Анализ методов диагностики неисправностей заземления сердечника в распределительных трансформаторах 35 кВ

Трансформаторы распределения 35 кВ: Анализ и методы диагностики неисправностей заземления сердечника

Трансформаторы распределения 35 кВ являются распространенным важным оборудованием в энергосистемах, выполняющим важные задачи по передаче электрической энергии. Однако в процессе длительной эксплуатации неисправности заземления сердечника стали основной проблемой, влияющей на стабильную работу трансформаторов. Неисправности заземления сердечника не только влияют на энергоэффективность трансформатора и увеличивают затраты на обслуживание системы, но также могут вызвать более серьезные электрические аварии.

Со старением электрооборудования частота неисправностей заземления сердечника постепенно увеличивается, что требует усиления диагностики и устранения неисправностей в процессе эксплуатации и обслуживания электрооборудования. Хотя существуют определенные диагностические методы, все еще имеются технические ограничения, такие как низкая эффективность обнаружения и сложность локализации неисправностей. Срочно необходимо исследовать и применять более точные и чувствительные технологии диагностики неисправностей для повышения надежности работы оборудования и обеспечения стабильности и безопасности энергосистемы.

1 Анализ причин и характеристик неисправностей заземления сердечника в трансформаторах распределения 35 кВ

1.1 Общие причины неисправностей заземления сердечника

В трансформаторах распределения 35 кВ между пакетами сердечника обычно используются изоляционные материалы 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 старения сопротивление изоляции снижается, и при отказе изоляции в отдельных участках могут образовываться многоточечные неисправности заземления.

В процессе длительной эксплуатации трансформаторы неизбежно подвергаются механическим вибрациям. Особенно при значительных колебаниях нагрузки, вибрация может вызывать относительное смещение сердечника и компонентов его крепления. Ослабленные зажимы сердечника или поврежденные изоляционные материалы могут вызвать неисправности заземления. Другими важными причинами неисправностей заземления сердечника являются дефекты изготовления. При производстве, если листы электротехнической стали имеют заусенцы, неравномерное покрытие изоляцией или недостаточная точность обработки сердечника, может произойти местное повреждение изоляции. Такие дефекты часто концентрируются в заземляющих частях трансформатора. Когда распределение электрического поля в сердечнике неравномерно, могут возникать локальные разряды.

1.2 Электрические характеристики и опасности неисправностей

Наиболее прямая электрическая характеристика неисправностей заземления сердечника — это увеличение тока заземления. После возникновения неисправности заземления ток заземления, как правило, демонстрирует колебания с гармоническими составляющими, особенно в высокочастотном диапазоне выше 50 Гц. При возникновении неисправностей форма волны тока заземления часто становится несинусоидальной, с большими амплитудами гармонических составляющих.

Другой типичной характеристикой неисправностей заземления сердечника является локальный разряд. После отказа изоляционного материала электрическое поле концентрируется в поврежденных областях, вызывая коронный разряд и локальные разряды. Локальные разряды, как правило, генерируют импульсы высокочастотного тока с частотами, обычно находящимися в диапазоне 3-30 МГц. Токовые сигналы в этом частотном диапазоне можно захватить и анализировать с помощью специальных высокочастотных трансформаторов тока (HFCT).

Еще одна электрическая характеристика, вызванная неисправностями заземления сердечника, — это эффект повышения температуры. Из-за потерь от вихревых токов в месте неисправности происходит местное повышение температуры. Этот эффект повышения температуры не только непосредственно повреждает изоляционные материалы, но также может вызвать перегрев в отдельных участках сердечника.

1.3 Влияние неисправностей на работу трансформатора

Неисправности заземления сердечника приводят к увеличению тока заземления, что, в свою очередь, вызывает дополнительные потери в сердечнике трансформатора. Потери в сердечнике в основном состоят из потерь от вихревых токов и потерь от гистерезиса. При возникновении неисправностей заземления неравномерное распределение магнитного потока внутри трансформатора значительно увеличивает потери от вихревых токов в определенных участках. Это не только снижает энергоэффективность трансформатора, но также может значительно увеличить эксплуатационные расходы. Увеличение потерь в сердечнике усугубляет перегрев трансформатора, что дополнительно влияет на долгосрочную стабильную работу.

Локальные разряды и эффект повышения температуры, вызванные неисправностями заземления сердечника, 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.

Неисправности заземления сердечника не только приводят к снижению электрических характеристик, но также влияют на химический состав трансформаторного масла. При заземлении сердечника локальные разряды 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 Методы диагностики и техническое сравнение для неисправностей заземления сердечника

2.1 Традиционные методы диагностики

Метод постоянного сопротивления является одним из традиционных методов диагностики неисправностей заземления сердечника, который в основном определяет наличие неисправности путем измерения сопротивления изоляции между сердечником и землей. Этот метод применяет постоянное напряжение и измеряет соотношение тока к напряжению для расчета сопротивления изоляции. Идеально, сопротивление изоляции сердечника должно оставаться на высоком уровне; если сопротивление падает ниже определенного порога, это может указывать на неисправность заземления.

