Analiza dijagnostičkih metoda za otkrivanje grešaka u zemljačkom spoju jezgre transformatora na 35 kV

35 kV distribucijski transformatori: Analiza grešaka u zemljanju jezgra i dijagnostičke metode

35 kV distribucijski transformatori su česta ključna oprema u energetskim sistemima, koja obavlja važne zadatke prenosa električne energije. Međutim, tokom dugotrajnog rada, greške u zemljanju jezgra postaju veliki problem koji utiče na stabilnost rada transformatora. Greške u zemljanju jezgra ne samo da utiču na energetske performanse transformatora i povećavaju troškove održavanja sistema, već mogu dovesti i do ozbiljnijih elektrotehničkih grešaka.

Kako se elektro-uređaji starije, frekvencija pojavljivanja grešaka u zemljanju jezgra postepeno raste, što zahteva jačanu dijagnozu i tretiranje grešaka u operativnom i održavajućem radu elektro-uređaja. Iako postoje određene dijagnostičke metode, postoje još tehnoloških ograničenja kao što su niska efikasnost detekcije i teškoća lokacije grešaka. Postoji urgentna potreba za istraživanjem i primenom preciznijih, osetljivijih tehnologija za dijagnozu grešaka kako bi se poboljšala pouzdanost rada opreme i osigurala stabilnost i sigurnost energetskog sistema.

1 Analiza uzroka i karakteristika grešaka u zemljanju jezgra 35 kV distribucijskih transformatora

1.1 Uobičajeni uzroci grešaka u zemljanju jezgra

U 35 kV distribucijskim transformatorima, između slojeva jezgra obično se koriste izolacioni materijali za izolaciju. Međutim, tokom dugotrajnog rada, unutrašnji električni polja i temperatura dovode do postepenog starjenja izolacionih materijala, posebno u okruženjima visokog napona i visoke temperature gde brzo opadaju izolacione osobine. Sa napredovanjem starjenja, otpor izolacije se smanjuje, a u delovima gde dođe do propusta izolacije može nastati višetocka greška u zemljanju.

Transformatori neizbežno iskušavaju mehaničke vibracije tokom dugoletnog rada. Posebno pod uslovima znatnih fluktuacija opterećenja, vibracije mogu dovesti do relativne dislokacije jezgra i komponenti za hvatanje jezgra. Slabe špane za hvatanje jezgra ili oštećeni izolacioni materijali mogu pokrenuti greške u zemljanju. Defekti proizvodnje jezgra transformatora takođe su važni uzroci grešaka u zemljanju jezgra. Toku proizvodnje, ako silicijske plasti imaju reperne ivice, neravnomerno naneti izolacioni sloj ili nedovoljnu preciznost obrade jezgra, mogu nastati lokalni oštećenja izolacije. Takvi defekti su često koncentrisani u delovima zemljanja transformatora. Kada je raspodela električnog polja u jezgru neravnomerna, mogu se javiti parcijalni razlagi.

1.2 Električke karakteristike i opasnosti grešaka

Najdirektnija električna karakteristika grešaka u zemljanju jezgra jeste porast struje u zemlju. Nakon što se desi greška u zemljanju, struja u zemlju obično prikazuje fluktuacije struje sa harmonijskim komponentama, posebno u visokofrekventnim regionima iznad 50 Hz. Kada se desio propust, talasna forma struje u zemlju često biva nesinusoidna, sa većim amplitudama harmonijskih komponenti.

Druga tipična karakteristika grešaka u zemljanju jezgra jeste parcijalni razlag. Nakon propusta izolacionog materijala, električno polje se koncentriše u oštećenim zonama, što dovodi do pojave koronskog razlaga i parcijalnog razlaga. Parcijalni razlag obično generiše visokofrekventne impulze struje sa frekvencijskim opsegom obično između 3-30 MHz. Strujne signale u ovom frekvencijskom opsegu mogu se uhvatiti i analizirati koristeći specijalne visokofrekventne transformatore struje (HFCT).

Još jedna električna karakteristika koja se pokreće zbog grešaka u zemljanju jezgra jeste efekat povećanja temperature. Zbog gubitaka vrtlog struje na mestu greške, lokalna temperatura se povećava. Ovaj efekat povećanja temperature ne samo direktno oštećuje izolacione materijale, već može dovesti i do pretjerane temperature u parcijalnim zonama jezgra.

