Analyse av diagnostiske metoder for jordfeil i kjerne på 35 kV distribusjonstransformatorer

35 kV fordeltransformatorer: Analyse og diagnostiske metoder for jordfeil i kjernen

35 kV fordeltransformatorer er vanlige viktige enheter i kraftsystemer, som har viktige oppgaver med elektrisk energioverføring. Imidlertid har jordfeil i kjernen blitt et stort problem som påvirker den stabile drift av transformatorer under langvarig operasjon. Jordfeil i kjernen påvirker ikke bare energieffektiviteten til transformatorer og øker vedlikeholdsomkostningene, men kan også utløse mer alvorlige elektriske feil.

Som kraftutstyr blir eldre, øker frekvensen av jordfeil i kjernen gradvis, noe som krever forbedret feildiagnose og behandling i drift og vedlikehold av kraftutstyr. Selv om det finnes visse diagnostiske metoder, finnes det fortsatt tekniske flaskenhals som lav deteksjonsnøyaktighet og vanskelig feillokalisering. Det er en akutt behov for å utforske og bruke mer nøyaktige, sensitive feildiagnostiske teknologier for å forbedre driftsrelasjonen til utstyret og sikre kraftsystemets stabilitet og sikkerhet.

1 Analyse av årsaker og karakteristika ved jordfeil i kjernen i 35 kV fordeltransformatorer

1.1 Vanlige årsaker til jordfeil i kjernen

I 35 kV fordeltransformatorer brukes vanligvis isolerende materialer mellom kjernelaminatene for isolasjon. Under langvarig drift fører imidlertid interne elektriske felt og temperatur til gradvis aldring av isoleringsmaterialer, spesielt i høyspenning- og høytemperaturmiljøer der isolasjonsyta raskt forverres. Som aldringen fremmer, synker isolasjonsmotstand, og isolasjonsfeil i delområder kan danne flerpunktjordfeil.

Transformatorer opplever uunngåelig mekanisk vibrasjon under langvarig drift. Spesielt under betingelser med store lastfluktuasjoner, kan vibrasjon føre til relativ plassendring av kjernen og kjerneklemkomponenter. Løse kjerneklemmer eller skadet isoleringsmateriale kan utløse jordfeil. Produksjonsfeil i transformatorkjerner er også viktige årsaker til jordfeil i kjernen. Under produksjon, hvis silisijernplater har slipebriller, ujevn isoleringsbelagt eller utilstrekkelig kjerneprosesspresisjon, kan lokale isolasjonskader oppstå. Slike defekter er ofte koncentrert i jorddelen av transformatorer. Når elektriske feltfordelingen i kjernen er ujevn, kan det forekomme partiell entladning.

1.2 Elektriske karakteristika og faremomenter ved feil

Den mest direkte elektriske karakteristika ved jordfeil i kjernen er økt jordstrøm. Etter at en jordfeil oppstår, viser jordstrømmen typisk strømfluktuer med harmoniske komponenter, spesielt i høyfrekvensområdet over 50 Hz. Når feil oppstår, ser bølgeformen av jordstrømmen ofte ut som ikke-sinusform, med større amplituder av harmoniske komponenter.

En annen typisk karakteristika ved jordfeil i kjernen er partiell entladning. Etter isoleringsmaterialefeil, konsentreres elektriske felt i skadede områder, som fører til koronaentladning og partiell entladning. Partiell entladning genererer vanligvis høyfrekvensstrømpulser med frekvensområder generelt mellom 3-30 MHz. Strømsignaler i dette frekvensområdet kan fanges og analysert ved hjelp av spesialiserte høyfrekvensstrømtransformatorer (HFCT).

En annen elektrisk karakteristika utløst av jordfeil i kjernen er temperaturøkningseffekten. På grunn av virvelstrømtap ved feilpunktet, øker lokal temperatur. Denne temperaturøkningen skader ikke bare isoleringsmaterialer direkte, men kan også føre til overoppvarming i delområder av kjernen.

