Analiza i środki naprawcze dla uszkodzeń izolacji w transformatorach elektrycznych
Najczęściej stosowane transformatory energetyczne: transformatory zanurzone w oleju i suchotłoczne
Dwa najpopularniejsze rodzaje transformatorów energetycznych to transformatory zanurzone w oleju i transformatory suchotłocznawe. System izolacji transformatora, składający się z różnych materiałów izolacyjnych, jest kluczowy dla jego prawidłowego działania. Długość życia technicznego transformatora zależy przede wszystkim od długości życia jego materiałów izolacyjnych (olej-papier lub żywica).
W praktyce większość awarii transformatorów wynika z uszkodzenia systemu izolacji. Statystyki pokazują, że awarie związane z izolacją stanowią ponad 85% wszystkich wypadków transformatorowych. Transformatory poddane właściwemu utrzymaniu z uwzględnieniem zarządzania izolacją mogą osiągać wyjątkowo długą żywotność. Zatem ochrona prawidłowego działania transformatorów oraz wzmocnienie rozsądnego utrzymania systemu izolacji może znacznie zapewnić dłuższą żywotność transformatorów, gdzie kluczem do poprawy długości ich życia i niezawodności dostawy energii jest utrzymanie zapobiegawcze i predykcyjne.
1.Awaria izolacji papierowej
W transformatorach zanurzonych w oleju głównymi materiałami izolacyjnymi są olej izolacyjny i stałe materiały izolacyjne, takie jak papier izolacyjny, deska wałkowa i bloki drewniane. Starzenie się izolacji transformatora odnosi do rozkładu tych materiałów wskutek czynników środowiskowych, co prowadzi do zmniejszenia lub utraty siły izolacyjnej.
Izolacja papierowa jest jednym z podstawowych elementów systemu izolacji transformatorów zanurzonych w oleju, obejmując papier izolacyjny, deski, podkładki, role i taśmy wiążące. Głównym składnikiem jest celuloza o wzorze chemicznym (C6H10O5)n, gdzie n reprezentuje stopień polimeryzacji (DP). Nowy papier ma zwykle DP około 1300, który spada do około 250, gdy siła mechaniczna maleje o więcej niż połowę.
Gdy materiał jest bardzo starzy z DP 150-200, dochodzi do końca jego żywotności. W miarę starzenia się papieru izolacyjnego, jego DP i wytrzymałość na rozciąganie stopniowo maleją, powstają woda, CO, CO2 i furfural (aldehyd furowy). Te produkty starzenia są w dużej mierze szkodliwe dla sprzętu elektrycznego, obniżając naprężenie przebicia i objętościową rezystancję papieru izolacyjnego, jednocześnie zwiększając straty dielektryczne i obniżając wytrzymałość na rozciąganie, co może prowadzić do korozji elementów metalowych.
Stała izolacja cechuje się nieodwracalnymi właściwościami starzenia, z degradacją siły mechanicznej i elektrycznej, która nie jest odwracalna. Ponieważ długość życia transformatora zależy głównie od długości życia materiałów izolacyjnych, materiały izolacyjne stałe transformatorów zanurzonych w oleju muszą posiadać doskonałe właściwości izolacji elektrycznej i mechaniczne, z wolną degradacją wydajności w ciągu lat pracy - co wskazuje na dobre właściwości starzenia.
1.1 Właściwości materiałów włóknistych papierowych
Materiał włóknisty papieru izolacyjnego jest najważniejszym elementem izolacyjnym w transformatorach zanurzonych w oleju. Włókno papierowe to podstawowy tkaninowy składnik roślin. W przeciwieństwie do przewodników metalowych, które mają bogato swobodne elektrony, materiały izolacyjne mają praktycznie żadnych swobodnych elektronów, a minimalna prąd przewodzenia pochodzi głównie z przewodzenia jonowego. Celuloza składa się z węgla, wodoru i tlenu. Dzięki grupom hydroksylowych w swojej strukturze molekularnej, celuloza ma potencjał do tworzenia wody, co nadaje włókninie papierowej właściwości wchłaniania wilgoci.
