Análise dos Métodos de Diagnóstico para Fallos de Aterramento do Núcleo en Transformadores de Distribución de 35 kV

Transformadores de distribución de 35 kV: Análisis de fallos de conexión a tierra do núcleo e métodos diagnósticos

Os transformadores de distribución de 35 kV son equipos críticos comúns nos sistemas de enerxía, encargados de tarefas importantes de transmisión de enerxía eléctrica. No obstante, durante a súa operación a longo prazo, os fallos de conexión a tierra do núcleo converteranse nunha cuestión principal que afecta á estabilidade da operación dos transformadores. Os fallos de conexión a tierra non só impactan na eficiencia energética dos transformadores e aumentan os custos de manutención do sistema, senón que tamén poden provocar fallos eléctricos máis graves.

A medida que o equipo envelexce, a frecuencia de fallos de conexión a tierra do núcleo aumenta gradualmente, requirendose unha diagnóstico e tratamento de fallos mellorados na operación e manutención do equipo. Aínda que existen certos métodos diagnósticos actuais, aínda hai cuellos de botella técnicos como a baixa eficiencia de detección e a dificultade de localización de fallos. Existe unha necesidade urgente de explorar e aplicar tecnoloxías de diagnóstico de fallos máis precisas e sensibles para mellorar a fiabilidade operativa do equipo e garantir a estabilidade e seguridade do sistema de enerxía.

1 Análise das causas e características dos fallos de conexión a tierra do núcleo en transformadores de distribución de 35 kV

1.1 Causas comúns de fallos de conexión a tierra do núcleo

Nelos transformadores de distribución de 35 kV, os materiais aislantes adoitan usarse entre as laminacións do núcleo para a isolación. No entanto, durante a súa operación a longo prazo, os campos eléctricos internos e a temperatura causan un envelecemento gradual dos materiais aislantes, especialmente en ambientes de alta tensión e alta temperatura onde o rendemento do aislante deteriorase rapidamente. A medida que o envelecemento progrese, a resistencia ao aislamento diminúe, e a falla do aislamento en áreas parciais pode formar fallos de conexión a tierra múltiples.

Os transformadores experimentan inevitablemente vibración mecánica durante a súa operación prolongada. Especialmente baixo condicións de fluctuacións significativas de carga, a vibración pode causar un desprazamento relativo do núcleo e os compoñentes de aperto do núcleo. Apertos de núcleo folgos ou materiais de aislamento danados poden provocar fallos de conexión a tierra. As defectuosidades na fabricación do núcleo dos transformadores tamén son causas importantes de fallos de conexión a tierra do núcleo. Durante a fabricación, se as lámias de ferro silicio teñen rebabas, recubrimientos de aislamento irregulares ou precisión de procesado do núcleo insuficiente, pode ocorrer danos no aislamento local. Estas defectuosidades adoitan concentrarse nas partes de conexión a tierra do transformador. Cando a distribución do campo eléctrico no núcleo é desigual, poden ocorrer descargas parciais.

1.2 Características eléctricas e perigos dos fallos

A característica eléctrica máis directa dos fallos de conexión a tierra do núcleo é o aumento da corrente de conexión a tierra. Despois de que ocorre un fallo de conexión a tierra, a corrente de conexión a tierra adoita mostrar fluctuacións de corrente con compoñentes harmónicos, especialmente nas rexións de alta frecuencia por riba de 50 Hz. Cando ocorren fallos, a forma de onda da corrente de conexión a tierra adoita aparecer non sinusoidal, co amplitud das compoñentes harmónicas maior.

Outra característica típica dos fallos de conexión a tierra do núcleo é a descarga parcial. Despois da falla do material aislante, o campo eléctrico concéntrase nas zonas danadas, causando descargas de corona e fenómenos de descarga parcial. A descarga parcial xeralmente xera pulsos de corrente de alta frecuencia cun rango de frecuencia xeralmente entre 3-30 MHz. As señais de corrente nesta banda de frecuencia poden capturarse e analizarse usando transformadores de corrente de alta frecuencia (HFCT) especializados.

Outra característica eléctrica desencadeada polos fallos de conexión a tierra do núcleo é o efecto de aumento de temperatura. Debido ás perdas por correntes de Foucault no punto de fallo, a temperatura local aumenta. Este efecto de aumento de temperatura non só daña directamente os materiais aislantes, senón que tamén pode causar sobrecalentamiento en áreas parciais do núcleo.

