Analiza diagnostičnih metod za napake pri zemlji jader v transformatorjih za distribucijo na 35 kV

35 kV distribucijski transformatorji: Analiza in diagnostične metode za napake zazemljenja jedra

35 kV distribucijski transformatorji so pogosti ključni opremi v električnih sistemih, ki nosijo pomembne naloge prenosa električne energije. Vendar pa so med dolgoročno delovanjem postale velika težava, ki vpliva na stabilno delovanje transformatorjev, napake zazemljenja jedra. Napake zazemljenja jedra ne le vplivajo na energetsko učinkovitost transformatorja in povečujejo stroške vzdrževanja sistema, ampak lahko tudi sprožijo še bolj resne električne odpade.

S staranjem električne opreme se frekvenca napak zazemljenja jedra postopoma povečuje, kar zahteva okrepjeno diagnostiko in odpravljanje napak pri delu in vzdrževanju električne opreme. Čeprav obstajajo določene diagnostične metode, obstajajo še vedno tehnične ovire, kot sta nizka učinkovitost odkrivanja in težave pri določitvi lokacije napak. Nujno je potrebno raziskati in uporabiti bolj točne in občutljive diagnostične tehnologije, da se izboljša zanesljivost delovanja opreme in zagotovi stabilnost in varnost električnega sistema.

1 Analiza vzrokov in lastnosti napak zazemljenja jedra v 35 kV distribucijskih transformatorjih

1.1 Pogosti vzroki za napake zazemljenja jedra

V 35 kV distribucijskih transformatorjih se običajno uporabljajo izolacijski materiali med lamine jedra za izolacijo. Vendar pa med dolgoročnim delovanjem notranje električno polje in temperatura povzročita postopno starenje izolacijskih materialov, zlasti v okoljih visokih napetosti in višjih temperatur, kjer se hitro poslabša izolacijska zmogljivost. S tem, ko se starenje nadaljuje, se izolacijski upor zmanjša, in izolacijska odpoved v določenih območjih lahko ustvari večtočkovne napake zazemljenja.

Transformatorji nepreprečno doživljajo mehanske vibracije med dolgotrajnim delovanjem. Zlasti pod pogoji znatnih fluktuacij bremena lahko vibracije povzročijo relativno pomikanje jedra in elementov za zateganje jedra. Razluščeni zategovalci jedra ali poškodovani izolacijski materiali lahko sprožijo napake zazemljenja. Izdelovalne napake jedra transformatorjev so tudi pomembni vzroki za napake zazemljenja jedra. Med izdelavo, če silikatna jeklena ploščica ima reper, neravnomerno izolacijsko premaz, ali nedostatočno točnost obdelave jedra, se lahko pojavi lokalna izolacijska poškodba. Take napake so pogosto koncentrirane v zazemljenih delih transformatorja. Ko je porazdelitev električnega polja v jedru neravnomerna, lahko nastane delni razlag.

1.2 Električne značilnosti in tveganja zaradi napak

Najbolj neposredna električna značilnost napak zazemljenja jedra je povečan tok zazemljenja. Po nastanku napake zazemljenja tok zazemljenja običajno kaže nihanja s harmonskimi komponentami, zlasti v visoko-frekvenčnih območjih nad 50 Hz. Ob nastanku napak oblika valovanja toka zazemljenja pogosto ni sinusna, s večjimi amplitudami harmonskih komponent.

Druga tipična značilnost napak zazemljenja jedra je delni razlag. Po odpovedi izolacijskega materiala se električno polje koncentira v poškodovanih območjih, kar povzroči koronski razlag in pojave delnega razlaga. Delni razlag običajno ustvarja visoko-frekvenčne impulze toka z frekvenčnimi obsegom običajno med 3-30 MHz. Tokovne signale v tem frekvenčnem obsegu je mogoče zajeti in analizirati z uporabo specializiranih visoko-frekvenčnih tokovnih transformatorjev (HFCT).

Druga električna značilnost, ki jo sprožijo napake zazemljenja jedra, je učinek povišanja temperature. Zaradi eddijevih izgub na mestu napake lokalno poveča temperatura. Ta učinek povišanja temperature ne le neposredno poškoduje izolacijske materiale, ampak lahko tudi povzroči preseganje temperature v določenih območjih jedra.