Dodatkowo, te grupy hydroksylowe można traktować jako centra otoczone różnymi cząsteczkami polarnymi (takimi jak kwas i woda), połączone mostkami wodorowymi, co sprawia, że włókna są podatne na uszkodzenia. Włókna papierowe zawierają również zwykle około 7% domieszk, w tym wilgoć. Ze względu na koloidalną naturę włókien, ta wilgoć nie może być całkowicie usunięta, wpływając na wydajność włókien papierowych.
Polarne włókna łatwo wchłaniają wilgoć (woda jest silnym środkiem polarnym). Gdy włókna papierowe wchłaniają wodę, interakcja między grupami hydroksylowymi osłabia się, powodując szybkie pogorszenie siły mechanicznej pod niestabilną strukturą włókien. Dlatego komponenty izolacji papierowej zazwyczaj podlegają suszeniu lub próżniowemu suszeniu, po czym są nasycane olejem lub lakierem izolacyjnym przed użyciem.
Celem nasycenia jest zachowanie wilgotności włókien, zapewniając wyższą izolację i stabilność chemiczną, a także zwiększoną wytrzymałość mechaniczną. Dodatkowo, zaklejenie papieru lakierem redukuje wchłanianie wilgoci, zapobiega utlenianiu materiału i wypełnia puste miejsca, aby zminimalizować powstawanie bąbelków, które mogą wpływać na wydajność izolacji, powodując częściowe rozładowanie i przebicie elektryczne. Niektórzy uważają jednak, że nasycenie lakierem, a następnie zanurzenie w oleju, może spowodować, że niektóre lakier powoli rozpuszcza się w oleju, wpływając na jego wydajność, co wymaga ostrożności przy stosowaniu takich farb.
Naturalnie, różne składniki włókniste i różne poziomy jakości tych samych włóknistych składników mają różne oddziaływania i właściwości. Na przykład, bawełna ma najwyższą zawartość włókien, konopie mają najmocniejsze włókna, a niektóre importowane deski wałkowe z lepszym procesem przetwarzania wykazują znacznie lepsze właściwości w porównaniu z niektórymi krajowymi deskami wałkowymi. Większość materiałów izolacyjnych transformatorów używa różnych form papieru (takich jak taśmy papierowe, deski wałkowe i komponenty ciśnieniowe) do izolacji.
Dlatego wybór wysokiej jakości materiałów izolacyjnych z włókien papierowych jest kluczowy podczas produkcji i konserwacji transformatorów. Papier włóknisty oferuje specjalne zalety, takie jak praktyczność, niski koszt, łatwa obróbka, proste formowanie i obróbka w umiarkowanych temperaturach, niewielka waga, umiarkowana siła i łatwe wchłanianie materiałów nasycających (takich jak lakier izolacyjny i olej transformatorowy).
1.2 Wytrzymałość mechaniczna materiałów izolacyjnych papierowych
Podczas wyboru materiałów izolacyjnych papierowych dla transformatorów zanurzonych w oleju, poza składem włókien, gęstością, przepuszczalnością i jednorodnością, najważniejsze wymagania dotyczące wytrzymałości mechanicznej obejmują wytrzymałość na rozciąganie, przebijanie, rozrywanie i odporność:
Wytrzymałość na rozciąganie: maksymalne obciążenie, jakie włókna papierowe mogą znieść bez pękania.
Wytrzymałość na przebijanie: miara zdolności włókien papierowych do wytrzymania nacisku bez pęknięcia.
Wytrzymałość na rozrywanie: siła potrzebna do rozerwania włókien papierowych musi spełniać odpowiednie standardy.
Wytrzymałość: Siła papieru podczas składania lub płytka tektura podczas zginania musi spełniać odpowiednie wymagania.
Właściwości izolacji stałej można ocenić poprzez próbkowanie, aby zmierzyć stopień polimeryzacji papieru lub płytki, lub za pomocą wysokowydajnej cieczowej chromatografii, aby zmierzyć zawartość furfuralu w oleju.
