35 kV elosztási transzformátorok magföldelési hibáinak diagnosztikai módszereinek elemzése

35 kV elosztási transzformátorok: Magföldelési hibák elemzése és diagnosztikai módszerei

A 35 kV-os elosztási transzformátorok gyakori, kritikus eszközök a villamosenergia-rendszerekben, amelyek fontos elektromos energia-átviteli feladatokat ellátják. Azonban a hosszú távú működés során a magföldelési hibák jelentős problémává váltak, ami befolyásolja a transzformátorok stabil működését. A magföldelési hibák nemcsak hatással vannak a transzformátorok energiahatékonyságára, és növelik a rendszer karbantartási költségeit, de súlyosabb villamos hibákat is kiváltani tudnak.

Ahogy a villamos berendezések öregednek, a magföldelési hibák gyakorisága fokozatosan nő, ami szükségessé teszi a hibadiagnosztika és kezelés erősítését a berendezések működési és karbantartási folyamataiban. Bár jelenleg bizonyos diagnosztikai módszerek léteznek, technikai akadályok, mint például az alacsony detektálási hatékonyság és a nehéz hibahely meghatározás, továbbra is fennállnak. Szükség van a pontosabb, érzékenyebb hibadiagnosztikai technológiák kutatására és alkalmazására, hogy javítsuk a berendezések működési megbízhatóságát, és garantáljuk a villamosenergia-rendszer stabilitását és biztonságát.

1. A 35 kV elosztási transzformátorok magföldelési hibáinak okainak és jellemzőinek elemzése

1.1 Gyakori okok a magföldelési hibákhoz

A 35 kV elosztási transzformátorokban általában izoláló anyagokat használnak a magrétegek közötti izolációnak. Azonban a hosszú távú működés során a belső elektromos mezők és a hőmérséklet lassan elavulják az izoláló anyagokat, különösen magas feszültség és hőmérséklet mellett, ahol az izolációs teljesítmény gyorsan romlik. Az elavulás folyamán az izolációs ellenállás csökken, és a részleges területeken történő izolációs kudarc több pontú földelési hibákat eredményezhet.

A transzformátorok mechanikai rezgésekhez vannak kitett a hosszú távú működés során. Különösen jelentős terhelés-fluktuációk mellett a rezgés relatív elmozdulást okozhat a mag és a magrak-komponensek között. A lösegezett magrak vagy sérült izoláló anyagok földelési hibákat indíthatnak. A transzformátor magok gyártási hibái is fontos okai lehetnek a magföldelési hibáknak. Ha a gyártási folyamat során a silícium-vaslapok hegyeit, egyenletesen nincs bevonva az izoláló réteg, vagy a magfeldolgozási pontosság hiányzik, helyi izolációs károsodások létrejöhettek. Ilyen hibák gyakran koncentrálódnak a transzformátor földelési részein. Ha a mag elektromos mező-eloszlása egyenletesen, részleges levezetés történhet.

1.2 A hibák elektromos jellemzői és veszélyei

A magföldelési hibák legismertebb elektromos jellemzője a növekvő földelési áram. A földelési hiba után a földelési áram általában harmonikus komponenssel rendelkező áramfluktuációkat mutat, különösen a 50 Hz feletti magasfrekvenciás tartományban. A hiba bekövetkeztekor a földelési áram hullámforma gyakran nem szinuszos, nagyobb amplitúdójú harmonikus komponensekkel.

Egy másik tipikus jellemző a magföldelési hibákhoz kapcsolódó részleges levezetés. Az izoláló anyagok kudarcát követően az elektromos mező koncentrálódik a sérült területeken, ami korona-levezetést és részleges levezetési jelenségeket okoz. A részleges levezetés általában 3-30 MHz frekvenciaterületen generált magasfrekvenciás áramimpulzusokat hoz létre. Ezeket a frekvenciaterületen lévő áramjeleket speciális magasfrekvenciás áramtranszformátorok (HFCT) segítségével rögzíthetjük és elemzhetjük.

Egy másik elektromos jellemző, amit a magföldelési hibák kiváltanak, a hőmérséklet-emelkedés. A hibaponton lévő vízkarika-veszteségek miatt helyi hőmérséklet-emelkedés történik. Ez a hőmérséklet-emelkedési hatás nemcsak közvetlenül károsíthatja az izoláló anyagokat, de részleges területeken a mag túlzott melegedését is okozhatja.

