Leistungstransformatoren: Kurzschlussrisiken, Ursachen und Verbesserungsmaßnahmen

Stromtransformator: Kurzschlussrisiken, Ursachen und Verbesserungsmaßnahmen

Stromtransformator sind grundlegende Komponenten in Stromsystemen, die Energieübertragung sicherstellen und als wichtige induktive Geräte für den sicheren Betrieb von Stromsystemen dienen. Ihre Struktur besteht aus Primärspulen, Sekundärspulen und einem Eisenkern, der das Prinzip der elektromagnetischen Induktion nutzt, um die Wechselspannung zu verändern. Durch langfristige technische Verbesserungen hat sich die Zuverlässigkeit und Stabilität der Stromversorgung ständig verbessert. Dennoch bestehen verschiedene prominente versteckte Gefahren. Einige Transformatoreinheiten leiden unter unzureichender Widerstandsfähigkeit gegen Kurzschlusseinschläge, was sie anfällig für Kurzschlussphänomene macht. Um Fehlerursachen und -orte effektiv zu bestimmen, muss die Forschung zu Transformatorausfällen und Diagnosetechnologien intensiviert werden, um entsprechende Technologien einzusetzen, die Transformatorfehlerdiagnoseprobleme effizient lösen.

1. Gefahren von Kurzschlüssen in Stromtransformator

• Auswirkungen des Stöstroms: Ein plötzlicher Kurzschluss im Transformator erzeugt einen großen Kurzschlussstrom. Obwohl seine Dauer kurz ist, kann diese versteckte Gefahr bereits vor dem Abkoppeln des Hauptschaltkreises des Transformators entstanden sein, was interne Schäden am Transformator und eine Verringerung der Isolationsstufe verursachen kann.

• Auswirkungen der elektromagnetischen Kräfte: Bei einem Kurzschluss erzeugt der Überstrom erhebliche elektromagnetische Kräfte, die die Stabilität beeinflussen. In schweren Fällen können die Transformatorwicklungen in gewissem Maße betroffen sein, wie z.B. Wicklungsdeformation, Schädigung der Wicklungsisolierstärke und Schädigung anderer Komponenten. In extremen Fällen kann dies zu Sicherheitsunfällen wie der Verbrennung des Transformators führen.

2. Ursachen von Kurzschlüssen in Stromtransformator

(1) Stromberechnungsprogramme werden auf idealisierten Modellen entwickelt, die eine gleichmäßige Verteilung des Leckfeldes, identische Spulendurchmesser und in-Phase-Kräfte annehmen. In der Realität ist das Leckfeld in Transformator jedoch nicht gleichmäßig verteilt und relativ konzentriert im Jochbereich, wo die elektromagnetischen Drähte größere mechanische Kräfte erfahren. An Umstellpunkten von kontinuierlich umgestellten Kabeln (CTC) ändert die Steigung die Richtung der Kraftübertragung und erzeugt Drehmomente. Aufgrund des Elastizitätsmoduls von Zwischenringen kann eine ungleichmäßige axiale Verteilung von Zwischenringen dazu führen, dass die durch wechselnde Leckfelder erzeugten wechselnden Kräfte verzögerte Resonanzen erfahren. Dies ist der Grund, warum die Wicklungsscheiben im Jochbereich des Eisenkerns, an Umstellpunkten und an entsprechenden Positionen mit Spannungswählern zuerst deformieren.

(2) Die Verwendung von herkömmlichen umgestellten Leitern mit geringer mechanischer Festigkeit macht sie anfällig für Deformation, Strangabtrennung und freiliegendes Kupfer, wenn sie kurzzuschlagsbedingten mechanischen Kräften ausgesetzt sind. Bei der Verwendung von herkömmlichen umgestellten Leitern erzeugen große Ströme und steile Umstellsteigungen an diesen Positionen erhebliche Drehmomente. Zudem erfahren die Wicklungsscheiben an beiden Enden der Wicklungen aufgrund der kombinierten Auswirkungen von radialen und axialen Leckfeldern beträchtliche Drehmomente, was zu einer Verdrehdeformation führt. 

So zeigten beispielsweise 66 der 71 Umstellungen der gemeinsamen Wicklung Phase A des 500-kV-Yanggao-Transformators bei Verwendung von relativ dicken herkömmlichen umgestellten Leitern unterschiedliche Grade von Deformation. Ähnlich zeigte der WuJing No. 11 Haupttransformator aufgrund der Verwendung herkömmlicher umgestellter Leiter unterschiedliche Grade von Drahtumkehr und Freilegung an den Hochspannungswicklungsenden im Jochbereich des Eisenkerns.

(3) Berechnungen zur Kurzschlussbeständigkeit berücksichtigen nicht die Auswirkungen der Temperatur auf die Biege- und Zugfestigkeit der elektromagnetischen Drähte. Eine Kurzschlussbeständigkeit, die bei Raumtemperatur entworfen wird, kann die tatsächlichen Betriebsbedingungen nicht widerspiegeln. Laut Testergebnissen beeinflusst die Temperatur der elektromagnetischen Drähte signifikant ihre Fließgrenze (σ0.2). Mit zunehmender Temperatur der elektromagnetischen Drähte nimmt ihre Biege- und Zugfestigkeit sowie ihre Dehnung ab. Bei 250°C sind Biege- und Zugfestigkeit erheblich niedriger als bei 50°C, während die Dehnung um mehr als 40% sinkt. Im tatsächlichen Betrieb erreichen die Transformatorwicklungen bei Nennlast eine mittlere Wicklungstemperatur von 105°C, wobei die Heißpunktteperaturen 118°C erreichen. Die meisten Transformator durchlaufen automatische Wiederverschlussprozesse während des Betriebs.