Pomaga to w analizie, czy wewnętrzne awarie transformatora dotyczą izolacji stałej, czy niskotemperaturowe przegrzewanie powoduje lokalne starzenie izolacji cewek, lub aby określić stopień starzenia izolacji stałej. W trakcie eksploatacji i konserwacji materiałów izolacyjnych włóknistych należy zwrócić uwagę na kontrolę obciążenia znamionowego transformatora, zapewnienie dobrego cyrkulacji powietrza i oddawania ciepła w środowisku pracy, zapobiegając nadmiernemu wzrostowi temperatury transformatora i brakowi oleju w zbiorniku. Powinny być również podejmowane działania, które zapobiegają zanieczyszczeniu i zepsuciu się oleju, co mogłoby przyspieszyć starzenie się włókien, niszcząc wydajność izolacji, żywotność i bezpieczną pracę transformatora.
1.3 Degradacja materiałów włóknistych papierowych
Obejmuje to głównie trzy aspekty:
Występowanie kruchości włókien: Nadmierne ogrzewanie powodujące odparowanie wilgoci z materiałów włóknistych przyspiesza ich występowanie kruchości. Kruche, odpadające kawałki papieru mogą prowadzić do awarii izolacji i wypadków elektrycznych pod wpływem drgań mechanicznych, naprężeń elektrodynicznych i uderzeń operacyjnych fal.
Obniżenie wytrzymałości mechanicznej materiałów włóknistych: Wytrzymałość mechaniczna materiałów włóknistych maleje z upływem czasu nagrzewania. Gdy nagrzewanie transformatora powoduje ponowne odparowanie wilgoci z materiałów izolacyjnych, wartości oporu izolacyjnego mogą wzrosnąć, ale wytrzymałość mechaniczna znacznie spadnie, sprawiając, że papier izolacyjny nie będzie w stanie wytrzymać sił mechanicznych pochodzących z prądów zwarciowych lub obciążeń impulsowych.
Kontrakcja materiałów włóknistych: Po wystąpieniu kruchości, materiały włókniste kurczą się, zmniejszając siłę zacisku i potencjalnie powodując przemieszczanie się. Może to prowadzić do przesunięcia cewek transformatora i tarcia pod wpływem wibracji elektromagnetycznych lub napięć impulsowych, niszcząc izolację.
2. Awarie izolacji płynnej oleju
Transformator zanurzony w oleju został wynaleziony przez amerykańskiego naukowca Thompsona w 1887 roku i promowany do zastosowań w transformatorach energetycznych przez General Electric i inne firmy w 1892 roku. Mowa tu o izolacji płynnej, czyli izolacji transformatora olejem.
2.1 Charakterystyka transformatorów zanurzonych w oleju:
① Znacznie poprawia siłę izolacji elektrycznej, skraca odległość izolacyjną i zmniejsza objętość urządzenia; ② Zdecydowanie zwiększa efektywność przeprowadzania i oddawania ciepła, zwiększając dopuszczalną gęstość prądu w przewodnikach, zmniejszając wagę urządzenia. Ciepło generowane w rdzeniu transformatora jest przekazywane poprzez termiczną cyrkulację oleju transformatora do obudowy i chłodnicy transformatora, co poprawia efektywne chłodzenie; ③ Zanurzanie w oleju i szczelność redukują utlenianie niektórych wewnętrznych komponentów i zestawów, przedłużając okres użytkowania.
2.2 Właściwości oleju transformatorowego
Działający olej transformatorowy musi posiadać stabilne, doskonałe właściwości izolacyjne i przewodzenia ciepła. Kluczowe właściwości obejmują siłę izolacji (tan δ), lepkość, punkt krytyczny, i wartość kwasową. Olej izolacyjny wyrafinowany z ropy naftowej to mieszanka różnych węglowodorów, żywic, kwasów i innych zanieczyszczeń, których właściwości nie są całkowicie stabilne. Pod wpływem temperatury, pola elektrycznego i efektów świetlnych, olej ciągle utlenia się. W normalnych warunkach, ten proces utleniania przebiega wolno; przy odpowiednim utrzymaniu, olej może zachować wymagana jakość bez starzenia się przez około 20 lat. Jednak metale, zanieczyszczenia i gazy mieszające się z olejem przyspieszają utlenianie, pogarszając jakość oleju, ciemniejąc, zaciemniając przejrzystość, zwiększając zawartość wilgoci, wartość kwasową i zawartość popiołu, co prowadzi do degradacji właściwości oleju.