1.3 Vpliv napak na delovanje transformatorja

Napake zazemljenja jedra vodijo k povečanemu toku zazemljenja, ki na vrsti povzroči dodatne izgube v jedru transformatorja. Izgube v jedru so predvsem sestavljene iz eddijevih izgub in histerzijskih izgub. Ko se pojavijo napake zazemljenja, neravnomerno porazdelitev magnetnega toka znotraj transformatorja znatno poveča eddijeve izgube v določenih območjih. To ne le zmanjša energetsko učinkovitost transformatorja, ampak lahko tudi znatno poveča operativne stroške. Povečane izgube v jedru poslabšajo preseganje temperature transformatorja, kar še bolj vpliva na dolgoročno stabilno delovanje.

Delni razlag in učinek povišanja temperature, ki jih povzročijo napake zazemljenja jedra, pospešita starenje notranjih izolacijskih materialov v transformatorju. Med starenjem izolacije se upor izolacijskih slojev postopoma zmanjša, in električna izolacijska zmogljivost postaja manjša. Ko izolacija popolnoma odpade, lahko to sproži lokalne kratkopovezave ali še bolj resne popolne kratkopovezave.

Napake zazemljenja jedra ne le vodijo k zmanjšanju električne zmogljivosti, ampak tudi vplivajo na kemijski sestav transformatorskega olja. Ko se jedro zazemlji, delni razlag in preseganje temperature povzročita povišanje notranje temperature olja, kar vodi do sprememb v sestavu rastlinih plinov v olju, zlasti nenormalnega povečanja vsebnosti metana (CH4) in etilena (C2H4).

2 Diagnostične metode in tehnično primerjava za napake zazemljenja jedra

2.1 Tradicionalne diagnostične metode

Metoda DC upora je ena od tradicionalnih diagnostičnih metod za napake zazemljenja jedra, ki glavnokrat določa obstoj napak z merjenjem izolacijskega upora med jedrom in zemljo. Ta metoda uporablja DC napetost in meri razmerje med tokom in napetostjo, da izračuna izolacijski upor. Idealno bi morala biti izolacijska upornost jedra visoka; če pa upor pada pod določen prag, to lahko naznačuje napako zazemljenja.

Vendar metoda DC upornosti ne more natančno določiti lokacije napak. Njeni rezultati merjenja lahko le odražajo povprečno izolacijsko zmogljivost celotnega jedra in ne morejo določiti specifičnih območij z napako. Ta metoda ima tudi določeno zamudo, še posebej, ko staranje izolacije še ni povzročilo bistvenih sprememb upornosti, zaradi česar začetna odkrivanja napak niso učinkovita. Poleg tega metoda DC upornosti ne more pružiti informacij o vrstah napak, in podrobne značilnosti napak ne morejo biti učinkovito izvedene iz podatkov merjenja.

Analiza plinske kromatografije zaznava spremembe v sestavi toplih plinov v transformatorjem olju, da bi sklepli o vrstah napak. Ti topli plini so običajno nastali, ko se notranjosti transformatorja pojavijo razlaganja, preseganja temperature ali druge električne napake. Pogosti sestavki plinov v transformatorjem olju vključujejo metan (CH4), etilen (C2H4), etan (C2H6) itd. Spremembe koncentracij plinov lahko odražajo stanje delovanja transformatorja. 

Z primerjanjem koncentracij toplih plinov v olju s vrstami napak je mogoče predhodno določiti, ali je v transformatorju prišlo do napake z utikom jedra. Analiza plinske kromatografije ima relativno zamudjen odziv; po nastopu napake potrebuje čas, da se topli plini nakopičijo, kar omejuje nujnost diagnoze napak. Poleg tega analiza plinske kromatografije ne more pružiti natančnih lokacij napak ali specifičnih značilnosti, temveč samo kaže na napake skozi spremembe koncentracij plinov. Za manjše ali intermitirajoče napake morda analiza plinske kromatografije diagnoza zamenjava in ne more hitro odgovoriti na nastop napake.