1.3 Impacto dos fallos na operación do transformador

Os fallos de conexión a tierra do núcleo provocan un aumento da corrente de conexión a tierra, que a súa vez causa perdas adicionais no núcleo do transformador. As perdas do núcleo consisten principalmente en perdas por correntes de Foucault e perdas por histerese. Cando ocorren fallos de conexión a tierra, a distribución desigual do fluxo magnético dentro do transformador aumenta significativamente as perdas por correntes de Foucault en certas áreas. Isto non só reduz a eficiencia energética do transformador, senón que tamén pode aumentar significativamente os custos operativos. O aumento das perdas do núcleo agrava o sobrecalentamento do transformador, afectando ademais a súa operación estable a longo prazo.

As descargas parciais e os efectos de aumento de temperatura causados polos fallos de conexión a tierra do núcleo aceleran o envelecemento dos materiais aislantes internos do transformador. Durante o envelecemento do aislamento, a resistencia das capas de aislamento diminúe gradualmente, e a capacidade de aislamento eléctrico falla progressivamente. Cando o aislamento falla completamente, pode provocar cortocircuitos locais ou accidentes de cortocircuito completos máis graves.

Os fallos de conexión a tierra do núcleo non só provocan unha disminución do rendemento eléctrico, senón que tamén afectan á composición química do aceite do transformador. Cando o núcleo está conectado a tierra, as descargas parciais e o sobrecalentamento causan un aumento da temperatura interna do aceite, levando a cambios nos compoñentes de gas disoltos no aceite, especialmente aumentos anómalos no contido de metano (CH4) e etileno (C2H4).

2 Métodos diagnósticos e comparación técnica para fallos de conexión a tierra do núcleo

2.1 Métodos diagnósticos tradicionais

O método de resistencia DC é un dos métodos diagnósticos tradicionais para fallos de conexión a tierra do núcleo, que xulga a existencia de fallos midindo a resistencia ao aislamento entre o núcleo e a terra. Este método aplica tensión DC e mide a relación entre a corrente e a tensión para calcular a resistencia ao aislamento. Idealmente, a resistencia ao aislamento do núcleo debe manterse nun valor alto; se a resistencia cae por debaixo dun determinado umbral, pode indicar un fallo de conexión a tierra.

No obstante, o método da resistencia CC non pode localizar de forma precisa os puntos de fallo. Os seus resultados de medida só poden reflectir o rendemento medio do aislamento de todo o núcleo e non poden determinar áreas específicas de fallo. Este método tamén ten un certo retardo, especialmente cando o envellecemento do aislamento aínda non provocou cambios significativos na resistencia, facendo que a detección precoz de fallos sexa inefectiva. Ademais, o método da resistencia CC non pode proporcionar información sobre os tipos de fallo, e as características específicas dos fallos non poden extraerse eficazmente dos datos de medida.

A análise de cromatografía de óleo detecta cambios nos compoñentes de gases disoltos no óleo do transformador para inferir os tipos de fallo. Estes gases disoltos xeralmente prodúcese cando se producen descargas, sobrecalentamentos ou outros fallos eléctricos dentro do transformador. Os compoñentes gaseosos comúns no óleo do transformador inclúen metano (CH4), etileno (C2H4), etano (C2H6), etc. Os cambios nas concentracións de gases poden reflectir o estado operativo do transformador. 

Comparando as concentracións de gases disoltos no óleo coas tipos de fallo, é posible determinar preliminarmente se ocorreu un fallo de aterramento do núcleo no transformador. A análise de cromatografía de óleo ten unha resposta relativamente retardada; despois de que ocorre un fallo, leva tempo que os gases disoltos se acumulen, limitando a oportunidade do diagnóstico de fallos. Ademais, a análise de cromatografía de óleo non pode proporcionar ubicacións precisas de fallos ou características específicas, só indicando fallos a través de cambios nas concentracións de gases. Para fallos menores ou intermitentes, o diagnóstico da análise de cromatografía de óleo pode ser retardado e incapaz de responder de forma rápida á ocorrencia do fallo.