2.3 Przyczyny degradacji oleju transformatorowego
Degradacja oleju transformatorowego może być podzielona na etapy zanieczyszczenia i degradacji w zależności od nasilenia.
Zanieczyszczenie oznacza mieszanie się wilgoci i zanieczyszczeń z olejem – to nie są produkty utleniania. Zanieczyszczony olej ma pogorszoną wydajność izolacyjną, obniżoną siłę pola elektrycznego zrywu i zwiększone kąty strat dielektrycznych.
Degradacja jest wynikiem utleniania oleju. To utlenianie nie odnosi się tylko do utleniania węglowodorów w czystym oleju, ale także do zanieczyszczeń w oleju, które przyspieszają proces utleniania, szczególnie cząsteczki metalu miedzi, żelaza i aluminium.
Tlen pochodzi z powietrza znajdującego się wewnątrz transformatora. Nawet w całkowicie szczelnych transformatorach pozostałe jest około 0,25% tlenu. Tlen ma wysoką rozpuszczalność, zajmując wysoki procent wśród gazów rozpuszczonych w oleju.
Podczas utleniania oleju transformatorowego, wilgoć działająca jako katalizator i ciepło jako akcelerator powodują powstawanie osadu w oleju. To wpływa na wydajność głównie poprzez: duże cząsteczki osadu pod wpływem pola elektrycznego; osad zanieczyszczeń skupiający się w rejonach największego pola elektrycznego, tworząc przewodzące "mostki" przez izolację transformatora; nierównomierny osad formujący osobne długie pasy, które mogą się wyrównywać z liniami pola elektrycznego, utrudniając oddawanie ciepła, przyspieszając starzenie się materiałów izolacyjnych, powodując obniżenie oporu izolacyjnego i poziomu izolacji.
2.4 Proces degradacji oleju transformatorowego
Podczas degradacji oleju, główne produkty uboczne to peryoksydy, kwasy, alkohole, ketony i osad.
Etap wczesnej degradacji: Olej generuje peryoksydy, które reagują z materiałami włóknistymi izolacyjnymi, tworząc utlenione celulozę, obniżając wytrzymałość mechaniczną włókien izolacyjnych, powodując ich kruchość i kurczenie się izolacji. Powstałe kwasy to lepkie kwasy tłuszczowe. Choć są mniej korodujące niż kwasy mineralne, ich tempo wzrostu i wpływ na organiczne materiały izolacyjne jest znaczny.
Późny etap degradacji: Formowanie osadu następuje, gdy kwas rozpuszcza miedź, żelazo, izolującą farbę i inne materiały, reagując i tworząc osad - lepki, asfaltopodobny polimerowy substancję przewodzącą. Umiarkowanie rozpuszcza się w oleju i szybko formuje pod wpływem pola elektrycznego, przyłączając się do materiałów izolacyjnych lub krawędzi zbiornika transformatora, osadzając się na rurach olejowych i listwach chłodniczych, zwiększając temperaturę pracy transformatora i obniżając wytrzymałość dielektryczną.
Proces utleniania oleju składa się z dwóch głównych warunków reakcyjnych: pierwszy, zbyt wysoka wartość kwasowa w transformatorze, sprawiająca, że olej staje się kwaśny; drugi, utlenione związki rozpuszczone w oleju przekształcają się w związki nierozpuszczalne w oleju, stopniowo pogarszając jakość oleju transformatorowego.
