Analiza metod diagnostycznych dla usterek ziemnego rdzenia w transformatorach dystrybucyjnych 35 kV

35 kV transformatory dystrybucyjne: Analiza i metody diagnostyki awarii ziemnego przewodzenia rdzenia

35 kV transformatory dystrybucyjne są powszechnie spotykanym kluczowym sprzętem w systemach energetycznych, niosącym ważne zadania przesyłania energii elektrycznej. Jednak podczas długotrwałej eksploatacji, awarie ziemnego przewodzenia rdzenia stały się głównym problemem wpływającym na stabilną pracę transformatorów. Awarie ziemnego przewodzenia rdzenia nie tylko wpływają na efektywność energetyczną transformatora i zwiększają koszty konserwacji systemu, ale mogą również wywołać bardziej poważne awarie elektryczne.

W miarę starzenia się sprzętu energetycznego, częstotliwość występowania awarii ziemnego przewodzenia rdzenia stopniowo rośnie, co wymaga wzmocnienia diagnostyki i leczenia awarii w operacjach utrzymania sprzętu energetycznego. Mimo że obecnie istnieją pewne metody diagnostyczne, nadal występują techniczne ograniczenia takie jak niska wydajność wykrywania i trudności w lokalizacji awarii. Istnieje pilna potrzeba poszukiwania i stosowania bardziej precyzyjnych, wrażliwych technologii diagnostycznych, aby poprawić niezawodność pracy sprzętu i zapewnić stabilność i bezpieczeństwo systemu energetycznego.

1 Analiza przyczyn i charakterystyk awarii ziemnego przewodzenia rdzenia w 35 kV transformatorach dystrybucyjnych

1.1 Typowe przyczyny awarii ziemnego przewodzenia rdzenia

W 35 kV transformatorach dystrybucyjnych, między warstwami rdzenia zwykle stosowane są materiały izolacyjne do izolacji. Jednak podczas długotrwałej eksploatacji, wewnętrzne pola elektryczne i temperatura powodują stopniowe starzenie się materiałów izolacyjnych, szczególnie w środowiskach o wysokim napięciu i wysokiej temperaturze, gdzie wydajność izolacyjna szybko się pogarsza. W miarę postępu starzenia, opór izolacyjny maleje, a uszkodzenie izolacji w częściowych obszarach może tworzyć wielopunktowe awarie ziemnego przewodzenia.

Transformatory nieuchronnie doświadczają drgań mechanicznych podczas długotrwałej eksploatacji. Szczególnie w warunkach znacznych fluktuacji obciążeń, drgania mogą powodować względne przemieszczenie rdzenia i elementów mocujących rdzeń. Łupine lub uszkodzone materiały izolacyjne mogą wywoływać awarie ziemnego przewodzenia. Wady produkcji rdzenia transformatora są również istotnymi przyczynami awarii ziemnego przewodzenia rdzenia. Podczas produkcji, jeśli blachy krzemowe mają zgrubienia, nierównomierne pokrycie izolacyjne lub niewystarczającą precyzję obróbki rdzenia, może dochodzić do lokalnych uszkodzeń izolacji. Takie wady często koncentrują się w częściach ziemnego przewodzenia transformatora. Gdy rozkład pola elektrycznego w rdzeniu jest nierównomierny, mogą wystąpić częściowe wyładowania.

1.2 Charakterystyki elektryczne i zagrożenia wynikające z awarii

Najbardziej bezpośrednią cechą elektryczną awarii ziemnego przewodzenia rdzenia jest zwiększenie prądu ziemnego. Po wystąpieniu awarii ziemnego przewodzenia, prąd ziemny zwykle występuje z fluktuacjami prądu zawierającymi składowe harmoniczne, szczególnie w regionach o częstotliwości powyżej 50 Hz. Gdy wystąpią awarie, fala prądu ziemnego często ma kształt nielinijny, z większymi amplitudami składowych harmonicznych.

