Optymalizacja metod zazemienia transformatora elektrycznego i mocowań

Zasady ochrony przez ziemie transformatorów dzielą się na dwa typy: Pierwszy to ziemienie punktu neutralnego transformatora. Ta miara ochronna zapobiega dryfowi napięcia w punkcie neutralnym spowodowanym nierównoważeniem obciążenia trójfazowego podczas pracy transformatora, umożliwiając szybkie wyzwalanie urządzeń ochronnych i redukując prądy przekroczenia. Jest to uznawane za funkcjonalne ziemienie transformatora. Druga miara to ziemienie rdzenia i klamr transformatora.

Ta ochrona zapobiega powstaniu napięć indukowanych na powierzchniach rdzenia i klamr w wyniku pól magnetycznych wewnętrznych podczas pracy, co może prowadzić do awarii częściowych rozładowań. Jest to uznawane za ochronne ziemienie transformatora. Aby zapewnić bezpieczną i niezawodną pracę transformatora, ten artykuł analizuje i optymalizuje metody ziemienia specjalnie dla rdzenia i klamr transformatora.

1. Waga ziemienia rdzenia i klamr

Główne komponenty wewnętrzne transformatora obejmują: cewki, rdzeń i klamry. Cewki tworzą obwód elektryczny transformatora, rdzeń stanowi obwód magnetyczny, a klamry są głównie używane do zabezpieczania cewek i taśm krzemowych rdzenia. W normalnej pracy, gdy prąd płynie przez cewki pierwotne i wtórne, generowane są pola magnetyczne. W tym środowisku magnetycznym powstają napięcia indukowane na powierzchniach rdzenia i klamr. 

Wraz ze wzrostem siły pola magnetycznego, strumień magnetyczny stopniowo rośnie, powodując postępujący wzrost napięć indukowanych. Ze względu na nierównomierne rozłożenie pola magnetycznego, nierównomierne napięcia indukowane tworzą różnice potencjałów, co prowadzi do ciągłych rozładowań na powierzchniach rdzenia i klamr, powodując wewnętrzne awarie transformatora. To napięcie powodujące wewnętrzne awarie rozładowań w transformatorach nazywane jest "napięciem pływającym". Dlatego podczas pracy rdzeń i klamry transformatora muszą być ziemione w jednym punkcie, aby zmniejszyć i eliminować napięcia indukowane.

Podczas ziemienia rdzenia i klamr transformatora, dopuszcza się tylko jeden punkt ziemienia, aby zapobiec cyrkulacji prądów między rdzeniem a klamrami. Jeśli istnieją dwa lub więcej punktów ziemienia, różnice potencjałów spowodują cyrkulację prądów między rdzeniem a klamrami, prowadząc do niezwykle wysokich temperatur wewnątrz transformatora. To bezpośrednio uszkadza wewnętrzną izolację stałą i przyspiesza starzenie się oleju izolacyjnego, wpływając na normalny okres użytkowania transformatora.

2. Metody ziemienia rdzenia i klamr oraz podejścia do optymalizacji

W obecnych projektach transformatorów w Chinach, ziemienie rdzenia i klamr jest głównie realizowane poprzez kierowanie połączeń przez małe izolatory lub śruby izolacyjne na zewnątrz kadłuba transformatora, zanim zostaną one zziemione. Ta metoda ziemienia dzieli się na dwie metody:

Pierwsza metoda ziemienia (Rysunek 1) łączy rdzeń i klamry poprzez izolatory lub śruby izolacyjne, a następnie bezpośrednio je skróca przed zziemieniem. W normalnej pracy transformatora, ta metoda ziemienia pokazuje trzy ścieżki przepływu prądu, oznaczone jako I1, I2 i I3:

• I1: Rdzeń → Terminal ziemienia → Ziemia

• I2: Klamry → Terminal ziemienia → Ziemia

• I3: Rdzeń → Terminal ziemienia → Ziemia → Klamry

Druga metoda ziemienia (Rysunek 2) kieruje rdzeń i klamry poprzez izolatory lub śruby izolacyjne do oddzielnych punktów ziemienia. Ta metoda ziemienia również pokazuje trzy ścieżki przepływu prądu w normalnej pracy:

• I1: Rdzeń → Punkt ziemienia rdzenia → Ziemia

• I2: Klamry → Punkt ziemienia klamr → Ziemia

• I3: Rdzeń → Punkt ziemienia rdzenia → Ziemia → Punkt ziemienia klamr → Klamry

Spośród dwóch wymienionych metod ziemienia, prądy ziemienia indukowane I1 i I2 reprezentują normalne warunki. Jednak prąd ziemienia indukowany I3 różni się znacznie:

W metodzie ziemienia pokazanej na Rysunku 1, prąd indukowany płynie przez ścieżkę: rdzeń → terminal ziemienia → klamry, tworząc "prąd cyrkulujący" między rdzeniem a klamrami transformatora. W wyniku działania tego prądu, temperatura wewnętrzna transformatora niezwykle wzrasta. Wysoka temperatura bezpośrednio powoduje degradację izolacji stałej i starzenie się oleju izolacyjnego. Ponadto, ze względu na wpływ prądu cyrkulującego, systemy monitorowania online nie mogą dokładnie mierzyć prądów ziemienia rdzenia i klamr, prowadząc do błędnej diagnozy przy wystąpieniu awarii sprzętu. Dlatego pierwsza metoda ziemienia ma istotne wady.

Natomiast w metodzie ziemienia pokazanej na Rysunku 2, prąd indukowany płynie przez: rdzeń → ziemia rdzenia → ziemia → ziemia klamr → klamry. Ponieważ prąd przepływa przez wysokoodporną ziemię, nie może powstać "prąd cyrkulujący" między rdzeniem a klamrami. To zapobiega niezwykle wysokim temperaturom w transformatorze i pozwala systemom monitorowania online na precyzyjne pomiar prądów ziemienia zarówno rdzenia, jak i klamr (zgodnie z normą DL/T 596-2021, prąd ziemienia rdzenia nie może przekraczać 0,1 A, a prąd ziemienia klamr nie może przekraczać 0,3 A podczas pracy transformatora). To dostarcza niezawodnych dowodów do określenia, czy wewnątrz transformatora występują wewnętrzne awarie.

Dla xx-223000/500 transformatora mocy bezwzbudnego regulowania napięcia, rdzeń i klamry są zziemione metodą pokazaną na Rysunku 1, co stwarza kilka problemów operacyjnych:

(1) Podczas pracy łatwo powstaje "prąd cyrkulujący" między wewnętrznym rdzeniem a klamrami. Efekt termiczny powoduje niezwykle wysokie temperatury, przyspieszając degradację izolacji stałej i starzenie się oleju izolacyjnego, co skraca okres użytkowania transformatora.

(2) Ze względu na wpływ "prądu wirowego", systemy monitorowania online nie są w stanie dokładnie zmierzyć prądów uziemienia rdzenia i imadła, co uniemożliwia uzyskanie zdecydowanych dowodów na istnienie usterek wewnętrznych.

(3) Wzbudzone prądy uziemienia rdzenia i imadła mogą być ciągle mierzone i porównywane z prądami wycieku monitorowanymi przez system online, aby zweryfikować dokładność systemu monitorującego.

(4) Podczas konserwacji i naprawy transformatora, podczas pomiaru oporu izolacji między rdzeniem/imadłem a ziemią, muszą zostać odłączone zewnętrzne przewody uziemiające. Ponieważ ten model transformatora używa śrub miedzianych M10 (izolowanych od ziemi) do połączeń rdzenia i imadła, które mają doskonałą przewodność, ale niską wytrzymałość mechaniczną i są narażone na pękanie. W warunkach terenowych, ciasne przestrzenie i nierównomierne siły mogą łatwo powodować pękanie śrub miedzianych. Z uwagi na zwarte uszeregowanie wewnętrznego budynku transformatora, usuwanie tego uszkodzenia wymaga podnoszenia pokrywy zbiornika w celu wymiany, co wpływa na normalny cykl konserwacji i efektywność operacyjną.

Biorąc pod uwagę te cztery kwestie, aby zapewnić dokładne wykrywanie wzbudzonych prądów uziemienia rdzenia i imadła podczas eksploatacji, przedłużyć żywotność transformatora, eliminować "prądy wirowe" oraz zapobiec temu, by operacje konserwacyjne powodowały szkody rozszerzające zakres napraw, zaleca się optymalizację metody uziemienia rdzenia i imadła transformatora z konfiguracji rys. 1 do konfiguracji rys. 2.

3.Wniosek

Przez szczegółowe wprowadzenie do komponentów i funkcji wewnętrznych transformatora, wraz z naukową analizą awarii spowodowanych rozładowaniami podczas eksploatacji, udało się pomyślnie wprowadzić modyfikacje części defektowych. Tym sposobem osiągnięto przedłużenie żywotności sprzętu, poprawiono bezpieczeństwo sieci energetycznej i zmniejszono koszty konserwacji sprzętu.