2.2 Moderna tehnologija za detekcijo z napravami

Tehnologija za detekcijo delnih razlaganj temelji na principu visokonapetostnih tokovnikov (HFCT), ki zajema in analizira impulzne signale razlaganja, ki jih povzroči utik jedra, da bi diagnosticirala napake. Ko se pojavijo napake z utikom jedra, delna razlaga generira visokoobratne tokovne impulze na mestih poškodbe izolacije. Ti tokovni signali običajno izrazajo visokoobratni šum ali impulzne signale z frekvenčnimi obsegi, ki so običajno med 3-30 MHz. 

Namestitev visokoobratnih senzorjev toka na utikalno črto transformatorja omogoča vremensko zajem signala delne razlage. Ta tehnologija lahko učinkovito določi lokacije delnih napak, ima visoko občutljivost in lahko zazna napake v ranem stadiju. Detekcija delnih razlaganj lahko učinkovito identificira manjše napake, ki jih povzroči staranje izolacije ali mehanska poškodba, in pruža natančne informacije o diagnostiki napak. Z analizo signalov delnih razlaganj je mogoče oceniti težavnost in trend napak, kar omogoča ustrezno vzdrževanje ali preventivne ukrepe.

Tehnologija infrardečega termografskega slikanja zaznava lokalne območja povečane temperature v jedru z uporabo infrardečih termografskih kamer, da bi določila, ali obstajajo napake z utikom. Po nastopu napak z utikom v transformatorjih pride do edvihskih izgub v lokalnih območjih, ki povzročajo povečanje temperature, zlasti značilno povečanje temperature okoli napak. Tehnologija infrardečega termografskega slikanja lahko pridobi vremensko porazdelitev temperature na površini jedra in določi obstoj napak skozi temperaturne razlike. Običajno, ko so temperaturne razlike večje od 10°C, je potrebno fokusirano preiskovanje tega območja. Prednost te tehnologije je v tem, da zaznava spremembe temperature brez stika, z hitrostjo meritve, ki je primernejša za hitro občutljivo preiskovanje na mestu.

Metoda visokoobratne tokovne detekcije uporablja Rogowske krogle za merjenje sprememb visokoobratnega toka v utikalnih črtah, običajno v frekvenčnem obsegu 500 kHz do 2 MHz. Te visokoobratne tokove generira proces razlaganja, ki ga povzročijo napake z utikom jedra. Z detekcijo tokovnih signalov v tem frekvenčnem obsegu je mogoče učinkovito identificirati obstoj napak. V primerjavi s tehnologijo za detekcijo delnih razlaganj ima metoda visokoobratne tokovne detekcije višjo občutljivost in lahko zajame zelo šibke signale napak. Uporaba Rogowskih krogel za meritve brez stika ne le poenostavi namestitev, ampak tudi izboljša natančnost merjenja. Ta tehnologija je zlasti primerljiva za območja, ki so težko dostopna, in lahko izvaja on-line detekcijo brez poškodbe opreme.

3 Optimizacija postopka diagnostike napak in analiza primerov

3.1 Priporočila za optimiziran postopek diagnostike

Pri diagnostiki napak z utikom jedra bi moralo biti prvo korak predhodno selektiranje z uporabo tehnologije infrardečega termografskega slikanja. Infrardeči termografski snopi lahko hitro pridobijo kartice porazdelitve temperature površine transformatorja, ki pomagajo diagnostičnim osebom, da identificirajo možna območja z nenormalno povečano temperaturo. Ko predhodno selektiranje identificira možna območja z napakami, naslednji korak bi moral kombinirati tehnologijo visokoobratne tokovne detekcije in tehnologijo za detekcijo delnih razlaganj za natančno preverjanje.

Metoda visokoobratne tokovne detekcije zajema spremembe utikalnega toka v frekvenčnem obsegu 500 kHz do 2 MHz z uporabo Rogowskih krogel, učinkovito identificirajo območja z napakami z utikom jedra. Tehnologija za detekcijo delnih razlaganj nadzira impulzne signale razlaganja v realnem času z uporabo HFCT senzorjev, analizira frekvenco in intenziteto razlaganja, da bi dodatno potrdila lokacije napak.

Po izvedbi visokoobratne tokovne in delne razlage, je zadnji korak verifikacija in analiza težavnosti napak preko analize plinske kromatografije. Z detekcijo toplih plinov v transformatorjem olju, zlasti sprememb koncentracij metana (CH4), etilena (C2H4) in drugih plinov, se lahko dodatno potrdi narava napak. Za resne napake z utikom jedra bo analiza plinske kromatografije pokazala nenormalno povišane komponente plinov. Kombiniranje podatkov analize plinske kromatografije s drugimi rezultati detekcije omogoča celosten pregled vpliva napak in pruža osnovo za nadaljnje popravne dela.