1.3 Effekten av feil på transformatoroperasjon

Jordfeil i kjernen fører til økt jordstrøm, som igjen fører til ekstra tap i transformatorkjernen. Kjernetap består hovedsakelig av virvelstrømtap og hysteregetap. Når jordfeil oppstår, fører ujevn magnetfeltfordeling inni transformatoren til betydelig økte virvelstrømtap i visse områder. Dette reduserer ikke bare energieffektiviteten til transformatorer, men kan også øke driftskostnadene betydelig. De økte kjernetapene forverrer overoppvarmingen av transformatorer, som igjen påvirker langvarig stabil drift.

Partiell entladning og temperaturøkningseffekter forårsaket av jordfeil i kjernen forhaster aldringen av interne isoleringsmaterialer i transformatorer. Under isoleringsaldring, minker motstanden i isoleringslagene gradvis, og elektrisk isolasjonskapasitet mislykkes progressivt. Når isolasjonen fullstendig mislykkes, kan det utløse lokale kortslutter eller mer alvorlige fullstendige kortslutningsulykker.

Jordfeil i kjernen fører ikke bare til svekket elektrisk ytelse, men påvirker også kjemisk sammensetning av transformatorolje. Når kjernen jordes, fører partiell entladning og overoppvarming til økt intern oljetemperatur, som fører til endringer i løste gasskomponenter i oljen, spesielt unormal økning i metan (CH4) og etylen (C2H4)innhold.

2 Diagnostiske metoder og teknisk sammenligning for jordfeil i kjernen

2.1 Tradisjonelle diagnostiske metoder

DC-motstandsmetoden er en av de tradisjonelle diagnostiske metodene for jordfeil i kjernen, som hovedsakelig vurderer feileksistens ved å måle isolasjonsmotstanden mellom kjernen og jorden. Denne metoden bruker DC-spenn og måler forholdet mellom strøm og spenn for å beregne isolasjonsmotstand. Idealtilfellet er at isolasjonsmotstanden i kjernen skal forbli høy; hvis motstand falt under en viss terskel, kan det indikere en jordfeil.

Imidlertid kan ikke metoden med likestrømsmotstand nøyaktig lokalisere feilpunkter. Måleresultatene kan bare reflektere den gjennomsnittlige isolasjonsytelsen for hele kjernen og kan ikke fastslå spesifikke feilområder. Denne metoden har også en viss forsinkelse, spesielt når isoleringsaldring enda ikke har ført til betydelige motstandsforandringer, noe som gjør tidlig feiloppdaging ineffektiv. I tillegg kan metoden med likestrømsmotstand ikke gi informasjon om feiltypen, og detaljerte feilegenskaper kan ikke effektivt hentes ut fra måledata.

Oljechromatografianalyse oppdager endringer i løste gasskomponenter i transformatorolje for å slutte på feiltypen. Disse løste gassene produseres typisk når det forekommer utløsning, overvarming eller andre elektriske feil inni transformatoren. Vanlige gaskomponenter i transformatorolje inkluderer metan (CH4), etylen (C2H4), etan (C2H6) o.l. Endringer i gasskoncentrasjonene kan reflektere transformatorens driftstilstand. 

Ved å sammenligne koncentrasjonen av løste gasser i oljen med feiltyper, er det mulig å foreløpig bestemme om det har oppstått en jordfeil i kjernen. Oljechromatografianalyse har en relativt forsinket respons; etter at en feil har oppstått, tar det tid for løste gasser å akkumulere seg, noe som begrenser tidsmessigheten i feildiagnose. I tillegg kan oljechromatografianalyse ikke gi nøyaktige feillokaliseringer eller spesifikke egenskaper, men indikerer kun feil gjennom endringer i gasskoncentrasjon. For mindre eller intermittente feil kan oljechromatografianalyse diagnosen være forsinket og ikke kunne reagere raskt på feiloppdragelse.

2.2 Moderne instrumentdeteksjonsteknologier

Delvis utslippdeteksjonsteknologi er basert på prinsippet om høyfrekvente strømtransformatorer (HFCT), ved å fange og analysere utslipppuls-signaler som skyldes kjernejord for å diagnoisere feil. Når det oppstår kjernejordfeil, genererer delvis utslipp høyfrekvente strømpulser ved isoleringsbeskadigelsespunkter. Disse strømsignalene viser seg typisk som høyfrekvent støy eller puls-signaler med frekvensområder vanligvis mellom 3-30 MHz. 