2.5 Analiza Ocena i Konserwacja Oleju Transformatorowego
① Zanik Izolacyjnego Oleju: Zmieniają się zarówno właściwości fizyczne, jak i chemiczne, degradując wydajność elektryczną. Badanie wartości kwasowej oleju, napięcia interfejsowego, opadania osadu i wartości kwasowej rozpuszczalnej w wodzie może określić, czy istnieje ten typ wady. Leczenie odnowy oleju może usunąć produkty degradacji, choć proces może również usunąć naturalne antyoksydanty.
② Zanieczyszczenie Izolacyjnego Oleju Wodą: Woda jest silnie polarnym związkiem, który łatwo jonizuje i rozkłada się pod wpływem pól elektrycznych, zwiększając przepływ przewodzący w izolacyjnym oleju. Nawet mikroskopijna wilgoć znacząco zwiększa straty dielektryczne w izolacyjnym oleju. Badanie zawartości wilgoci w oleju może zidentyfikować ten typ wady. Filtracja oleju pod ciśnieniem i próżnią zazwyczaj eliminuje wilgoć.
③ Mikrobiologiczne Zanieczyszczenie Izolacyjnego Oleju: Podczas montażu głównego transformatora lub podnoszenia rdzenia, owady na elementach izolacyjnych lub resztki potu ludzkiego mogą przenosić bakterie, zanieczyszczając izolacyjny olej; lub sam olej może być już zakażony mikroorganizmami. Główny transformator zazwyczaj działa w środowisku o temperaturze 40-80°C, co jest bardzo sprzyjające dla wzrostu i rozmnażania mikroorganizmów. Ponieważ minerały i białka w mikroorganizmach i ich wydzielinach mają znacznie niższe właściwości izolacyjne niż izolacyjny olej, zwiększają one straty dielektryczne oleju. Ta wada trudno jest rozwiązać za pomocą lokalnego leczenia cyrkulacyjnego, ponieważ niektóre mikroorganizmy zawsze pozostają na stałej izolacji. Po leczeniu izolacja transformatora może tymczasowo odzyskać, ale środowisko pracy sprzyja ponownemu wzrostowi mikroorganizmów, powodując stopniowe pogorszenie izolacji z roku na rok.
④ Alkydowa Farba Izolacyjna z Polarnymi Związkami Rozpuszczalnymi w Oleju: Pod wpływem pola elektrycznego polarnym związkom następuje relaksacyjna polarizacja dipolowa, zużywając energię podczas procesów polarizacji AC, zwiększając straty dielektryczne oleju. Chociaż farba izolacyjna ulega zakwaszeniu przed opuszczeniem fabryki, może pozostać niekompletna obróbka. Po pewnym czasie eksploatacji niedokładnie przetworzona farba stopniowo rozpuszcza się w oleju, stopniowo degradując wydajność izolacyjną. Czas wystąpienia tej wady jest związany z dokładnością obróbki farby; jedno lub dwa leczenia adsorpcyjne mogą osiągnąć pewne efekty.
⑤ Olej Zanieczyszczony Tylko Wodą i Zanieczyszczeniami: To zanieczyszczenie nie zmienia podstawowych właściwości oleju. Wilgoć można usunąć poprzez suszenie; zanieczyszczenia można usunąć przez filtrację; powietrze w oleju można usunąć poprzez pompowanie próżniowe.
⑥ Mieszanie Dwa lub Więcej Różnych Źródeł Izolacyjnego Oleju: Właściwości oleju powinny spełniać odpowiednie specyfikacje; gęstość oleju, temperatura zamarzania, lepkość i punkt zapalny powinny być podobne; a stabilność mieszanki oleju powinna spełniać wymagania. Dla zdegradowanego mieszanego oleju potrzebne są metody odnowy chemicznej, aby oddzielić produkty degradacji i przywrócić właściwości.
3. Izolacja i Właściwości Suchego Transformatora Resztkowego
Suche transformatory (odnoszące się tutaj do transformatorów izolowanych żywicą epoksydową) są głównie stosowane w miejscach z wysokimi wymaganiami bezpieczeństwa pożarowego, takich jak budynki wysokościowe, lotniska i zbiorniki paliw.
