Transformátory elektrické energie: Rizika při krátkém spojení příčiny a opatření ke zlepšení

Elektrické transformátory: Rizika krátkého spojení, příčiny a opatření k vylepšení

Elektrické transformátory jsou základními komponenty elektrických systémů, které poskytují přenos energie a jsou klíčovými indukčními zařízeními, která zajišťují bezpečnou provoz elektrické energie. Jejich struktura se skládá z primárních cívek, sekundárních civek a železného jádra, které využívají princip elektromagnetické indukce k měnění střídavého napětí. Díky dlouhodobým technologickým vylepšením se spolehlivost a stabilita dodávky elektrické energie neustále zvyšovaly. Stále však existuje několik prominentních skrytých hrozeb. Některé jednotky transformátorů trpí nedostatečnou odolností proti dopadu krátkého spojení, což je činí náchylnými k jevu krátkého spojení. Aby bylo možné efektivně určit příčiny a místa poruch, musí být intenzivněji výzkum poruch transformátorů a diagnostických technologií, aby bylo možné použít odpovídající technologie, které efektivně řeší problémy s diagnostikou poruch transformátorů.

1.Nebezpečí krátkého spojení u elektrických transformátorů

• Dopad prudkého proudu: Náhlé krátké spojení v transformátoru vygeneruje velký krátkozaměrný proud. I když jeho doba trvání je krátká, než je hlavní obvod transformátoru odpojen, tato skrytá hrozba se může již vytvořit, což může způsobit vnitřní poškození transformátoru a snížení úrovně izolace.

• Dopad elektromagnetických sil: Během krátkého spojení generuje nadprůtok proudu významné elektromagnetické síly, které ovlivňují stabilitu. V extrémních případech mohou být cívky transformátoru do určité míry ovlivněny, jako je deformace civek, poškození izolační síly civek a poškození dalších komponent. V extrémních případech to může vést k bezpečnostním nehodám, jako je hoření transformátoru.

2.Příčiny krátkého spojení u elektrických transformátorů

(1) Programy pro výpočet proudu jsou vyvíjeny na základě idealizovaných modelů, které předpokládají rovnoměrné rozložení unikajícího magnetického pole, identické průměry závitů a síly ve fázi. V reálnosti však unikající magnetické pole v transformátorech není rovnoměrně rozloženo a je relativně koncentrováno v části jehlu, kde elektromagnetické dráty zažívají větší mechanické síly. Na místech transpozice kontinuálně transponovaných kabelů (CTC) se změna sklonu mění směr přenosu síly, což vytváří moment. Z důvodu faktoru pružnosti bloků oddělovačů může nerovnoměrné axiální rozložení bloků oddělovačů způsobit, že alternativní síly vygenerované alternativním unikajícím magnetickým polem zažijí zpožděnou rezonanci. Toto je základní důvod, proč se nejdříve deformují cívkové disky v části jehlu, místech transpozice a odpovídajících pozicích s odbočovacími čidly.

(2) Použití běžných transponovaných vodičů s nízkou mechanickou pevností je náchylné k deformaci, odtržení drátů a expozici mědi, pokud jsou vystaveny mechanickým silám krátkého spojení. Při použití běžných transponovaných vodičů generují v těchto místech velké proudy a strmé transpoziční sklonové výšky významné momenty. Kromě toho cívkové disky na obou koncích civek zažívají významné momenty vlivem kombinovaného působení radiálního a axiálního unikajícího magnetického pole, což vede k deformaci otáčení.

Například společná cívka fáze A 500kV Yanggao transformátoru měla 71 transpozic, a kvůli použití relativně tlustých běžných transponovaných vodičů 66 z těchto transpozic ukázalo různé stupně deformace. Podobně i u transformátoru WuJing No. 11 se na koncích vysokonapěťových civek v části jehlu objevily různé stupně převrácení a expozice drátů kvůli použití běžných transponovaných vodičů.

(3) Výpočty odolnosti proti krátkému spojení neberou v úvahu vliv teploty na ohybovou a tažnou pevnost elektromagnetických drátů. Odolnost proti krátkému spojení navržená při pokojové teplotě nemůže odrážet skutečné provozní podmínky. Podle testovacích výsledků má teplota elektromagnetických drátů významný vliv na jejich mez teplosti (σ0.2). S rostoucí teplotou elektromagnetických drátů klesají jejich ohybová pevnost, tažná pevnost a prodloužení. Při 250°C jsou ohybová a tažná pevnost výrazně nižší než při 50°C, zatímco prodloužení klesne více než o 40%. V reálném provozu dosahují transformátory průměrné teploty civek 105°C při nominálném zatížení, s horkými místy dosahujícími 118°C. Většina transformátorů prochází procesy automatického znovuzavření během provozu.

