Аналіз методів діагностики дефектів заземлення ядра в трансформаторах розподілу 35 кВ

Трансформатори розподілу 35 кВ: Аналіз та діагностичні методи виявлення дефектів заземлення сердечника

Трансформатори розподілу 35 кВ є важливим обладнанням у системах електропостачання, виконуючи важливі завдання передачі електроенергії. Проте під час довготривалої експлуатації дефекти заземлення сердечника стали однією з ключових проблем, які впливають на стабільну роботу трансформаторів. Дефекти заземлення сердечника не лише впливають на енергоефективність трансформаторів та збільшують витрати на технічне обслуговування, але можуть також спричинити більш серйозні електричні аварії.

Зі старінням електрообладнання частота дефектів заземлення сердечника поступово зростає, що вимагає посилення діагностики та лікування дефектів під час експлуатації та технічного обслуговування. Хоча існують певні діагностичні методи, все ще залишаються технічні перешкоди, такі як низька ефективність виявлення та складність локалізації дефектів. Є необхідність у дослідженні та впровадженні більш точних та чутливих технологій діагностики дефектів для покращення надійності роботи обладнання та забезпечення стабільності та безпеки електроенергетичної системи.

1 Аналіз причин та характеристик дефектів заземлення сердечника у трансформаторах розподілу 35 кВ

1.1 Типові причини дефектів заземлення сердечника

У трансформаторах розподілу 35 кВ між пластинами сердечника зазвичай використовуються ізоляційні матеріали для ізоляції. Проте під час довготривалої експлуатації внутрішні електричні поля та температура поступово старіють ізоляційні матеріали, особливо в умовах високої напруги та високої температури, де властивості ізоляції швидко погіршуються. З початком процесу старіння опір ізоляції зменшується, і в деяких областях можуть утворюватися багатоточкові дефекти заземлення.

Під час довготривалої експлуатації трансформатори неупинно відчувають механічні вібрації. Особливо при значних коливаннях навантаження, вібрації можуть спричинити відносне переміщення сердечника та компонентів затискання сердечника. Слабке затискання або пошкодження ізоляційних матеріалів можуть спричинити дефекти заземлення. Виробничі дефекти сердечника також є важливими причинами дефектів заземлення. Під час виробництва, якщо силиконові сталеві листи мають заусениці, нерівномірне покриття ізоляцією або недостатню точність обробки сердечника, можуть виникнути місцеві дефекти ізоляції. Такі дефекти часто зосереджені в заземлювальних частинах трансформатора. Коли розподіл електричного поля в сердечнику нерівномірний, можуть виникати локальні розряди.

1.2 Електричні характеристики та небезпеки дефектів

Найбільш пряма електрична характеристика дефектів заземлення сердечника - це збільшення заземлювального струму. Після виникнення дефекту заземлення, заземлювальний струм зазвичай демонструє коливання струму з гармонічними компонентами, особливо в високочастотному діапазоні вище 50 Гц. При виникненні дефектів форма хвилі заземлювального струму часто виявляється несинусоїдальною, з більшими амплітудами гармонічних компонентів.

Інша типова характеристика дефектів заземлення сердечника - це локальні розряди. Після виникнення дефектів ізоляційного матеріалу, електричне поле концентрується в пошкоджених областях, спричинючи короновий розряд та локальні розряди. Локальні розряди зазвичай генерують високочастотні струмові імпульси з частотним діапазоном загалом від 3 до 30 МГц. Сигнали струму в цьому частотному діапазоні можна захоплювати та аналізувати за допомогою спеціалізованих високочастотних трансформаторів струму (HFCT).

Інша електрична характеристика, спричинена дефектами заземлення сердечника, - це ефект підвищення температури. Через зближення струму в точці дефекту, місцева температура зростає. Цей ефект підвищення температури не лише безпосередньо пошкоджує ізоляційні матеріали, але може також спричинити перегрівання в окремих областях сердечника.