1.3 Uticaj grešaka na rad transformatora

Greške u zemljanju jezgra dovode do porasta struje u zemlju, što na svoju stranu dovodi do dodatnih gubitaka u jezgru transformatora. Gubitci u jezgru uglavnom se sastoje od gubitaka vrtlog struje i gubitaka histerese. Kada se desi greška u zemljanju, neravnomerna raspodela magnetnog toka unutar transformatora značajno povećava gubitke vrtlog struje u određenim zonama. To ne samo smanjuje energetske performanse transformatora, već može značajno povećati troškove rada. Povećani gubitci u jezgru pogoršavaju pregrejavanje transformatora, što dalje utiče na dugoročnu stabilnost rada.

Parcijalni razlag i efekat povećanja temperature koji nastaju zbog grešaka u zemljanju jezgra ubrzavaju starjenje unutrašnjih izolacionih materijala u transformatorima. Toku starjenja izolacije, otpor slojeva izolacije se postepeno smanjuje, a sposobnost električne izolacije postepeno nestaje. Kada izolacija potpuno prestane da funkcioniše, može dovesti do lokalnih kratkih spojeva ili čak do ozbiljnijih kompletnih grešaka kratkog spoja.

Greške u zemljanju jezgra ne samo dovode do smanjenja električnih performansi, već utiču i na hemijski sastav transformatorskog ulja. Kada jezgro ide u zemlju, parcijalni razlag i pregrejavanje dovode do povećanja interne temperature ulja, što dovodi do promena u sastavu rastvorenih gasova u ulju, posebno do anormalnog porasta sadržaja metana (CH4) i etilena (C2H4).

2 Dijagnostičke metode i tehničko upoređenje grešaka u zemljanju jezgra

2.1 Tradicionalne dijagnostičke metode

Metoda DC otpora je jedna od tradicionalnih dijagnostičkih metoda za greške u zemljanju jezgra, koja se uglavnom koristi za ocenu postojanja grešaka merenjem otpora izolacije između jezgra i zemlje. Ova metoda primenjuje DC napon i meri odnos struje i napona kako bi se izračunao otpor izolacije. Idealno, otpor izolacije jezgra treba da ostane na visokoj vrednosti; ako otpor pada ispod određene granice, to može ukazivati na grešku u zemljanju.

Međutim, metoda merenja naizmeničnog otpora ne može tačno lokirati mesta grešaka. Njeni rezultati mogu samo odraziti prosečnu izolacionu performansu čitavog jezgra i ne mogu odrediti specifične područje greške. Ova metoda takođe ima određenu zakasnelost, posebno kada starenje izolacije još uvek nije dovelo do značajnih promena otpora, što čini ranu detekciju grešaka neučinkovitom. Takođe, metoda naizmeničnog otpora ne može pružiti informacije o tipovima grešaka, a detaljne karakteristike grešaka ne mogu se efektivno izvući iz merenih podataka.

Analiza hromatografije ulja detektuje promene u sastavu rastvorenih gasova u transformatornom ulju kako bi se zaključilo o tipovima grešaka. Ovi rastvoreni gasevi obično nastaju kada se unutar transformatora pojave razlaganje, prekomerno zagrevanje ili druge električne greške. Uobičajeni gasovi u transformatornom ulju uključuju metan (CH4), etilen (C2H4), etan (C2H6) itd. Promene koncentracija gasova mogu odraziti radni status transformatora. 

Upoređivanjem koncentracija rastvorenih gasova u ulju sa tipovima grešaka, može se predviđeno utvrditi da li se dogodila greška u zemljanju jezgra transformatora. Analiza hromatografije ulja ima relativno zakasnjen odgovor; nakon što se dogodi greška, treba vreme da se rastvoreni gasevi akumuliraju, što ograničava aktuelnost dijagnostike grešaka. Takođe, analiza hromatografije ulja ne može pružiti tačne lokacije grešaka ili specifične karakteristike, već ukazuje na greške putem promena koncentracija gasova. Za manje ili intermitentne greške, dijagnostika analizom hromatografije ulja može biti zakasnjena i ne može brzo reagirati na pojavu grešaka.