Inną typową cechą awarii ziemnego przewodzenia rdzenia jest częściowe wyładowanie. Po uszkodzeniu materiału izolacyjnego, pole elektryczne skupia się w uszkodzonych obszarach, powodując wyładowania koronowe i częściowe wyładowania. Częściowe wyładowania zwykle generują impulsy prądu o wysokiej częstotliwości, z zakresem częstotliwości ogólnie pomiędzy 3-30 MHz. Sygnały prądowe w tym zakresie częstotliwości mogą być uchwytne i analizowane za pomocą specjalnych transformatorów prądów o wysokiej częstotliwości (HFCT).

Inną cechą elektryczną wywołaną przez awarie ziemnego przewodzenia rdzenia jest efekt wzrostu temperatury. Ze względu na straty wirnikowe w miejscu awarii, lokalna temperatura wzrasta. Ten efekt wzrostu temperatury nie tylko bezpośrednio uszkadza materiały izolacyjne, ale może również prowadzić do przeogrzania części rdzenia.

1.3 Wpływ awarii na pracę transformatora

Awarie ziemnego przewodzenia rdzenia prowadzą do zwiększenia prądu ziemnego, co z kolei powoduje dodatkowe straty w rdzeniu transformatora. Straty w rdzeniu głównie składają się ze strat wirnikowych i strat hysteresyjnych. Gdy wystąpią awarie ziemnego przewodzenia, nierównomierny rozkład indukcji magnetycznej wewnątrz transformatora znacząco zwiększa straty wirnikowe w niektórych obszarach. To nie tylko obniża efektywność energetyczną transformatora, ale może również znacznie zwiększyć koszty eksploatacji. Zwiększone straty w rdzeniu nasilają przeogrzanie transformatora, co dalej wpływa na długoterminową stabilność pracy.

Częściowe wyładowania i efekt wzrostu temperatury spowodowane awariami ziemnego przewodzenia rdzenia przyspieszają starzenie się wewnętrznych materiałów izolacyjnych w transformatorach. W trakcie starzenia się izolacji, opór warstw izolacyjnych stopniowo maleje, a zdolność do izolacji elektrycznej stopniowo się pogarsza. Gdy izolacja całkowicie przestaje działać, może to wywołać lokalne zwarcia lub bardziej poważne pełne zwarcia.

Awarie ziemnego przewodzenia rdzenia nie tylko prowadzą do obniżenia wydajności elektrycznej, ale także wpływają na skład chemiczny oleju transformatorowego. Gdy rdzeń jest ziemiony, częściowe wyładowania i przeogrzanie powodują wzrost temperatury wewnętrznego oleju, prowadząc do zmian w składzie gazów rozpuszczonych w oleju, szczególnie do niezwykle dużego wzrostu zawartości metanu (CH4) i etylenu (C2H4).

2 Metody diagnostyczne i porównanie technologiczne dla awarii ziemnego przewodzenia rdzenia

2.1 Tradycyjne metody diagnostyczne

Metoda oporu DC jest jedną z tradycyjnych metod diagnostycznych dla awarii ziemnego przewodzenia rdzenia, oceniając istnienie awarii poprzez pomiar oporu izolacyjnego między rdzeniem a ziemią. Ta metoda polega na zastosowaniu napięcia DC i mierzeniu proporcji prądu do napięcia w celu obliczenia oporu izolacyjnego. Ideowo, opór izolacyjny rdzenia powinien utrzymywać się na wysokim poziomie; jeśli opór spadnie poniżej określonego progu, może to wskazywać na awarię ziemnego przewodzenia.

Jednak metoda oporu stałego nie jest w stanie dokładnie zlokalizować miejsc uszkodzeń. Jej wyniki pomiarowe mogą jedynie odzwierciedlać średnią wydajność izolacji całego rdzenia i nie pozwalają określić konkretnych obszarów uszkodzeń. Ta metoda ma również pewne opóźnienie, szczególnie kiedy starzenie się izolacji jeszcze nie spowodowało znaczących zmian oporu, co czyni wczesne wykrywanie uszkodzeń nieskutecznym. Ponadto metoda oporu stałego nie dostarcza informacji o typach uszkodzeń, a szczegółowe charakterystyki uszkodzeń nie mogą być skutecznie wyekstrahowane z danych pomiarowych.

