35 kV pārmerķa transformatoru kodola uz zemi slēguma defektu diagnostikas metožu analīze

35 kV pārveidošanas transformatori: ķermeņa zemeskontakta defektu analīze un diagnostikas metodes

35 kV pārveidošanas transformatori ir bieži sastopami kritiski aprīkojumi enerģijas sistēmās, nodrošinot svarīgas elektriskās enerģijas transportēšanas uzdevumus. Tomēr ilgstošā darbībā ķermeņa zemeskontakta defekti ir kļuvuši par galveno problēmu, kas ietekmē transformatoru stabilo darbību. Ķermeņa zemeskontakta defekti ne tikai ietekmē transformatoru enerģētisko efektivitāti un palielina sistēmas uzturēšanas izmaksas, bet var arī izraisīt vēl nopietnākas elektrotehniskas kļūdas.

Kā enerģijas aprīkojums novec, ķermeņa zemeskontakta defektu biežums palielinās, tāpēc enerģijas aprīkojuma operatīvajā un uzturēšanas procesā jāpastiprina defektu diagnosticēšana un labošana. Lai arī šobrīd eksistē dažas diagnostikas metodes, joprojām pastāv tehniski grūtumi, piemēram, zema detekcijas efektivitāte un grūtības defektu novēršanā. Jāmeklē un jāpielieto precīzākas un jūtīgākas defektu diagnosticēšanas tehnoloģijas, lai uzlabotu aprīkojuma darbības drošību un nodrošinātu enerģijas sistēmas stabilitāti un drošību.

1 35 kV pārveidošanas transformatoru ķermeņa zemeskontakta defektu cēloņu un raksturojumu analīze

1.1 Bieži sastopami ķermeņa zemeskontakta defektu cēloni

35 kV pārveidošanas transformatoros starp ķermeņa plāksnēm parasti tiek izmantotas izolācijas materiāli, lai nodrošinātu atdalīšanu. Tomēr ilgstošā darbībā iekšējie elektriskie lauki un temperatūra izraisa izolācijas materiālu lēnu novecošanos, īpaši augstsprieguma un augsttemperatūras apstākļos, kur izolācijas spēja strupina ātri. Novecošanas gaitā samazinās izolācijas pretestība, un daļēji izolācijas traucējumi var radīt daudzpunktu zemeskontaktu.

Transformatoriem ilgstošā darbībā nepieciešams mehāniskais vibrācija. Īpaši lielu slodzes svilkšanas apstākļos vibrācija var izraisīt relatīvo pārvietojumu starp ķermenim un ķermeņa fiksēšanas komponentiem. Slabi fiksētas ķermeņa fiksēšanas detalēs vai bojājušies izolācijas materiāli var izraisīt zemeskontakta defektus. Transformatoru ķermeņa ražošanas defekti ir arī svarīgi ķermeņa zemeskontakta defektu cēloni. Ražošanas laikā, ja silīcijsiderīts plāksnes ir ar spraugām, neregulāru izolācijas apkārtni vai nepietiekamu ķermeņa apstrādes precizitāti, var rasties lokāls izolācijas bojājums. Šie defekti parasti koncentrējas transformatora zemeskontaktā. Ja ķermeņa elektriskais lauks ir neravināts, var notikt daļējais slodzes izplūdes.

1.2 Defektu elektrotehniskās raksturas un bīstamība

Visdirektākā elektrotehniskā rakstura ķermeņa zemeskontakta defektu gadījumā ir palielinātais zemes strāvas caursprāvis. Pēc zemeskontakta defekta notikuma, zemes strāva parasti attīstās ar harmoniskiem komponentiem, īpaši virs 50 Hz frekvences. Kad notiek defekts, zemes strāvas forma parasti nav sinusoidāla, un harmonisku komponentu amplitūda ir lielāka.

