Analiza dijagnostičkih metoda za otkrivanje grešaka u zemljanju jezgra u transformatorima za distribuciju na 35 kV

35 kV distribucijski transformatori: Analiza i dijagnostičke metode za greške u zemljanju jezgra

35 kV distribucijski transformatori su uobičajeno važno opremo u električnim sustavima, nosači važnih zadataka prijenosa električne energije. Međutim, tijekom dugotrajnog rada, greške u zemljanju jezgra postale su ključni problem koji utječe na stabilnost rada transformatora. Greške u zemljanju jezgra ne samo da utječu na energetsku učinkovitost transformatora i povećavaju troškove održavanja sustava, već mogu i pokrenuti ozbiljnije električne kvarove.

Kako se električna oprema stari, frekvencija pojavljivanja grešaka u zemljanju jezgra postupno raste, što zahtijeva jačanje dijagnostike i tretmana grešaka u operativnom i održavajućem radu električne opreme. Iako postoje određene dijagnostičke metode, još uvijek postoje tehnološki botunici poput niske učinkovitosti detektiranja i teškoće lokacije grešaka. Postoji nužda za istraživanjem i primjenom preciznijih i osjetljivijih tehnologija dijagnoze grešaka kako bi se unaprijedila pouzdanost rada opreme i osigurala stabilnost i sigurnost električnih sustava.

1 Analiza uzroka i karakteristika grešaka u zemljanju jezgra u 35 kV distribucijskim transformatorima

1.1 Uobičajeni uzroci grešaka u zemljanju jezgra

U 35 kV distribucijskim transformatorima izolacijski materijali obično se koriste između slojeva jezgra radi izolacije. Međutim, tijekom dugotrajnog rada, unutarnji električni polja i temperature uzrokuju postepeno starenje izolacijskih materijala, posebno u okruženjima s visokim naprezanjima i temperaturama gdje se brzo smanjuje performanse izolacije. S napredovanjem starenja, otpornost izolacije pada, a u djelovima gdje dođe do propusta izolacije može nastati višetocka greška u zemljanju.

Transformatori tijekom dugotrajnog rada neizborno iskušavaju mehaničke vibracije. Posebno pod uvjetima velikih fluktuacija opterećenja, vibracije mogu uzrokovati relativnu dislokaciju jezgra i komponenti čvrstog zgloba. Luka komponente čvrstog zgloba ili oštećena izolacijska materijala mogu pokrenuti greške u zemljanju. Defekti u proizvodnji jezgra transformatora također su važni uzroci grešaka u zemljanju jezgra. Tijekom proizvodnje, ako silicijske gvozdenje imaju ostre rubove, neravnomjeran izolacijski prekrivatelj ili nedovoljnu preciznost obrade jezgra, lokalno može doći do oštećenja izolacije. Takvi defekti često su koncentrirani u dijelovima zemljanja transformatora. Kada je raspodjela električnog polja u jezgru neravnomjerna, može doći do djelomičnog ispraznjenja.

1.2 Električke karakteristike i opasnosti grešaka

Najdirektnija električna karakteristika grešaka u zemljanju jezgra je povećanje struja u zemlji. Nakon što se dogodi greška u zemljanju, struja u zemlji obično pokazuje oscilacije struje s harmonijskim komponentama, posebno u visokofrekventnim regijama iznad 50 Hz. Kada se događaju greške, valna forma struje u zemlji često je nesinusoidna, s većim amplitudama harmonijskih komponenti.

Još jedna tipična karakteristika grešaka u zemljanju jezgra je djelomično ispraznjenje. Nakon propusta izolacijskog materijala, električno polje se koncentriše u oštećenim dijelovima, uzrokujući korona ispraznjenje i djelomično ispraznjenje. Djelomično ispraznjenje obično generira visokofrekventne impulsne struje s frekvencijskim opsegom obično između 3-30 MHz. Strujne signale u ovom frekvencijskom opsegu mogu se uhvatiti i analizirati pomoću specijaliziranih visokofrekventnih transformatora struje (HFCT).

Još jedna električna karakteristika koju pokreću greške u zemljanju jezgra jest efekt porasta temperature. Zbog gubitaka induktivnih struja na mjestu greške, lokalno temperatura raste. Taj efekt porasta temperature ne samo da direktno oštećuje izolacijske materijale, već može uzrokovati pregrejavanje u djelovima jezgra.