1.3 Вплив дефектів на роботу трансформатора

Дефекти заземлення сердечника призводять до збільшення заземлювального струму, що, в свою чергу, спричиняє додаткові втрати в сердечнику трансформатора. Втрати в сердечнику основно складаються з втрат від вихрових струмів та втрат від гістерезису. При виникненні дефектів заземлення, нерівномірний розподіл магнітного потоку всередині трансформатора значно збільшує втрати від вихрових струмів в окремих областях. Це не лише зменшує енергоефективність трансформатора, але може також значно збільшити витрати на експлуатацію. Збільшення втрат в сердечнику погіршує перегрівання трансформатора, що в свою чергу впливає на його довготривалу стабільну роботу.

Локальні розряди та ефект підвищення температури, спричинені дефектами заземлення сердечника, прискорюють старіння внутрішніх ізоляційних матеріалів трансформатора. Під час старіння ізоляції, опір шарів ізоляції поступово зменшується, а електрична здатність ізоляції поступово втрачається. Коли ізоляція повністю втрачає свою ефективність, це може спричинити локальні короткозамкнення або більш серйозні повні короткозамкнення.

Дефекти заземлення сердечника не лише призводять до зниження електричних показників, але також впливають на хімічний склад трансформаторного масла. Коли сердечник заземлений, локальні розряди та перегрівання призводять до підвищення внутрішньої температури масла, що в свою чергу призводить до змін у складі розчинених газів, особливо до аномального збільшення вмісту метану (CH4) та етену (C2H4).

2 Діагностичні методи та технічне порівняння дефектів заземлення сердечника

2.1 Традиційні діагностичні методи

Метод вимірювання опору постійного струму є одним з традиційних діагностичних методів для виявлення дефектів заземлення сердечника, головним чином визначаючи наявність дефекту за допомогою вимірювання опору ізоляції між сердечником та землею. Цей метод застосовує постійну напругу та вимірює співвідношення струму до напруги для обчислення опору ізоляції. Ідеально, опір ізоляції сердечника повинен залишатися на високому рівні; якщо опір опускається нижче певного порогу, це може свідчити про дефект заземлення.

Однак, метод постійного струму не може точно визначити місця збою. Його результати вимірювання можуть відображати лише середню якість ізоляції всього ядра і не можуть визначити конкретні зони збою. Цей метод також має певну затримку, особливо коли старіння ізоляції ще не призвело до значних змін опору, що робить раннє виявлення збою неефективним. Крім того, метод постійного струму не може надати інформацію про типи збою, і детальні характеристики збою не можна ефективно виділити з даних вимірювання.

Аналіз нафтової хроматографії виявляє зміни складу розчинених газів у трансформаторному маслі, щоб зробити висновки про типи збою. Ці розчинені гази зазвичай виробляються, коли в трансформаторі відбуваються розряди, перегрівання або інші електричні збої. Звичайні компоненти газів у трансформаторному маслі включають метан (CH4), етилен (C2H4), етан (C2H6) тощо. Зміни концентрації газів можуть відображати стан роботи трансформатора. 

Порівнюючи концентрації розчинених газів у маслі з типами збою, можна попередньо визначити, чи відбувся збій заземлення ядра в трансформаторі. Аналіз нафтової хроматографії має відносно запізнілу реакцію; після виникнення збою потребує часу для накопичення розчинених газів, що обмежує актуальність діагностики збою. Більше того, аналіз нафтової хроматографії не може надати точне місце збою або специфічні характеристики, вказуючи на збої лише через зміни концентрації газів. Для невеликих або переміжних збоїв діагностика за допомогою аналізу нафтової хроматографії може бути запізнілою і не може швидко реагувати на виникнення збою.