Cits tipisks ķermeņa zemeskontakta defektu raksturs ir daļējā slodzes izplūde. Pēc izolācijas materiālu bojājuma, elektriskais lauks koncentrējas bojājuma vietā, izraisa koronas izplūdi un daļējo slodzes izplūdi. Daļējā slodzes izplūde parasti izraisa augstfrekvenču strāvas impulsus, kuru frekvence parasti ir starp 3-30 MHz. Strāvas signālus šajā frekvenču diapazonā var uzsniegt un analizēt, izmantojot specializētus augstfrekvenču strāvas transformatorus (HFCT).

Cits elektrotehniskais raksturs, ko izraisa ķermeņa zemeskontakta defekti, ir temperatūras pieaugums. Tāpēc, ka defekta vietā rodas eddija stratījumi, vietēji temperatūra palielinās. Šis temperatūras pieauguma efekts ne tikai tieši bojā izolācijas materiālus, bet var arī izraisīt pārmērīgu siltumu ķermeņa daļējos apgabalos.

1.3 Defektu ietekme uz transformatoru darbību

Ķermeņa zemeskontakta defekti rada palielināto zemes strāvas caursprāvi, kas savukārt rada papildu stratījumus transformatora ķermenī. Ķermeņa stratījumi galvenokārt sastāv no eddija stratījumiem un histerezes stratījumiem. Kad notiek zemeskontakta defekts, neravināta magnētiskā plūsma transformatora iekšpusē ievērojami palielina eddija stratījumus noteiktos apgabalos. Tas ne tikai samazina transformatora enerģētisko efektivitāti, bet var arī ievērojami palielināt operatīvos izdevumus. Palielinātie ķermeņa stratījumi pastiprina transformatora pārsildīšanos, kas turklāt ietekmē ilgtermiņa stabila darbība.

Daļējā slodzes izplūde un temperatūras pieauguma efekts, ko izraisa ķermeņa zemeskontakta defekti, paātrina transformatoru iekšējo izolācijas materiālu novecošanos. Novecošanas laikā izolācijas slāņu pretestība samazinās, un elektriskā izolācijas spēja progresīvi pazūd. Kad izolācija pilnībā bojājas, tas var izraisīt lokālos saukļus vai vēl nopietnākus pilnīgu saukļu incidentus.

Ķermeņa zemeskontakta defekti ne tikai samazina elektriskās raksturas, bet arī ietekmē transformatora eļļas ķīmiskās sastāvdaļas. Kad ķermenis pieslēdzas zemei, daļējā slodzes izplūde un pārsildīšanās rada iekšējo eļļas temperatūras pieaugumu, kas maina eļļas šķīdinātos gāzu sastāvdaļas, īpaši metāna (CH4) un etiliena (C2H4) satura neierasta pieaugums.

2 Diagnostikas metodes un tehniskais salīdzinājums ķermeņa zemeskontakta defektu gadījumā

2.1 Tradicionālās diagnostikas metodes

Gala pretestības metode ir viena no tradicionālajām diagnostikas metodēm ķermeņa zemeskontakta defektu gadījumā, galvenokārt nosakot defektu pastāvēšanu, mērot izolācijas pretestību starp ķermenim un zemi. Šī metode pielieto DC spriegumu un mēra strāvas un sprieguma attiecību, lai aprēķinātu izolācijas pretestību. Ideālā situācijā ķermeņa izolācijas pretestība jāuztur augstā vērtībā; ja pretestība samazinās zem noteiktā sliekšņa, tas var norādīt uz zemeskontakta defektu.

Tomēr, DC reģistrācijas metode nevar precīzi noteikt kļūdas novietojumu. Tās mērījumu rezultāti var tikai atspoguļot vidējo izolācijas veiktspēju visā dzirkstā un nevar noteikt konkrētus kļūdu apgabalus. Šī metode arī ir ar noteiktu aizkavēšanos, īpaši tad, kad izolācijas novecošana vēl nav radījusi būtiskus reģistrācijas mainījumus, kas padara agrīnas kļūdu detekciju neefektīvu. Tāpat DC reģistrācijas metode nevar sniegt informāciju par kļūdu veidiem, un detalizētas kļūdu īpatnības nevar efektīvi izgriezt no mērījumu datiem.