1.3 A hibák hatása a transzformátor működésére

A magföldelési hibák növekedett földelési áramot eredményeznek, ami további veszteségeket okoz a transzformátor magjában. A magveszteségek főleg vízkarika- és hysteresis-veszteségekből állnak. Földelési hibák esetén a transzformátoron belüli egyenletesen elosztott mágneses fluxus jelentősen növeli a bizonyos területeken lévő vízkarika-veszteségeket. Ez nemcsak csökkenti a transzformátor energiahatékonyságát, de jelentősen növelheti a működési költségeket is. A növekedett magveszteségek súlyosabban okozhatják a transzformátor túlzott melegedését, ami tovább befolyásolja a hosszú távú stabil működést.

A magföldelési hibák által okozott részleges levezetés és hőmérséklet-emelkedési hatás gyorsítja a transzformátorok belső izoláló anyagok elavulását. Az izoláció elavulása során az izolációs rétegek ellenállása fokozatosan csökken, és az elektromos izolációs képesség lassan elveszít. Ha az izoláció teljesen kudarodik, helyi rövidzárlatokat vagy súlyosabb teljes rövidzárlati baleseteket is kiváltani tud.

A magföldelési hibák nemcsak csökkentik a villamos teljesítményt, de befolyásolják a transzformátor olajának kémiai összetételét is. A mag földelésekor a részleges levezetés és a túlzott melegedés a belső olaj hőmérsékletének emelkedését okozza, ami megváltoztatja a disszipált gáz komponenseket, különösen a metán (CH4) és etilén (C2H4) tartalmát.

2. A magföldelési hibák diagnosztikai módszerei és technológiai összehasonlítása

2.1 Hagyományos diagnosztikai módszerek

A DC ellenállás-módszer egy hagyományos diagnosztikai módszer a magföldelési hibákhoz, amely főleg a mag és a föld közötti izolációs ellenállás mérése alapján dönt a hiba létezéséről. Ez a módszer DC feszültséget alkalmaz, és a feszültséghez viszonyított áramerősséget méri, hogy kiszámítsa az izolációs ellenállást. Ideálisan a mag izolációs ellenállása magas értéken kellene maradjon; ha az ellenállás adott küszöb alá esik, ez jelezheti a földelési hibát.

Azonban a DC-ellenállás-módszer nem képes pontosan meghatározni a hibahelyeket. A mérési eredményei csak a teljes mag átlagos izolációs teljesítményét tükrözik, és nem határoznak meg konkrét hibaterületeket. Ez a módszer adott késleltetéssel is jár, különösen abban az esetben, ha az izoláció öregedése még nem okozott jelentős ellenállásváltozást, ami korai hibafelderítést határozatlanul hagy. Ezenkívül a DC-ellenállás-módszer nem nyújt információt a hiba típusáról, és a mérési adatokból nem lehet hatékonyan kinyerni a részletes hibajellemzőket.

A szénhidrogén elemzés a transzformátor olajban oldódó gázkomponensek változásainak észlelésével alakul ki, amelyek a belső villanás, túlmelegedés vagy más elektromos hibák eredményeként jelennek meg. A transzformátor olajában található gyakori gázkomponensek között szerepel a metán (CH4), etilén (C2H4), etán (C2H6) stb. A gázkoncentrációk változása a transzformátor működési állapotát tükrözi.

A feloldott gáz koncentrációinak összevetése a hiba típusokkal segíthet előzetesen meghatározni, hogy a transzformátorban történt-e magföldözési hiba. A szénhidrogén elemzés viszont relatíve lassú válaszidővel rendelkezik; a hiba bekövetkezése után időre van szükség a feloldott gázok gyűjtődéséhez, ami korlátozza a hibadiagnosztika időben való hatékonyságát. Továbbá a szénhidrogén elemzés nem tud pontos hibahelyeket vagy specifikus jellemzőket adni, csak a gázkoncentrációváltozásokon keresztül jelezheti a hibákat. Kisebb vagy szakadó hibák esetén a szénhidrogén elemzés diagnosztikája elhalasztható, és nem tud gyorsan reagálni a hiba bekövetkezésére.

2.2 Modern mérési technológiák

A részleges villanás detektáló technológia a magasfrekvenciás áramerőmű (HFCT) elvén alapul, amely a magföldözési hibák által okozott villanási impulzusszignálokat rögzíti és elemzi a hibadiagnosztika céljából. Magföldözési hibák esetén a részleges villanás magasfrekvenciás áramimpulzusokat generál az izoláció sérülési pontjain. Ezek az áramjelek általában 3-30 MHz frekvenciakörben jelentkeznek mint magasfrekvenciás zaj vagy impulzusszignál.

