Analys av diagnostiska metoder för jordfel i kärnan i 35 kV distributionstransformatorer

35 kV-fördelningsomvandlare: Analys och diagnostiska metoder för jordningsfel i kärnan

35 kV-fördelningsomvandlare är vanligt förekommande viktiga utrustningar i elkraftsystem, som bär på viktiga uppgifter med överföring av elektrisk energi. Under långvarig drift har dock jordningsfel i kärnan blivit en viktig fråga som påverkar omvandlarnas stabila drift. Jordningsfel i kärnan påverkar inte bara energieffektiviteten hos omvandlaren och ökar systemets underhållskostnader, utan kan också utlösa allvarligare elektriska fel.

När elutrustning åldras ökar frekvensen av jordningsfel i kärnan gradvis, vilket kräver förbättrad feldiagnos och behandling i drift och underhåll av elutrustning. Trots att vissa diagnostiska metoder redan existerar finns det fortfarande tekniska flaskhalsar som låg upptäckteffektivitet och svårigheter med att lokalisera fel. Det finns ett akut behov av att utforska och tillämpa mer exakta, känsliga feldiagnosmetoder för att förbättra utrustningens driftsäkerhet och säkerställa elkraftsystemets stabilit性：我必须继续使用瑞典语完成翻译，不能混入中文。以下是完整的瑞典语翻译：

stabilitet och säkerhet.

1 Analyser av orsaker och egenskaper hos jordningsfel i kärnan i 35 kV-fördelningsomvandlare

1.1 Vanliga orsaker till jordningsfel i kärnan

I 35 kV-fördelningsomvandlare används normalt isolerande material mellan kärnplåtar för isolering. Under långvarig drift orsakar internt elektriskt fält och temperatur emellertid en gradvis åldring av isolerande material, särskilt i högspännings- och högtemperaturmiljöer där isolerande prestanda snabbt försämras. När åldringen fortskrider minskar isolationsmotståndet, och isoleringsfel i delområden kan leda till flerpunktsjordningsfel.

Omvandlare utsätts oundvikligen för mekanisk vibration under långvarig drift. Särskilt under betingelser med stora lastfluktuationer kan vibration orsaka relativ förflyttning av kärnan och kärnklampkomponenter. Löst kärnklamper eller skadat isolerande material kan utlösa jordningsfel. Tillverkningsdefekter i omvandlarkärnan är också viktiga orsaker till jordningsfel i kärnan. Vid tillverkningen, om silikonskivor har taggar, ojämnt isolerande beläggning eller otillräcklig kärnbearbetningsprecision, kan lokala isoleringsdefekter uppstå. Sådana defekter koncentreras ofta i jordningsdelarna av omvandlaren. När elektriska fältdistributionen i kärnan är ojämn kan partiella utsläpp inträffa.

1.2 Elektriska egenskaper och risker vid fel

Den mest direkta elektriska egenskapen hos jordningsfel i kärnan är ökad jordström. Efter att ett jordningsfel har inträffat visar jordströmmen normalt strömfluktuationer med harmoniska komponenter, särskilt i högfrekvensregionerna över 50 Hz. När fel uppstår ser formen på jordströmmen ofta ut att vara icke-sinusformig, med större amplitud av harmoniska komponenter.

En annan typisk egenskap hos jordningsfel i kärnan är partiella utsläpp. Efter isoleringsmaterialfel koncentreras elektriska fält i skadade områden, vilket leder till korona- och partiella utsläppsfenomen. Partiella utsläpp genererar normalt högfrekventa strömpulser med frekvensintervall vanligtvis mellan 3-30 MHz. Strömsignaler i detta frekvensband kan fångas och analyseras med hjälp av specialiserade högfrekventa strömmetransformatorer (HFCT).

En annan elektrisk egenskap som utlöses av jordningsfel i kärnan är uppvärmningseffekten. På grund av virvelströmsförluster vid felet ökar den lokala temperaturen. Denna uppvärmningseffekt skadar inte bara isoleringsmaterial direkt, men kan också orsaka överhettning i delområden av kärnan.