Eļļas kromatogrāfiskā analīze uztver transformatora eļļā šķīdināto gāzu sastāva maiņas, lai secinātu par kļūdu veidiem. Šīs šķīdinātās gāzes parasti tiek radītas, kad notiek izkritums, pārsildīšanās vai citi elektroenerģijas pārtraukumi transformatora iekšpusē. Transformatora eļļas bieži sastopamās gāzu sastāvdaļas ietver metānu (CH4), etilēnu (C2H4), etānu (C2H6) utt. Gāzu koncentrāciju maiņas var atspoguļot transformatora darbības stāvokli. 

Salīdzinot eļļas šķīdināto gāzu koncentrācijas ar kļūdu veidiem, iespējams prelimināri noteikt, vai transformatorā ir notikušas dzirksta zemes salienuma kļūdas. Eļļas kromatogrāfiskā analīze ir relatīvi lēna reakcija; pēc kļūdas radīšanas nepieciešams laiks, lai šķīdinātās gāzes uzsūknētu, kas ierobežo kļūdu diagnosticēšanas laicību. Tāpat eļļas kromatogrāfiskā analīze nevar sniegt precīzus kļūdu novietojumus vai specifiskas īpatnības, tikai norādot uz kļūdām caur gāzu koncentrāciju maiņu. Maziem vai intermitentiem defektiem eļļas kromatogrāfiskās analīzes diagnostika var tikt aizkavēta un nebūt spējīga reaģēt laicīgi uz kļūdu radīšanu.

2.2 Modernās instrumentu detekcijas tehnoloģijas

Daudzā daļa izkritumu detekcijas tehnoloģija balstās uz augstas frekvences strāvas transformatoru (HFCT) principu, uztverot un analizējot izkritumu impulssignālus, ko izraisa dzirksta zemes salienuma kļūdas. Kad notiek dzirksta zemes salienuma kļūdas, daudzā daļa izkritumi izraisa augstfrekvences strāvas impulssignālus izolācijas bojājumu punktos. Šie strāvas signāli parasti manifestējas kā augstfrekvences troksnis vai impulssignāli ar frekvences diapazonu, kas parasti ir starp 3-30 MHz. 

Uzstādījot augstfrekvences strāvas sensorus transformatora zemes salienuma līnijā, daudzās daļas izkritumu signālus var uztvert realā laikā. Šī tehnoloģija var efektīvi lokalizēt daļējus kļūdu punktus, ir augstas jūtības un var detektēt kļūdas agrīnajos stadijos. Daudzās daļas izkritumu detekcija var efektīvi identificēt mazus kļūdas gadījumus, ko izraisījusi izolācijas novecošanās vai mehāniski bojājumi, nodrošinot precīzu kļūdu diagnosticēšanas informāciju. Analizējot daudzās daļas izkritumu signālus, var novērtēt kļūdu smaržību un attīstības tendenci, ļaujot veikt atbilstošu remontu vai preventīvās pasākumus.

Infrasarkans termiskais attēlošanas tehnoloģija izmanto infrasarkanās termiskās kameru, lai uztvertu dzirkstā lokālos temperatūras pieauguma apgabalus, lai noteiktu, vai pastāv zemes salienuma kļūdas. Pēc zemes salienuma kļūdu radīšanas transformatoros vietējie virpes zudumu efekti izraisa temperatūras pieaugumu, īpaši būtisku temperatūras pieaugumu apkārt kļūdu punktiem. Infrasarkans termiskais attēlošanas tehnoloģija var iegūt dzirksta virsmas reāla laika temperatūras sadalījumu un noteikt kļūdu pastāvēšanu caur temperatūras atšķirībām. Parasti, ja temperatūras atšķirība pārsniedz 10°C, nepieciešama šī apgabala fokusēta izmeklēšana. Šīs tehnoloģijas priekšrocība ir tā, ka tā var uztvert temperatūras maiņas bezkontakti, ar ātru mērījumu ātrumu, kas to padara piemērotu ātrai vietas mērīšanai.