1.3 Utjecaj grešaka na rad transformatora

Greške u zemljanju jezgra dovode do povećanja struje u zemlji, što na svoj red uzrokuje dodatne gubitke u jezgru transformatora. Gubitci u jezgru uglavnom se sastoje od gubitaka induktivnih struja i gubitaka histereza. Kada se pojave greške u zemljanju, neravnomjerna raspodjela magnetne fluksije unutar transformatora značajno povećava gubitke induktivnih struja u određenim područjima. To ne samo smanjuje energetsku učinkovitost transformatora, već može značajno povećati troškove rada. Povećani gubitci u jezgru ubrzavaju pregrejavanje transformatora, što dodatno utječe na dugotrajni stabilni rad.

Djelomično ispraznjenje i efekt porasta temperature uzrokovan greškama u zemljanju jezgra ubrzavaju starenje internih izolacijskih materijala u transformatorima. Tijekom starenja izolacije, otpornost slojeva izolacije postupno pada, a električna sposobnost izolacije postupno nestaje. Kada izolacija potpuno nestane, može doći do lokalnih kratičnih spojeva ili ozbiljnijih kompletnih kratičnih nesreća.

Greške u zemljanju jezgra ne samo da dovode do smanjenja električnih performansi, već utječu i na kemijski sastav transformatorskog ulja. Kada jezgro ide u zemlju, djelomično ispraznjenje i pregrejavanje uzrokuju porast temperature internog ulja, što dovodi do promjena u sastavu rastvorenih plinova u ulju, posebno neobično visok sadržaj metana (CH4) i etilena (C2H4).

2 Dijagnostičke metode i tehničko usporedbenje za greške u zemljanju jezgra

2.1 Tradicionalne dijagnostičke metode

Metoda DC otpora jest jedna od tradicionalnih dijagnostičkih metoda za greške u zemljanju jezgra, glavno ocjenjujući postojanje grešaka mjerenjem otpora izolacije između jezgra i zemlje. Ova metoda primjenjuje DC naprezanje i mjeri omjer struje i naprezanja kako bi se izračunao otpor izolacije. Idealno, otpor izolacije jezgra trebao bi ostati na visokoj razini; ako otpor pada ispod određene granice, to može upućivati na grešku u zemljanju.

Međutim, metoda mjerenja postotka naponove struje (DC) ne može točno locirati mjesta grešaka. Njihovi rezultati mogu samo odraziti prosječnu izolacijsku performansu cijelog jezgra i ne mogu odrediti specifična područja grešaka. Ova metoda također ima određeni zakašnjenje, posebno kada starenje izolacije još nije dovelo do značajnih promjena otpora, što čini ranu detekciju grešaka neefektivnom. Također, metoda DC otpora ne može pružiti informacije o vrstama grešaka, a detaljne karakteristike grešaka ne mogu se efektivno izvući iz podataka mjerenja.

Analiza naftnih hromatograma otkriva promjene u sastavu rastvorenih plinova u transformatorskom ulju kako bi se zaključilo o vrstama grešaka. Ovi rastvoreni plinovi obično nastaju tijekom različitih električnih propusta, poput iskračenja ili pregrejanja unutar transformatora. Uobičajeni sastojci plinova u transformatorskom ulju uključuju metan (CH4), etilen (C2H4), etan (C2H6) itd. Promjene koncentracija plinova mogu odraziti operativno stanje transformatora. 

Usporedbom koncentracija rastvorenih plinova u ulju s vrstama grešaka, može se pretpostaviti da li se dogodila greška u zemljištu jezgra u transformatoru. Analiza naftnih hromatograma ima relativno zakašnjenu reakciju; nakon što se pojavi greška, treba vrijeme da se rastvoreni plinovi akumuliraju, ograničavajući aktuelnost dijagnostike grešaka. Nadalje, analiza naftnih hromatograma ne može pružiti točna mјesta grešaka ili specifične karakteristike, već samo upućuje na greške putem promjena koncentracije plinova. Za manje ili intermitentne greške, dijagnostika analizom naftnih hromatograma može biti zakašnjena i ne može brzo reagirati na pojavu grešaka.