3.1 Typy Izolacji Żywicowej
Transformatory izolowane żywicą epoksydową można podzielić na trzy typy ze względu na charakterystykę procesu produkcji: wtryskana próżniowo mieszanka żywicy epoksydowej i kwarcu, wtryskana próżniowo różnicowo ciśnieniowo mieszanka żywicy epoksydowej i bezszkelnego włókna szklanego oraz impregnowana przez okładanie bezszkelnym włóknem szklanym.
① Izolacja Wtryskana Próżniowo Mieszanina Żywicy Epoksydowej i Kwarcu: Te transformatory używają kwarcu jako wypełniacza dla żywicy epoksydowej. Zawinięte i traktowane farbą izolacyjną cewki umieszczane są w formach wtryskowych i wtryskiwane są mieszanką żywicy epoksydowej i kwarcu. Ze względu na trudności procesu wtrysku w spełnieniu wymagań jakościowych, takich jak pozostałe bąble, lokalna nierównomierność mieszanki i potencjalne lokalne pękanie spowodowane naprężeniami termicznymi, te transformatory izolowane są niewłaściwe dla wilgotnych, gorących środowisk i obszarów z dużymi wahnięciami obciążenia.
② Izolacja Wtryskana Próżniowo Różnicowo Ciśnieniowo Żywicy Epoksydowej Wzmocnionej Bezszełkowym Włóknem Szklanym: Używa krótkich bezszełkowych włókien szklanych lub maty szklanej jako izolacji zewnętrznego warstwowego między zwitkami. Najbardziej zewnętrzna warstwa izolacji ma zwykle grubość cienkiej izolacji 1-3mm. Po odpowiednim wymieszaniu z materiałami do wtrysku żywicy epoksydowej, bąble powietrza są usuwane pod wysoką próżnią przed wtryskiem. Ponieważ grubość warstwy izolacji jest cienka, słaba impregnacja może łatwo tworzyć punkty częściowego rozładowania. Dlatego mieszanka materiałów do wtrysku musi być kompletna, degazyacja próżniowa musi być dokładna, a lepkość i prędkość wtrysku muszą być kontrolowane, aby zapewnić wysokiej jakości impregnację pakietów zwitek podczas wtrysku.
③ Izolacja Impregnowana Okładaniem Bezszełkowym Włóknem Szklanym: Te transformatory jednocześnie wykonują warstwową izolację i impregnację zwitków podczas nawijania. Nie wymagają form nawijania potrzebnych w poprzednich dwóch procesach impregnacji, ale wymagają żywicy o niskiej lepkości, która nie powinna zachowywać mikrobąbek podczas nawijania i impregnacji.
3.2 Właściwości Izbolacyjne i Konserwacja Transformatorów Żywicznych
Poziom izolacji transformatorów żywicznych nie różni się znacząco od transformatorów zanurzonych w oleju; kluczowe różnice dotyczą temperatury wzrostu i pomiarów częściowego rozładowania.
① Charakterystyka podwyższenia temperatury: Przekształtniki żywiczne mają wyższy średni poziom podwyższenia temperatury niż przekształtniki olejowe, co wymaga izolacyjnych materiałów o wyższej klasy odporności na ciepło. Jednak średni poziom podwyższenia temperatury nie odzwierciedla najwyższej temperatury w cewkach. Gdy klasa odporności na ciepło materiału izolacyjnego jest wybierana tylko na podstawie średniego podwyższenia temperatury, lub jest niewłaściwie wybrana, lub gdy przekształtniki żywiczne działają w warunkach długotrwałego przeciążenia, to skróci się żywotność przekształtnika.
Ponieważ zmierzona temperatura przekształtnika często nie odzwierciedla najwyższej temperatury, o ile to możliwe, należy używać termometrów podczerwieni do sprawdzenia najgorętszych punktów przekształtników żywicznych przy maksymalnym obciążeniu. Kierunek i kąt wentylatorów powinny być odpowiednio dostosowane, aby kontrolować lokalne podwyższenie temperatury i zapewnić bezpieczne działanie przekształtnika.
