Jak diagnostikovat poruchy transformátoru a snižovat hluk

S rychlým rozvojem čínské ekonomiky se také postupně rozšiřuje měřítko elektroenergetického průmyslu, což zvyšuje požadavky na instalovaný výkon a jednotkový výkon transformátorů. Tento článek poskytuje stručné představení čtyř aspektů: konstrukce transformátoru, ochrana transformátoru proti blesku, poruchy transformátoru a hluk transformátoru.

Transformátor je běžně používané elektrické zařízení schopné převádět střídavou elektrickou energii. Může převést jednu formu elektrické energie (střídavý proud a napětí) na jinou formu elektrické energie (stejné frekvence střídavého proudu a napětí). V praktických aplikacích má transformátor hlavní funkci změny hladiny napětí, což usnadňuje přenos energie. 

Podle poměru výstupního napětí k vstupnímu napětí jsou transformátory klasifikovány jako snižující nebo zvyšující. Transformátor s poměrem napětí menším než 1 se nazývá snižující transformátor, jehož hlavní funkcí je zajištění potřebného napětí pro různá elektrická zařízení, aby uživatelé dostávali správné napětí. Transformátor s poměrem napětí větším než 1 se nazývá zvyšující transformátor, který slouží především k snížení nákladů na přenos energie, minimalizaci ztrát energie během přenosu a prodloužení vzdálenosti přenosu.

Konstrukce transformátoru
U středně a velké kapacity elektrických transformátorů je poskytnut uzavřený olejový nádrž, plněný transformátorovým olejem. Cívky a jádro transformátoru jsou ponořeny do oleje pro lepší odvod tepla. Izolační trubice jsou použity k vedení civek a spojení s externími obvody. Transformátor se skládá zejména z následujících komponent: zařízení pro regulaci napětí, tělo, výstupní terminálové zařízení, olejový nádrž, ochranná zařízení a chladicí zařízení. Zařízení pro regulaci napětí se dělí na načasované a mimočasové tap changer, což je v podstatě typ tap switch; tělo se skládá z vedení, jádra, izolační struktury a civek; výstupní terminálová zařízení zahrnují nízkonapěťové a vysokonapěťové trubice; olejový nádrž zahrnuje příslušenství (včetně ventilů pro vzorkování oleje, štítků, odpadových ventilů, zazemňovacích šroubů a kol) a hlavní tělo nádrže (včetně dna, stěn a víka); ochranná zařízení zahrnují sušiče dehtu, plynové relé, expandažní nádrž, olejové float relé, ukazatele hladiny oleje, senzory teploty a bezpečnostní ventil; chladicí zařízení se skládají z chladičů a radiátorů.

Hluk transformátoru a opatření k jeho snížení
Transformátory během provozu často produkují zvuk, především kvůli elektromagnetickým silám, které způsobují vibrace těla a magnetostriction v křemičitých ocelových listech v magnetickém poli, stejně jako hluk generovaný větráky a chladicími systémy. lidský sluchový systém dokáže vnímat zvuk pouze v určitéch frekvencích vibrací; když je frekvence mezi 16 Hz a 2000 Hz, lze ji slyšet. Ultrasvuk nad tímto rozsahem a infra-zvuk pod ním nelze vnímat. Hluk se šíří z jádra do vzduchu, civek a stlačovacích struktur—což je hlavní přenosová cesta hluku transformátoru. Hluk lze snížit snížením hustoty magnetického toku a minimalizací magnetostriction v křemičitých ocelových listech jádra. Nicméně, snížení hustoty magnetického toku zvyšuje rozměry jádra a počet křemičitých ocelových listů, což zvyšuje náklady. Aby bylo možné snížit hluk bez zvyšování nákladů, je efektivní přidání tlumičových komponent. Například umístění gumových formovacích mezidiel mezi nízkonapěťovou cívkou a jádrem může utěsnit cívkovou součást a poskytnout tlumení. Tato tlumičová struktura pomáhá snížit hluk během jeho šíření.

Ochrana transformátoru proti blesku
V Číně je každoročně poškozeno množství transformátorů kvůli bleskovým úderům. Podle příslušných orgánů je 4%–10% poškozených 10 kV distribučních transformátorů způsobeno blesky. Nesprávné spojení vedoucích k zemnici a nesprávná instalace bleskoslepů transformátoru jsou hlavními příčinami bleskových poškození. Klíčové problémy zahrnují: samostatné zemnění vysokonapěťové a nízkonapěťové strany bleskoslepů a neutrálního bodu transformátoru; příliš dlouhé vedle a nedostatečný průřez zemnice; absence bleskoslepů na nízkonapěťové straně; použití nosného prvku jako zemnice pro vysokonapěťové bleskoslepy; a neprovedení preventivních testů bleskoslepů.

