35 кВ распределитель трансформаторларындағы магниттік құрылым жерге қосу қателерінің диагностикалық әдістерін талдау

35 кВ распределительные трансформаторы: анализ и диагностические методы для обнаружения замыканий на землю в сердечнике

35 кВ распределительные трансформаторы являются распространенными важными устройствами в энергетических системах, выполняющими важные задачи по передаче электрической энергии. Однако, в процессе длительной эксплуатации, замыкания на землю в сердечнике стали серьезной проблемой, влияющей на стабильную работу трансформаторов. Замыкания на землю не только влияют на энергоэффективность трансформаторов и увеличивают затраты на техническое обслуживание системы, но также могут вызвать более серьезные электрические аварии.

По мере старения энергетического оборудования, частота замыканий на землю в сердечнике постепенно увеличивается, что требует усиления диагностики и устранения неисправностей в процессе эксплуатации и технического обслуживания энергетического оборудования. Несмотря на наличие определенных диагностических методов, существуют технические барьеры, такие как низкая эффективность обнаружения и сложность локализации неисправностей. Существует срочная необходимость изучения и применения более точных и чувствительных технологий диагностики неисправностей, чтобы улучшить надежность работы оборудования и обеспечить стабильность и безопасность энергетической системы.

1 Анализ причин и характеристик замыканий на землю в сердечнике 35 кВ распределительных трансформаторов

1.1 Общие причины замыканий на землю в сердечнике

В 35 кВ распределительных трансформаторах обычно используются изоляционные материалы между пакетами сердечника для изоляции. Однако, в процессе длительной эксплуатации, внутренние электрические поля и температура приводят к постепенному старению изоляционных материалов, особенно в условиях высокого напряжения и высоких температур, где изоляционные свойства быстро ухудшаются. По мере прогрессирования старения, сопротивление изоляции снижается, и повреждение изоляции в отдельных областях может привести к образованию многоточечных замыканий на землю.

Трансформаторы неизбежно подвергаются механическим вибрациям в процессе длительной эксплуатации. Особенно при значительных колебаниях нагрузки, вибрация может вызвать относительное смещение сердечника и компонентов зажима сердечника. Ослабленные зажимы сердечника или поврежденные изоляционные материалы могут вызвать замыкания на землю. Дефекты производства сердечника трансформатора также являются важными причинами замыканий на землю. В процессе производства, если стальные листы имеют заусенцы, неравномерное покрытие изоляцией или недостаточно точную обработку сердечника, может произойти местное повреждение изоляции. Такие дефекты часто концентрируются в заземляющих частях трансформатора. При неравномерном распределении электрического поля в сердечнике может происходить частичный разряд.

1.2 Электрические характеристики и опасности неисправностей

Наиболее прямая электрическая характеристика замыканий на землю в сердечнике - это увеличение тока заземления. После возникновения замыкания на землю, ток заземления обычно проявляет колебания с гармоническими составляющими, особенно в области высоких частот выше 50 Гц. Когда происходит неисправность, форма волны тока заземления часто становится несинусоидальной, с большими амплитудами гармонических составляющих.

Другая типичная характеристика замыканий на землю в сердечнике - это частичный разряд. После повреждения изоляционного материала, электрическое поле концентрируется в поврежденных областях, вызывая коронный разряд и явления частичного разряда. Частичный разряд обычно генерирует импульсы высокого тока с диапазоном частот, обычно находящимся между 3-30 МГц. Сигналы тока в этом диапазоне частот можно захватывать и анализировать с помощью специальных высокочастотных трансформаторов тока (HFCT).

Другая электрическая характеристика, вызванная замыканиями на землю в сердечнике, - это эффект повышения температуры. Из-за потерь вихревых токов в месте неисправности, местная температура увеличивается. Этот эффект повышения температуры не только непосредственно повреждает изоляционные материалы, но также может вызвать перегрев в отдельных областях сердечника.

1.3 Влияние неисправностей на работу трансформатора

Замыкания на землю в сердечнике приводят к увеличению тока заземления, что, в свою очередь, вызывает дополнительные потери в сердечнике трансформатора. Потери в сердечнике в основном состоят из потерь вихревых токов и потерь гистерезиса. Когда возникают замыкания на землю, неравномерное распределение магнитного потока внутри трансформатора значительно увеличивает потери вихревых токов в некоторых областях. Это не только снижает энергоэффективность трансформатора, но также может значительно увеличить эксплуатационные затраты. Увеличение потерь в сердечнике усугубляет перегрев трансформатора, что еще больше влияет на долгосрочную стабильную работу.

Частичный разряд и эффект повышения температуры, вызванные замыканиями на землю в сердечнике, ускоряют старение внутренних изоляционных материалов трансформатора. В процессе старения сопротивление изоляционных слоев постепенно снижается, и способность к электрической изоляции постепенно теряется. Когда изоляция полностью выходит из строя, это может вызвать локальные короткие замыкания или более серьезные полные короткие замыкания.