② Charakterystyka częściowych rozładowań: Wielkość częściowych rozładowań w przekształtnikach żywicznych zależy od rozkładu pola elektrycznego, jednolitości mieszanki żywicy oraz obecności pozostałości bąbelków powietrza lub pęknięć żywicy. Wielkość częściowych rozładowań wpływa na wydajność, jakość i żywotność przekształtników żywicznych. Dlatego pomiary i akceptacja poziomów częściowych rozładowań stanowią kompleksową ocenę procesu produkcji i jakości. Pomiary częściowych rozładowań powinny być wykonane podczas przekazania przekształtnika żywicznego oraz po większych naprawach, z użyciem zmian w częściowych rozładowaniach do oceny stabilności jakości i wydajności.
Wraz z rosnącą popularnością suchych przekształtników, przy wyborze przekształtników należy dokładnie zrozumieć strukturę procesu produkcyjnego, projektowanie izolacji oraz konfigurację izolacji. Należy wybierać produkty od producentów z kompleksowymi procesami produkcyjnymi, surowymi systemami zapewniania jakości, rygorystycznym zarządzaniem produkcją i niezawodną wydajnością techniczną, aby zapewnić jakość i termiczny cykl życia przekształtnika, co zwiększa bezpieczeństwo działania i niezawodność dostawy energii.
4. Główne czynniki wpływające na awarie izolacji przekształtników
Główne czynniki wpływające na wydajność izolacji przekształtników obejmują: temperaturę, wilgotność, metody ochrony oleju oraz efekty nadmiernego napięcia.
4.1 Efekty temperatury
Przekształtniki energetyczne wykorzystują izolację olejowo-papierową z różnymi równowagami między zawartością wilgoci w oleju i papierze w różnych temperaturach. Ogólnie rzecz biorąc, gdy temperatura wzrasta, wilgoć w papierze przenosi się do oleju; odwrotnie, papier wchłania wilgoć z oleju. Dlatego, w wyższych temperaturach, mikroskopijna zawartość wody w izolującym oleju jest większa; odwrotnie, mikroskopijna zawartość wody jest mniejsza.
Różne temperatury powodują różne stopnie otwierania pierścienia celulozy, łamania łańcuchów i towarzyszącego powstawania gazów. W określonej temperaturze stopy powstawania CO i CO2 pozostają stałe, co oznacza, że zawartość CO i CO2 w oleju zwiększa się liniowo w czasie. Gdy temperatura ciągle rośnie, stopy powstawania CO i CO2 często zwiększają się wykładniczo. Dlatego zawartość CO i CO2 w oleju bezpośrednio związana jest z termicznym starzeniem się izolacji papierowej i może służyć jako jeden kryterium oceny anomalii w warstwach papieru w przekształtnikach szczelnych.
Długość życia przekształtnika zależy od stopnia starzenia się izolacji, który z kolei zależy od temperatury pracy. Na przykład, przekształtnik olejowy przy obciążeniu nominalnym ma średnią temperaturę wzrostu cewki 65°C i temperaturę wzrostu w najgorętszym punkcie 78°C. Przy średniej temperaturze otoczenia 20°C, temperatura w najgorętszym punkcie osiąga 98°C, co pozwala na 20-30 lat działania. Jeśli przekształtnik działa w trybie przeciążenia z podwyższeniem temperatury, długość życia skraca się odpowiednio.
Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) stwierdza, że dla przekształtników z izolacją klasy A działających w zakresie 80-140°C, za każde 6°C wzrostu temperatury, tempa skrócenia skutecznej długości życia izolacji przekształtnika podwaja się – znane jako reguła 6°C, co oznacza surowsze ograniczenia termiczne niż wcześniej akceptowana reguła 8°C.
4.2 Efekty wilgotności
Obecność wilgoci przyspiesza degradację celulozy. Dlatego produkcja CO i CO2 jest związana z zawartością wilgoci w materiałach celulozowych. Przy stałej wilgotności, wyższa zawartość wilgoci powoduje większą produkcję CO2; odwrotnie, niższa zawartość wilgoci powoduje większą produkcję CO.
