Analyse van diagnostische methoden voor kern-aardingfouten in 35 kV distributietransformatoren

35 kV distributietransformatoren: Analyse en diagnostische methoden voor kern-aarding fouten

35 kV distributietransformatoren zijn belangrijke apparatuur in elektriciteitsnetwerken die cruciale taken op het gebied van elektriciteitsvervoer uitvoeren. Tijdens langdurige operatie zijn echter kern-aarding fouten een belangrijk probleem geworden dat de stabiele werking van transformatoren beïnvloedt. Kern-aarding fouten hebben niet alleen invloed op de energie-efficiëntie van transformatoren en verhogen de onderhoudskosten van het systeem, maar kunnen ook meer ernstige elektrische storingen veroorzaken.

Naarmate elektrische apparatuur ouder wordt, neemt de frequentie van kern-aarding fouten geleidelijk toe, waardoor er behoefte is aan versterkte foutdiagnose en -behandeling bij de exploitatie en onderhoud van elektrische apparatuur. Hoewel er momenteel bepaalde diagnostische methoden bestaan, zijn er nog steeds technische knelpunten zoals lage detectie-efficiëntie en moeilijke foutlocatie. Er is een dringende behoefte aan het verkennen en toepassen van nauwkeurigere, gevoeligere foutdiagnostische technologieën om de betrouwbaarheid van de werking van apparatuur te verbeteren en de stabiliteit en veiligheid van elektriciteitsnetwerken te waarborgen.

1 Analyse van oorzaken en kenmerken van kern-aarding fouten in 35 kV distributietransformatoren

1.1 Gewone oorzaken van kern-aarding fouten

In 35 kV distributietransformatoren worden isolatiematerialen meestal gebruikt tussen de kernlagen voor isolatie. Tijdens langdurige operatie zorgen interne elektrische velden en temperatuur echter voor geleidelijk verouderen van isolatiematerialen, vooral in hoogspannings- en hoge-temperatuomgevingen waar de isolatieprestaties snel verslechteren. Naarmate het verouderingsproces vordert, daalt de isolatieweerstand, en kan isolatiefout in bepaalde gebieden multi-punt aarding fouten vormen.

Tijdens langdurige operatie ondervinden transformatoren onvermijdelijk mechanische trillingen. Vooral onder omstandigheden van significante belastingschommelingen kan trilling relatieve verschuiving van de kern en kernklemcomponenten veroorzaken. Losse kernklemmen of beschadigde isolatiematerialen kunnen aarding fouten veroorzaken. Fabrieksfouten in de transformatorkern zijn ook belangrijke oorzaken van kern-aarding fouten. Tijdens de productie, als siliciumstaalplaten scherpe randen hebben, ongelijke isolatiecoating of onvoldoende precisie in de kernbewerking, kan lokale isolatieschade optreden. Deze defecten concentreren zich vaak in de aardinggedeeltes van de transformator. Wanneer de elektrisch veldverdeling in de kern ongelijkmatig is, kan partiële ontladingsverschijnselen optreden.

1.2 Elektrische kenmerken en gevaren van fouten

Het meest directe elektrische kenmerk van kern-aarding fouten is een toename van de aardingstroom. Na het optreden van een aardingfout vertoont de aardingstroom meestal stroomfluctuaties met harmonische componenten, vooral in de hogefrequentiegebieden boven 50 Hz. Bij het optreden van fouten is de golfvorm van de aardingstroom vaak niet-sinusvormig, met grotere amplituden van harmonische componenten.

Een ander typisch kenmerk van kern-aarding fouten is partiële ontlasting. Na het falen van isolatiematerialen concentreert het elektrisch veld zich in beschadigde gebieden, wat corona-ontlading en partiële ontlasting veroorzaakt. Partiële ontlasting genereert meestal hoge-frequente stroompulsen met frequentiebereiken die over het algemeen tussen 3-30 MHz liggen. Stroomsignalen in dit frequentiebereik kunnen worden vastgelegd en geanalyseerd met gespecialiseerde hoge-frequente stroomtransformatoren (HFCT).

Een ander elektrisch kenmerk dat door kern-aarding fouten wordt getriggerd, is het temperatuurstijgings-effect. Door stroomkringverlies op het foutpunt neemt de lokale temperatuur toe. Dit temperatuurstijgings-effect veroorzaakt niet alleen directe schade aan isolatiematerialen, maar kan ook oververhitting in bepaalde gebieden van de kern veroorzaken.

