Optimalisatie van aardingsmethoden voor transformatorkern en -klampen

De beveiligingsmaatregelen voor de aarding van transformatoren worden in twee typen onderverdeeld: Het eerste is de aarding van het neutrale punt van de transformator. Deze beveiligingsmaatregel voorkomt dat door een ongelijke belasting van de driefase lading tijdens het werken van de transformator, het neutrale punt van spanning afwijkt, waardoor beschermingsapparatuur snel kan uitschakelen en kortsluitstromen verminderd worden. Dit wordt beschouwd als functionele aarding voor de transformator. De tweede maatregel is de aarding van het transformatorijzer en de klemmen.

Deze beveiliging voorkomt dat geïnduceerde spanningen ontstaan op de oppervlakken van het ijzer en de klemmen vanwege interne magnetische velden tijdens het werken, wat kan leiden tot partiële ontladingsschade. Dit wordt beschouwd als beschermende aarding voor de transformator. Om veilig en betrouwbaar te kunnen werken, analyseert en optimaliseert dit artikel specifiek aardingsmethoden voor de ijzers en klemmen van transformatoren.

1. Belangrijkheid van de aarding van ijzer en klemmen

De belangrijkste interne componenten van een transformator omvatten: windingen, ijzer, en klemmen. Windingen vormen het elektrische circuit van de transformator, het ijzer vormt het magnetische circuit, en klemmen worden voornamelijk gebruikt om de windingen en siliciumstalen platen van het ijzer vast te zetten. Tijdens normaal gebruik genereren primaire en secundaire spoelen magnetische velden wanneer er stroom doorheen loopt. In deze magnetische omgeving ontwikkelen zich geïnduceerde spanningen op de oppervlakken van het ijzer en de klemmen. 

Naarmate de sterkte van het magnetische veld toeneemt, neemt de magnetische flux geleidelijk toe, waardoor de geïnduceerde spanningen progressief stijgen. Vanwege de onevenredige distributie van het magnetische veld creëren niet-uniforme geïnduceerde spanningen potentiaalverschillen, wat resulteert in continue ontladingen op de oppervlakken van het ijzer en de klemmen, wat leidt tot interne fouten in de transformator. Deze spanning die interne ontladingsschade veroorzaakt in transformatoren wordt "floating voltage" genoemd. Daarom moeten tijdens het werken, het ijzer en de klemmen van de transformator op één punt worden aangesloten om geïnduceerde spanningen te verminderen en uit te schakelen.

Bij de aarding van het ijzer en de klemmen van de transformator is slechts één aardingspunt toegestaan om circulerende stromen tussen het ijzer en de klemmen te voorkomen. Als er twee of meer aardingspunten bestaan, zullen potentiaalverschillen circulerende stromen veroorzaken tussen het ijzer en de klemmen, wat leidt tot abnormale temperatuurstijgingen binnen de transformator. Dit veroorzaakt directe schade aan interne vaste isolatie en versnelt de veroudering van isolatieolie, wat de normale levensduur van de transformator beïnvloedt.

2. Aardingsmethoden voor ijzer en klemmen en optimalisatiebenaderingen

In de huidige ontwerpen van transformatoren in China wordt de aarding van ijzer en klemmen gerealiseerd door middel van kleine bushings of geïsoleerde bouten naar de buitenkant van de transformatorhuis te verbinden voordat ze worden aangesloten. Deze aardingsbenadering wordt verder verdeeld in twee methoden:

De eerste aardingsmethode (Figuur 1) verbindt het ijzer en de klemmen via bushings of geïsoleerde bouten, en sluit ze vervolgens rechtstreeks kort met elkaar aan voordat ze worden aangesloten. Tijdens normaal gebruik van de transformator vertoont deze aardingsmethode drie stroompaden, aangeduid als I1, I2, en I3:

• I1: IJzer → Aardingterminal → Aarde

• I2: Klemmen → Aardingterminal → Aarde

• I3: IJzer → Aardingterminal → Aarde → Klemmen

De tweede aardingsmethode (Figuur 2) leidt het ijzer en de klemmen via bushings of geïsoleerde bouten naar aparte aardingspunten. Deze aardingsmethode vertoont ook drie stroompaden tijdens normaal gebruik:

• I1: IJzer → Aardingpunt van het ijzer → Aarde

• I2: Klemmen → Aardingpunt van de klemmen → Aarde

• I3: IJzer → Aardingpunt van het ijzer → Aarde → Aardingpunt van de klemmen → Klemmen

Van de twee aardingsmethoden die hierboven worden genoemd, vertegenwoordigen de geïnduceerde aardingsstromen I1 en I2 normale omstandigheden. Echter, de geïnduceerde aardingsstroom I3 verschilt significant:

Bij de aardingsmethode zoals getoond in Figuur 1, loopt de geïnduceerde stroom via het pad: ijzer → aardingterminal → klemmen, wat een "circulerende stroom" creëert tussen het ijzer en de klemmen van de transformator. Onder de warmte-effecten van deze stroom, neemt de interne temperatuur van de transformator abnormaal toe. Hoge temperaturen veroorzaken directe afbraak van vaste isolatie en veroudering van isolatieolie. Bovendien, vanwege de invloed van de circulerende stroom, kunnen online monitoring systemen de aardingsstromen van het ijzer en de klemmen niet nauwkeurig meten, wat leidt tot misdiagnose bij apparatuurschade. Daarom heeft de eerste aardingsmethode significante nadelen.

Daarentegen, bij de aardingsmethode zoals getoond in Figuur 2, loopt de geïnduceerde stroom via: ijzer → aardingpunt van het ijzer → aarde → aardingpunt van de klemmen → klemmen. Aangezien de stroom via een hoge weerstand aarde passeert, kan er geen "circulerende stroom" ontstaan tussen het ijzer en de klemmen. Dit voorkomt abnormale temperatuurstijging in de transformator en stelt online monitoring systemen in staat om de aardingsstromen van zowel het ijzer als de klemmen nauwkeurig te meten (volgens DL/T 596-2021 Power Preventive Test Code, mag de aardingsstroom van het ijzer tijdens het werken van de transformator niet meer dan 0,1 A bedragen en mag de aardingsstroom van de klemmen niet meer dan 0,3 A bedragen). Dit biedt betrouwbare bewijslast om te bepalen of er interne fouten in de transformator bestaan.

Voor de xx-223000/500 no-excitation voltage regulating power transformator, worden het ijzer en de klemmen aangesloten volgens de methode zoals getoond in Figuur 1, wat meerdere operationele problemen oplevert:

(1) Tijdens het gebruik ontstaat gemakkelijk een "circulerende stroom" tussen het interne ijzer en de klemmen. Het warmte-effect veroorzaakt abnormale temperatuurstijging, versnelt de afbraak van vaste isolatie en de veroudering van isolatieolie, waardoor de levensduur van de transformator wordt verminderd.

(2) Door de invloed van "circulerende stroom" kunnen online monitoring systemen de aardingstromen van het kern en de beugels niet nauwkeurig meten, waardoor het onmogelijk is om overtuigend bewijs te leveren voor het vaststellen van interne fouten.

(3) De geïnduceerde aardingstromen van het kern en de beugels kunnen continu worden gemeten en vergeleken met de lekstromen die door het online systeem worden bewaakt, om de nauwkeurigheid van het monitoring systeem te verifiëren.

(4) Tijdens de onderhouds- en reparatieactiviteiten van de transformatoren, wanneer de isolatieweerstand tussen het kern/beugels en de aarde wordt gemeten, moeten externe aardingaders worden losgekoppeld. Aangezien dit transformatormodel M10 koperen bouten (geïsoleerd van de aarde) gebruikt voor de verbindingen van het kern en de beugels, die uitstekende geleidbaarheid hebben maar een lage mechanische sterkte en vatbaar zijn voor breuk. Tijdens veldwerkzaamheden kunnen beperkte ruimtes en onevenwichtige krachten gemakkelijk leiden tot breuken in koperen bouten. Gezien de compacte interne structuur van de transformatoren vereist het aanpakken van deze fout het optillen van het tankdeksel voor vervanging, wat de normale onderhoudscyclus en de operationele efficiëntie beïnvloedt.

Gelet op deze vier problemen, om ervoor te zorgen dat tijdens bedrijf de geïnduceerde aardingstromen van het kern en de beugels nauwkeurig worden gedetecteerd, de levensduur van de transformatoren te verlengen, "circulerende stromen" te elimineren en te voorkomen dat onderhoudsactiviteiten schade veroorzaken die de reparaatiereikwijdte vergroten, wordt aanbevolen de aardingmethode van het kern en de beugels van de configuratie zoals weergegeven in Figuur 1 te optimaliseren naar de configuratie zoals weergegeven in Figuur 2.

3.Slotconclusie

Door middel van een gedetailleerde introductie van de interne componenten en functies van de transformatoren, samen met een wetenschappelijke analyse van de ontladingfouten die tijdens bedrijf optreden, zijn er succesvol wijzigingen aangebracht in defecte delen. Deze benadering leidt tot een verlenging van de levensduur van de apparatuur, een verbetering van de veiligheid van het elektriciteitsnet en een vermindering van de onderhoudskosten van de apparatuur.