaaleissa olosuhteissa maapitoon liittyvä virta pitäisi olla alle 100 mA. Haasteena oli, että vaikka maapitoon liittyvä virta nousi poikkeuksellisesti, ei ollut selvästi havaittavia ulkoisia fyysisiä virheiden merkkejä. Perinteiset sähköiset diagnostiikamenetelmät, kuten jännitevastusmittaus ja öljyanalyysi, eivät olleet pystyneet antamaan selkeitä virhepaikan tiedotuksia.

Tämän muuntajan ytimen maajäristysvirheen ongelman ratkaisemiseksi huoltoyksikkö käytti useita modernia diagnostiikkatekniikoita. Ensiksi he käyttivät FLIR T640:n infrapunainen lämpökuvauslaitteesta esivalintaa varten, minkä avulla pystyttiin nopeasti paikallistamaan lämpötilan nousualueet ytimessä ja liittyvissä komponenteissa. Sitten he käyttivät PD-Tech HFCT:n korkeataajuuden virtasensorit maavirtauksen seurantaan. Lopuksi he käyttivät PD-Tech:n osittaisjännitehdistekilaidetta testaamaan ja analysoimaan jännitehdistesignaaleja, mikä mahdollisti virhepisteen paikallistamisen. Testitulokset on esitetty taulukossa 1.

Taul. 1 Muuntajan virheiden havaintotulokset

Infrapunasäteilykameran havaintojen perusteella ytimen kiinnityskomponenttien lähellä oleva lämpöerottelu oli 12 °C, ylittäen normaalit rajat, mikä viittasi alueessa mahdolliseen ylivuotoon. Keskustilanteen havainnointiin käytetty korkeataajuusanturi paljasti maajänniteksi 5 A, joka on huomattavasti suurempi kuin normaali 100 mA, mikä osoitti, että muuntimassa oli kehittynyt vika. Lisäksi osittainen sähkövirtahavainto paljasti voimakkaat fluktuoinnit korkeatajuisten sähkövirtojen signaaleissa 4,5-18 MHz:n taajuusalueessa, joissa purkautumisen intensiteetti kasvoi asteittain, mikä viittasi siihen, että vikapaikka sijaitsee ytimen kiinnityskomponentissa ja vika paheni.

Lopullinen vikapaikan vahvistaminen tapahtui ydinrakenteen eristyslevyssä. Pituuden myötä vanheneva eristysmateriaali aiheutti pieniä eristyshavaroita, jotka aiheuttivat maavirran. Vian korjaustoimet sisäsivät eristyslevyn vaihtamisen, ja seuraavat testaukset vahvistivat, että maajennite oli palanut normaalille tasolle, mikä poisti vian ja palautti laitteen vakauden toimintaan.

Tämä tapaus osoittaa, että infrapunasäteilykuvauksen, osittaisen sähkövirtahavaintotekniikan ja korkeatajuisten sähkövirtahavaintotekniikoiden yhdistelmä voi merkittävästi parantaa ytimen maavirran diagnosointitehokkuutta ja tarkkuutta. Oikeastaan operaatio- ja ylläpitomenettelyissä henkilöstön tulisi säännöllisesti käyttää näitä tekniikoita yhteishavainnoissa varmistaakseen muuntimien turvallisen ja vakavan toiminnan.

4 Johtopäätös

Ytimen maavirran diagnosoinnissa monien modernien diagnostiikkateknologioiden yhdistetty soveltaminen voi merkittävästi parantaa vianpaikannuksen tarkkuutta ja diagnosointitehokkuutta. Korkeatajuisten sähkövirtahavaintojen, osittaisen sähkövirtahavaintojen analyysin ja infrapunasäteilykuvauksen synergia vaikutuksilla potentiaaliset laiteriskit voidaan havaita varhaisessa vaiheessa, ja vianlähteet voidaan tunnistaa tarkasti, mikä vähentää laitetehoja ja pidentää muuntimen käyttöikää.

Tulevaisuudessa uusien havaintotekniikoiden jatkuva kehitys ja soveltaminen tekevät ytimen maavirran diagnosoimisesta ja ylläpidosta entistä tehokkaampaa ja tarkempaa, turvaamalla sähköverkon vakauden ja turvallisuuden.