Ved å installere høyfrekvente strømsensorer på transformatorens jordlinje, kan delvis utslipp-signaler fanges sanntid. Denne teknologien kan effektivt lokalisere delvise feilpunkter, har høy sensitivitet og kan oppdage feil i tidlig fase. Delvis utslippdeteksjon kan effektivt identifisere mindre feil som skyldes isoleringsaldring eller mekanisk skade, og gir nøyaktig feilinformasjon. Ved å analysere delvis utslipp-signaler, kan alvorlighetsgraden og utviklingstrenden til feil vurderes, noe som tillater korresponderende vedlikehold eller forebyggende tiltak.

Infrarød termografiteknologi oppdager lokale temperaturstigningsområder i kjernen ved hjelp av infrarøde termografer for å bestemme om det finnes jordfeil. Etter at jordfeil har oppstått i transformatorer, fører eddystrømtap i lokale områder til temperaturøkninger, spesielt betydelige temperaturøkninger rundt feilpunkter. Infrarød termografiteknologi kan få sanntidstemperaturfordeling på kjernes overflate og bestemme feileksistens gjennom temperaturforskjeller. Typisk sett, når temperaturforskjellene overstiger 10°C, kreves det en fokusert undersøkelse av dette området. Fordelen med denne teknologien ligger i evnen til å oppdage temperaturendringer uten kontakt, med hurtig målemetode, noe som gjør den egnet for rask påstedetekting.

Høyfrekvent strømdeteksjonmetode bruker Rogowskispiraler for å måle høyfrekvente strømendringer i jordlinjer, typisk i frekvensområdet 500 kHz til 2 MHz. Disse høyfrekvente strømmer genereres av utslippprosesser som skyldes kjernejordfeil. Ved å detektere strømsignaler i dette frekvensområdet, kan feileksistens effektivt identifiseres. Sammenlignet med delvis utslippdeteksjonsteknologi, har høyfrekvent strømdeteksjon høyere sensitivitet og kan fange ekstremt svake feilsignaler. Ved å bruke Rogowskispiraler for ubekreftet måling, forenkles ikke bare installasjonen, men forbedrer også målnøyaktigheten. Denne teknologien er spesielt egnet for områder som er vanskelig tilgjengelige og kan utføre online-deteksjon uten å skade utstyr.

3 Optimalisering av feil-diagnoseprosess og saksanalyse

3.1 Anbefalinger for optimalisert diagnoseprosess

Når det gjelder diagnostisering av kjernejordfeil, bør det første skrittet være en foreløpig sortering ved hjelp av infrarød termografiteknologi. Infrarøde termografer kan raskt oppnå temperaturfordelingskart av transformatoroverflaten, noe som hjelper diagnostikkpersonell med å identifisere mulige anormale temperaturstigningsområder. Når foreløpig sortering har identifisert potensielle feilområder, bør neste skritt kombinere høyfrekvent strømdeteksjon og delvis utslippdeteksjonsteknologier for nøyaktig testing.

Høyfrekvent strømdeteksjonmetoden fanger jordstrømendringer i 500 kHz til 2 MHz frekvensbåndet ved hjelp av Rogowskispiraler, noe som effektivt identifiserer kjernejordfeilområder. Delvis utslippdeteksjonsteknologi overvåker utslipp-puls-signaler i sanntid ved hjelp av HFCT-sensorer, analyserer utslippfrekvens og intensitet for å videre bekrefte feilpunktlokalisering.

Etter å ha utført høyfrekvent strøm- og delvis utslippdeteksjon, er det siste skrittet å verifisere og analysere feilalvorligheten gjennom oljechromatografianalyse. Ved å detektere løste gasser i transformatorolje, spesielt koncentrasjonsendringer av metan (CH4), etylen (C2H4) og andre gasser, kan feilens natur videre bekreftes. For alvorlige kjernejordfeil vil oljechromatografien vise abnormt høye gaskomponenter. Ved å kombinere oljechromatografidata med andre deteksjonsresultater, kan feilens påvirkning vurderes komprehensivt og gi grunnlag for senere reparasjonsarbeid.

