Анализ четырех основных случаев сгорания силовых трансформаторов

Случай первый

1 августа 2016 года распределительный трансформатор мощностью 50 кВА на подстанции внезапно начал выделять масло во время работы, после чего произошло возгорание и разрушение высоковольтной плавкой вставки. Испытания изоляции показали нулевое сопротивление изоляции от низковольтной стороны до земли. При осмотре сердечника было установлено, что повреждение изоляции обмотки низкого напряжения привело к короткому замыканию. Анализ выявил несколько основных причин выхода трансформатора из строя:

Перегрузка: управление нагрузкой исторически являлось слабым местом на базовых подстанциях. До реформы системы сельской электросети развитие происходило в значительной степени стихийно. Повреждения трансформаторов часто происходили во время праздника Весны, сельскохозяйственных сезонов и засушливых периодов, когда требовалось орошение. Хотя были внедрены системы управления, уровень управленческих способностей сельских электриков необходимо повышать. Сельские нагрузки быстро растут, имеют ярко выраженные сезонные колебания и отсутствие планового управления. Длительная перегрузка приводит к сгоранию трансформаторов. Кроме того, поскольку доходы крестьян значительно увеличились, нагрузка от бытовых приборов быстро растёт, а сельские индивидуальные перерабатывающие производства, ориентированные на домашние хозяйства, быстро развиваются, что приводит к существенному росту электрической нагрузки. Несмотря на значительные инвестиции в распределительное оборудование, ограниченность финансирования приводит к тому, что замена трансформаторов не успевает за ростом нагрузки, в результате чего трансформаторы перегорают из-за перегрузки.

Кроме того, сельские электрические нагрузки трудно контролировать, а осознание необходимости планового потребления электроэнергии слабо развито. В периоды пиковых нагрузок, таких как орошение, сельскохозяйственные сезоны и вечерние часы, конкуренция за использование электроэнергии становится проблемой, что способствует перегоранию трансформаторов.

Несбалансированность трёхфазных нагрузок: при несимметричной нагрузке трёх фаз возникают асимметричные трёхфазные токи, создающие ток нулевой последовательности в нейтральной линии. Магнитный поток нулевой последовательности, создаваемый этим током, индуцирует потенциал нулевой последовательности в обмотках трансформатора, смещая потенциал нейтральной точки. Фаза с более высоким током перегружается, что приводит к повреждению изоляции обмотки, в то время как фаза с меньшим током не может достичь своей номинальной мощности, снижая эффективность выходной мощности трансформатора. Плохие соединения на низковольтных выводах и нейтральном выводе перегруженных обмоток трансформатора могут вызывать нагрев, старение и деформацию резиновых уплотнений и масляных прокладок, что приводит к утечке масла и перегоранию выводов.

Неисправности короткого замыкания: как однофазные замыкания на землю, так и межфазные короткие замыкания — малое сопротивление низковольтных обмоток распределительного трансформатора создаёт чрезвычайно высокие токи короткого замыкания. Особенно при близких коротких замыканиях токи повреждения могут достигать более чем в 20 раз превышать номинальный ток трансформатора. Эти мощные токи короткого замыкания создают значительные электромагнитные ударные силы и тепло, повреждающие распределительные трансформаторы, делая короткие замыкания наиболее разрушительным режимом отказа для трансформаторов.

Текущими основными причинами неисправностей короткого замыкания являются:

• Недостаточный зазор для низковольтных распределительных линий, где падающие деревья или столкновения транспортных средств с опорами вызывают короткие замыкания

• Неправильная установка, эксплуатация или обслуживание низковольтных автоматических выключателей, вызывающих короткие замыкания на выводах выключателя

• Плохая установка или недостаточное обслуживание низковольтных измерительных ящиков, устанавливаемых на трансформаторах, вызывающих близкие короткие замыкания

Меры противодействия:

• Правильно подбирать низковольтные плавкие предохранители, чтобы они перегорали при превышении низковольтного тока номинального тока трансформатора, обеспечивая защиту трансформатора. Емкость низковольтных плавких предохранителей должна быть в 1,5 раза больше мощности трансформатора.

• Измерять нагрузку трансформатора в периоды высокого спроса и своевременно заменять перегруженные трансформаторы.

• Укреплять эксплуатацию и техническое обслуживание, заменяя треснувшие изоляторы, очищая коридоры линий и предотвращая межфазные короткие замыкания для защиты трансформаторов.

Случай второй

В 2015 году в одном из энергосбытовых управлений произошло 32 случая сгорания трансформаторов. Большинство из них были изготовлены одним производителем. После тщательного осмотра сердечников и отбора проб масла было обнаружено, что 80% образцов трансформаторного масла содержали воду. Дальнейший анализ показал, что трубы для заливки масла в расширительные баки этих трансформаторов имели плохую герметизацию. Во время дождя вода накапливалась в трубах в течение длительного времени и постепенно просачивалась внутрь трансформаторов. Со временем содержание воды в трансформаторном масле постоянно увеличивалось, снижая его изолирующие свойства и вызывая отказы трансформаторов.

Меры противодействия:

• Установить металлические чашки над трубами для заливки масла, чтобы изолировать их от прямого контакта с водой. После установки этих чашек на все трансформаторы данного типа количество случаев сгорания значительно снизилось.