Analiza chromatograficzna oleju wykrywa zmiany składników gazów rozpuszczonych w oleju transformatora, aby wnioskować o typach uszkodzeń. Te rozpuszczone gazy są zwykle produkowane podczas wyładowań, przegrzewania lub innych awarii elektrycznych wewnątrz transformatora. Powszechnymi składnikami gazów w oleju transformatora są metan (CH4), eten (C2H4), etan (C2H6) itp. Zmiany stężeń gazów mogą odzwierciedlać stan działania transformatora. 

Poprzez porównanie stężeń gazów rozpuszczonych w oleju z typami uszkodzeń, można wstępnie określić, czy w transformatorze wystąpiła awaria uziemienia rdzenia. Analiza chromatograficzna oleju ma stosunkowo opóźnioną reakcję; po wystąpieniu uszkodzenia potrzeba czasu na nagromadzenie się gazów rozpuszczonych, co ogranicza bieżącość diagnozy uszkodzeń. Ponadto analiza chromatograficzna oleju nie może dostarczyć dokładnej lokalizacji uszkodzeń ani ich specyficznych charakterystyk, tylko wskazuje uszkodzenia poprzez zmiany stężeń gazów. W przypadku drobnych lub przejściowych uszkodzeń, diagnoza za pomocą analizy chromatograficznej oleju może być opóźniona i niezdolna do szybkiej reakcji na wystąpienie uszkodzenia.

2.2 Nowoczesne technologie detekcyjne

Technologia wykrywania częściowych wyładowań bazuje na zasadzie transformatorów prądowych wysokich częstotliwości (HFCT), uchwytu i analizy sygnałów pulsacyjnych wyładowań spowodowanych uziemieniem rdzenia, aby diagnozować uszkodzenia. Gdy wystąpią uszkodzenia uziemienia rdzenia, częściowe wyładowania generują pulsatory prądu o wysokiej częstotliwości w punktach uszkodzeń izolacji. Te sygnały prądowe zwykle manifestują się jako hałas o wysokiej częstotliwości lub sygnały impulsowe o zakresie częstotliwości ogólnej 3-30 MHz. 

Przez instalację czujników prądowych wysokich częstotliwości na linii uziemienia transformatora, sygnały częściowych wyładowań mogą być uchwytowane w czasie rzeczywistym. Ta technologia może efektywnie zlokalizować punkty częściowych uszkodzeń, ma wysoką czułość i może wykrywać uszkodzenia na wczesnym etapie. Wykrywanie częściowych wyładowań może skutecznie identyfikować drobne uszkodzenia spowodowane starzeniem się izolacji lub uszkodzeniami mechanicznymi, dostarczając dokładne informacje diagnostyczne dotyczące uszkodzeń. Poprzez analizę sygnałów częściowych wyładowań, można ocenić powagę i trend rozwoju uszkodzeń, umożliwiając odpowiednie działania naprawcze lub zapobiegawcze.

Technologia termografii podczerwonej wykrywa obszary lokalnego wzrostu temperatury w rdzeniu przy użyciu termografów podczerwonych, aby ustalić, czy istnieją uszkodzenia uziemienia. Po wystąpieniu uszkodzeń uziemienia w transformatorach, straty wirującego prądu w lokalnych obszarach powodują wzrost temperatury, szczególnie znaczny wzrost temperatury wokół punktów uszkodzeń. Technologia termografii podczerwonej może uzyskać实时终止，继续翻译： ```html

Technologia termografii podczerwonej wykrywa obszary lokalnego wzrostu temperatury w rdzeniu przy użyciu termografów podczerwonych, aby ustalić, czy istnieją uszkodzenia uziemienia. Po wystąpieniu uszkodzeń uziemienia w transformatorach, straty wirującego prądu w lokalnych obszarach powodują wzrost temperatury, szczególnie znaczny wzrost temperatury wokół punktów uszkodzeń. Technologia termografii podczerwonej może uzyskać rozkład temperatur na powierzchni rdzenia w czasie rzeczywistym i określić istnienie uszkodzeń poprzez różnice temperatur. Zwykle, gdy różnice temperatur przekraczają 10°C, wymagane jest skoncentrowane badanie tego obszaru. Zaletą tej technologii jest możliwość wykrywania zmian temperatur bez kontaktu, z szybkim pomiarem, co sprawia, że jest odpowiednia do szybkiego badania na miejscu.