2.2 Moderne tehnologije detektovanja instrumenata

Tehnologija detektovanja parcijalnog razlaganja zasnovana je na principu visokofrekventnih transformatora struje (HFCT), hvatanju i analizi impulsnih signala razlaganja koji nastaju zbog zemljanja jezgra radi dijagnostike grešaka. Kada se javi greška u zemljanju jezgra, parcijalno razlaganje generiše visokofrekventne impulse struje na mestima oštećenja izolacije. Ovi signali struje obično se manifestiraju kao visokofrekventni šum ili impulsni signali sa frekvencijskim opsegom obično između 3-30 MHz. 

Instaliranjem senzora visokofrekventne struje na zemljnoj liniji transformatora, signali parcijalnog razlaganja mogu se uhvatiti u realnom vremenu. Ova tehnologija može efikasno lokirati parcijalna mesta grešaka, ima visoku osjetljivost i može detektovati greške u ranim fazama. Detektovanje parcijalnog razlaganja može efektivno identifikovati manje greške koje nastaju zbog starenja izolacije ili mehaničkog oštećenja, pružajući tačne informacije o dijagnostici grešaka. Analizom signala parcijalnog razlaganja može se proceniti težina i trend razvoja grešaka, omogućavajući odgovarajuće održavanje ili preventivne mere.

Tehnologija infracrvene termografske analize detektuje lokalne područja porasta temperature u jezgru pomoću infracrvenih termografskih kamera kako bi se utvrdilo da li postoje greške u zemljanju. Nakon što se greške u zemljanju pojave u transformatorima, strujni gubitci u lokalnim područjima dovode do porasta temperature, posebno značajnog porasta temperature oko mesta greške. Tehnologija infracrvene termografske analize može dobiti distribuciju temperature na površini jezgra u realnom vremenu i utvrditi postojanje grešaka putem razlike temperature. Obično, kada su razlike temperature veće od 10°C, potrebno je usredsrediti istraživanje na to područje. Prednost ove tehnologije leži u tome što može detektovati promene temperature bez dodira, sa brzom brzinom merenja, što je pogodno za brzu terensku detekciju.

Metoda detektovanja visokofrekventne struje koristi Rogowski-ove cvekove za merenje promena visokofrekventne struje u zemljnim linijama, obično u frekvencijskom opsegu od 500 kHz do 2 MHz. Ove visokofrekventne struje generišu procesi razlaganja uzrokovani greškama u zemljanju jezgra. Detektovanjem signala struje u ovom frekvencijskom opsegu, može se efektivno identifikovati postojanje grešaka. U poređenju sa tehnologijom detektovanja parcijalnog razlaganja, metoda detektovanja visokofrekventne struje ima veću osjetljivost i može uhvatiti ekstremno slabe signale grešaka. Koristeći Rogowski-ove cvekove za merenje bez dodira, ne samo što se pojednostavljava instalacija, već se povešava i tačnost merenja. Ova tehnologija je posebno pogodna za područja koja su teško dostupna i može izvršiti on-line detekciju bez oštećenja opreme.

3 Optimalizacija procesa dijagnostike grešaka i analiza slučaja

3.1 Preporuke za optimalizaciju dijagnostičkog procesa

Pri dijagnostici grešaka u zemljanju jezgra, prvi korak bi trebao biti preliminarna selekcija pomoću tehnologije infracrvene termografske analize. Infracrvene termografske kamere mogu brzo dobiti karte distribucije temperature na površini transformatora, pomažući dijagnostičkom osoblju da identifikuju moguća područja anormalnog porasta temperature. Nakon što preliminarna selekcija identifikuje potencijalna područja grešaka, sledeći korak bi trebao kombinovati metodu detektovanja visokofrekventne struje i tehnologiju detektovanja parcijalnog razlaganja za precizna ispitivanja.

Metoda detektovanja visokofrekventne struje uhvata promene zemljne struje u frekvencijskom opsegu od 500 kHz do 2 MHz pomoću Rogowski-ovih cvekova, efektivno identifikujući područja grešaka u zemljanju jezgra. Tehnologija detektovanja parcijalnog razlaganja monitoriši impulsnim signale razlaganja u realnom vremenu pomoću HFCT senzora, analizirajući frekvenciju i intenzitet razlaganja kako bi se dalje potvrdili položaji mesta greške.

Nakon provedbe detektovanja visokofrekventne struje i parcijalnog razlaganja, konačni korak je verifikacija i analiza težine greške putem analize hromatografije ulja. Detektovanjem rastvorenih gasova u transformatornom ulju, posebno promene koncentracija metana (CH4), etilena (C2H4) i drugih gasova, može se dalje potvrditi priroda greške. Za ozbiljne greške u zemljanju jezgra, hromatografija ulja će pokazati anomalno povišene komponente gasova. Kombinirajući podatke hromatografije ulja sa drugim rezultatima detektovanja, može se komprehensivno proceniti uticaj grešaka i dati osnovu za nadogradnju narednih popravljajućih radova.