2.2 Сучасні технології виявлення за допомогою приладів

Технологія виявлення локальних розрядів базується на принципі високочастотних трансформаторів струму (HFCT), захоплюючи і аналізуючи сигнали імпульсів розряду, спричинені заземленням ядра, для діагностики збоїв. Коли відбуваються збої заземлення ядра, локальні розряди генерують високочастотні імпульси струму в точках пошкодження ізоляції. Ці сигнали струму зазвичай проявляються як високочастотний шум або імпульсні сигнали з частотним діапазоном зазвичай від 3 до 30 МГц. 

Встановлюючи високочастотні сенсори струму на заземлювальному проводі трансформатора, можна в реальному часі захоплювати сигнали локальних розрядів. Ця технологія може ефективно визначати точки локального збою, має високу чутливість і може виявляти збої на ранніх стадіях. Технологія виявлення локальних розрядів може ефективно визначати невеликі збої, спричинені старінням ізоляції або механічними пошкодженнями, надаючи точну інформацію про діагностику збою. Аналізуючи сигнали локальних розрядів, можна оцінити важкість і тенденції розвитку збою, що дозволяє приймати відповідні заходи з ремонту або профілактики.

Технологія термографії в інфрачервоному діапазоні виявляє зони локального підвищення температури в ядрі за допомогою інфрачервоних тепловізорів, щоб визначити, чи існують збої заземлення. Після виникнення збоїв заземлення в трансформаторах, стрічкові втрати в локальних зонах призводять до підвищення температури, особливо значного підвищення температури поблизу точок збою. Технологія термографії в інфрачервоному діапазоні може отримати реальні розподіли температур на поверхні ядра і визначити наявність збою за різницями температур. Зазвичай, коли різниця температур перевищує 10°C, потрібно зосередити увагу на цій зоні. Перевага цієї технології полягає в тому, що вона може виявляти зміни температури без контактів, зі швидкістю вимірювання, що робить її придатною для швидкого полевого вимірювання.

Метод виявлення високочастотного струму використовує катушку Роговського для вимірювання змін високочастотного струму в заземлювальних лініях, зазвичай в частотному діапазоні від 500 кГц до 2 МГц. Ці високочастотні струми генеруються процесами розряду, спричиненими збоєм заземлення ядра. Виявляючи сигнали струму в цьому частотному діапазоні, можна ефективно визначити наявність збою. По порівнянню з технологією виявлення локальних розрядів, метод виявлення високочастотного струму має вищу чутливість і може захоплювати дуже слабкі сигнали збою. Використання катушки Роговського для безконтактного вимірювання не тільки спрощує встановлення, але й покращує точність вимірювання. Ця технологія особливо придатна для зон, які важко доступні, і може виконувати онлайн-вимірювання без пошкодження обладнання.

3 Оптимізація процесу діагностики збоїв та аналіз випадків

3.1 Рекомендації для оптимізованого процесу діагностики

При діагностиці збоїв заземлення ядра першим кроком повинен бути попередній вибір за допомогою технології термографії в інфрачервоному діапазоні. Інфрачервоні тепловізори можуть швидко отримати карти розподілу температур на поверхні трансформатора, допомагаючи діагностичному персоналу виявити можливі зони аномального підвищення температури. Після того, як попередній вибір виявив потенційні зони збою, наступним кроком повинна бути комбінація методів виявлення високочастотного струму та локальних розрядів для точного тестування.

Метод виявлення високочастотного струму за допомогою катушок Роговського захоплює зміни заземлювального струму в частотному діапазоні від 500 кГц до 2 МГц, ефективно визначаючи зони збою заземлення ядра. Технологія виявлення локальних розрядів в реальному часі контролює сигнали імпульсів розряду за допомогою сенсорів HFCT, аналізуючи частоту та інтенсивність розряду для подальшого підтвердження місць збою.

Після проведення виявлення високочастотного струму та локальних розрядів, останнім кроком повинна бути перевірка та аналіз важкості збою за допомогою аналізу нафтової хроматографії. Виявляючи розчинені гази в трансформаторному маслі, особливо зміни концентрації метану (CH4), етилену (C2H4) та інших газів, можна підтвердити характер збою. У разі серйозних збоїв заземлення ядра, аналіз нафтової хроматографії покаже аномально підвищені компоненти газів. Комбінування даних аналізу нафтової хроматографії з іншими результатами виявлення дозволяє комплексно оцінити вплив збою та надати основу для подальших ремонтних робіт.