2.2 Suvremene tehnologije za detekciju pomoću instrumenta

Tehnologija detekcije djelomičnog iskračenja temelji se na principu visokofrekventnih transformatora struje (HFCT), hvatajući i analizirajući impulzne signale iskračenja uzrokovane zemljištem jezgra radi dijagnoze grešaka. Kada se pojave greške u zemljištu jezgra, djelomično iskračenje generira visokofrekventne impulsne struje na mjestima oštećenja izolacije. Ovi strujni signali obično se manifestiraju kao visokofrekventni šum ili impulsni signali s frekvencijskim opsegom općenito između 3-30 MHz. 

Instaliranjem senzora visokofrekventne struje na zemljištu transformatora, signale djelomičnog iskračenja može se uhvatiti u stvarnom vremenu. Ova tehnologija može učinkovito lokirati djelomična mјesta grešaka, ima visoku osjetljivost i može detektirati greške u ranim fazama. Detekcija djelomičnog iskračenja može učinkovito identificirati manje greške uzrokovane starenjem izolacije ili mehaničkim oštećenjem, pružajući točne informacije o dijagnozi grešaka. Analizom signala djelomičnog iskračenja, može se procijeniti težina i trend razvoja grešaka, omogućujući odgovarajuće održavanje ili preventivne mjere.

Tehnologija infracrvene termografske slike otkriva lokalne područja porasta temperature u jezgru koristeći infracrvene termografske kamere kako bi se utvrdilo postoji li greška u zemljištu. Nakon što se pojave greške u zemljištu transformatora, gubitci struje struja u lokalnim područjima dovode do porasta temperature, posebno značajnog porasta temperature oko mјesta grešaka. Tehnologija infracrvene termografske slike može dobiti stvarnu distribuciju temperature na površini jezgra i utvrditi postojanje grešaka preko razlika u temperaturi. Obično, kada su razlike u temperaturi premašile 10°C, potrebno je fokusirano istraživanje tog područja. Prednost ove tehnologije leži u tome što može detektirati promjene temperature bez kontakta, s brzom brzinom mjerenja, što je prikladno za brzu terensku detekciju.

Metoda detekcije visokofrekventne struje koristi Rogowski-ove bobine za mjerenje promjena visokofrekventne struje u zemljištu, obično u frekvencijskom opsegu od 500 kHz do 2 MHz. Ove visokofrekventne struje generiraju se tijekom procesa iskračenja uzrokovanih greškama u zemljištu jezgra. Detektiranjem strujnih signala u ovom frekvencijskom opsegu, može se učinkovito identificirati postojanje grešaka. U usporedbi s tehnologijom detekcije djelomičnog iskračenja, metoda detekcije visokofrekventne struje ima višu osjetljivost i može uhvatiti ekstremno slabe signale grešaka. Koristeći Rogowski-ove bobine za bezkontaktno mjerenje, ne samo se pojednostavljuje instalacija, nego se i poboljšava točnost mjerenja. Ova tehnologija posebno je prikladna za područja koja su teško pristupačna i može provesti online detekciju bez oštećenja opreme.

3 Optimizacija procesa dijagnoze grešaka i analiza slučaja

3.1 Preporuke za optimiziran proces dijagnoze

Pri dijagnozi grešaka u zemljištu jezgra, prvi korak bi trebao biti prethodno pretraživanje koristeći tehnologiju infracrvene termografske slike. Infracrvene termografske kamere mogu brzo dobiti karte distribucije temperature površine transformatora, pomažući dijagnostičkom osoblju u identifikaciji mogućih područja anormalnog porasta temperature. Nakon što prethodno pretraživanje identificira potencijalna područja grešaka, sljedeći korak bi trebao kombinirati metodu detekcije visokofrekventne struje i tehnologiju detekcije djelomičnog iskračenja za precizno testiranje.

Metoda detekcije visokofrekventne struje uhvaća promjene zemljišne struje u frekvencijskom opsegu od 500 kHz do 2 MHz koristeći Rogowski-ove bobine, učinkovito identificirajući područja grešaka u zemljištu jezgra. Tehnologija detekcije djelomičnog iskračenja monitora impulzne signale iskračenja u stvarnom vremenu koristeći senzore HFCT, analizirajući frekvenciju i intenzitet iskračenja kako bi se dalje potvrdili mјesta grešaka.

Nakon provedbe detekcije visokofrekventne struje i djelomičnog iskračenja, konačni korak je verifikacija i analiza težine grešaka putem analize naftnih hromatograma. Detektiranjem rastvorenih plinova u transformatorskom ulju, posebno promjene koncentracije metana (CH4), etilena (C2H4) i drugih plinova, može se dalje potvrditi priroda greške. Za ozbiljne greške u zemljištu jezgra, analiza naftnih hromatograma pokazat će anormalno povišene komponente plinova. Kombiniranjem podataka analize naftnih hromatograma s drugim rezultatima detekcije, može se komprehensivno procijeniti utjecaj grešaka i pružiti temelj za nadaljnje radove popravka.