A transzformátor földezési vezetékére telepített magasfrekvenciás áramszenzorok révén a részleges villanási szignálok valós időben kerülhetnek rögzítésre. Ez a technológia hatékonyan helyezi meg a részleges hibapontokat, nagy érzékenységgel rendelkezik, és korai szakaszban is képes hibákat felderíteni. A részleges villanás detektálása hatékonyan azonosíthatja a kis méretű hibákat, amelyek az izoláció öregedése vagy mechanikai károsodás miatt keletkeznek, és pontos hibadiagnosztikai információval szolgál. A részleges villanási szignál elemzése révén becslésre kerülhet a hiba súlyossága és fejlődési trendje, ami alapján megfelelő karbantartási vagy megelőző intézkedéseket lehet tenni.

A hőmérséklet-vizsgálat infra Piros hőképekkel a lokális hőmérséklet-emelkedések területeit észleli a magban, hogy meghatározza, hogy léteznek-e földözési hibák. A transzformátorok földözési hibái után a helyi területeken a cirkulációs veszteségek miatt emelkedik a hőmérséklet, különösen jelentős a hibapontok körül. Az infra Piros hőkép technológia valós időben kaphatja meg a mag felületén a hőmérséklet eloszlását, és a hőmérséklet-különbségek alapján megállapíthatja a hibák létezését. Általában, ha a hőmérséklet-különbség 10°C-nél nagyobb, akkor a területre szükséges a személyre szabott vizsgálat. Ez a technológia előnye, hogy érintés nélkül képes észlelni a hőmérséklet-változásokat, gyors mérési sebességgel, ami alkalmas a gyors helyi vizsgálatra.

A magasfrekvenciás áramdetektáló módszer Rogowski tekercsekkel méri a földezési vezetékekben fellépő magasfrekvenciás áramváltozásokat, általában 500 kHz és 2 MHz frekvenciakörben. Ezek a magasfrekvenciás áramok a magföldözési hibák által okozott villanási folyamatok során jelennek meg. Ennek a frekvenciakörnek a szignáljainak detektálása hatékonyan azonosíthatja a hibák létezését. A részleges villanás detektáló technológiához képest a magasfrekvenciás áramdetektáló módszer nagyobb érzékenységgel rendelkezik, és nagyon enyhe hibaszignálokat is le tud rögzíteni. A Rogowski tekercsek használata érintés nélküli mérésre, nemcsak egyszerűsíti a telepítést, de javítja a mérési pontosságot is. Ez a technológia különösen alkalmas olyan területekre, ahol közvetlen hozzáférés nehéz, és online detektálást végezhet anélkül, hogy károsítaná az eszközöket.

3 A hibadiagnosztika folyamata és esettanulmány

3.1 Javaslatok optimalizált diagnosztikai folyamatra

Magföldözési hibák diagnosztizálásakor az első lépésnek az infra Piros hőkép technológia alkalmazása kellene legyen. Az infra Piros hőképek gyorsan megkapják a transzformátor felületének hőmérséklet-eloszlását, ami segít a diagnosztikai személyzetnek azonosítani a potenciálisan rendellenes hőmérséklet-emelkedések területeit. Amint a kezdeti selejtezés azonosítja a potenciális hibaterületeket, a következő lépésnek a magasfrekvenciás áramdetektáló és a részleges villanás detektáló technológiák kombinált használata kellene legyen a pontos teszteléshez.

A magasfrekvenciás áramdetektáló módszer Rogowski tekercsekkel rögzíti a 500 kHz és 2 MHz frekvenciakörben fellépő földezési áramváltozásokat, így hatékonyan azonosíthatja a magföldözési hibaterületeket. A részleges villanás detektáló technológia HFCT szenzorokkal valós időben figyeli a villanási impulzusszignálokat, és a villanási frekvencia és intenzitás elemzésével tovább megerősíti a hibapontok helyét.

A magasfrekvenciás áram és a részleges villanás detektálás végrehajtása után a végső lépésnek a szénhidrogén elemzésen keresztüli ellenőrzés és elemzés kellene legyen. A transzformátor olajában oldódó gázok detektálásával, különösen a metán (CH4), etilén (C2H4) és egyéb gázok koncentrációs változásainak észlelésével tovább megerősíthető a hiba természete. Súlyos magföldözési hibák esetén a szénhidrogén elemzés rendellenesen magas gázkomponenseket fog mutatni. A szénhidrogén elemzési adatok összevetése más detektálási eredményekkel segít komplexen megértetni a hiba hatását, és alapját szolgálhat a későbbi javítási munkáknak.