1.3 Invloed van fouten op de werking van de transformator

Kern-aarding fouten leiden tot een toename van de aardingstroom, wat op zijn beurt extra verliezen in de transformatorkern veroorzaakt. Kernverliezen bestaan voornamelijk uit stroomkringverliezen en hystereseverliezen. Wanneer aardingfouten optreden, neemt de ongelijke magnetische fluxverdeling binnen de transformator aanzienlijk toe in bepaalde gebieden. Dit vermindert niet alleen de energie-efficiëntie van de transformator, maar kan ook aanzienlijk bijdragen aan de bedrijfskosten. De toegenomen kernverliezen verergeren de oververhitting van de transformator, wat op zijn beurt de langetermijnstabiele werking beïnvloedt.

Partiële ontlasting en temperatuurstijging veroorzaakt door kern-aarding fouten versnellen het verouderen van interne isolatiematerialen in transformatoren. Tijdens het verouderen van de isolatie neemt de weerstand van isolatielaagjes geleidelijk af, en faalt de elektrische isolatiecapaciteit geleidelijk. Wanneer de isolatie volledig faalt, kan dit lokale kortsluitingen of meer ernstige volledige kortsluitongevallen veroorzaken.

Kern-aarding fouten leiden niet alleen tot een afname van de elektrische prestaties, maar beïnvloeden ook de chemische samenstelling van de transformatorolie. Wanneer de kern aardeert, veroorzaken partiële ontlasting en oververhitting een stijging van de interne oljetemperatuur, wat leidt tot veranderingen in de samengestelde gascomponenten in de olie, vooral abnormale toenames in de inhoud van methaan (CH4) en ethyleen (C2H4).

2 Diagnostische methoden en technische vergelijking voor kern-aarding fouten

2.1 Traditionele diagnostische methoden

De DC-weerstandsmethode is een van de traditionele diagnostische methoden voor kern-aarding fouten, die voornamelijk de bestaansvorm van de fout beoordeelt door de isolatieweerstand tussen de kern en aarde te meten. Deze methode past DC-spanning toe en meet het verhoudingsgetal van stroom tot spanning om de isolatieweerstand te berekenen. Ideaal gezien zou de isolatieweerstand van de kern op een hoog niveau moeten blijven; als de weerstand onder een bepaald drempelniveau daalt, kan dit wijzen op een aardingfout.

Echter, de DC-weerstandsmethode kan foutpunten niet nauwkeurig lokaliseren. De metingresultaten kunnen slechts de gemiddelde isolatieprestaties van het gehele kernweefsel weergeven en specifieke foutgebieden niet bepalen. Deze methode heeft ook een zekere vertraging, vooral wanneer isolatieveroudering nog geen significante weerstandsveranderingen heeft veroorzaakt, waardoor vroege foutdetectie ondoeltreffend is. Bovendien kan de DC-weerstandsmethode geen informatie over fouttypes verstrekken, en kunnen gedetailleerde foutkenmerken niet effectief uit de metingsgegevens worden geëxtraheerd.

Oliechromatografische analyse detecteert veranderingen in opgeloste gascomponenten in transformatorolie om fouttypen af te leiden. Deze opgeloste gassen worden meestal geproduceerd wanneer er ontlading, oververhitting of andere elektrische storingen optreden binnen de transformator. Gewone gascomponenten in transformatorolie zijn methaan (CH4), ethyleen (C2H4), ethaan (C2H6), enz. Veranderingen in gasconcentraties kunnen de werkingstoestand van de transformator weerspiegelen. 

Door de opgeloste gasconcentraties in olie te vergelijken met fouttypen, is het mogelijk om voorlopig te bepalen of er een kernenafvoerfout in de transformator is opgetreden. Oliechromatografische analyse reageert relatief vertraagd; na het optreden van een fout duurt het tijd voordat de opgeloste gassen zich ophopen, waardoor de actualiteit van de foutdiagnose beperkt is. Bovendien kan oliechromatografische analyse geen nauwkeurige foutlocaties of specifieke kenmerken verstrekken, maar alleen fouten aangeven door middel van veranderingen in gasconcentraties. Voor kleine of onderbroken fouten kan de diagnose door oliechromatografische analyse worden uitgesteld en niet snel genoeg reageren op het optreden van de fout.

2.2 Moderne instrumentdetectietechnologieën

De technologie voor partiële ontladingsdetectie is gebaseerd op het principe van hoogfrequente stroomtransformatoren (HFCT), die ontladingspulsseinen veroorzaakt door kernenafvoer vastleggen en analyseren om fouten te diagnosticeren. Wanneer kernenafvoerfouten optreden, genereren partiële ontladingen hoogfrequente stroompulsen op isolatieschadepunten. Deze stroomsignalen manifesteren zich meestal als hoogfrequente ruis of pulssignalen met frequentiebereiken die doorgaans tussen 3-30 MHz liggen. 

