8 Maßnahmen zur Reduzierung der Teilentladung in Starkstromtransformatoren

Wachsende Anforderungen an Kühlsysteme für Starkstromtransformator und die Funktion von Kühlern

Mit der schnellen Entwicklung von Stromnetzen und dem Anstieg der Übertragungsspannung fordern Stromnetze und Energieverbraucher eine zunehmend höhere Isolationszuverlässigkeit für große Starkstromtransformator. Da Prüfungen auf partielle Entladungen nicht zerstörerisch für die Isolation sind, aber sehr empfindlich, können sie effektiv angeborene Mängel in der Transformator-Isolation oder sicherheitsbedrohende Mängel, die während des Transports und der Installation entstanden sind, erkennen. Die vor Ort durchgeführten Prüfungen auf partielle Entladungen haben eine weite Verbreitung gefunden. Sie werden als ein obligatorischer Inbetriebnahmetest für Transformator mit Spannungen von 72,5 kV und höher eingestuft.

1. Partielle Entladung und ihre Prinzipien

Partielle Entladung, auch bekannt als elektrostatische Ionisation, bezieht sich auf den Fluss elektrostatischer Ladungen. Unter einer bestimmten angewandten Spannung unterliegen die elektrostatischen Ladungen zunächst der Ionisation an Positionen mit schwächerer Isolation in Bereichen stärkeren elektrischen Feldes, ohne eine vollständige Isolationsdurchschlag zu verursachen. Dieses Phänomen des Flusses elektrostatischer Ladungen wird als partielle Entladung bezeichnet. Partielle Entladungen, die in der Nähe von Leitern auftreten, die von Gas umgeben sind, werden als Korona bezeichnet.

Partielle Entladungen sind elektrische Entladungen, die an lokalisierten Stellen innerhalb der internen Isolation von Transformator auftreten. Da die Entladung lokalisiert ist und eine geringe Energie hat, führt sie nicht direkt zu einem vollständigen Durchschlag der internen Isolation.

Für die Prüfung auf partielle Entladungen bei Transformator wurde in China zunächst nur für Transformator mit einer Nennspannung von 220 kV und höher vorgeschrieben. Später legte der neue IEC-Standard fest, dass Messungen der partiellen Entladung durchgeführt werden sollten, wenn die maximale Betriebsspannung Um ≥ 126 kV beträgt. Der nationale Standard gibt ebenfalls vor, dass für Transformator mit einer maximalen Betriebsspannung Um ≥ 72,5 kV und einer Nennleistung P ≥ 10.000 kVA, es sei denn, etwas anderes wird vereinbart, Messungen der partiellen Entladung durchgeführt werden sollten.

Die Methode zur Prüfung auf partielle Entladungen folgt den Bestimmungen in GB1094.3-2003, wobei das Standardlimit auf nicht mehr als 500 pC festgelegt ist. Allerdings verlangen Kunden in tatsächlichen Verträgen oft Limits von ≤300 pC oder ≤100 pC. Solche technischen Vereinbarungen erfordern, dass Transformator-Hersteller höhere technische Standards ihrer Produkte aufrechterhalten.

2. Gefahren der partikulären Entladung

Die Schwere der Gefahren durch partielle Entladungen hängt mit deren Ursachen, Lage und den Werten der Entstehungs- und Erlöschspannungen zusammen. Höhere Entstehungs- und Erlöschspannungen bedeuten geringere Gefahr, und umgekehrt. In Bezug auf die Entladeigenschaften stellen Entladungen, die feste Isolation beeinträchtigen, die größte Gefahr für Transformator dar, indem sie die Isolationsstärke reduzieren oder sogar Schäden verursachen.

