8 kluczowych środków na redukcję częściowego wyładowania w transformatorach energetycznych

Rosnące wymagania dotyczące systemów chłodzenia transformatorów energetycznych i funkcja chłodnic

Wraz z dynamicznym rozwojem sieci energetycznych i wzrostem napięcia przesyłanego prądu, sieci energetyczne oraz użytkownicy energii stawiają coraz wyższe wymagania co do niezawodności izolacji dużych transformatorów. Ponieważ testy częściowego wyładowania są nietkliwe dla izolacji, a jednocześnie bardzo czułe, skutecznie wykrywają wewnętrzne wady izolacji lub zagrożenia bezpieczeństwa powstające podczas transportu i montażu, testy częściowego wyładowania na miejscu uzyskały szerokie zastosowanie. Zostały one wpisane jako obowiązkowy element testu przyjmowania dla transformatorów o napięciu 72,5 kV i wyższym.

1.Częściowe wyładowanie i jego zasady

Częściowe wyładowanie, znane również jako elektrostatyczna jonizacja, odnosi się do przepływu ładunków elektrostatycznych. Przy określonym napięciu znamionowym, ładunki elektrostatyczne ulegają jonizacji w miejscach o słabszej izolacji w obszarach silniejszego pola elektrycznego, bez powodowania całkowitego przebicia izolacji. To zjawisko przepływu ładunków elektrostatycznych nazywane jest częściowym wyładowaniem. Częściowe wyładowanie występujące w pobliżu przewodników otoczonych gazem określane jest mianem korony.

Częściowe wyładowanie to wyładowanie elektryczne zachodzące w lokalizowanych miejscach wewnątrz izolacji transformatorów. Ponieważ wyładowanie jest lokalizowane i ma niską energię, nie powoduje bezpośrednio całkowitego przebicia wewnętrznej izolacji.

W Chinach początkowo wymagania dotyczące pomiarów częściowego wyładowania dotyczyły tylko transformatorów o napięciu 220 kV i wyższym. Później nowy standard IEC postanowił, że pomiary częściowego wyładowania powinny być wykonane, gdy maksymalne napięcie robocze urządzenia Um ≥ 126 kV. Standard narodowy podobnie określa, że dla transformatorów o maksymalnym napięciu roboczym Um ≥ 72,5 kV i pojemności znamionowej P ≥ 10 000 kVA, należy przeprowadzać pomiary częściowego wyładowania, chyba że zostanie uzgodnione inaczej.

Metoda testu częściowego wyładowania opiera się na postanowieniach zawartych w GB1094.3-2003, z granicą standardową wynoszącą nie więcej niż 500 pC. Jednak w rzeczywistych kontraktach klienci często wymagają limitów ≤300 pC lub ≤100 pC. Takie porozumienia techniczne wymagają od producentów transformatorów utrzymania wyższych standardów technicznych produktów.

2.Zagrożenia związane z częściowym wyładowaniem

Poważność zagrożeń związanych z częściowym wyładowaniem zależy od ich przyczyn, lokalizacji oraz poziomów napięć zapalania i gaszenia. Wyższe napięcia zapalania i gaszenia oznaczają mniejsze zagrożenie, a niższe - większe. W kwestii charakterystyk wyładowania, wyładowania wpływające na izolację stałą stanowią największe zagrożenie dla transformatorów, obniżając wytrzymałość izolacji lub nawet powodując jej uszkodzenie.

3.Przyczyny częściowego wyładowania

Przyczyny częściowego wyładowania obejmują niedostateczne uwzględnienie aspektów projektowych, ale najczęściej mają źródło w procesie produkcji:

• Ostre krawędzie i zgrubienia na komponentach, które zniekształcają pole elektryczne i obniżają napięcie zapalania;

• Obce ciała i kurz powodujące koncentrację pola elektrycznego, prowadzące do wyładowania koronowego lub przebicia pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego;

• Wilgoć lub bąbelki gazu. Ze względu na niższą stałą dielektryczną wody i gazu, wyładowanie występuje najpierw pod wpływem pola elektrycznego;

• Słabe stykanie się zawieszonych metalowych elementów strukturalnych, tworzących koncentrację pola lub powodujących wyładowanie iskrowe.

4.Sposoby zmniejszenia częściowego wyładowania

4.1 Kontrola kurzu

Spośród czynników powodujących częściowe wyładowanie, obce ciała i kurz są bardzo istotnymi wyzwalaczami. Wyniki testów pokazują, że metalowe cząstki o średnicy większej niż 1,5 μm mogą generować ilości wyładowania daleko przekraczające 500 pC pod wpływem pola elektrycznego. Zarówno metalowy, jak i niemetalowy kurz tworzą koncentrację pola elektrycznego, obniżając napięcie zapalania i przebicia izolacji.

Dlatego utrzymanie czystego środowiska i rdzenia podczas produkcji transformatorów jest kluczowe, a należy wprowadzić ścisłą kontrolę kurzu. Należy utworzyć hermetyczne warsztaty chronione przed kurzem, w zależności od stopnia, w jakim produkty mogą być dotknięte kurzem podczas produkcji. Na przykład, podczas prostowania drutu, oklejania papierem, formowania cewek, montażu cewek, ułożenia rdzenia, produkcji komponentów izolacyjnych, montażu rdzenia i końcowego obróbki rdzenia, absolutnie nie może pozostać ani wejść żadnych obcych ciał czy kurzu.