Daher, wenn ein Kurzschlusspunkt nicht sofort verschwindet, erfährt der Transformator innerhalb einer sehr kurzen Zeit (0,8 Sekunden) einen zweiten Kurzschlusseinschlag. Nach dem ersten Kurzschlussstrom-Einschlag steigt die Wicklungstemperatur jedoch stark an. Gemäß den GB1094-Normen beträgt die maximal zulässige Temperatur 250°C, bei der die Kurzschlussbeständigkeit der Wicklung erheblich abnimmt. Dies erklärt, warum die meisten Transformatorkurzschlussunfälle nach Wiederverschlussvorgängen auftreten.

(4) Lockere Wicklungskonstruktion, unangemessene Umstellbearbeitung und übermäßige Dünnheit lassen die elektromagnetischen Drähte schwebend werden. Aus Sicht der Schadensorte bei Unfällen tritt Deformation am häufigsten an Umstellpunkten, insbesondere an Umstellorten von umgestellten Leitern, auf.

(5) Die Verwendung von weichen Leitern ist einer der Hauptgründe für eine schlechte Kurzschlussbeständigkeit von Transformator. Aufgrund eines mangelnden frühen Verständnisses dieses Problems oder Schwierigkeiten mit Wickelgeräten und -prozessen waren Hersteller widerwillig, halbstarre Leiter zu verwenden, oder hatten keine solchen Anforderungen in ihren Entwürfen. Alle ausgefallenen Transformator verwendeten weiche Leiter.

(6) Übermäßige Montagelücken führen zu unzureichender Unterstützung der elektromagnetischen Drähte und schaffen versteckte Gefahren für die Kurzschlussbeständigkeit von Transformator.

(7) Unebenmäßige Vorspannkraft, die auf verschiedenen Wicklungen oder Stufenschaltstellen angewendet wird, führt dazu, dass die Wicklungsscheiben beim Kurzschlusseinschlag springen, was zu übermäßigem Biegebeanspruchung der elektromagnetischen Drähte und anschließender Deformation führt.

(8) Das Fehlen einer Härtebehandlung zwischen den Wicklungen oder Drähten führt zu schlechter Kurzschlussbeständigkeit. Frühe Wicklungen, die mit einem Lackbad behandelt wurden, zeigten keinen Schaden.

(9) Eine unangemessene Kontrolle der Vorverdichtungskraft bei der Wicklung führt zu Fehlstellungen der Leiter in herkömmlichen transponierten Leitern.

(10) Häufige externe Kurzschlussereignisse verursachen kumulative Wirkungen elektromagnetischer Kräfte nach mehreren Kurzschlussstrombelastungen, was zur Verweichung von elektromagnetischen Drähten oder inneren relativen Verschiebungen führt und letztendlich zum Isolierbruch führt.

3. Verbesserungsmaßnahmen zur Steigerung der Kurzschlussbeständigkeit von Starkstromtransformatoren

(1) Durchführung von Kurzschlussprüfungen, um Probleme vor ihrer Entstehung zu verhindern

 Die Betriebssicherheit großer Transformatoren hängt in erster Linie von ihrer Struktur und der Qualität des Herstellungsprozesses ab, gefolgt von verschiedenen Prüfungen während des Betriebs, um den Zustand der Ausrüstung zeitgerecht zu erfassen. Um die mechanische Stabilität eines Transformators zu verstehen, können Kurzschlussprüfungen durchgeführt werden, um Schwachstellen zu identifizieren und zu verbessern, um das Vertrauen in die Konstruktion der strukturellen Festigkeit der Transformatoren zu gewährleisten.

(2) Standardisierung des Designs und Betonung des axialen Kompressionsprozesses bei der Wicklungsherstellung

Bei der Auslegung von Transformatoren sollten Hersteller nicht nur die Reduzierung von Verlusten und die Verbesserung der Isolationsstufe berücksichtigen, sondern auch die mechanische Festigkeit und die Beständigkeit gegenüber Kurzschlussfehlern erhöhen. In Bezug auf die Herstellungsprozesse verwenden viele Transformatoren isolierte Pressplatten, bei denen Hoch- und Niederspannungswicklungen eine einzige Pressplatte teilen. Diese Struktur erfordert hohe Herstellungsprozessstandards. Zwischenstücke sollten verdichtet werden, und nach der Wicklungsverarbeitung sollten einzelne Wicklungen unter konstantem Druck getrocknet werden, wobei die Höhe der komprimierten Wicklungen gemessen wird.

Nach der oben genannten Verarbeitung sollten die Wicklungen auf derselben Pressplatte auf die gleiche Höhe eingestellt werden. Bei der Endmontage sollte mit hydraulischen Geräten ein spezifischer Druck auf die Wicklungen ausgeübt werden, um die geplante und prozessbedingte Höhe zu erreichen. Bei der Endmontage sollte nicht nur auf die Kompression der Hochspannungswicklungen, sondern besonders auch auf die Kontrolle der Kompression der Niederspannungswicklungen geachtet werden.