8 klíčových opatření ke snížení částečných výbojků v elektrických transformátorech

Rozvíjející se požadavky na chladiče transformátorů a funkce chladicích systémů

S rychlým rozvojem elektrických sítí a zvyšováním napětí při přenosu, elektrické sítě a spotřebitelé elektřiny vyjadřují stále vyšší nároky na izolační spolehlivost velkých elektrických transformátorů. Protože test částečného výboje není ničivý pro izolaci, ale je velmi citlivý, efektivně detekuje vrozené vadě v izolaci transformátoru nebo bezpečnostně ohrožující vady vygenerované během dopravy a instalace, on-site testy částečného výboje získaly široké uplatnění. Byly zařazeny jako povinný test při uvedení do provozu pro transformátory s napětím 72,5 kV a vyšším.

1. Částečný výboj a jeho principy

Částečný výboj, také známý jako elektrostatická ionizace, odkazuje na proudění elektrostatických nábojů. Při určité aplikované síle napětí se elektrostatické náboje nejprve ionizují v místech s slabší izolací v oblastech silnějšího elektrického pole, aniž by způsobily kompletní selhání izolace. Tento fenomén proudu elektrostatických nábojů se nazývá částečný výboj. Částečný výboj se vyskytující blízko vodičů obklopených plynem se nazývá korona.

Částečný výboj je elektrický výboj vyskytující se v lokalizovaných místech uvnitř interní izolace transformátorů. Protože výboj je lokalizovaný a má nízkou energii, nepřímo nezpůsobuje kompletní selhání interní izolace.

Pro testy částečného výboje transformátorů Čína původně implementovala požadavky pouze pro transformátory s hodnocením 220 kV a vyšším. Později nový standard IEC stanovil, že měření částečného výboje by mělo být provedeno, když je maximální pracovní napětí zařízení Um ≥ 126 kV. Národní standard podobně stanovuje, že pro transformátory s maximálním pracovním napětím Um ≥ 72,5 kV a nominální kapacitou P ≥ 10 000 kVA by mělo být provedeno měření částečného výboje, pokud není jinak dohodnuto.

Metoda testu částečného výboje následuje ustanovení v GB1094.3-2003, s limitem standardu stanoveným na 500 pC. V reálných kontraktech však zákazníci často požadují limity ≤300 pC nebo ≤100 pC. Takové technické dohody vyžadují od výrobců transformátorů udržení vyšších technických standardů produktu.

2. Rizika spojená s částečným výbojem

Závažnost rizik spojených s částečným výbojem souvisí s jeho příčinami, polohou a úrovněmi napětí zahájení a ukončení. Vyšší napětí zahájení a ukončení znamená menší riziko, a naopak. Co se týče charakteristik výboje, výboje ovlivňující pevnou izolaci představují největší riziko pro transformátory, snižují sílu izolace nebo dokonce způsobují poškození.

3. Příčiny částečného výboje

Faktory způsobující částečný výboj zahrnují nedostatečné návrhové zvážení, ale nejčastěji pochází z výrobního procesu:

• Ostré hranice a drsnosti na komponentech, které zkreslují elektrické pole a snižují napětí zahájení výboje;

• Cizí objekty a prach, které způsobují koncentraci elektrického pole, což vede k koronovému výboji nebo výboji způsobenému poruchou pod vlivem externího elektrického pole;

• Vlhkost nebo bublinky plynu. Z důvodu nižší dielektrické konstanty vody a plynu dochází nejprve k výboji pod vlivem elektrického pole;

• Špatný kontakt visících kovových struktur, které vytvářejí koncentraci pole nebo způsobují výboj jisker.

4. Opatření ke snížení částečného výboje

4.1 Kontrola prachu

Mezi faktory způsobující částečný výboj jsou cizí objekty a prach velmi důležitými spouštěči. Testy ukazují, že kovové částice větší než 1,5 μm mohou produkovat množství výboje daleko přesahující 500 pC pod vlivem elektrického pole. Jak kovový, tak nekovový prach vytváří koncentrovaná elektrická pole, snižující napětí zahájení výboje a napětí způsobeného poruchou izolace.

Proto je klíčové udržovat čisté prostředí a jádro během výroby transformátoru a musí být prováděna přísná kontrola prachu. Měla by být založena prach-těsná dílna podle míry, jakou produkty mohou být ovlivněny prachem během výroby. Například během rovnání drátů, balení drátů papírem, výroby vinutí, montáže vinutí, skládání jádra, výroby izolačních komponent, montáže jádra a dokončování jádra nesmí být dovoleno, aby zůstaly nebo vnikly žádné cizí objekty nebo prach.