• Проводить ежегодные испытания проб масла на распределительных трансформаторах и своевременно заменять трансформаторное масло при неудовлетворительных результатах испытаний.

Случай третий

В 2018 году трансформатор на подстанции сгорел в ясный солнечный день при незначительной нагрузке. Осмотр сердечника выявил явные следы дугового пробоя короткого замыкания на высоковольтной катушке, вызванные плохой изоляцией, приведшей к короткому замыканию.

Анализ: Этот тип отказа трансформатора не имеет явных внешних факторов, что делает трудным определение причины без осмотра сердечника. Большинство таких отказов происходит из-за ухудшения изоляционных свойств трансформатора в процессе длительной эксплуатации, и своевременные меры не принимаются. В конечном итоге изоляция перестает соответствовать требованиям эксплуатации, что приводит к сгоранию трансформатора.

Меры:

• Проводить ежегодное тестирование сопротивления изоляции распределительных трансформаторов, вести записи и анализировать тенденции. При снижении значений изоляции ниже требуемых оперативно заменять трансформаторы, чтобы предотвратить их сгорание.

• Регулярно контролировать изоляцию трансформаторов, часто расположенных в районах, подверженных удару молнии, чтобы предотвратить отказы из-за ухудшения изоляции.

Случай четвертый

6 июля 2017 года во время грозы трансформатор, расположенный на вершине горы в электростанции, пережил сгорание высоковольтного предохранителя и выброс масла. Тестирование изоляции показало нулевое значение мегомметра от высокого напряжения к земле, указывая на повреждение трансформатора.

Анализ: Причина отказа этого трансформатора заключалась в перенапряжении, вызванном молнией, которое привело к пробою изоляции трансформатора, вызвав короткое замыкание.

Меры:

• Улучшить сопротивление заземления громоотводов трансформатора, чтобы значения оставались в разумных пределах.

• Проводить ежегодное тестирование изоляции как высоковольтных, так и низковольтных громоотводов распределительных трансформаторов, своевременно заменяя те, которые не соответствуют стандартам.

Усиление управления персоналом для предотвращения аварий

Состояние работы распределительных трансформаторов неразрывно связано с качеством управления. При тщательном управлении можно эффективно предотвратить случаи сгорания трансформаторов.

• Понимать условия нагрузки для каждой области трансформатора: Сотрудники управления электроэнергией должны регулярно оценивать нагрузки пользователей, отслеживать увеличение бытовых приборов для домашних пользователей, расширение предприятий и шахт, дополнительного оборудования и увеличение нагревательного/охладительного оборудования. Эту информацию можно собирать через снятие показаний счетчиков и регулярные выезды на место для поддержания точного понимания.

• Обобщать прошлые опыт и уроки: Понимать, как сезонные изменения климата влияют на оборудование. Укреплять и улучшать слабые места и потенциальные опасности, выявленные во время стихийных бедствий, внедряя целевые профилактические меры, такие как настройка защиты от перегрузки трансформатора в зависимости от фактических условий, чтобы повысить устойчивость оборудования к стихийным бедствиям.

• Проводить активный анализ и прогнозирование нагрузки: Используя первичные данные, собранные из двух предыдущих пунктов, научно проводить прогнозирование нагрузки и реализовывать соответствующие обновления, включая модификацию линий, перераспределение нагрузки и увеличение мощности трансформаторов. Усиливать инспекции оборудования во время ветров, снегопадов, гололеда и периодов экстремального холода, чтобы предотвратить отказы и повысить надежность оборудования, уменьшая случаи сгорания трансформаторов.

• Подчеркивать ответственность сотрудников: Во-первых, установить сильное обслуживание, ориентированное на пользователя, гарантирующее качество и стабильность напряжения. Персонал должен быть способен идентифицировать потенциальные опасности и прислушиваться к обратной связи пользователей, решая проблемы оперативно, без задержек. Оборудование не должно эксплуатироваться с известными неисправностями или игнорированием проблем. Управление должно переходить от пассивного реагирования к активному выполнению и от рутинного выполнения к творческой реализации. Во-вторых, необходимо обеспечить ответственность. Без механизмов ответственности обязанности и регламенты становятся бессмысленными. Необходимо строго привлекать к ответственности сотрудников, которые пренебрегают своими обязанностями, злоупотребляют властью в личных целях, выполняют работу формально или неэффективно реализуют меры, что приводит к нерешенным проблемам пользователей, неустраненным опасностям или повреждению оборудования. Только путем интеграции выполнения обязанностей с жесткими механизмами ответственности можно укрепить ответственность за работу, повысить операционную эффективность, улучшить эффективность реализации, лучше обслуживать потребности пользователей, предотвратить человеческие ошибки, связанные с энергетическими инцидентами, и поддерживать целостность работы оборудования.

Заключение

В заключение, силовые трансформаторы могут выходить из строя по многим причинам в процессе эксплуатации, но с усилением управления и технического обслуживания можно значительно снизить количество отказов, вызванных человеческим фактором. Это улучшает надежность энергоснабжения, снижает затраты на техническое обслуживание для энергетических компаний, что выгодно как предприятиям, так и пользователям. Это демонстрирует значительную практическую важность анализа отказов трансформаторов и внедрения соответствующих мер.