3.2 Typisk saksanalyse

Under drift i en understasjon merket vedlikeholdsansatte en markant økning i jordstrømmen i en 35 kV distribusjonstransformator, langt over normale verdier. Overvåkningsdata viste at jordstrømmen nådde 5 A, mens under normale forhold burde jordstrømmen være mindre enn 100 mA. Ufordelingen var at selv om jordstrømmen økte abnormt, var det ingen tydelige eksterne fysiske feilindikasjoner. Tradisjonelle elektriske diagnostiske metoder som likestrømsmotstands-testing og oljechromatografianalyse klarte ikke å gi klare feillokaliseringer.

For å løse dette problemet med jordfeil i transformatorkjernen, brukte vedlikeholdsansatte flere moderne diagnostiske teknologier. Først brukte de en FLIR T640 infrarød termisk kamera for foreløpig skjerming, og lokaliserte raskt områder med temperaturstigning i kjernen og relaterte komponenter. Deretter brukte de PD-Tech HFCT høyfrekvens strømsensorer for å overvåke jordstrøm. Til slutt brukte de PD-Tech delvis utslippsdetektorer for å teste og analysere utslipps-signaler, og lokaliserte feilpunktet. Testresultatene er vist i tabell 1.

Tab.1 Deteksjonsresultater av transformatorfeil

Basert på resultater fra infrarødt termisk kamera, var temperaturforskjellen nær kjerneklemmekomponentene 12°C, noe som overskrider det normale området, og bekrefter forløpig at det kan være overoppvarming i dette området. Sanntidssporing med høyfrekvensstrømsensorer avdekket en jordstrøm på 5 A, noe som er betydelig over den normale verdien på 100 mA, og indikerer at det har oppstått en feil i transformator. Ytterligere delvis slitasjesporing viste sterke fluktuasjoner i høyfrekvensstrømsignaler i frekvensområdet 4,5-18 MHz, med gradvis økende slitasjestyrke, noe som indikerer at feilpunktet befinner seg ved kjerneklemmeenheten og at feilen forverres.

Det endelige bekreftede feilpunktet var ved isoleringsmaten til kjerneklemmekomponenten. Isoleringen hadde aldrød dersom den ble brukt over lengre tid, noe som førte til mindre skader i isoleringen, hvilket utløste jordfeilen. Feilbehandlingsforanstaltninger inkluderte bytte av isoleringsmat, og etterfølgende testing bekreftet at jordstrømmen var rettet tilbake til normal, og feilen ble eliminert, med gjenoppretting av stabil drift av utstyret.

Dette eksemplet viser at kombinasjonen av infrarødt termisk bildeteknologi, delvis slitasjesporingsteknologi og høyfrekvensstrømsporingsteknologi kan effektivt forbedre effektiviteten og nøyaktigheten av kjernens jordfeildiagnose. I sanntid drift og vedlikehold bør personell regelmessig bruke disse teknologiene for fellesdiagnose for å sikre trygg og stabil drift av transformatorer.

4 Konklusjon

Ved diagnosing av kjernes jordfeil kan den kombinerte bruk av flere moderne diagnostiske teknologier betydelig forbedre nøyaktigheten av feillokalisering og diagnostisk effektivitet. Gjennom samvirkskap mellom høyfrekvensstrømsporing, delvis slitasjeanalyse og infrarødt termisk bildeteknologi, kan potensielle utstyrsrisikoer oppdages i et tidlig stadium, og feilkilder kan bli nøyaktig identifisert, noe som reduserer nedetid for utstyr og forlenger levetiden til transformatorer.

I fremtiden, med den kontinuerlige utviklingen og bruken av nye sporingsteknologier, vil diagnosing og vedlikehold av kjernes jordfeil bli mer effektivt og nøyaktig, og sikre stabilitet og sikkerhet for strømsystemer.