Однако метод постоянного сопротивления не может точно определить места повреждений. Его измерительные результаты могут отражать только средние показатели изоляции всего сердечника и не могут определить конкретные области повреждения. Этот метод также имеет некоторую задержку, особенно когда старение изоляции еще не вызвало значительных изменений сопротивления, что делает раннее обнаружение повреждений неэффективным. Кроме того, метод постоянного сопротивления не предоставляет информации о типах повреждений, и детальные характеристики повреждений не могут быть эффективно извлечены из измерительных данных.

Анализ хроматографии масла обнаруживает изменения в составе растворенных газов в масле трансформатора, чтобы предположить типы повреждений. Эти растворенные газы обычно образуются при разряде, перегреве или других электрических отказах внутри трансформатора. Обычные газовые компоненты в масле трансформатора включают метан (CH4), этилен (C2H4), этан (C2H6) и т. д. Изменения концентраций газов могут отражать состояние работы трансформатора. 

Сравнивая концентрации растворенных газов в масле с типами повреждений, можно предварительно определить, произошло ли повреждение заземления сердечника в трансформаторе. Анализ хроматографии масла имеет относительно замедленную реакцию; после возникновения повреждения требуется время для накопления растворенных газов, что ограничивает своевременность диагностики повреждений. Кроме того, анализ хроматографии масла не может предоставить точное местоположение повреждений или специфические характеристики, указывая на повреждения только через изменения концентрации газов. Для незначительных или периодических повреждений диагностика анализа хроматографии масла может быть запоздалой и неспособной быстро реагировать на возникновение повреждений.

2.2 Современные технологии инструментальной диагностики

Технология обнаружения частичных разрядов основана на принципе высокочастотных трансформаторов тока (HFCT), захватывая и анализируя импульсные сигналы разряда, вызванные заземлением сердечника, для диагностики повреждений. При возникновении повреждений заземления сердечника частичные разряды создают высокочастотные импульсы тока в точках повреждения изоляции. Эти сигналы тока обычно проявляются как высокочастотный шум или импульсные сигналы с частотными диапазонами, обычно находящимися между 3-30 МГц. 

Установка высокочастотных датчиков тока на заземляющей линии трансформатора позволяет в реальном времени захватывать сигналы частичных разрядов. Эта технология может эффективно определять места частичных повреждений, обладает высокой чувствительностью и способна обнаруживать повреждения на ранних стадиях. Технология обнаружения частичных разрядов может эффективно выявлять незначительные повреждения, вызванные старением изоляции или механическими повреждениями, предоставляя точную информацию о диагностике повреждений. Анализ сигналов частичных разрядов позволяет оценить степень и тенденцию развития повреждений, что позволяет принять соответствующие меры по ремонту или профилактике.

Технология инфракрасного термографирования обнаруживает области локального повышения температуры в сердечнике с помощью инфракрасных тепловизоров, чтобы определить, существуют ли повреждения заземления. После возникновения повреждений заземления в трансформаторах потери вихревых токов в локальных областях вызывают повышение температуры, особенно значительное повышение температуры вокруг точек повреждений. Технология инфракрасного термографирования может получать реальное распределение температуры на поверхности сердечника и определять наличие повреждений по различиям в температуре. Как правило, если различия в температуре превышают 10°C, необходимо провести детальное исследование этой области. Преимущество этой технологии заключается в ее способности обнаруживать изменения температуры без контакта, с быстрой скоростью измерения, что делает ее подходящей для быстрого на месте обследования.

Метод обнаружения высокочастотного тока использует катушки Роговского для измерения изменений высокочастотного тока в заземляющих линиях, обычно в диапазоне частот от 500 кГц до 2 МГц. Эти высокочастотные токи генерируются процессами разряда, вызванными повреждениями заземления сердечника. Обнаруживая сигналы тока в этом диапазоне частот, можно эффективно идентифицировать наличие повреждений. По сравнению с технологией обнаружения частичных разрядов, метод обнаружения высокочастотного тока обладает более высокой чувствительностью и может захватывать очень слабые сигналы повреждений. Использование катушек Роговского для бесконтактного измерения не только упрощает установку, но и улучшает точность измерений. Эта технология особенно подходит для областей, труднодоступных для прямого доступа, и может выполнять онлайн-обследование без повреждения оборудования.

3 Оптимизация процесса диагностики и анализ случаев

3.1 Рекомендации по оптимизированному диагностическому процессу

При диагностике повреждений заземления сердечника первым шагом должно быть предварительное сканирование с использованием технологии инфракрасного термографирования. Инфракрасные тепловизоры могут быстро получить карты распределения температуры на поверхности трансформатора, помогая диагностическим специалистам определить возможные области аномального повышения температуры. После того, как предварительное сканирование определит потенциально поврежденные области, следующим шагом должно быть сочетание методов обнаружения высокочастотного тока и частичных разрядов для точного тестирования.