Замыкания на землю в сердечнике не только приводят к снижению электрических характеристик, но также влияют на химический состав трансформаторного масла. Когда сердечник заземляется, частичный разряд и перегрев вызывают повышение внутренней температуры масла, что приводит к изменению состава растворенных газов, особенно к аномальному увеличению содержания метана (CH4) и этилена (C2H4).

2 Диагностические методы и техническое сравнение для замыканий на землю в сердечнике

2.1 Традиционные диагностические методы

Метод постоянного сопротивления является одним из традиционных диагностических методов для обнаружения замыканий на землю в сердечнике, основным образом, оценивая наличие неисправности путем измерения сопротивления изоляции между сердечником и землей. Этот метод применяет постоянное напряжение и измеряет соотношение тока к напряжению, чтобы рассчитать сопротивление изоляции. Идеально, сопротивление изоляции сердечника должно оставаться на высоком уровне; если сопротивление падает ниже определенного порога, это может указывать на замыкание на землю.

Бірақ, ЖД сопротивление әдісі тутоқтың орындалуын так табуға болады. Ол өлшемдері барлық ядроның орташа изоляциясының сипатын гана көрсетеді және айырмашылықтуғы аймақтарын анықтай алмайды. Бұл әдіс де белгілі бір замандаумен жүреді, әсіресе егер изоляция жартылай қалып, сопротивления өзгерісінің өзектілігі көрінетінде, әлі жоғары деңгейде болмаса, әлі және ауырсынуын табу үшін қолданылатын әдіс ретінде пайдалы болмайды. Содан тышкары, ЖД сопротивление әдісі тутоқ түрлері жөніндегі ақпарат бермейді, өлшемдерден тутоқтың деталды өзін-өзінен шығару мүмкін емес.

Масла хроматографиялық талдау, трансформатор масласындағы жұлу қосылатын газ компоненттерінің өзгерісін анықтап, тутоқ түрлерін инференциялай қилады. Бұл жұлу қосылатын газдар, трансформатордың ішінде электр желілерінің құбылуы, қысылуы немесе басқа электр техникалық ауырсынуынан пайда болады. Трансформатор масласындағы кең тарады жұлу қосылатын газ компоненттері метан (CH4), этилен (C2H4), этан (C2H6) және т.б. Газ концентрацияларының өзгерісі трансформатордың иске қосылуын көрсетеді. 

Масла хроматографиялық талдау, масла қосылатын газдардың концентрациясы мен тутоқ түрлерін салыстыру арқылы, трансформаторда ядроның жерге қосылуына қатысты тутоқтың болуын бастапқы түрде анықтауға мүмкіндік береді. Масла хроматографиялық талдау әдісіне қарағанда, тутоқтан кейін, қосылатын газдардың накоплениясына уақыт кетеді, бұл тутоқ диагностикасының өзектілігін шектейді. Содан тышкары, масла хроматографиялық талдау әдісі тутоқтың так орнын немесе спецификалық өзін-өзінен шығаруға мүмкіндік бермейді, газ концентрацияларының өзгерісі арқылы гана тутоқты көрсетеді. Ескерту қысқа немесе интермиттирулеу тутоқтары үшін масла хроматографиялық талдау әдісі диагностикасы ұзақтырақ болуы мүмкін және тутоқтың болуына тез жоғарыланбақ болады.

2.2 Жаңа ғылыми аппараттық технологиялар

Жартылай дифференциацияның анықталуы әдісі, жоғары дауыстымдығы бар трансформаторлардың (HFCT) принципіне негізделген, ядроның жерге қосылуынан пайда болған дифференциация импульс сигналдарын ұстау және талдау арқылы тутоқтарды диагностикалау. Ядроның жерге қосылуы тутоқтарынан жоғары дауыстымдығы бар ток импульстері пайда болады. Бұл ток сигналдары адатта 3-30 MHz аралығындағы жоғары дауыстымдылық шуы немесе импульс сигналдары ретінде көрінетіні айтылады. 

Трансформатордың жерге қосылу сызығына жоғары дауыстымдылық ток сенсорлары орнатылған, жоғары дауыстымдылық ток сигналдары әр уақытта ұстанылған. Бұл технология жоғары сенситивділікке ие, және тутоқтардың бастапқы стадияларында анықтауға қолданылады. Жоғары дауыстымдылық ток анықталуы әдісі изоляцияның жартылай қалып немесе механикалық қысылуынан пайда болған ескерту тутоқтарын тиімді түрде анықтауға мүмкіндік береді, тутоқтың өзін-өзінен толық диагностикалық ақпарат береді. Жоғары дауыстымдылық ток сигналдарын талдап, тутоқтың қысылығы және өзгеруін бағалау, сонымен қатар, сәйкес техническі қызметкерлерге немесе алдын-алау қадамдарын ұсынуға мүмкіндік береді.