Metoda wykrywania prądu o wysokiej częstotliwości wykorzystuje cewki Rogowskiego do pomiaru zmian prądu o wysokiej częstotliwości w liniach uziemienia, zwykle w zakresie częstotliwości 500 kHz do 2 MHz. Te prądy o wysokiej częstotliwości są generowane przez procesy wyładowania spowodowane uszkodzeniami uziemienia rdzenia. Wykrywając sygnały prądowe w tym zakresie częstotliwości, można skutecznie zidentyfikować istnienie uszkodzeń. W porównaniu z technologią wykrywania częściowych wyładowań, metoda wykrywania prądu o wysokiej częstotliwości ma większą czułość i może uchwycić bardzo słabe sygnały uszkodzeń. Używanie cewek Rogowskiego do pomiaru bez kontaktu nie tylko upraszcza montaż, ale także poprawia dokładność pomiaru. Ta technologia jest szczególnie odpowiednia dla obszarów trudno dostępnych i może wykonywać pomiary online bez uszkodzenia sprzętu.

3 Optymalizacja procesu diagnostyki uszkodzeń i analiza przypadków

3.1 Rekomendacje dotyczące zoptymalizowanego procesu diagnostycznego

Podczas diagnostyki uszkodzeń uziemienia rdzenia, pierwszym krokiem powinno być wstępne przesiewanie za pomocą technologii termografii podczerwonej. Termografy podczerwone mogą szybko uzyskać mapy rozkładu temperatur na powierzchni transformatora, pomagając osobom diagnostycznym zidentyfikować możliwe obszary anomalnego wzrostu temperatury. Po wstępnym przesiewaniu, który zidentyfikuje potencjalne obszary uszkodzeń, kolejnym krokiem powinno być połączenie metod wykrywania prądu o wysokiej częstotliwości i wykrywania częściowych wyładowań do precyzyjnych testów.

Metoda wykrywania prądu o wysokiej częstotliwości uchwytuje zmiany prądu uziemienia w zakresie częstotliwości 500 kHz do 2 MHz za pomocą cewek Rogowskiego, efektywnie identyfikując obszary uszkodzeń uziemienia rdzenia. Technologia wykrywania częściowych wyładowań monitoruje sygnały impulsowe wyładowań w czasie rzeczywistym za pomocą czujników HFCT, analizując częstotliwość i intensywność wyładowań, aby dalej potwierdzić lokalizację punktów uszkodzeń.

Po przeprowadzeniu wykrywania prądu o wysokiej częstotliwości i częściowych wyładowań, ostatnim krokiem jest weryfikacja i analiza powagi uszkodzeń za pomocą analizy chromatograficznej oleju. Poprzez wykrycie gazów rozpuszczonych w oleju transformatora, szczególnie zmian stężeń metanu (CH4), etenu (C2H4) i innych gazów, można dalej potwierdzić naturę uszkodzenia. W przypadku poważnych uszkodzeń uziemienia rdzenia, analiza chromatograficzna pokaże anomalnie podwyższone stężenia składników gazowych. Łączenie danych z analizy chromatograficznej z innymi wynikami badań pozwala na kompleksową ocenę wpływu uszkodzeń i dostarcza podstaw do kolejnych prac naprawczych.