3.2 Analiza tipičnog slučaja

Tokom rada u podstanici, održavajuće osoblje primetilo je značajan porast zemljne struje u 35 kV distribucijskom transformatoru, daleko iznad normalnih vrednosti. Podaci monitoringa pokazuju da je zemljna struja dosegla 5 A, dok u normalnim uslovima zemljna struja bi trebalo da bude manja od 100 mA. Izazov bio je taj da, iako je zemljna struja anomalno porasla, nisu bile vidljive očigledne fizikalne indikacije greške spolja. Tradicionalne elektrotehničke metode dijagnostike, kao što su testiranje naizmeničnog otpora i analiza hromatografije ulja, nisu pružile jasne informacije o lokaciji greške.

Da bi se rešila ovaj problem sa zemljenjem jezgre transformatora, održavajući personel je korišćenje nekoliko modernih dijagnostičkih tehnologija. Prvo, koristili su FLIR T640 infracrveni termografski uređaj za pretpostavljanu selekciju, brzo lokirajući područja porasta temperature u jezgri i poveznim komponentama. Zatim su koristili PD-Tech HFCT visokofrekventne senzore struje za monitoring zemljene struje. Konačno, upotrebili su PD-Tech detektore parcijalnih razlepa kako bi testirali i analizirali signale razlepa, lokirajući tačku greške. Rezultati testiranja prikazani su u tabeli 1.

Tab.1 Rezultati otkrivanja problema sa transformatorom

Na osnovu rezultata detekcije infracrvenog termografskog snimka, temperatura u blizini komponenti za kleštaža jezgra dostigla je razliku od 12°C, premašujući normalni opseg, što je predviđeno mogućim pregresom u toj zoni. Realno vreme detekcije pomoću senzora visokofrekventnog struja pokazalo je strujnu vrednost na zemlji od 5 A, značajno premašujući normalnu vrednost od 100 mA, ukazivajući da se unutar transformatora razvila greška. Dalja detekcija delimičnih isparavanja pokazala je snažne fluktuacije signala visokofrekventne struje u opsegu frekvencija od 4,5-18 MHz, sa postepenim porastom intenziteta isparavanja, ukazivajući da se tačka greške nalazi na komponenti za kleštaža jezgra i da se greška pogoršava.

Konačno potvrđena tačka greške bila je izolacioni podložak komponente za kleštaža jezgra. Izolacioni materijal se stario zbog dugotrajne upotrebe, uzrokujući malo oštećenje izolacije koje je povuklo grešku na zemlji. Mere za rešavanje greške uključivale su zamenu izolacionog podložka, a nadaljnje testiranje je potvrdilo da se strujna vrednost na zemlji vratila na normalu, eliminirajući grešku i vraćajući stabilnu operativnost opreme.

Ovaj slučaj pokazuje da kombinacija tehnologije infracrvenog termografskog snimanja, tehnologije detekcije delimičnih isparavanja i tehnologije detekcije visokofrekventne struje može efektivno povećati efikasnost i preciznost dijagnostike grešaka na zemlji jezgra. U stvarnim procesima održavanja i korišćenja, osoblje treba redovno koristiti ove tehnologije za zajedničku dijagnozu kako bi se osigurala bezbedna i stabilna operativnost transformatora.

4 Zaključak

U dijagnostici grešaka na zemlji jezgra, kombinovana primena više modernih dijagnostičkih tehnologija može značajno povećati preciznost lokacije grešaka i efikasnost dijagnoze. Kroz sinergijski efekat detekcije visokofrekventne struje, analize delimičnih isparavanja i tehnologije infracrvenog termografskog snimanja, moguće je detektovati potencijalne rizike opreme u ranim fazama, a tačno identifikovati izvore grešaka, smanjujući vremenski period neradnosti opreme i proširujući životnu vreme transformatora.

U budućnosti, uz kontinuiran razvoj i primenu novih tehnologija detekcije, dijagnoza i održavanje grešaka na zemlji jezgra će postati još efikasnije i preciznije, čuvajući stabilnost i sigurnost sistema električne energije.