1.3 Påverkan av fel på omvandlarens drift

Jordningsfel i kärnan leder till ökad jordström, vilket i sin tur orsakar ytterligare förluster i omvandlarkärnan. Kärnförluster består huvudsakligen av virvelströmsförluster och hysteresisförluster. När jordningsfel inträffar, orsakar ojämn magnetflödesdistribution inuti omvandlaren signifikanta ökningar av virvelströmsförluster i vissa områden. Detta minskar inte bara energieffektiviteten hos omvandlaren, utan kan också signifikant öka driftskostnaderna. Ökade kärnförluster förvärrar omvandlarens överhettning, vilket ytterligare påverkar långsiktig stabil drift.

Partiella utsläpp och uppvärmningseffekter orsakade av jordningsfel i kärnan accelererar åldringen av interna isoleringsmaterial i omvandlare. Under isoleringsåldring minskar resistansen i isoleringslager gradvis, och elektrisk isoleringsförmåga misslyckas progressivt. När isoleringen helt misslyckas kan det utlösa lokala kortslutningar eller allvarligare fullständiga kortslutningsolyckor.

Jordningsfel i kärnan leder inte bara till minskad elektrisk prestanda, utan påverkar också kemiska sammansättningar i omvandlarolja. När kärnan jordas, orsakar partiella utsläpp och överhettning en ökning av den interna oljetemperaturen, vilket leder till ändringar i lösta gaskomponenter i oljan, särskilt abnorma ökningar i metan (CH4) och etylen (C2H4)-innehåll.

2 Diagnostiska metoder och teknisk jämförelse för jordningsfel i kärnan

2.1 Traditionella diagnostiska metoder

DC-motståndsmetoden är en av de traditionella diagnostiska metoderna för jordningsfel i kärnan, där man huvudsakligen bedömer existensen av fel genom att mäta isoleringsmotståndet mellan kärnan och mark. Denna metod använder DC-spänning och mäter förhållandet mellan ström och spänning för att beräkna isoleringsmotstånd. I ideal fall bör kärnans isoleringsmotstånd förbli högt; om motståndet sjunker under en viss tröskel kan det indikera ett jordningsfel.

Men metoden för likspänningståt kan inte exakt lokalisera felplats. Mätresultaten kan endast återspegla den genomsnittliga isoleringsprestandan för hela kärnan och kan inte fastställa specifika felpunkter. Denna metod har också en viss tidsförskjutning, särskilt när isoleringsåldring ännu inte har orsakat betydande resistansförändringar, vilket gör tidig felidentifiering ineffektiv. Dessutom kan metoden för likspänningståt inte ge information om feltyper, och detaljerade felkarakteristika kan inte effektivt extraheras från mätdata.

Oljechromatografianalys upptäcker förändringar i lösta gasbeståndsdelar i transformerolja för att dra slutsatser om feltyper. Dessa lösta gaser bildas vanligtvis när utsläpp, överhettning eller andra elektriska fel uppstår inuti transformatorn. Vanliga gasbeståndsdelar i transformerolja inkluderar metan (CH4), etylen (C2H4), etan (C2H6) etc. Förändringar i gaskoncentrationer kan återspegla transformatorns driftstatus. 

Genom att jämföra koncentrationerna av lösta gaser i oljan med feltyper, är det möjligt att preliminärt fastställa om ett kärn-grounds-fel har inträffat i transformatorn. Oljechromatografianalys har en relativt sen respons; efter att ett fel har inträffat tar det tid för lösta gaser att ackumuleras, vilket begränsar feletableringens aktualitet. Vidare kan oljechromatografianalys inte ge exakta felplatsningar eller specifika karakteristika, utan indikerar fel genom förändringar i gaskoncentrationer. För mindre eller intermittenta fel kan diagnos via oljechromatografianalys bli försenad och inte kunna reagera snabbt på fels inträffande.