Инфракызыл термогррафиялық технология, инфракызыл термогррафиялық аппараттарын қолданып, ядродағы локальды температуралық қалыптыру аймақтарын анықтап, жерге қосылу тутоқтарының болуын анықтауға мүмкіндік береді. Трансформаторда жерге қосылу тутоқтары пайда болғаннан кейін, локальды аймақтардағы вихревые ток қыбылуына қарата температуралық қалыптыру, әсіресе тутоқ нүктесінің аймағында қалыптасады. Инфракызыл термогррафиялық технология, ядро бетіндегі реал уақыттағы температуралық қалыптыру картасын алуға және температуралық қалыптыру қатынасы арқылы тутоқтың болуын анықтауға мүмкіндік береді. Адатта, температуралық қалыптыру қатынасы 10°C-дан жоғары болғанда, бұл аймаққа қойылып, зерттелу жүргізіледі. Бұл технологияның ұстатысы, контакттық қалыптырусыз температуралық қалыптыру өлшемдерін алу, өте тез өлшемдерді жүргізу, бұл оны оперативті нақты аймақта өлшемдерді жүргізуге ыңғайлы етеді.

Жоғары дауыстымдылық ток өлшемдерінің әдісі, Роговски катушкаларын қолданып, жерге қосылу сызығындағы жоғары дауыстымдылық ток өзгерісін өлшейді, адатта 500 kHz-2 MHz аралығында. Бұл жоғары дауыстымдылық токтар, ядроның жерге қосылуынан пайда болған дифференциация процестерінен пайда болады. Бұл дауыстымдылық аралықтағы ток сигналдарын ұстау арқылы, тутоқтың болуын тиімді түрде анықтауға болады. Жоғары дауыстымдылық ток өлшемдерінің әдісі, жоғары дауыстымдылық ток өлшемдерінің әдісінің қатарында, жоғары сенситивділікке ие және өте жұлдыз тутоқ сигналдарын ұстауға болады. Роговски катушкаларын қолдану, контакттық өлшемдерді жүргізу қиын болатын аймақтар үшін ыңғайлы, өлшемдерді онлайн режимде жүргізу мүмкіндігін береді, бұл техникалық құрылғыларды қысқартуын және өлшемдердің дәлдігін жоюын қамтамасыз етеді.

3 Тутоқ диагностика процессінің оптимизациясы және мысал талдауы

3.1 Оптимизациналанған диагностикалық процесс үшін ұсыныстар

Ядроның жерге қосылуын диагностикалау кезінде, бірінші қадам - инфракызыл термогррафиялық технология арқылы бастапқы фильтрация. Инфракызыл термогррафиялық аппараттар, трансформатор бетіндегі температуралық қалыптыру картасын тез ұстауды, диагностикалық қызметкерлерге ыңғайлы температуралық қалыптыру аймақтарын анықтауға мүмкіндік береді. Бастапқы фильтрация арқылы потенциалды тутоқ аймақтары анықталғаннан кейін, келесі қадам - жоғары дауыстымдылық ток өлшемдерінің әдісі мен жоғары дауыстымдылық ток өлшемдерінің әдісін комбинирулау арқылы тиімді тесттер өткізілетін болады.

Жоғары дауыстымдылық ток өлшемдерінің әдісі, Роговски катушкаларын қолданып, 500 kHz-2 MHz аралығындағы жерге қосылу ток өзгерісін ұстау арқылы, ядроның жерге қосылу тутоқ аймақтарын анықтауға мүмкіндік береді. Жоғары дауыстымдылық ток өлшемдерінің әдісі, HFCT сенсорларын қолданып, реал уақытта дифференциация импульс сигналдарын ұстау, дифференциация дауыстымдылығы мен қысылығын талдап, тутоқ нүктесінің орнын дағдылық түрде анықтауға мүмкіндік береді.

Жоғары дауыстымдылық ток және жоғары дауыстымдылық ток өлшемдерін өткізгеннен кейін, соңғы қадам - масла хроматографиялық талдау арқылы тутоқтың қысылығын тексеру және талдау. Трансформатор масласындағы қосылатын газдарды өлшеу, әсіресе метан (CH4), этилен (C2H4) және басқа газ компоненттерінің концентрация өзгерісін өлшеу арқылы, тутоқтың қысылығын толығырақ анықтауға мүмкіндік береді. Серьез жерге қосылу тутоқтары үшін масла хроматографиясы, қосылатын газ компоненттерінің аномалиялық өсуін көрсетеді. Масла хроматографиялық деректерді басқа өлшемдермен бірге қолдану, тутоқтың әсерін толығырақ бағалау және кейінгі түрлендіру қызметтеріне негіз қалыптастыруға мүмкіндік береді.