3.2 Аналіз типових випадків

Під час роботи на підстанцій, обслуговувальний персонал помітив значно збільшений заземлювальний струм у розподільному трансформаторі напруги 35 кВ, що значно перевищував нормальні значення. Дані моніторингу показали, що заземлювальний струм досяг 5 А, тоді як в нормальному стані він має бути менше 100 мА. Проблема полягала в тому, що хоча заземлювальний струм аномально зрос, очевидних фізичних зовнішніх ознак збою не було. Традиційні електричні методи діагностики, такі як вимірювання опору постійного струму та аналіз нафтової хроматографії, не змогли надати чіткої інформації про місце збою.

Для вирішення проблеми заземлення серцевини трансформатора, обслуговуючий персонал застосував кілька сучасних діагностичних технологій. Спочатку вони використали тепловізор FLIR T640 для попереднього скринінгу, швидко локалізувавши області підвищення температури в серцевині та пов'язаних компонентах. Потім вони використали датчики високочастотного струму PD-Tech HFCT для моніторингу заземлювального струму. Нарешті, вони скористалися детекторами часткових розрядів PD-Tech для тестування та аналізу сигналів розряду, локалізувавши точку несправності. Результати випробувань наведені у таблиці 1.

Табл.1 Результати виявлення проблем з трансформатором

На основі результатів виявлення інфрачервою термальним імаджером, різниця температур біля компонентів зажиму ядра досягла 12°C, що перевищує нормальний діапазон, що підтверджує можливість перегріву в цій зоні. Реалізація реального часу за допомогою датчиків високочастотного струму виявила заземлюючий струм 5 А, що значно перевищує нормальне значення 100 мА, що свідчить про те, що у трансформаторі розвинувся дефект. Додаткове виявлення часткових випробувань показало сильні коливання сигналів високочастотного струму в діапазоні частот 4,5-18 МГц, з поступовим збільшенням інтенсивності випробування, що свідчить про те, що точка дефекту знаходиться на з'єднувальному вузлі ядра, а дефект посилюється.

Кінцеве підтвердження точки дефекту було на ізоляційному підкладку з'єднувального вузла ядра. Матеріал ізоляції старів через довготривалу експлуатацію, що призвело до невеликих пошкоджень ізоляції, що спричинило дефект заземлення. Міри ліквідації дефекту включали заміну ізоляційного підкладку, а подальші випробування підтвердили, що заземлюючий струм повернувся до норми, що усунило дефект і відновило стабільну роботу обладнання.

Цей випадок демонструє, що комбінація технологій інфрачервої термальної імаджерії, виявлення часткових випробувань та виявлення високочастотного струму може ефективно покращити ефективність та точність діагностики дефектів заземлення ядра. У процесах фактичної експлуатації та технічного обслуговування, особистий склад повинен регулярно використовувати ці технології для сумісної діагностики, щоб забезпечити безпечну та стабільну роботу трансформаторів.

4 Висновок

У діагностиці дефектів заземлення ядра, сумісне застосування кількох сучасних діагностичних технологій може значно покращити точність локації дефекту та ефективність діагностики. Через синергетичні ефекти виявлення високочастотного струму, аналізу часткових випробувань та технології інфрачервої термальної імаджерії, можна виявити потенційні ризики обладнання на ранніх стадіях, точно ідентифікувати джерела дефектів, зменшити простої обладнання та продовжити строк служби трансформаторів.

У майбутньому, з постійним розвитком та застосуванням нових технологій виявлення, діагностика та обслуговування дефектів заземлення ядра стануть більш ефективними та точними, що забезпечить стабільність та безпеку систем електропостачання.