2.2 Modern instrumentdetekteringstekniker

Partiell utsläppsidentifieringsteknik baseras på principen för högfrekventa strömvandlare (HFCT), som fångar och analyserar utsläppsimpulssignaler orsakade av kärn-grounds-fel för att diagnostisera fel. När kärn-grounds-fel uppstår genererar partiella utsläpp högfrekventa strömpulser vid skador i isolering. Dessa strömsignaler manifesterar sig vanligtvis som högfrekventa brus eller impuls-signaler med frekvensintervall vanligtvis mellan 3-30 MHz. 

Genom att installera högfrekventa strömsensorer på transformatorns grounds-kabel, kan partiella utsläppssignaler fångas i realtid. Denna teknik kan effektivt lokalisera partiella felpunkter, har hög känslighet och kan identifiera fel på tidiga stadiet. Partiell utsläppsidentifiering kan effektivt identifiera mindre fel orsakade av isoleringsåldring eller mekanisk skada, vilket ger exakt felidentifieringsinformation. Genom att analysera partiella utsläppssignaler kan svårighetsgraden och utvecklingstrenden för fel bedömas, vilket möjliggör motsvarande underhåll eller preventiva åtgärder.

Infraröd termografit teknik identifierar lokal temperaturhöjningsområden i kärnan med hjälp av infraröda termografer för att fastställa om grounds-fel finns. Efter att grounds-fel har uppstått i transformer, orsakar virvlarförluster i lokala områden temperaturhöjningar, särskilt betydande temperaturhöjningar runt felpunkter. Infraröd termografit teknik kan erhålla realtidsdistribution av temperatur på kärnans yta och fastställa fel tillvaro genom temperaturskillnader. Vanligtvis när temperaturskillnaderna överskrider 10°C behöver det området undersökas noga. Fördelen med denna teknik ligger i dess förmåga att identifiera temperaturförändringar utan kontakt, med snabb mätning, vilket gör den lämplig för snabb platsmässig identifiering.

Högfrekvent strömidentifieringsteknik använder Rogowskispiraler för att mäta förändringar i högfrekventa strömmar i grounds-ledningar, vanligtvis i frekvensintervallet 500 kHz till 2 MHz. Dessa högfrekventa strömmar genereras av utsläppsprocesser orsakade av kärn-grounds-fel. Genom att identifiera strömsignaler i detta frekvensintervall kan felidentifiering effektivt ske. Jämfört med partiell utsläppsidentifieringsteknik, har högfrekvent strömidentifiering högre känslighet och kan fånga extremt svaga felsignaler. Användning av Rogowskispiraler för icke-kontaktmätning förenklar inte bara installationen men förbättrar också mätningen. Denna teknik är särskilt lämplig för områden som är svåra att nå direkt och kan utföra onlineidentifiering utan att skada utrustning.

3 Optimering av feldiagnosprocess och fallanalys

3.1 Rekommendationer för optimerad diagnostisk process

När man diagnostiserar kärn-grounds-fel bör det första steget vara en preliminär screening med infraröd termografit teknik. Infraröda termografer kan snabbt erhålla temperaturdistributioner av transformatorns yta, vilket hjälper diagnostiska personal att identifiera möjliga områden med abnorma temperaturhöjningar. När den preliminära screeningen identifierar potentiella felområden bör nästa steg kombinera högfrekvent strömidentifiering och partiell utsläppsidentifieringsteknik för noggrann provning.

Högfrekvent strömidentifieringsteknik fångar förändringar i groundsströmmar i frekvensbandet 500 kHz till 2 MHz med hjälp av Rogowskispiraler, vilket effektivt identifierar områden med kärn-grounds-fel. Partiell utsläppsidentifieringsteknik övervakar utsläppsimpulssignaler i realtid med HFCT-sensorer, analyserar utsläppsfrekvens och intensitet för att ytterligare bekräfta felpunktens plats.