2.2 Tecnoloxías modernas de detección con instrumentos

A tecnoloxía de detección de descargas parciais está baseada no principio das transformadoras de corrente de alta frecuencia (HFCT), capturando e analizando sinais de pulsos de descarga causados polo aterramento do núcleo para diagnosticar fallos. Cando ocorren fallos de aterramento do núcleo, as descargas parciais xeran pulsos de corrente de alta frecuencia nos puntos de dano do aislamento. Estes sinais de corrente xeralmente maniféstanse como ruido de alta frecuencia ou sinais de pulso cun rango de frecuencias xeralmente entre 3-30 MHz. 

Instalando sensores de corrente de alta frecuencia na liña de aterramento do transformador, pódense capturar sinais de descarga parcial en tempo real. Esta tecnoloxía pode localizar eficientemente puntos de fallo parciais, ten alta sensibilidade e pode detectar fallos nas etapas iniciais. A detección de descargas parciais pode identificar eficazmente fallos menores causados polo envellecemento do aislamento ou danos mecánicos, proporcionando información precisa de diagnóstico de fallos. Analizando os sinais de descarga parcial, pode avaliarse a gravidade e a tendencia de desenvolvemento dos fallos, permitindo medidas de mantemento ou preventivas correspondentes.

A tecnoloxía de termovisión infravermella detecta zonas de aumento de temperatura local no núcleo usando cámaras térmicas infravermellas para determinar se existen fallos de aterramento. Despois de que ocorren fallos de aterramento nos transformadores, as perdas de corrente de Foucault en zonas locais provocan aumentos de temperatura, particularmente aumentos significativos de temperatura arredor dos puntos de fallo. A tecnoloxía de termovisión infravermella pode obter a distribución de temperatura en tempo real na superficie do núcleo e determinar a existencia de fallos a través das diferenzas de temperatura. Xeralmente, cando as diferenzas de temperatura superan os 10°C, é necesaria unha investigación centrada nesa área. A vantaxe desta tecnoloxía reside na súa capacidade para detectar cambios de temperatura sen contacto, con velocidade de medida rápida, sendo adecuada para a detección rápida no terreo.

O método de detección de corrente de alta frecuencia emprega bobinas de Rogowski para medir cambios de corrente de alta frecuencia nas liñas de aterramento, xeralmente nun rango de frecuencia de 500 kHz a 2 MHz. Estas correntes de alta frecuencia xeran por procesos de descarga causados por fallos de aterramento do núcleo. Detectando sinais de corrente neste rango de frecuencia, pode identificarse eficazmente a existencia de fallos. En comparación coa tecnoloxía de detección de descargas parciais, a detección de corrente de alta frecuencia ten maior sensibilidade e pode capturar sinais de fallo extremadamente débiles. Usar bobinas de Rogowski para a medida sen contacto non só simplifica a instalación, senón que tamén mellora a precisión da medida. Esta tecnoloxía é particularmente adecuada para áreas de difícil acceso e pode realizar detección en liña sen danar o equipo.

3 Optimización do proceso de diagnóstico de fallos e análise de casos

3.1 Recomendacións para o proceso de diagnóstico optimizado

Cando se diagnostican fallos de aterramento do núcleo, o primeiro paso debe ser unha selección preliminar utilizando a tecnoloxía de termovisión infravermella. As cámaras térmicas infravermellas poden obter rapidamente mapas de distribución de temperatura da superficie do transformador, axudando ao persoal de diagnóstico a identificar posibles zonas de aumento de temperatura anormal. Unha vez que a selección preliminar identifica áreas potenciais de fallo, o seguinte paso debe combinar as tecnoloxías de detección de corrente de alta frecuencia e de descargas parciais para probas precisas.

O método de detección de corrente de alta frecuencia captura cambios na corrente de aterramento na banda de frecuencia de 500 kHz a 2 MHz usando bobinas de Rogowski, identificando eficazmente as áreas de fallos de aterramento do núcleo. A tecnoloxía de detección de descargas parciais monitoriza en tempo real os sinais de pulsos de descarga usando sensores HFCT, analizando a frecuencia e a intensidade da descarga para confirmar adicionalmente a localización dos puntos de fallo.