Ślad wilgoci w izolującym oleju jest istotnym czynnikiem wpływającym na charakterystykę izolacji. Ślad wilgoci w izolującym oleju poważnie szkodzi zarówno właściwościom elektrycznym, jak i fizykochemicznym medium izolacyjnego. Wilgoć może obniżyć napięcie iskrzenia w izolującym oleju, zwiększyć współczynnik strat dielektrycznych (tan δ), przyspieszyć starzenie się izolującego oleju i pogorszyć wydajność izolacji. Eksponowanie sprzętu wilgoci nie tylko obniża niezawodność i długość życia sprzętu energetycznego, ale może również powodować uszkodzenia sprzętu i nawet zagrożenie bezpieczeństwa osobistego.
4.3 Efekty metod ochrony oleju
Tlen w oleju przekształtnika przyspiesza reakcje rozkładu izolacji, a zawartość tlenu jest związana z metodami ochrony oleju. Ponadto, różne metody ochrony powodują różne warunki rozpuszczalności i dyfuzji CO i CO2 w oleju. Na przykład, CO ma niską rozpuszczalność, co pozwala mu łatwo dyfundować do przestrzeni nad powierzchnią oleju w przekształtnikach otwartych, co ogólnie ogranicza frakcję objętościową CO do nie więcej niż 300×10-6. W przekształtnikach szczelnych, ponieważ powierzchnia oleju jest odizolowana od powietrza, CO i CO2 nie łatwo parują, co prowadzi do wyższych poziomów zawartości.
4.4 Efekty nadmiernego napięcia
① Efekty przejściowego nadmiernego napięcia: Trójfazowe przekształtniki działające normalnie generują napięcie fazowo-ziemiowe wynoszące 58% napięcia fazowego. Jednakże, podczas awarii jednofazowej, główne napięcie izolacji wzrasta o 30% w systemach z uziemioną neutralą i o 73% w systemach bez uziemionej neutrały, co potencjalnie może uszkodzić izolację.
② Efekty nadmiernego napięcia piorunowego: Nadmiernie wysokie napięcia piorunowe mają strome fronty fali, co powoduje bardzo nierównomierne rozłożenie napięcia na izolacji podłużnej (miedzy zwitkami, warstwami, dyskami), co może pozostawić ślady rozładowania na izolacji i uszkodzić stałą izolację.
③ Skutki przełączeniowych przepięć: Przełączeniowe przepięcia mają stosunkowo powolne fronty fal, co powoduje niemal liniowe rozłożenie napięcia. Gdy fale przełączeniowego przepięcia przechodzą z jednego cewnika do drugiego, napięcie jest proporcjonalne do stosunku liczby zwitków między dwoma cewnikami, co łatwo prowadzi do degradacji i uszkodzenia izolacji głównej lub fazowej.
4.5 Elektrodynamika skrótu
Siły elektrodynamiczne podczas zewnętrznych skrótów mogą deformować cewniki transformatora i przesuwać przewody, zmieniając oryginalne odległości izolacyjne, co powoduje nagrzewanie izolacji, przyspiesza starzenie się lub uszkodzenie, prowadząc do wyładowań, łuków elektrycznych i awarii skrótu.
5. Wnioski
Podsumowując, zrozumienie wydajności izolacji transformatorów mocy i wdrożenie odpowiednich operacji i konserwacji bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo transformatora, jego żywotność oraz niezawodność dostawy energii. Jako kluczowe główne wyposażenie w systemach energetycznych, personel obsługujący i zarządzający transformatorami musi zrozumieć i opanować strukturę izolacji transformatora, właściwości materiałów, jakość procesów, metody konserwacji oraz naukowe technologie diagnostyczne. Tylko poprzez zoptymalizowane i rozsądne zarządzanie operacjami można zagwarantować efektywność, żywotność i niezawodność dostawy energii przez transformatory mocy.