Efter att ha utfört högfrekvent ström- och partiell utsläppsidentifiering, är det sista steget att verifiera och analysera felens allvarlighetsgrad genom oljechromatografianalys. Genom att identifiera lösta gaser i transformerolja, särskilt förändringar i koncentrationen av metan (CH4), etylen (C2H4) och andra gaser, kan felens natur ytterligare bekräftas. För allvarliga kärn-grounds-fel kommer oljechromatografianalysen att visa abnormt höga gaskomponenter. Genom att kombinera oljechromatografidata med andra identifieringsresultat kan man komplettera bedömningen av felens inverkan och ge grund för efterföljande reparationer.

3.2 Typfallsanalys

Under drift i en understation uppmärksammade underhållspersonal en betydande ökning av groundsströmmen i en 35 kV-distributionstransformator, långt över normala värden. Övervakningsdata visade att groundsströmmen nådde 5 A, medan under normala förhållanden borde groundsströmmen vara mindre än 100 mA. Utmaningen var att trots att groundsströmmen ovanligt ökade, fanns det inga uppenbara externa fysiska felindikationer. Traditionella elektriska diagnostiska metoder som likspänningsresistansprovning och oljechromatografianalys kunde inte ge tydlig information om felplats.

För att lösa detta problem med jordningsfel i transformatorns kärna använde underhållspersonal flera moderna diagnostiska tekniker. Först användes en FLIR T640 infraröd termisk kamera för en första genomsikt, vilket snabbt lokaliserade områden med temperaturökning i kärnan och relaterade komponenter. Sedan användes PD-Tech HFCT högfrekvensströmsensorer för att övervaka jordningsström. Slutligen användes PD-Tech partiella utsläppsdetektorer för att testa och analysera utsläppssignaler, vilket ledde till lokalisering av felet. Testresultaten visas i tabell 1.

Tab.1 Detektionsresultat av transformatorns felsituationer

Baserat på resultat från infraröd termisk bildning var temperaturforskjellen nära kärnklamerningskomponenterna 12°C, vilket överstiger det normala området, vilket preliminärt bekräftar möjlig överhettning i detta område. Genom realtidsdetektion med högfrekventa strömsensorer upptäcktes en jordström på 5 A, vilket betydligt överstiger det normala värdet på 100 mA, vilket indikerar att ett fel har uppstått inuti transformatorn. Vidare partiell utsläppsdetektion visade starka svängningar i högfrekventa strömsignaler inom frekvensintervallet 4,5-18 MHz, med gradvis ökande utsläppsintensitet, vilket indikerar att felet ligger vid kärnklamerningsmonteringen och att felet försämrar sig.

Det slutliga bekräftandet av felpunkten var vid isolerande platta för kärnklamerningskomponenten. Isoleringsmaterial hade åldrats på grund av långvarig drift, vilket orsakade mindre skador i isoleringen som utlöste jordfel. Felbehandlingsåtgärder inkluderade ersättning av isolerande platta, och efterföljande tester bekräftade att jordströmmen återgått till det normala värdet, vilket eliminerade felet och återställde den stabila driften av utrustningen.

Detta fall visar att kombinationen av infraröd termisk bildningsteknik, partiell utsläppsdetektionsteknik och högfrekvent strömdetektionsteknik kan effektivt förbättra effektiviteten och noggrannheten i diagnos av kärnjordfel. Under faktiska drift- och underhållsprocesser bör personal regelbundet använda dessa teknologier för sammanlagd diagnostik för att säkerställa säker och stabil drift av transformatorer.

4 Slutsats

Vid diagnos av kärnjordfel kan den kombinerade tillämpningen av flera moderna diagnostiska teknologier signifikant förbättra noggrannheten i felfastställning och diagnostisk effektivitet. Genom de samverkande effekterna av högfrekvent strömdetektion, partiell utsläppsanalys och infraröd termisk bildningsteknik kan potentiella utrustningsrisker upptäckas i tidiga stadien, och källor till fel kan identifieras exakt, vilket minskar nedstoppningstiden för utrustningen och förlänger livslängden för transformatorer.

I framtiden kommer med den kontinuerliga utvecklingen och tillämpningen av nya detektionstekniker, att diagnos och underhåll av kärnjordfel blir mer effektiva och precisa, vilket skyddar stabiliteten och säkerheten i elkraftsystem.