3.2 Мысал талдауы

Подстанцияда иш-ақысы кезінде, техник қызметкерлер 35 kV распределительный трансформаторда жерге қосылу токтың өте қатты артуын анықтады, бұл нормалдық мәннен өте қатты жоғары болды. Мониторинг мағлұматтары, жерге қосылу токты 5 A-ға жеткізді, ал нормалдық шарттарда, жерге қосылу ток 100 mA-нан төмен болуы керек. Кешіріктің қатты қатты артуына қарамастан, жоғарыда физикалық тутоқ белгілері көрінетін емес. DC сопротивление өлшемдері және масла хроматографиялық талдау сызықты әдістері тутоқтың қатты орнын анықтауға болмады.

Трансформатордың магниттік ядроның жерге жүктену қатысын шешу үшін техник-қызметкерлер бірнеше зертханалық диагностикалық технологияларды қолданды. Бірінші, олар FLIR T640 инфракызыл термодиаграммаға арналған камераны алғашқы көрсеткі ретінде қолданып, магниттік ядро және солға байланысты компоненттердегі температуралық өсу аймагын тез табуға болады. Содан кейін PD-Tech HFCT жоғары дауыбың токты ұстау датчиктерімен жерге жүктену токтарын бақылап, нәтижесін алуға болады. Нәтижесінде, олар PD-Tech частичті токшылау детекторын пайдаланып, токшылау сигналдарын тесттеу және талдау арқылы қатыстың орнын анықтауға болады. Тесттердің нәтижелері 1-суретте көрсетілген.

Сур.1 Трансформатордың қатысын анықтау нәтижелері

Инфракызыл термалдық камераның жабдықтама нәтижелеріне сүйене отырып, орталық басу компоненттері аймағындағы температура айырмашылығы 12°C-ге жеткен, нормалды аралықты жеңіп, бұл аймақта мүмкіндікті жылуу болғанын алғашқы рет растады. Жоғары дауысты ток датчиктерін пайдаланып жүргізілген уақытша тексеру 5 А токты көрсеткен, бұл нормалды мәннің (100 мА) деңгейін өте шексіздікпен жеңеді, бұл трансформатордың ішінде қату пайда болғанын білдіреді. Келесі бөлшек шығару тексерулері 4,5-18 МГц частоталық аралықта жоғары дауысты ток сигналдарының қатты жылжытуын, шығару ынтымысының адым-адым өсуін көрсеткен, бұл қату нүктесінің орталық басу біріктіру модулінде орналасқанын және қату қауіпсіздігінің қалыптасқанын білдіреді.

Қату нүктесінің соңғы расталуы - орталық басу компонентінің изоляция подушкасында болды. Узақ мерзімді іске қосу негізінде изоляция материалы ескілеген, бұдан құлақты жаңарту қатуына әкелген. Қату шешімі - изоляция подушкасын ауыстыру болды, кейінгі тексерулермен токтың нормалды мәнге қайтып келгені, қату өшірілгені және жабдықтың стабилді қызмет етудің қайта қолданылуы расталды.

Бұл дереккөз инфракызыл термалдық технология, бөлшек шығару диагностикасы және жоғары дауысты ток диагностикасының комбинациясын қолдану арқылы орталық жерге ток қатуын табу және диагностикалау үшін өнімділікті және тәнімділікті өзін-өзі жақсартуға болады. Реалды іске қосу және қызмет көрсету процестерінде қызметкерлер бұл технологияларды регулярды түрде бірге қолдану арқылы трансформаторлардың қауіпсіздігі мен стабилді қызмет етуін қамтамасыз етуі керек.

4 Сындық

Орталық жерге ток қатуын диагностикалау барысында көптеген совремалық диагностикалық технологияларды бірге қолдану қату нүктесін табу және диагностикалау үшін тәнімділікті және өнімділікті өте маңызды түрде жақсартады. Жоғары дауысты ток диагностикасы, бөлшек шығару анализі және инфракызыл термалдық технологиялардың ынтымактастығы арқылы, потенциалдық жабдықтардың қауіпсіздігін басқау мерзімінде табу, қату нүктесін тез табу, жабдықтың қызмет ету мерзімдерін азайту және трансформаторлардың қызмет ету мерзімін ұзақтау мүмкін.

Келесі жылдарда, жаңа диагностикалық технологиялардың өнімділік және қолданылуынан, орталық жерге ток қатуын диагностикалау және қызмет көрсету үшін өнімділік және тәнімділік өте маңызды түрде жақсартылады, бұл энергетикалық жүйелердің стабилділігі мен қауіпсіздігін қамтамасыз етеді.