Door hoogfrequente stroomsensoren op de aardingslijn van de transformator te installeren, kunnen partiële ontladingsignalen in real-time worden vastgelegd. Deze technologie kan efficiënt partiële foutpunten lokaliseren, heeft een hoge gevoeligheid en kan fouten in een vroeg stadium detecteren. Partiële ontladingsdetectie kan effectief kleine fouten veroorzaakt door isolatieveroudering of mechanische schade identificeren, en accurate foutdiagnose-informatie verstrekken. Door partiële ontladingsignalen te analyseren, kan de ernst en ontwikkelingstrend van fouten worden beoordeeld, waardoor overeenkomstige onderhouds- of preventieve maatregelen kunnen worden genomen.

Infraroodthermografische technologie detecteert lokale temperatuurstijgingen in de kern met behulp van infraroodthermografische camera's om te bepalen of er aardenafvoerfouten bestaan. Na het optreden van aardenafvoerfouten in transformators, veroorzaken stromingsverlies in lokale gebieden temperatuurstijgingen, vooral significante temperatuurstijgingen rond foutpunten. Infraroodthermografische technologie kan de real-time temperatuurverdeling op het oppervlak van de kern verkrijgen en de aanwezigheid van fouten bepalen via temperatuurverschillen. Meestal, wanneer temperatuurverschillen 10°C overschrijden, is een gerichte inspectie van dat gebied nodig. Het voordeel van deze technologie ligt in de mogelijkheid om temperatuurveranderingen zonder contact te detecteren, met snelle meetsnelheden, waardoor ze geschikt is voor snelle ter plaatse detectie.

De hogefrequente stroomdetectiemethode gebruikt Rogowski-kernen om hoogfrequente stroomveranderingen in aardingslijnen te meten, meestal in het frequentiebereik van 500 kHz tot 2 MHz. Deze hoogfrequente stromen worden gegenereerd door ontladingsprocessen veroorzaakt door kernenafvoerfouten. Door stroomsignalen in dit frequentiebereik te detecteren, kan de aanwezigheid van fouten effectief worden geïdentificeerd. In vergelijking met partiële ontladingsdetectietechnologie heeft hogefrequente stroomdetectie een hogere gevoeligheid en kan ze uiterst zwakke foutsignalen vastleggen. Het gebruik van Rogowski-kernen voor contactloze meting vereenvoudigt niet alleen de installatie, maar verbetert ook de meetnauwkeurigheid. Deze technologie is bijzonder geschikt voor gebieden die moeilijk rechtstreeks toegankelijk zijn en kan online detectie uitvoeren zonder apparatuur te beschadigen.

3 Optimalisatie van de foutdiagnoseproces en casusanalyse

3.1 Aanbevelingen voor geoptimaliseerd diagnostisch proces

Bij het diagnosticeren van kernenafvoerfouten, moet de eerste stap een voorlopig screening zijn met behulp van infraroodthermografische technologie. Infraroodthermografische camera's kunnen snel temperatuurverdelingskaarten van het transformatoroppervlak verkrijgen, wat helpend personeel helpt om mogelijke abnormale temperatuurstijgingsgebieden te identificeren. Zodra de voorlopige screening potentiële foutgebieden heeft geïdentificeerd, zou de volgende stap moeten zijn om hogefrequente stroomdetectie en partiële ontladingsdetectietechnologieën te combineren voor nauwkeurige tests.

De hogefrequente stroomdetectiemethode vangt aardingstroomveranderingen in het frequentiebereik van 500 kHz tot 2 MHz met Rogowski-kernen, waarmee kernenafvoerfoutgebieden effectief kunnen worden geïdentificeerd. Partiële ontladingsdetectietechnologie monitort ontladingspulsseinen in real-time met HFCT-sensoren, analyseert ontladingsfrequentie en -intensiteit om de locaties van de foutpunten verder te bevestigen.

Na de uitvoering van hogefrequente stroom- en partiële ontladingsdetectie, is de laatste stap om de ernst van de fout te verifiëren en te analyseren door middel van oliechromatografische analyse. Door opgeloste gassen in transformatorolie te detecteren, vooral veranderingen in concentraties van methaan (CH4), ethyleen (C2H4) en andere gassen, kan de aard van de fout verder worden bevestigd. Bij ernstige kernenafvoerfouten zal oliechromatografie abnormaal verhoogde gascomponenten laten zien. Door oliechromatografische gegevens te combineren met andere detectieresultaten, kan de impact van de fout alomvattend worden beoordeeld en een basis worden gegeven voor latere reparatiewerkzaamheden.