3. Ursachen der partikulären Entladung

Faktoren, die zu partiellen Entladungen führen, beinhalten unzureichende Konstruktionsüberlegungen, aber am häufigsten stammen sie aus dem Fertigungsprozess:

• Scharfe Kanten und Grate an Bauteilen, die das elektrische Feld verzerren und die Entstehungsspannung der Entladung senken;

• Fremdkörper und Staub, die zur Konzentration des elektrischen Feldes führen, was zu Korona-Entladungen oder Durchschlagsentladungen unter externen elektrischen Feldern führt;

• Feuchtigkeit oder Gasblasen. Aufgrund der niedrigeren Dielektrizitätskonstante von Wasser und Gas tritt die Entladung zuerst unter dem Einfluss des elektrischen Feldes auf;

• Schlechter Kontakt von schwebenden metallischen Strukturbauteilen, die Feldkonzentrationen bilden oder Funkenentladungen verursachen.

4. Maßnahmen zur Reduzierung der partikulären Entladung

4.1 Staubkontrolle

Unter den Faktoren, die zu partiellen Entladungen führen, sind Fremdkörper und Staub extrem wichtige Auslöser. Testergebnisse zeigen, dass Metallpartikel größer als 1,5 μm unter dem Einfluss des elektrischen Feldes Entladungsmengen weit über 500 pC produzieren können. Sowohl metallischer als auch nicht-metallischer Staub erzeugen konzentrierte elektrische Felder, die die Entstehungsspannung und die Durchschlagspannung der Isolation senken.

Daher ist es entscheidend, während der Herstellung von Transformator eine saubere Umgebung und einen sauberen Kernkörper aufrechtzuerhalten, und eine strenge Staubkontrolle durchzuführen. Abhängig davon, wie stark die Produkte während der Herstellung von Staub beeinflusst werden, sollten staubdichte Werkstätten eingerichtet werden. Zum Beispiel dürfen während des Drahtglätten, des Wickelns, des Wickelmontages, des Wickelverschweißens, des Kernenstapeln, der Herstellung von Isolierbauteilen, des Kernenmontages und des Kernenabschlusses keine Fremdkörper oder Staub zurückbleiben oder eindringen.

4.2 Zentralisierte Bearbeitung von Isolierbauteilen

Isolierbauteile sind besonders anfällig für Kontaminationen durch Metallstaub, da es äußerst schwierig ist, einmal anhaftenden Metallstaub vollständig zu entfernen. Daher ist eine zentralisierte Bearbeitung in einem Isolierwerkstatt notwendig, mit einem speziellen Bereich für mechanische Bearbeitung, der von anderen staubbildenden Bereichen isoliert ist.

4.3 Strenge Kontrolle von Siliziumstahlplattengraten

Transformator-Kernlagen werden durch longitudinale und transversale Scherschnitte gebildet, was unvermeidlich zu Graten unterschiedlicher Grade führt. Diese Grate verursachen nicht nur Zwischenschichtkurzschlüsse, die interne Kreisströme bilden und die Leerlaufverluste erhöhen, sondern erhöhen auch effektiv die Kerndicke, während sie die tatsächliche Anzahl der Lagen reduzieren. Noch wichtiger ist, dass Grate während der Kernmontage oder unter Vibration im Betrieb auf den Kernkörper fallen können, was zu Entladungen führt. Selbst Grate, die auf den Boden des Tanks fallen, können unter dem Einfluss des elektrischen Feldes ausgerichtet werden und zu Erdschlussentladungen führen. Daher sollten die Grate der Kernlagen so weit wie möglich minimiert werden. Für 110-kV-Produkte sollten die Grate der Kernlagen nicht mehr als 0,03 mm betragen; für 220-kV-Produkte nicht mehr als 0,02 mm.