Augstfrekvences strāvas detekcijas metode izmanto Rogowski spiņas, lai mērītu augstfrekvences strāvas maiņas zemes salienuma līnijās, parasti frekvences diapazonā no 500 kHz līdz 2 MHz. Šīs augstfrekvences strāvas tiek radītas, kad notiek izkritumu procesi, ko izraisa dzirksta zemes salienuma kļūdas. Uztverot strāvas signālus šajā frekvences diapazonā, var efektīvi identificēt kļūdu pastāvēšanu. Salīdzinājumā ar daudzās daļas izkritumu detekcijas tehnoloģiju, augstfrekvences strāvas detekcija ir ar augstāku jūtību un var uztvert ļoti vājus kļūdu signālus. Izmantojot Rogowski spiņas bezkontaktu mērīšanai, ne tikai vienkāršo instalāciju, bet arī uzlabo mērījumu precizitāti. Šī tehnoloģija ir īpaši piemērota grūtiekļūvējam pieejamiem apgabaliem un var veikt tiešsaistes detekciju, nesabojājot iekārtu.

3 Kļūdu diagnosticēšanas procesa optimizācija un gadījumu analīze

3.1 Optimizētās diagnostikas procesa ieteikumi

Diagnostējot dzirksta zemes salienuma kļūdas, pirmais solis vajadzētu būt preliminārai selekcijai, izmantojot infrasarkano termisko attēlošanas tehnoloģiju. Infrasarkanās termiskās kameras var ātri iegūt transformatora virsmas temperatūras sadalījuma kartes, palīdzot diagnostējošajiem personālam identificēt iespējamos anormālus temperatūras pieauguma apgabalus. Kad preliminārā selekcija identificē potenciālus kļūdu apgabalus, nākamais solis vajadzētu būt augstfrekvences strāvas detekcijas un daudzās daļas izkritumu detekcijas tehnoloģiju kombinēšanai, lai veiktu precīzus testus.

Augstfrekvences strāvas detekcijas metode uztver zemes salienuma strāvas maiņas 500 kHz līdz 2 MHz frekvences diapazonā, izmantojot Rogowski spiņas, efektīvi identificējot dzirksta zemes salienuma kļūdu apgabalus. Daudzās daļas izkritumu detekcijas tehnoloģija monitorē izkritumu impulssignālus realā laikā, izmantojot HFCT sensorus, analizējot izkritumu frekvenci un intensitāti, lai turpmāk apstiprinātu kļūdu punktu novietojumus.

Pēc augstfrekvences strāvas un daudzās daļas izkritumu detekcijas, finālais solis ir verificēt un analizēt kļūdu smaržību, izmantojot eļļas kromatogrāfiskās analīzes metodi. Uztverot transformatora eļļā šķīdinātās gāzes, īpaši metāna (CH4), etilēna (C2H4) un citu gāzu koncentrāciju maiņas, var tālāk apstiprināt kļūdas dabu. Sērijās dzirksta zemes salienuma kļūdās eļļas kromatogrāfiskā analīze rādīs neatbilstoši augstas gāzu sastāvdaļas. Savienojot eļļas kromatogrāfiskās datus ar citiem detekcijas rezultātiem, var pilnībā novērtēt kļūdu ietekmi un nodrošināt pamatu turpmākajiem remonta darbiem.

3.2 Tipiska gadījuma analīze

Apkalpošanas laikā substatā tehniķi novēroja, ka 35 kV distribūcijas transformatora zemes salienuma strāva bija būtiski palielinājusies, pārsniedzot normālos rādītājus. Mērījumu dati parādīja, ka zemes salienuma strāva sasniedza 5 A, savukārt normālos apstākļos zemes salienuma strāva vajadzētu būt mazāka par 100 mA. Grūtība bija tā, ka, neskatoties uz zemes salienuma strāvas neatbilstošu palielināšanos, nebija acīmredzami ārēji fiziski kļūdu pazīmes. Tradicionālas elektrotehnikas diagnostikas metodes, piemēram, DC reģistrācijas mērījumi un eļļas kromatogrāfiskā analīze, nevarēja sniegt skaidru kļūdu novietojuma informāciju.