Poruchy transformátoru
Pokud dojde k některé z následujících změn v transformátoru, lze provést analýzu poruchy na základě skutečného stavu provozu: transformátor způsobí výpadek elektrické energie kvůli nehodě nebo zaznamená jevy jako krátké spojení na výstupu, ale dosud nedošlo k demontáži; během provozu se objeví neobvyklé jevy, které nutí operátory vypnout transformátor pro kontrolu nebo testování; během preventivních testů, přijetí údržby nebo spuštění za normálních podmínek vypnutí překročí jedna nebo více hodnot parametrů standardní limity. Pokud dojde k některé z výše uvedených situací během skutečného použití, měl by transformátor okamžitě podstoupit příslušné kontroly a testy, aby se zajistilo, že může fungovat normálně.

Kroky k určení existence poruchy:

• Nejprve určete možnost poruchy a zda se jedná o patrnou (viditelnou) nebo skrytou (latentní) poruchu.

• Druhým krokem je identifikovat povahu poruchy—zda se jedná o poruchu týkající se oleje nebo pevné izolace, tepelnou nebo elektrickou poruchu.

• Třetí, faktory jako výkon poruchy, doba aktivace relé kvůli nasycení, závažnost, trend rozvoje, teplota horkého místa a stupeň nasycení plynů v oleji jsou běžnými indikátory pro určení existence poruchy.

• Čtvrtým krokem je najít vhodnou metodu pro řešení incidentu. Pokud transformátor po incidentu může stále fungovat, určete během provozu, zda je třeba upravit bezpečnostní opatření a metody sledování, a zda je třeba provést interní inspekci nebo opravu.

Různé příčiny mohou vést k poruchám transformátoru, které lze klasifikovat několika způsoby. Například podle typu obvodu mohou být kategorizovány jako poruchy olejového obvodu, magnetického obvodu a elektrického obvodu. Aktuálně nejčastější a nejtěžší porucha transformátoru je krátké spojení na výstupu, které může také vyvolat výbojkové poruchy. Krátké spojení v transformátoru obvykle označuje fázové krátké spojení uvnitř transformátoru, zemní poruchy v vodičích nebo civech a krátké spojení na výstupu.

Mnoho nehod vzniká v důsledku těchto poruch. Například krátké spojení na nízkonapěťovém výstupu transformátoru často vyžaduje výměnu dotčené cívky; v extrémních případech mohou být třeba vyměnit všechny cívky, což způsobuje významné ekonomické ztráty a důsledky. Krátká spojení v transformátorech si zaslouží vážnou pozornost. Například transformátor (110 kV, 31,5 MVA, model SFS2E8-31500/110) zaznamenal krátké spojení, spolu s vypnutím třístranných vypínačů hlavního transformátoru a aktivací ochrany těžkého plynu.

Po vrácení transformátoru do továrny na opravu bylo zjištěno při zdvihnutí krytu: koróze jak na základně, tak na horní části jádra (v důsledku deště během incidentu); závažné deformace středonapěťové cívky v fázi C, zhrnutí vysokonapěťové cívky v fázi C a krátké spojení mezi nízkonapěťovou a středonapěťovou cívkou způsobené posunem stlačovacích desek; závažné deformace středonapěťové a nízkonapěťové cívky v fázi B; nízkonapěťová cívka v fázi C byla spálena ve dvou částech; a množství drobných měděných částic a měděných kuliček mezi cívkami. Hlavní příčiny zahrnovaly: nedostatečnou sílu izolace izolační struktury; nesoulad stlačovacích pásků, chybějící podsadky a volné posouvání; a volné cívky.

Výboj především poškozuje izolaci transformátoru, což se projevuje dvěma způsoby: Za prvé, aktivní plyny vytvořené výbojem, jako jsou chlorové oxidy, ozón a teplo, způsobují chemické reakce za určitých podmínek, což vede k lokálnímu korozi izolace, zvýšení dielektrických ztrát a nakonec termickému protržení. Za druhé, částice výboje přímo bombardují izolaci, což způsobuje lokální poškození izolace, které se postupně rozšiřuje a nakonec protrhne.

Například transformátor (63 MVA, 220 kV) zaznamenal výboj při 1,5krát vysokém napětí, spolu s slyšitelnými zvuky výboje a úrovni výboje až 4000–5000 pC. Když bylo napětí testu mezi otáčkami sníženo na 1,0krát a metoda testu na konci vedení změněna na podporu 1,5krát napětí, nevznikl žádný zvuk výboje a úroveň výboje prudce klesla pod 1000 pC. Při demontáži a inspekci byly nalezeny stromovité stopy výboje podél koutových kroužků izolace, především kvůli nedostatečné kvalitě izolačního materiálu.

Pokud dojde k částečnému výboji na povrchu pevné izolace, zejména když jsou přítomny oba normální a tangenciální složky síly elektrického pole, dochází k nejzávažnějšímu incidentu. Poruchy částečného výboje mohou nastat v libovolném místě s nedostatečným izolačním materiálem nebo koncentrací elektrického pole, jako je mezi otáčkami, u vedení vysokonapěťových elektrostatických štítů, mezi fázovými bariérami a u vysokonapěťových vedení.

Transformátory jsou široce používaná elektrická zařízení v elektronických obvodech a energetických systémech. Jako klíčové zařízení v využití, distribuci a přenosu energie mají transformátory nezastupitelnou roli. Proto by měla být v praxi věnována větší pozornost transformátorům.