Despois de realizar a detección de corrente de alta frecuencia e de descargas parciais, o último paso é verificar e analizar a gravidade do fallo a través da análise de cromatografía de óleo. Detectando os gases disoltos no óleo do transformador, particularmente os cambios nas concentracións de metano (CH4), etileno (C2H4) e outros gases, pode confirmarse adicionalmente a natureza do fallo. Para fallos graves de aterramento do núcleo, a cromatografía de óleo mostrará componentes de gas anormalmente elevados. Combinando os datos de cromatografía de óleo cos resultados de outras detecções, pode avaliarse comprehensivamente o impacto do fallo e proporcionar unha base para o traballo de reparación subsecuente.

3.2 Análise de caso típico

Durante a operación nunha subestación, o persoal de manutención notou un aumento significativo da corrente de aterramento nun transformador de distribución de 35 kV, ben por encima dos valores normais. Os datos de monitorización mostraron que a corrente de aterramento alcanzou 5 A, mentres que nas condicións normais, a corrente de aterramento debe ser inferior a 100 mA. O reto era que, aínda que a corrente de aterramento aumentara anormalmente, non había indicacións físicas externas claras de fallo. Os métodos de diagnóstico eléctrico tradicionais, como as probas de resistencia CC e a análise de cromatografía de óleo, non proporcionaron información clara sobre a localización do fallo.

Para resolver o problema de falso contacto na masa do núcleo do transformador, o persoal de manutención empregou varias tecnoloxías diagnósticas modernas. Primeiro, usaron un termovisor infravermello FLIR T640 para unha primeira revisión, localizando rapidamente as zonas de aumento de temperatura no núcleo e nos compoñentes relacionados. A continuación, usaron sensores de corrente de alta frecuencia PD-Tech HFCT para monitorizar a corrente de masa. Finalmente, utilizaron detectores de descargas parciais PD-Tech para probar e analizar as señais de descarga, localizando o punto de fallo. Os resultados das probas amóstranse na Taboa 1.

Tab.1 Resultados da detección dos problemas do transformador

Baseado nos resultados da detección coa cámara termográfica infravermella, a diferenza de temperatura preto dos compoñentes de aperto do núcleo alcanzou os 12°C, superando o rango normal, confirmando preliminarmente un posible sobrecalentamento nesta área. A detección en tempo real utilizando sensores de corrente de alta frecuencia revelou unha corrente de aterramento de 5 A, significativamente superior ao valor normal de 100 mA, indicando que se desenvolveu un fallo dentro do transformador. Unha detección adicional de descargas parciais mostrou fortes fluctuacións nas señais de corrente de alta frecuencia no rango de frecuencia de 4,5-18 MHz, cunha intensidade de descarga que aumentaba gradualmente, indicando que o punto de fallo estaba situado no conxunto de apertos do núcleo e que o fallo estaba empeorando.

A confirmación final do punto de fallo foi na almofada aislante do compoñente de aperto do núcleo. O material aislante envellecera debido á operación a longo prazo, causando un dano menor no aislamento que provocou o fallo de aterramento. As medidas de tratamento do fallo incluíron a substitución da almofada aislante, e as probas subsecuentes confirmaron que a corrente de aterramento volvía ao normal, eliminando o fallo e restabelecendo a operación estable do equipo.

Este caso demostra que a combinación da tecnoloxía de termografía infravermella, a tecnoloxía de detección de descargas parciais e a tecnoloxía de detección de corrente de alta frecuencia pode mellorar eficazmente a eficiencia e a precisión do diagnóstico de fallos de aterramento do núcleo. Nos procesos reais de operación e manutención, o persoal debe usar regularmente estas tecnoloxías para un diagnóstico xunto, para asegurar a operación segura e estable dos transformadores.

4 Conclusión

No diagnóstico de fallos de aterramento do núcleo, a aplicación combinada de múltiples tecnoloxías modernas de diagnóstico pode mellorar significativamente a precisión da localización de fallos e a eficiencia do diagnóstico. A través dos efectos sinérgicos da detección de corrente de alta frecuencia, a análise de descargas parciais e a tecnoloxía de termografía infravermella, poden detectarse potenciais riscos de equipos en etapas iniciais, identificándose de forma precisa as fuentes de fallos, reducindo o tempo de inactividade do equipo e prolongando a vida útil do transformador.

No futuro, co continuo desenvolvemento e aplicación de novas tecnoloxías de detección, o diagnóstico e a manutención de fallos de aterramento do núcleo serán máis eficientes e precisos, garantindo a estabilidade e a seguridade dos sistemas de enerxía.