3.2 Typische casusanalyse

Tijdens de bedrijfsvoering in een substation merkten onderhoudspersoneelsleden een aanzienlijk toegenomen aardingstroom op in een 35 kV distributietransformator, ver boven de normale waarden. Metingsgegevens lieten zien dat de aardingstroom 5 A bereikte, terwijl onder normale omstandigheden de aardingstroom minder dan 100 mA zou moeten zijn. De uitdaging was dat hoewel de aardingstroom abnormaal toegenomen was, er geen duidelijke externe fysieke foutindicaties waren. Traditionele elektrische diagnostische methoden zoals DC-weerstandsmetingen en oliechromatografische analyse leverden geen duidelijke foutlocatie-informatie op.

Om dit probleem met de aarding van de transformatorkern op te lossen, maakten het onderhoudspersoneel gebruik van verschillende moderne diagnostische technologieën. Eerst gebruikten ze een FLIR T640 infrarood thermografische camera voor een voorlopig screening, waarmee ze snel de gebieden met temperatuurstijging in de kern en gerelateerde componenten lokaliseerden. Vervolgens gebruikten ze PD-Tech HFCT hoogfrequente stroomsensor om de aardingsstroom te monitoren. Ten slotte maakten ze gebruik van PD-Tech partiële ontladingdetectoren om de ontladingsignalen te testen en te analyseren, waarmee ze het foutpunt konden lokaliseren. De testresultaten staan weergegeven in Tabel 1.

Tabel 1. Detectieresultaten van transformatorfouten

Op basis van de resultaten van infrarood thermografie detectie bedroeg het temperatuurverschil in de buurt van de kernklemcomponenten 12°C, wat boven het normale bereik ligt. Dit bevestigt voorlopig mogelijke oververhitting in dit gebied. Real-time detectie met behulp van hoogfrequente stroomsensor toonde een aardingsstroom van 5 A, wat aanzienlijk boven de normale waarde van 100 mA ligt, waarmee wordt aangegeven dat er een fout was ontstaan in de transformatie. Verdere partiële uitslagdetectie toonde sterke fluctuaties in de hoogfrequente stroomsignalen binnen het frequentiebereik van 4,5-18 MHz, met geleidelijk toenemende uitslagintensiteit, wat aangeeft dat het foutpunt zich bevindt bij de kernklemconstructie en de fout erger wordt.

De definitieve bevestiging van het foutpunt was bij de isolatieplaat van de kernklemcomponent. Het isolatiemateriaal was verouderd door langdurige operatie, wat leidde tot geringe isolatieschade die de aardingfout veroorzaakte. De foutbehandelingsmaatregelen omvatten het vervangen van de isolatieplaat, en latere testen bevestigden dat de aardingsstroom terug naar normaal was, waardoor de fout werd opgelost en de stabiele werking van de apparatuur werd hersteld.

Dit geval toont aan dat de combinatie van infraroodthermografietechnologie, partiële uitslagdetectietechnologie en hoogfrequente stroomdetectietechnologie effectief de efficiëntie en nauwkeurigheid van de diagnose van kern-aardingfouten kan verbeteren. Tijdens de daadwerkelijke operationele en onderhoudsprocessen moeten medewerkers deze technologieën regelmatig gebruiken voor gezamenlijke diagnose om de veilige en stabiele werking van transformatoren te garanderen.

4 Conclusie

Bij de diagnose van kern-aardingfouten kan de gecombineerde toepassing van meerdere moderne diagnostische technologieën de nauwkeurigheid van de foutlocatie en de diagnostische efficiëntie aanzienlijk verbeteren. Door de synergetische effecten van hoogfrequente stroomdetectie, partiële uitslaganalyse en infraroodthermografietechnologie kunnen potentiële apparaatrijken op vroege stadia worden gedetecteerd, en kunnen de bronnen van fouten precies worden geïdentificeerd, wat de downtime van apparatuur reduceert en de levensduur van transformatoren verlengt.

In de toekomst zal, met de voortdurende ontwikkeling en toepassing van nieuwe detectietechnologieën, de diagnose en onderhoud van kern-aardingfouten nog efficiënter en nauwkeuriger worden, waardoor de stabiliteit en veiligheid van elektriciteitsystemen wordt gewaarborgd.