4.2 Centralizowane przetwarzanie komponentów izolacyjnych

Komponenty izolacyjne są szczególnie podatne na kontaminację metalowym kurzem, ponieważ raz, gdy metalowy kurz przyklei się do komponentów izolacyjnych, jest bardzo trudno go całkowicie usunąć. Dlatego niezbędne jest centralizowane przetwarzanie w warsztacie izolacyjnym, z osobną strefą przetwarzania mechanicznego oddzieloną od innych obszarów produkujących kurz.

4.3 Ścisła kontrola zgrubień blach silikonowych

Warstwy rdzenia transformatora są tworzone poprzez procesy cięcia podłużnego i poprzecznego, co nieuchronnie powoduje powstanie zgrubień różnego stopnia. Te zgrubienia nie tylko powodują krótkie obwody między warstwami, tworząc wewnętrzne prądy wirujące, co zwiększa straty bezobciążeniowe, ale także efektywnie zwiększają grubość rdzenia, zmniejszając faktyczną liczbę warstw. Co ważniejsze, podczas montażu rdzenia lub działania pod wpływem drgań, zgrubienia mogą spaść na ciało rdzenia, powodując wyładowanie. Nawet zgrubienia, które spadną na dno zbiornika, mogą się ustawić pod wpływem pola elektrycznego, powodując wyładowanie potencjału ziemi. Dlatego zgrubienia na warstwach rdzenia powinny być minimalizowane tak bardzo, jak to możliwe. Dla produktów 110 kV, zgrubienia na warstwach rdzenia nie powinny przekraczać 0,03 mm; dla produktów 220 kV, nie powinny przekraczać 0,02 mm.

4.4 Zimnoobrobione końcówki przewodów

Używanie zimno wytłaczanych końcówek do przewodów jest skuteczną metodą zmniejszenia ilości częściowych wyładowań. Spawanie fosforystyczną miedzią powoduje powstanie licznych cząstek spopieliny, które łatwo rozpraszają się na ciele rdzenia i elementach izolacyjnych. Ponadto, obszar graniczny spoiny wymaga izolacji za pomocą moczonej wodą liny azbestowej, co wprowadza wilgoć do izolacji. Jeśli wilgoć nie zostanie całkowicie usunięta po opakowaniu izolacji, zwiększy to ilość częściowych wyładowań w transformatorze.

4.5 Zaokrąglanie krawędzi elementów

Zaokrąglanie krawędzi elementów służy dwóm celom: 1) Ulepszanie rozkładu pola elektrycznego i zwiększanie napięcia inicjującego wyładowania. Dlatego wszystkie metalowe elementy strukturalne w rdzeniu, takie jak klamry, płyty ciągnące, podstawki, wsporniki, płyty dociskowe, krawędzie wyjść, ściany obudowy złącza oraz tarcze ekranujące magnetyczne na ścianach wewnętrznego zbiornika, powinny być poddane zaokrąglaniu krawędzi. 2) Zapobieganie tarciu, które powoduje powstanie drzazg żelaza. Na przykład, części kontaktowe między otworami podnoszenia klamer a linami lub hakami wymagają zaokrąglania.

4.6 Środowisko produkcyjne i finalna obróbka rdzenia

Po próżniowym suszeniu rdzenia, przed montażem zbiornika należy przeprowadzić jego finalną obróbkę. Większe produkty o bardziej złożonej strukturze wymagają dłuższego czasu obróbki. Ponieważ uciskanie rdzenia i zaciskanie śrub odbywa się przy narażeniu rdzenia na powietrze, może dojść do absorpcji wilgoci i zanieczyszczenia pyłem w tym okresie. Dlatego ostateczna obróbka rdzenia musi być przeprowadzana w strefie wolnej od pyłu. Jeśli czas obróbki (lub czas narażenia na powietrze) przekracza 8 godzin, wymagana jest ponowna suszarka.

Po ostatecznej obróbce rdzenia montowany jest górny segment zbiornika, następuje próżniowanie i nalanie oleju. Ponieważ izolacja rdzenia absorbuje wilgoć w trakcie etapu obróbki, niezbędna jest dehumidyzacja, osiągana przez próżniowanie produktu. Jest to ważna miara zapewniająca siłę izolacji produktów wysokiego napięcia. Poziom próżni jest określany na podstawie wilgotności rdzenia i środowiska oraz standardów zawartości wilgoci, podczas gdy czas próżniowania jest określany na podstawie czasu wyjścia z pieca, temperatury i wilgotności środowiska.

4.7 Nalanie oleju w próżni

Celem nalania oleju w próżni jest eliminacja martwych punktów w strukturze izolacji transformatora poprzez próżniowanie, całkowite usunięcie powietrza, a następnie nalanie oleju transformatorowego w warunkach próżni, aby zapewnić pełne nasycenie rdzenia. Po nalaniu oleju, transformatory muszą stać co najmniej 72 godziny przed testami, ponieważ stopień nasycenia materiałów izolacyjnych zależy od grubości materiału izolacyjnego, temperatury oleju i czasu namaczania. Lepsze nasycenie zmniejsza możliwość wyładowań, co czyni wystarczający czas stania niezbędnym.

4.8 Zabezpieczenie szczelności zbiornika i elementów

Jakość struktur szczelnych bezpośrednio wpływa na przecieki transformatora. Jeśli istnieją punkty przeciekające, wilgoć nieuchronnie wejdzie do wnętrza transformatora, powodując absorpcję wilgoci przez olej transformatorowy i inne elementy izolacyjne – to jest jeden z czynników powodujących częściowe wyładowania. Dlatego musi być zagwarantowana odpowiednia szczelność.