Μετασχηματιστές Ρεύματος: Ρίσκοι Σύντομου Κύκλου Ρεύματος Εφαρμογής Διασποράς Αιτίες και Μέτρα Βελτίωσης

Μετασχηματιστές Ισχύος: Κίνδυνοι Βραχυκυκλώματος, Αιτίες και Μέτρα Βελτίωσης

Οι μετασχηματιστές ισχύος είναι βασικά στοιχεία στα ηλεκτρικά συστήματα που παρέχουν μεταφορά ενέργειας και αποτελούν κρίσιμες επαγωγικές συσκευές για την ασφαλή λειτουργία της ηλεκτρικής ενέργειας. Η δομή τους αποτελείται από πρωτεύοντα πηνία, δευτερεύοντα πηνία και σιδηροπυρήνα, χρησιμοποιώντας την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής για να αλλάξουν την τάση εναλλασσόμενου ρεύματος. Μέσω μακροχρόνιων τεχνολογικών βελτιώσεων, η αξιοπιστία και η σταθερότητα της παροχής ενέργειας έχουν διαρκώς βελτιωθεί. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν διάφοροι σημαντικοί κρυφοί κίνδυνοι. Ορισμένες μονάδες μετασχηματιστών υποφέρουν από ανεπαρκή αντοχή σε επιπτώσεις βραχυκυκλώματος, καθιστώντας τους ευάλωτους σε φαινόμενα βραχυκυκλώματος. Για να προσδιοριστούν αποτελεσματικά οι αιτίες και οι θέσεις βλαβών, πρέπει να ενταθεί η έρευνα για τις βλάβες των μετασχηματιστών και τις τεχνολογίες διάγνωσης, ώστε να εφαρμοστούν αντίστοιχες τεχνολογίες που θα λύσουν αποδοτικά τα προβλήματα διάγνωσης βλαβών μετασχηματιστών.

1.Κίνδυνοι Βραχυκυκλώματος Μετασχηματιστών Ισχύος

• Επίδραση του ρεύματος υπέρτασης: Ένα αιφνίδιο βραχυκύκλωμα σε έναν μετασχηματιστή παράγει ένα μεγάλο ρεύμα βραχυκυκλώματος. Παρόλο που η διάρκειά του είναι σύντομη, πριν αποσυνδεθεί το κύριο κύκλωμα του μετασχηματιστή, αυτός ο κρυφός κίνδυνος μπορεί ήδη να έχει δημιουργηθεί, με πιθανότητα να προκαλέσει εσωτερική ζημιά στον μετασχηματιστή και μείωση των επιπέδων μόνωσης.

• Επίδραση των Ηλεκτρομαγνητικών Δυνάμεων: Κατά τη διάρκεια ενός βραχυκυκλώματος, το υπερρεύμα παράγει σημαντικές ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που επηρεάζουν τη σταθερότητα. Σε σοβαρές περιπτώσεις, τα τυλίγματα του μετασχηματιστή μπορεί να επηρεαστούν σε ορισμένο βαθμό, όπως παραμόρφωση τυλιγμάτων, ζημιά στην αντοχή μόνωσης των τυλιγμάτων και ζημιά σε άλλα εξαρτήματα. Σε ακραίες περιπτώσεις, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ατυχήματα ασφάλειας ισχύος, όπως η καύση του μετασχηματιστή.

2.Αιτίες Βραχυκυκλώματος Μετασχηματιστών Ισχύος

(1) Τα προγράμματα υπολογισμού ρεύματος αναπτύσσονται με βάση ιδανικοποιημένα μοντέλα που υποθέτουν ομοιόμορφη κατανομή του διαρρέοντος μαγνητικού πεδίου, ταυτόσημες διαμέτρους σπειρών και δυνάμεις σε φάση. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, το διαρρέον μαγνητικό πεδίο στους μετασχηματιστές δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο και είναι σχετικά συγκεντρωμένο στην περιοχή του ζυγού, όπου οι ηλεκτρομαγνητικοί αγωγοί υφίστανται μεγαλύτερες μηχανικές δυνάμεις. Στα σημεία διασταύρωσης συνεχώς διασταυρούμενων καλωδίων (CTC), η κλίση ανόδου αλλάζει την κατεύθυνση της μετάδοσης της δύναμης, δημιουργώντας ροπή. Λόγω του παράγοντα ελαστικού μέτρου των διαχωριστικών μπλοκ, η ανομοιόμορφη αξονική κατανομή των διαχωριστικών μπλοκ μπορεί να προκαλέσει εναλλασσόμενες δυνάμεις που παράγονται από εναλλασσόμενα διαρρέοντα μαγνητικά πεδία να υποστούν καθυστερημένο συντονισμό. Αυτός είναι ο θεμελιώδης λόγος για τον οποίο οι δίσκοι τυλιγμάτων στην περιοχή του ζυγού του σιδηροπυρήνα, στα σημεία διασταύρωσης και στις αντίστοιχες θέσεις με τους μεταγωγείς τάσης παραμορφώνονται πρώτοι.