3.2 Analiza tipičnega primera

Med delovanjem v podstanici so održevalci opazili značilno povečanje utikalnega toka v 35 kV distribucijskem transformatorju, ki je precej preseglo normalne vrednosti. Podatki o spremljanju so pokazali, da je utikalni tok dosegl 5 A, medtem ko bi bil v normalnih pogojih treba biti manj kot 100 mA. Izazov je bil, da kljub značilno povečanemu utikalnemu toku, ni bilo očitnih zunanjih fizikalnih kazalcev napak. Tradicionalne elektrotehnične metode diagnostike, kot sta testiranje DC upornosti in analiza plinske kromatografije, nista pružili jasnih informacij o lokaciji napak.

Za reševanje težave z zemljenjem jedra transformatorja je održevalni osebik uporabil nekaj sodobnih diagnostičnih tehnologij. Najprej so za prehodno pregledovanje uporabili termografsko kameru FLIR T640, s katero so hitro našli območja z temperaturnim naraščanjem v jedru in povezanih komponentah. Nato so z senzorji viške frekvence PD-Tech HFCT spremljali tok zemljenja. Nazadnje so z detektorji delnih razbojov PD-Tech testirali in analizirali signale razboja, s čimer so lokalirovali točko napake. Rezultati testiranja so prikazani v Tabeli 1.

Tabela 1. Rezultati zaznavanja težav pri transformatorju

Na podlagi rezultatov merjenja s termografsko kamerjo je razlika v temperaturi blizu komponent za zategovanje jedra dosegljala 12°C, kar presega normalni obseg, in je bila predhodno potrjena možna prekomerna segrevanje v tej območju. V realnem času je merjenje z visokonapetostnimi tokovimi senzorji razkrilo tok do zemlje 5 A, ki je znatno presegel normalno vrednost 100 mA, kar kaže, da se je v transformatorju razvil okvarni stan. Nadaljnje delne razvrščanje so pokazale močne nihanja visokonapetostnih tokovih signalov v frekvenčnem območju 4,5-18 MHz, z postopno naraščajočo intenzivnostjo razvrščanja, kar kaže, da je okvarno mesto bilo na komponenti za zategovanje jedra in da se je okvare poslabševala.

Končno potrjeno okvarno mesto je bila izolacijska podloga komponente za zategovanje jedra. Izolacijski material se zaradi dolgoročnega delovanja utrdil, kar je povzročilo manjše poškodbe izolacije in sprožilo okvaro pri zemlji. Merila za odpravljanje okvare so vključevala zamenjavo izolacijske podloge, in nadaljnje testiranje je potrdilo, da se je tok do zemlje vrnil na normalno, odpravljena je bila okvara in obnovljeno stabilno delovanje opreme.

Ta primer kaže, da lahko kombinacija tehnologije termografskega slikanja, tehnologije delnega razvrščanja in tehnologije merjenja visokonapetostnih tokov učinkovito izboljša učinkovitost in točnost določevanja okvar pri zemlji jedra. V dejanskih operativnih in vzdrževalnih procesih bi osebje redno moralo uporabljati te tehnologije za združeno določevanje, da zagotovi varno in stabilno delovanje transformatorjev.

4 Zaključek

Pri določevanju okvar pri zemlji jedra lahko kombinirana uporaba več modernih diagnostičnih tehnologij znatno izboljša točnost določevanja lokacije okvar in učinkovitost diagnostike. Skupni učinki merjenja visokonapetostnih tokov, analize delnega razvrščanja in tehnologije termografskega slikanja omogočajo zgodnje zaznavanje potencialnih tveganj opreme in točno določevanje viru okvar, kar zmanjšuje čas odpovedi opreme in podaljša življenjsko dobo transformatorjev.

V prihodnosti bo z nadaljnjim razvojem in uporabo novih tehnik za določevanje še bolj učinkovito in točno spremljano določevanje in vzdrževanje okvar pri zemlji jedra, kar bo zagotovilo stabilnost in varnost električnih sistemov.