Proto, pokud bod krátkého spojení nezmizí okamžitě, transformátor zažije druhý dopad krátkého spojení během velmi krátké doby (0,8 sekundy). Po prvním dopadu krátkého spojení však teplota civek náhle stoupne. Podle standardů GB1094 je maximální povolená teplota 250°C, při které je odolnost civek proti krátkému spojení výrazně snížena. To vysvětluje, proč se většina nehod s krátkým spojením transformátoru odehrává po operacích znovuzavření.

(4) Volná konstrukce civek, nevhodná zpracování transpozice a přílišná tenkost způsobují, že elektromagnetické dráty jsou suspendovány. Z hlediska míst poškození v nehodách se nejčastěji nachází deformace na místech transpozice, zejména na místech transpozice transponovaných vodičů.

(5) Použití měkkých vodičů je jednou z hlavních příčin špatné odolnosti proti krátkému spojení u transformátorů. Kvůli nedostatečnému pochopení této otázky v rané fázi nebo obtížím s výstrojí a procesy cívkování byli výrobci odmítlí používat polotuhé vodiče nebo neměli takové požadavky v jejich návrzích. Transformátory, které selhaly, všechny používaly měkké vodiče.

(6) Příliš velké montážní meze vedou k nedostatečné podpoře elektromagnetických drátů, což vytváří skryté hrozby pro odolnost transformátoru proti krátkému spojení.

(7) Nerovnoměrné přednatažení různých civek nebo odboček způsobuje, že cívkové disky skákají během dopadu krátkého spojení, což vede k přílišnému ohybovému namáhání elektromagnetických drátů a následné deformaci.

(8) Nedostatečné léčivé zaobalení mezi závity nebo dráty vede ke špatné odolnosti proti krátkým spojením. Rané závity, které byly impregnovány lakem, nebyly poškozeny.

(9) Nesprávné řízení přednatažení závitů způsobuje nesoulad vodičů u běžných transponovaných vodičů.

(10) Frekventní externí krátké spojení způsobují kumulativní účinky elektromagnetických sil po mnoha dopadech krátkých spojovacích proudů, což vede k měknutí elektromagnetických drátů nebo relativnímu vnitřnímu posunu, s konečným výsledkem průrazu izolace.

3. Opatření pro zlepšení odolnosti transformátorů proti krátkým spojením

(1) Provedení zkoušky krátkého spojení k prevenci problémů před jejich vznikem

 Funkční spolehlivost velkých transformátorů se primárně opírá o jejich strukturu a kvalitu výrobního procesu, následována různými testy prováděnými během provozu, aby bylo možné včas získat přehled o stavu zařízení. Aby byla známa mechanická stabilita transformátoru, lze provést zkoušku krátkého spojení, aby bylo možné identifikovat slabá místa a zlepšit je, čímž se zajistí důvěra v konstrukční sílu transformátorů.

(2) Standardizace návrhu a zdůraznění axiálního stlačovacího procesu při výrobě cívek

Při návrhu transformátorů by výrobci měli brát v úvahu nejen snížení ztrát a zlepšení úrovně izolace, ale také zvyšování mechanické pevnosti a odolnosti proti chybám krátkého spojení. V oblasti výrobních procesů, jelikož mnoho transformátorů používá izolační tlačné desky, přičemž vysokonapěťové a níkonapěťové cívky sdílejí jednu tlačnou desku, tato struktura vyžaduje vysoké standardy výrobního procesu. Mezera bloky by měly podstoupit zhušťovací zpracování a po zpracování cívek by měly být individuální cívky podrobeny sušení za stálého tlaku s měřením výšky stlačené cívky.

Po tomto zpracování by cívky na stejné tlačné desce měly být upraveny na stejnou výšku. Během konečné montáže by na cívky měl být působen specifikovaný tlak pomocí hydraulických zařízení, aby byla dosažena navržená a procesně požadovaná výška. Během konečné montáže by měla být věnována pozornost nejen stlačení vysokonapěťových civek, ale zejména kontrole stlačení níkonapěťových civek.