3.2 Analiza typowego przypadku

Podczas eksploatacji w podstacji, personel serwisowy zauważył znacznie zwiększone natężenie prądu uziemienia w transformatorze dystrybucyjnym o napięciu 35 kV, które znacznie przekroczyło normalne wartości. Dane monitorowania pokazały, że prąd uziemienia osiągnął 5 A, podczas gdy w normalnych warunkach powinien być mniejszy niż 100 mA. Problem polegał na tym, że choć prąd uziemienia był anomalnie zwiększony, nie było widocznych zewnętrznych fizycznych oznak uszkodzenia. Tradycyjne metody diagnostyczne, takie jak pomiary oporu stałego i analiza chromatograficzna oleju, nie dostarczyły jasnych informacji o lokalizacji uszkodzenia.

Aby rozwiązać problem z uziemieniem rdzenia transformatora, personel serwisowy wykorzystał kilka nowoczesnych technologii diagnostycznych. Najpierw użyli termowizora FLIR T640 do wstępnego przesiewu, szybko lokalizując obszary podwyższonej temperatury w rdzeniu i powiązanych komponentach. Następnie zastosowali czujniki prądów wysokiej częstotliwości PD-Tech HFCT do monitorowania prądu uziemiającego. Na koniec wykorzystali detektory częściowych wyładowań PD-Tech do testowania i analizy sygnałów wyładowania, co pozwoliło na zlokalizowanie punktu awarii. Wyniki badań przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Wyniki wykrywania problemów z transformatorem

Na podstawie wyników detekcji termowizyjnej różnica temperatur w pobliżu elementów zaciskowych rdzenia osiągnęła 12°C, przekraczając zakres normalny, co wstępnie potwierdza możliwość nadmiernego ogrzewania w tej strefie. Detekcja w czasie rzeczywistym za pomocą czujników prądu o wysokiej częstotliwości wykazała, że prąd uziemienia wynosił 5 A, znacznie przekraczając normalną wartość 100 mA, co wskazuje na rozwój uszkodzenia wewnątrz transformatora. Dodatkowe badanie częściowego rozładowania wykazało silne wahania sygnałów prądu o wysokiej częstotliwości w zakresie częstotliwości 4,5-18 MHz, z stopniowo zwiększającą się intensywnością rozładowania, co wskazuje, że punkt uszkodzenia znajduje się w zestawie zacisków rdzenia i uszkodzenie pogarsza się.

Ostateczne potwierdzenie punktu uszkodzenia nastąpiło w podkładce izolacyjnej elementu zaciskowego rdzenia. Materiał izolacyjny uległ starzeniu w wyniku długotrwałej eksploatacji, powodując niewielkie uszkodzenie izolacji, które spowodowało uszkodzenie uziemienia. Zakres działań naprawczych obejmował wymianę podkładki izolacyjnej, a kolejne testy potwierdziły, że prąd uziemienia wrócił do normy, eliminując uszkodzenie i przywracając stabilną pracę urządzenia.

Ten przypadek pokazuje, że połączenie technologii termowizyjnej, technologii detekcji częściowego rozładowania oraz technologii detekcji prądu o wysokiej częstotliwości może efektywnie poprawić efektywność i dokładność diagnozy uszkodzeń uziemienia rdzenia. W rzeczywistych procesach eksploatacji i konserwacji personel powinien regularnie stosować te technologie do wspólnej diagnostyki, aby zapewnić bezpieczną i stabilną pracę transformatorów.

4. Podsumowanie

W diagnozie uszkodzeń uziemienia rdzenia zastosowanie wielu nowoczesnych technologii diagnostycznych może znacząco poprawić dokładność lokalizacji uszkodzeń i efektywność diagnostyki. Dzięki synergicznym działaniom detekcji prądu o wysokiej częstotliwości, analizy częściowego rozładowania oraz technologii termowizyjnej, potencjalne ryzyka związane z urządzeniami mogą być wykrywane we wczesnym stadium, a źródła uszkodzeń mogą być precyzyjnie identyfikowane, zmniejszając czas nieaktywności sprzętu i przedłużając żywotność transformatorów.

W przyszłości, z ciągłym rozwojem i zastosowaniem nowych technologii detekcyjnych, diagnoza i konserwacja uszkodzeń uziemienia rdzenia stanie się bardziej efektywna i precyzyjna, zapewniając stabilność i bezpieczeństwo systemów energetycznych.