4.2 Centralizovaná zpracování izolačních komponent

Izolační komponenty jsou zvláště zranitelné vůči kontaminaci kovovým prachem, protože jednou, když se kovový prach přilepí k izolačním komponentám, je extrémně těžké ho úplně odstranit. Proto je nutné centralizované zpracování v izolační dílně, s oddělenou oblastí pro mechanické zpracování izolovanou od ostatních oblastí produkujících prach.

4.3 Přísná kontrola drsností silikátových plechů

Laminace jádra transformátoru jsou tvořeny longitudinálními a transverzálními řezacími procesy, které nevyhnutelně vytvářejí drsnosti různého stupně. Tyto drsnosti nejen způsobují mezilaminové krátké spojení, vytvářejí vnitřní oběžné proudy, které zvyšují ztráty při nezatížení, ale také efektivně zvyšují tloušťku jádra, zatímco snižují skutečný počet laminací. Co je důležitější, během montáže jádra nebo operace pod vlivem vibrací, mohou drsnosti padnout na tělo jádra, způsobují výboj. I drsnosti, které padnou na dno nádrže, mohou být uspořádány pod vlivem elektrického pole, způsobují výboj potenciálu země. Proto by měly být drsnosti laminací jádra minimalizovány co nejvíce. Pro produkty 110 kV by měly drsnosti laminací jádra nepřesáhnout 0,03 mm; pro produkty 220 kV by neměly přesáhnout 0,02 mm.

4.4 Chladné tlačené terminály pro vedoucí dráty

Použití studeně tlačených terminálů pro vedení je efektivnou opatření k snížení množství částečných výbojků. Svařování fosforitového bronzu produkuje množství rozptýlených částic, které se snadno rozmístí na jádrové tělo a izolační komponenty. Kromě toho je potřeba izolovat oblast spáje s vodou namočenou asbestovou provazem, což zavádí vlhkost do izolace. Pokud není po svazování izolace vlhkost důkladně odstraněna, zvýší se množství částečných výbojků transformátoru.

4.5 Zaoblování hran komponent

Zaoblování hran komponent slouží dvěma účelům: 1) Zlepšení distribuce elektrického pole a zvýšení napětí zapalování výbojky. Proto by měly projít zaoblováním hran kovové strukturální komponenty v jádru jako kleště, tahací desky, podložky, konzole, tlačné desky, okrajové části vývodů, stěny výtahů bateriových uchycení a magnetické štítové desky na vnitřní stěnách nádrže. 2) Prevence proti tření, které produkují železné prachy. Například kontaktní části mezi otvory klešťových zdvižek a lanami nebo háky vyžadují zaoblování.

4.6 Výrobní prostředí produktu a hotovost jádra při konečné montáži

Po vakuovém sušení jádra musí být provedena dokončovací práce na jádru před instalací nádrže. Větší produkty s komplexnější strukturou vyžadují delší čas na dokončení. Protože stlačování jádra a zajišťování spojů se provádí s expozicí jádra vzduchu, může dojít během tohoto období ke vzniku absorbovaného vlhkosti a kontaminace prachem. Proto musí být dokončovací práce provedeny v prostředí chráněném před prachem. Pokud čas dokončování (nebo expozice vzduchu) přesahuje 8 hodin, je nutné provést opětovné sušení.

Po dokončení jádra je nainstalována horní část nádrže, následuje vakuové vysávání a naplnění olejem. Jelikož izolace jádra pohlcuje vlhkost během fáze dokončování, je nezbytné provést dehumidifikační zpracování, které se dosahuje vakuovým vysáváním produktu. Toto je důležité opatření k zajištění síly izolace vysokého napětí. Úroveň vakuu se určuje na základě vlhkosti jádra a prostředí a standardů obsahu vlhkosti, zatímco doba vakuování se určuje na základě doby výstupu z peci, teploty prostředí a vlhkosti.

4.7 Vakuové naplnění olejem

Cílem vakuového naplnění olejem je eliminovat mrtvá místa v izolační struktuře transformátoru prostřednictvím vakuového vysávání, kompletně vypudit vzduch a poté naplnit transformátorem olej za vakuových podmínek, aby bylo zajištěno kompletní nasycení jádra. Po naplnění olejem musí transformátor stát alespoň 72 hodin před testováním, protože stupeň nasycení materiálu izolace závisí na tloušťce izolačního materiálu, teplotě oleje a době ponoření. Lepší nasycení snižuje možnost výbojky, což činí dostatečnou dobu stání nezbytnou.

4.8 Uzavření nádrže a komponent

Kvalita uzavíracích struktur přímo ovlivňuje úniky z transformátoru. Pokud existují místa úniku, vlhkost se nevyhnutelně dostane dovnitř transformátoru, což způsobí, že transformátorový olej a jiné izolační komponenty pohltí vlhkost - toto je jeden faktor způsobující částečné výbojky. Proto je třeba zajistit odpovídající výkonnost uzavření.