(2) Η χρήση συμβατικών διασταυρούμενων αγωγών με κακή μηχανική αντοχή τους καθιστά ευάλωτους σε παραμόρφωση, διαχωρισμό σπειρών και εκτεθειμένο χαλκό όταν υπόκεινται σε μηχανικές δυνάμεις βραχυκυκλώματος. Όταν χρησιμοποιούνται συμβατικοί διασταυρούμενοι αγωγοί, μεγάλα ρεύματα και απότομες κλίσεις διασταύρωσης σε αυτές τις θέσεις δημιουργούν σημαντική ροπή. Επιπλέον, οι δίσκοι τυλιγμάτων στα δύο άκρα των τυλιγμάτων υφίστανται σημαντική ροπή λόγω του συνδυασμού των ακτινικών και αξονικών διαρρεόντων μαγνητικών πεδίων, με αποτέλεσμα στρέψη παραμόρφωσης. 

Για παράδειγμα, το κοινό τύλιγμα φάσης Α του μετασχηματιστή 500kV Yanggao είχε 71 διασταυρώσεις, και λόγω της χρήσης σχετικά παχιών συμβατικών διασταυρούμενων αγωγών, 66 από αυτές τις διασταυρώσεις έδειξαν διάφορους βαθμούς παραμόρφωσης. Παρόμοια, ο κύριος μετασχηματιστής WuJing No. 11 παρουσίασε επίσης διαφορετικούς βαθμούς αναποδογύρισματος και έκθεσης συρμάτων στα άκρα των τυλιγμάτων υψηλής τάσης στην περιοχή του ζυγού του σιδηροπυρήνα λόγω της χρήσης συμβατικών διασταυρούμενων αγωγών.

(3) Οι υπολογισμοί αντοχής σε βραχυκύκλωμα δεν λαμβάνουν υπόψη την επίδραση της θερμοκρασίας στην αντοχή κάμψης και εφελκυσμού των ηλεκτρομαγνητικών αγωγών. Η αντοχή σε βραχυκύκλωμα που σχεδιάζεται σε θερμοκρασία δωματίου δεν μπορεί να αντικατοπτρίζει τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Σύμφωνα με αποτελέσματα δοκιμών, η θερμοκρασία των ηλεκτρομαγνητικών αγωγών επηρεάζει σημαντικά το όριο υποχώρησης (σ0,2). Καθώς η θερμοκρασία των ηλεκτρομαγνητικών αγωγών αυξάνεται, η αντοχή τους σε κάμψη, η αντοχή σε εφελκυσμό και η επιμήκυνση μειώνονται όλες. Στους 250°C, η αντοχή σε κάμψη και εφελκυσμό είναι σημαντικά χαμηλότερη από ό,τι στους 50°C, ενώ η επιμήκυνση μειώνεται κατά περισσότερο από 40%. Στην πραγματική λειτουργία, οι μετασχηματιστές φτάνουν μέση θερμοκρασία τυλιγμάτων 105°C σε ονομαστικό φορτίο, με τις θερμές κηλίδες να φτάνουν τους 118°C. Οι περισσότεροι μετασχηματιστές υπόκεινται σε διαδικασίες αυτόματης επανασύνδεσης κατά τη λειτουργία.

Επομένως, αν το σημείο βραχυκυκλώματος δεν εξαφανιστεί αμέσως, ο μετασχηματιστής θα υποστεί ένα δεύτερο πλήγμα βραχυκυκλώματος σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα (0,8 δευτερόλεπτα). Ωστόσο, μετά την πρώτη επίδραση ρεύματος βραχυκυκλώματος, η θερμοκρασία του τυλίγματος αυξάνεται απότομα. Σύμφωνα με τα πρότυπα GB1094, η μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία είναι 250°C, οπότε η αντοχή του τυλίγματος σε βραχυκύκλωμα έχει σημαντικά μειωθεί. Αυτό εξηγεί γιατί οι περισσότερες βλάβες βραχυκυκλώματος σε μετασχηματιστές συμβαίνουν μετά από λειτουργίες επανασύνδεσης.

(4) Χαλαρή κατασκευή τυλιγμάτων, εσφαλμένη επεξεργασία διασταυρώσεων και υπερβολικό λεπτότητα προκαλούν τους ηλεκτρομαγνητικούς αγωγούς να γίνονται αιωρούμενοι. Από την οπτική γωνία των τοποθεσιών ζημιών σε ατυχήματα, η παραμόρφωση εμφανίζεται συνήθως στα σημεία διασταύρωσης, ειδικά στις τοποθεσίες διασταύρωσης των διασταυρούμενων αγωγών.