Метод обнаружения высокочастотного тока захватывает изменения тока заземления в диапазоне частот от 500 кГц до 2 МГц с помощью катушек Роговского, эффективно идентифицируя области повреждений заземления сердечника. Технология обнаружения частичных разрядов в реальном времени мониторит импульсные сигналы разряда с помощью датчиков HFCT, анализируя частоту и интенсивность разряда для дальнейшего подтверждения местоположения точек повреждений.

После проведения обнаружения высокочастотного тока и частичных разрядов, последним шагом является верификация и анализ степени повреждений с помощью анализа хроматографии масла. Обнаруживая растворенные газы в масле трансформатора, особенно изменения концентраций метана (CH4), этилена (C2H4) и других газов, можно дополнительно подтвердить природу повреждений. Для серьезных повреждений заземления сердечника анализ хроматографии масла покажет аномально повышенные компоненты газов. Сочетание данных анализа хроматографии масла с другими результатами обследования позволяет всесторонне оценить влияние повреждений и предоставить основу для последующих ремонтных работ.

3.2 Анализ типичных случаев

Во время эксплуатации на подстанции технический персонал заметил значительное увеличение тока заземления в распределительном трансформаторе напряжением 35 кВ, значительно превышающее нормальные значения. Данные мониторинга показали, что ток заземления достиг 5 А, в то время как в нормальных условиях ток заземления должен быть менее 100 мА. Проблема заключалась в том, что, хотя ток заземления аномально увеличился, явных внешних физических признаков повреждений не было. Традиционные электрические методы диагностики, такие как испытания постоянным сопротивлением и анализ хроматографии масла, не смогли предоставить четкую информацию о местоположении повреждений.

Для решения проблемы с заземлением сердечника трансформатора технический персонал применил несколько современных диагностических технологий. Сначала они использовали инфракрасный термограф FLIR T640 для предварительного обследования, быстро локализовав области повышения температуры в сердечнике и связанных компонентах. Затем они применили датчики высокочастотного тока PD-Tech HFCT для мониторинга тока заземления. Наконец, они использовали детекторы частичных разрядов PD-Tech для тестирования и анализа сигналов разряда, определив точку неисправности. Результаты тестов представлены в таблице 1.

Табл.1 Результаты обнаружения неисправностей трансформатора

На основе результатов обнаружения инфракрасной тепловой камерой, разница температур вблизи компонентов зажима сердечника достигла 12°C, превысив нормальный диапазон, что предварительно подтвердило возможный перегрев в этой области. В результате оперативного обнаружения с помощью датчиков высокочастотного тока было выявлено, что ток заземления составляет 5 А, значительно превышая нормальное значение 100 мА, указывая на то, что в трансформаторе развился дефект. Дальнейшее частичное обнаружение разрядов показало сильные колебания сигналов высокочастотного тока в диапазоне частот от 4,5 до 18 МГц, с постепенным увеличением интенсивности разрядов, что свидетельствует о том, что место дефекта находится в сборке зажима сердечника и дефект усугубляется.

Окончательное подтверждение места дефекта было получено на изоляционной прокладке компонента зажима сердечника. Из-за длительной эксплуатации материал изоляции старел, вызывая незначительные повреждения изоляции, которые привели к дефекту заземления. Меры по устранению дефекта включали замену изоляционной прокладки, и последующие испытания подтвердили, что ток заземления вернулся к нормальному значению, устранив дефект и восстановив стабильную работу оборудования.

Этот случай демонстрирует, что комбинация технологий инфракрасного термографирования, частичного обнаружения разрядов и обнаружения высокочастотного тока может эффективно повысить эффективность и точность диагностики дефектов заземления сердечника. В реальных процессах эксплуатации и технического обслуживания персонал должен регулярно использовать эти технологии для совместной диагностики, чтобы обеспечить безопасную и стабильную работу трансформаторов.

4 Заключение

При диагностике дефектов заземления сердечника комплексное применение нескольких современных диагностических технологий может значительно повысить точность локализации дефектов и эффективность диагностики. Благодаря синергетическому эффекту обнаружения высокочастотного тока, анализа частичных разрядов и технологии инфракрасного термографирования, потенциальные риски оборудования могут быть обнаружены на ранних стадиях, а источники дефектов могут быть точно идентифицированы, что снижает время простоев оборудования и продлевает срок службы трансформаторов.

В будущем, с постоянным развитием и применением новых технологий обнаружения, диагностика и техническое обслуживание дефектов заземления сердечника станут более эффективными и точными, обеспечивая стабильность и безопасность энергетических систем.