3.2 Analiza tipičnog slučaja

Tijekom rada u podstanici, održavajuće osoblje primijetilo je značajno povećanje zemljišne struje u 35 kV distribucijskom transformatoru, daleko premašujući normalne vrijednosti. Podaci nadzora pokazali su da je zemljišna struja dosegnula 5 A, dok bi u normalnim uvjetima zemljišna struja trebala biti manja od 100 mA. Izazov bio je u tome što, iako je zemljišna struja anormalno porasla, nisu bili prisutni očiti fizički indikatori vanjskih grešaka. Tradicionalne elektrotehničke metode dijagnostike, poput mjerenja DC otpora i analize naftnih hromatograma, nisu pružile jasne informacije o mјestu grešaka.

Za rješavanje problema s zemljenjem jezgre transformatora, održavajući osoblje koristilo je nekoliko modernih dijagnostičkih tehnologija. Prvo su upotrijebili FLIR T640 infracrveni termografski kameru za prethodno pregledanje, brzo lokirajući područja povišene temperature u jezgri i poveznim komponentama. Zatim su koristili PD-Tech HFCT senzore visokog frekvencijskog struja za nadgledanje zemljanih struja. Na kraju, upotrijebili su PD-Tech detektore djelomičnog razlaganja za testiranje i analizu signala razlaganja, lokirajući točku greške. Rezultati testiranja prikazani su u tablici 1.

Tab.1 Rezultati otkrivanja problema s transformatorom

Na temelju rezultata detekcije infracrvene termične kamere, temperatura blizu komponenti za zatiskanje jezgra dosegla je 12°C, premašujući normalni opseg, što je predviđeno moguće pregrejanje u toj zoni. Stvarnodnevna detekcija upotrebom senzora visokofrekventnog struja otkrila je strujnu struju na zemlji od 5 A, značajno premašujući normalnu vrijednost od 100 mA, što ukazuje na razvoj kvara unutar transformatora. Daljnja detekcija djelomičnog iscrpljenja pokazala je snažne fluktuacije signala visokofrekventne struje u frekvencijskom opsegu od 4,5-18 MHz, s postepenim povećanjem intenziteta iscrpljenja, što ukazuje da se točka kvara nalazi na komponenti za zatiskanje jezgra i da se kvar pogoršava.

Konačno potvrđena točka kvara bila je izolacijski podložak komponente za zatiskanje jezgra. Izolacijski materijal stario je zbog dugotrajnog rada, uzrokujući manje oštećenje izolacije koje je pokrenulo kvar na zemlji. Mjere za obradu kvara uključivale su zamjenu izolacijskog podložka, a nadaljnje testiranje potvrdilo je da se struja na zemlji vratila na normalnu vrijednost, eliminirajući kvar i vraćajući stabilan rad opreme.

Ovaj slučaj pokazuje kako kombinacija tehnologije infracrvene termične slike, tehnologije detekcije djelomičnog iscrpljenja i tehnologije detekcije visokofrekventne struje može efektivno poboljšati učinkovitost i točnost dijagnostike kvara na zemlji jezgra. U stvarnom procesu održavanja, osoblje bi trebalo redovito koristiti ove tehnologije za zajedničku dijagnozu kako bi se osiguralo sigurno i stabilno funkcioniranje transformatora.

4 Zaključak

U dijagnozi kvara na zemlji jezgra, kombinirana primjena više modernih dijagnostičkih tehnologija može značajno poboljšati točnost lokacije kvara i učinkovitost dijagnostike. Kroz sinergijski učinak detekcije visokofrekventne struje, analize djelomičnog iscrpljenja i tehnologije infracrvene termične slike, moguće je rano otkriti potencijalne rizike opreme i precizno identificirati izvore kvara, smanjujući vremensko isključenje opreme i produžavajući životni vijek transformatora.

U budućnosti, s kontinuiranim razvojem i primjenom novih tehnologija detekcije, dijagnoza i održavanje kvara na zemlji jezgra će postati još učinkovitiji i precizniji, čuvajući stabilnost i sigurnost sustava snabdijevanja električnom energijom.