4.4 Kaltgepresste Enden für Leitungsdrähte

Die Verwendung von Kaltgepressten Enden für Leitungen ist eine effektive Maßnahme, um die Menge der partiellen Entladungen zu reduzieren. Phosphorbronze-Schweißen erzeugt zahlreiche Spritzer, die sich leicht auf dem Kernkörper und den Isolierkomponenten verteilen. Darüber hinaus muss das Schweißgebiet mit wassergetränktem Asbestseil isoliert werden, was Feuchtigkeit in die Isolierung einführt. Wenn nach dem Umschlagen der Isolierung die Feuchtigkeit nicht vollständig entfernt wird, erhöht dies die Menge der partiellen Entladungen des Transformators.

4.5 Abrundung von Komponentenkanten

Die Abrundung von Komponentenkanten dient zwei Zwecken: 1) Verbesserung der elektrischen Feldverteilung und Erhöhung der Spannung zur Entstehung von Entladungen. Daher sollten alle metallenen Strukturkomponenten im Kern wie Klammern, Ziehplatten, Fußplatten, Halterungen, Druckplatten, Ausgangskanten, Aufsatzwände der Buchsen und magnetische Schildplatten an den Innenwänden des Behälters abgerundet werden. 2) Verhinderung von Reibung, die Eisenspäne erzeugt. Zum Beispiel müssen Kontaktstellen zwischen Hebellochklammern und Seilen oder Haken abgerundet sein.

4.6 Produktumgebung und Kernabschluss bei der Endmontage

Nach dem Vakuumbelüften des Kerns muss vor dem Einbau des Behälters ein Kernabschluss durchgeführt werden. Größere Produkte mit komplexeren Strukturen erfordern längere Abschlusszeiten. Da das Pressen des Kerns und das Festziehen der Befestigungsmittel in der Luft erfolgen, kann es während dieser Zeit zu Feuchtigkeitsaufnahme und Staubkontamination kommen. Daher muss der Kernabschluss in einem staubfreien Bereich durchgeführt werden. Wenn die Abschlusszeit (oder die Belüftungszeit in der Luft) 8 Stunden überschreitet, ist eine erneute Trocknung erforderlich. 

Nach dem Kernabschluss wird der obere Behälterteil installiert, gefolgt vom Vakuumpumpen und Ölfüllen. Da die Kernisolation während des Abschlussprozesses Feuchtigkeit aufnimmt, ist eine Entfeuchtungsbehandlung notwendig, die durch das Vakuumpumpen des Produkts erreicht wird. Dies ist ein wichtiges Maßnahmen, um die Isolationsstärke von Hochspannungsprodukten sicherzustellen. Das Vakuumniveau wird auf Grundlage der Kern- und Umgebungsluftfeuchtigkeit sowie der Feuchtigkeitsgehaltsnormen bestimmt, während die Vakuumdauer auf Grundlage der Ofenauslaufzeit, der Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit festgelegt wird.

4.7 Vakuümölgefüllung

Das Ziel der Vakuümölgefüllung ist es, durch Vakuumpumpen tote Punkte in der Isolationsstruktur des Transformators zu beseitigen, Luft vollständig auszupressen und dann unter Vakuumbedingungen mit Transformatoröl zu füllen, um eine vollständige Impregnierung des Kerns sicherzustellen. Nach dem Ölgefüll müssen die Transformator mindestens 72 Stunden stehen, bevor Tests durchgeführt werden, da der Grad der Impregnierung des Isoliermaterials von der Dicke des Isoliermaterials, der Öltemperatur und der Tauchzeit abhängt. Eine bessere Impregnierung verringert die Wahrscheinlichkeit von Entladungen, wodurch eine ausreichende Standzeit unerlässlich ist.

4.8 Behälter- und Komponentendichtigkeit

Die Qualität der Dichtstrukturen beeinflusst direkt das Leckagen des Transformators. Wenn Leckpunkte vorhanden sind, dringt unweigerlich Feuchtigkeit in das Innere des Transformators ein, wodurch das Transformatoröl und andere Isolationskomponenten Feuchtigkeit aufnehmen—dies ist ein Faktor, der partielle Entladungen verursacht. Daher muss eine angemessene Dichtleistung gewährleistet sein.