Lai atrisinātu šo transformatora kodola zemeskontakta defektu, remonts darbinieki izmantoja vairākas modernas diagnostikas tehnoloģijas. Pirmkārt, viņi izmantoja FLIR T640 infrasarkano termiskā kameru pirmās fāzes ekrānošanai, ātri nosakot temperatūras pieauguma zonas kodolā un saistītajos komponentos. Tad izmantoja PD-Tech HFCT augstas frekvences strāvas sensorus, lai uzraudzītu zemeskontakta strāvu. Visbeidzot, izmantoja PD-Tech daļējās izlādes detektorus, lai testētu un analizētu izlādes signālus, nosakot defekta punktu. Testa rezultāti ir redzami Tabulā 1.

Tab.1 Transformatora defektu izpētes rezultāti

Balstoties uz infrasarkanā termiskā kamerā iegūtajiem datiem, temperatūras atšķirība tuvumā kodola ciparēšanas komponentiem sasniedza 12°C, pārsniedzot normālo diapazonu, kas norāda iespējamo pārsildīšanos šajā zonā. Reāllaikā veiktā detektīva ar augstfrekvences strāvas sensoriem izmantošana atklāja 5 A strāvas vērtību, kas būtiski pārsniedz normālo vērtību 100 mA, liecinot par to, ka transformatorā ir radies defekts. Tālāk veiktā daļveida izsprostījuma detektīva rezultāti parādīja spēcīgas fluktuācijas augstfrekvences strāvas signālos frekvences diapazonā no 4,5 līdz 18 MHz, ar pieaugošo izsprostījuma intensitāti, kas norāda, ka defektpunkts atrodas kodola ciparēšanas montāžā un defekts pasliktinās.

Defektpunkta galīgais apstiprinājums bija kodola ciparēšanas komponenta izolācijas podiņā. Izolācijas materiāls bija novecis ilgstošas darbības dēļ, izraisot mazus izolācijas bojājumus, kas izraisīja uzzemes defektu. Defekta novēršanas pasākumi ietvēra izolācijas podiņa aizvietošanu, un tālāk veiktie pārbaudes testi apstiprināja, ka uzzemes strāva ir atgriezusies normālajā vērtībā, novērojot defektu un atjaunojot ierīces stabila darbību.

Šis gadījums demonstrē, ka infrasarkanā termiskā kamera, daļveida izsprostījuma detektīva tehnoloģija un augstfrekvences strāvas detektīva tehnoloģiju kombinācija var efektīvi uzlabot kodola uzzemes defektu diagnosticēšanas efektivitāti un precizitāti. Reālajos ekspluatācijas un uzturēšanas procesos personālam jāizmanto regulāri šīs tehnoloģijas kopīgai diagnosticēšanai, lai nodrošinātu transformatoru drošu un stabīgu darbību.

4 Secinājums

Kodola uzzemes defektu diagnosticēšanā vairāku moderno diagnostikas tehnoloģiju kombinēta izmantošana var būtiski uzlabot defektu atrašanas precizitāti un diagnostikas efektivitāti. Augstfrekvences strāvas detektīva, daļveida izsprostījumu analīzes un infrasarkanās termiskās kamerās iegūto datu savstarpējie efekti ļauj agrīnā stadijā atklāt potenciālas ierīču riska situācijas un precīzi identificēt defekta avotus, samazinot ierīču apturēšanas laiku un paplašinot transformatoru darbības laiku.

Nākotnē, ar jaunu detektīvas tehnoloģiju nepārtrauktu attīstību un izmantošanu, kodola uzzemes defektu diagnosticēšana un uzturēšana kļūs vēl efektīvāka un precīzāka, nodrošinot enerģētisko sistēmu stabilitāti un drošību.