3.2 Tipikus esettanulmány

Egy áramelosztó állomás működése során a karbantartási személyzet észrevette, hogy egy 35 kV-os elosztótranszformátor földezési áramának jelentősen megnőtt. Ez messze haladt a normál értékeken, a mérési adatok szerint a földezési áram 5 A-ra emelkedett, míg a normál esetben ez az érték 100 mA alatt marad. A kihívás az volt, hogy bár a földezési áram jelentősen megnőtt, nincsenek nyilvánvaló külső fizikai hibajelzések. A hagyományos elektromos diagnosztikai módszerek, mint például a DC-ellenállás-mérés és a szénhidrogén elemzés, nem tudtak világos hibahely információt adni.

A transzformátor magföldelési hibájának megoldásához a karbantartási személyzet több modern diagnosztikai technológiát is alkalmazott. Először egy FLIR T640 infravörös hőképfényképező eszközt használtak előzetes szűrőre, amely gyorsan meghatározta a mag és a kapcsolódó alkatrészek hőmérsékleti emelkedését. Ezután PD-Tech HFCT magasfrekvenciás áramérzékelőket használtak a földelési áram monitorozására. Végül PD-Tech részleges kifeszítés érzékelőket használtak a kifeszítési jel vizsgálatára és elemzésére, hogy meghatározzák a hibahelyet. A teszt eredményei láthatók az 1. táblázatban.

Tábl. 1. Transzformátor hibáinak észlelési eredményei

Az infravörös hőképészeti érzékelés eredményeinek alapján a mag szorítóelemek közeli területén mért hőmérséklet különbség 12°C-ra emelkedett, ami meghaladja a normál tartományt, és előzetesen megerősíti, hogy ezen a területen lehetséges túlmelegedés történt. A valós idejű érzékelés magasfrekvenciás áramerősségekkel 5 A földkapcsolási áramot mutatott, ami jelentősen meghaladta a 100 mA normál értéket, ami azt jelezte, hogy a transzformátoron belül fejlődött hiba. További részleges kilövés-érzékelés során a 4,5-18 MHz frekvenciatartományban erős fluktuációk voltak láthatók a magasfrekvenciás áramerősség jelben, egyre növekvő kilövési intenzitással, amely arra utalt, hogy a hibapont a mag szorítószeregyüttesen található, és a hiba súlyosodik.

A hibapont végleges megerősítése a mag szorítóelem izolációs padján történt. Az izolációs anyag időtartamú működés miatt öregedett, ami kis izolációs sérülést okozott, ami elindította a földkapcsolási hibát. A hiba kezelésének intézkedései között az izolációs pad cseréje szerepelt, és a későbbi tesztelés megerősítette, hogy a földkapcsolási áram visszatért a normál értékre, a hiba megszűnt, és a berendezés stabil működését visszaállították.

Ez az eset bemutatja, hogy az infravörös hőképészeti technológia, a részleges kilövés-érzékelési technológia és a magasfrekvenciás áramerősség-érzékelési technológia kombinált alkalmazása hatékonyan javíthatja a mag földkapcsolási hibák diagnosztizálásának hatékonyságát és pontosságát. A gyakorlati üzemeltetési és karbantartási folyamatokban a személyzet rendszeresen használni kellene ezeket a technológiákat együttes diagnosztizáláshoz, hogy biztosítsa a transzformátorok biztonságos és stabil működését.

4 Következtetés

A mag földkapcsolási hibák diagnosztizálásában a modern diagnosztikai technológiák többféle kombinált alkalmazása jelentősen javíthatja a hibahely meghatározásának és a diagnosztika hatékonyságát. A magasfrekvenciás áramerősség-érzékelés, a részleges kilövés elemzése és az infravörös hőképészeti technológia együttes hatásával korai szakaszban fel lehet fedezni a potenciális berendezési kockázatokat, és pontosan azonosítható a hibaforrása, csökkentve a berendezés leállási idejét, illetve meghosszabbítva a transzformátorok élettartamát.

A jövőben, azzal, hogy újabb érzékelési technológiák folyamatosan fejlődnek és alkalmazásba kerülnek, a mag földkapcsolási hibák diagnosztizálása és karbantartása egyre hatékonyabbá és pontosabbá válik, megőrizve a villamosenergia rendszerek stabilitását és biztonságát.