(5) Η χρήση μαλακών αγωγών είναι μία από τις κύριες αιτίες της κακής αντοχής σε βραχυκύκλωμα στους μετασχηματιστές. Λόγω της ανεπαρκούς πρώιμης κατανόησης αυτού του ζητήματος ή των δυσκολιών με τον εξοπλισμό και τις διαδικασίες τύλιξης, οι κατασκευαστές ήταν διστακτικοί να χρησιμοποιήσουν ημίσκληρους αγωγούς ή δεν είχαν τέτοιες απαιτήσεις στο σχεδιασμό τους. Οι μετασχηματιστές που έχουν υποστεί βλάβη χρησιμοποίησαν όλοι μαλακούς αγωγούς.

(6) Υπερβολικά μεγάλα διάκενα συναρμολόγησης έχουν ως αποτέλεσμα ανεπαρκή υποστήριξη στους ηλεκτρομαγνητικούς αγωγούς, δημιουργώντας κρυφούς κινδύνους για την αντοχή των μετασχηματιστών σε βραχυκύκλωμα.

(7) Ανομοιόμορφες δυνάμεις προ-σφίξης που εφαρμόζονται στα διάφορα τυλίγματα ή

(8) Η έλλειψη θεραπείας ανάθεκης μεταξύ των στροφών ή των καβέλων οδηγεί σε κακή αντοχή σε σύνδεση. Οι πρώιμες στροφές που υπερδιενεγκόταν σε βάρνιση δεν υπέστησαν ζημιά.

(9) Η εσφαλμένη διαχείριση της προ-επιστροφικής δύναμης στείρωσης προκαλεί μη συμμόρφωση των διαγωνιστών σε συμβατικούς διαγωνιστές.

(10) Συνεχείς εξωτερικές περιπτώσεις σύνδεσης προκαλούν συναρμογικά αποτελέσματα των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων μετά από πολλές επιδράσεις ρεύματος σύνδεσης, οδηγώντας σε μαλακία των ηλεκτρομαγνητικών καβέλων ή σε εσωτερική σχετική μετακίνηση, με τελική αποτέλεσμα την κατάρρευση της απομόνωσης.

3.Μέτρα Βελτίωσης για την Ενίσχυση της Αντοχής σε Σύνδεση των Μετατροπέων Ρεύματος

(1) Διεξαγωγή Δοκιμών Σύνδεσης για την Πρόληψη Προβλημάτων

 Η λειτουργική αξιοπιστία των μεγάλων μετατροπέων εξαρτάται κυρίως από τη δομή και την ποιότητα της κατασκευαστικής διαδικασίας, ακολουθούμενη από διάφορες δοκιμές κατά τη διάρκεια της λειτουργίας για την εγκαίρωση ανίχνευση των συνθηκών εξοπλισμού. Για να κατανοήσετε τη μηχανική σταθερότητα ενός μετατρόπου, μπορεί να διεξαχθεί δοκιμή σύνδεσης για την ανίχνευση αδυνάμων σημείων προς βελτίωση, εξασφαλίζοντας έτσι την εμπιστοσύνη στην σχεδιαστική δύναμη των μετατροπέων.

(2) Τυποποίηση Σχεδίασης και Επίκεντρος στην Αξιονομική Διαδικασία Στροφής

Κατά τη σχεδίαση μετατροπέων, οι κατασκευαστές πρέπει να εξετάσουν όχι μόνο τη μείωση των απωλειών και την ενίσχυση των επιπέδων απομόνωσης, αλλά και την ενίσχυση της μηχανικής δύναμης και της αντοχής σε σφάλματα σύνδεσης. Σε ό,τι αφορά την κατασκευαστική διαδικασία, καθώς πολλοί μετατρόποι χρησιμοποιούν επιμόνια πάνελ με ανώτερες και κατώτερες στροφές που μοιράζονται ένα μοναδικό πάνελ, αυτή η δομή απαιτεί υψηλά πρότυπα κατασκευαστικής διαδικασίας. Τα διαχωριστικά μπλοκ πρέπει να υποστούν εντύπωση, και μετά την επεξεργασία των στροφών, οι μεμονωμένες στροφές πρέπει να υποστούν σταθερή πίεση ξηρασίας με μέτρηση του ύψους της στερεωμένης στροφής.

Μετά την παραπάνω επεξεργασία, οι στροφές στο ίδιο πάνελ πρέπει να προσαρμοστούν στο ίδιο ύψος. Κατά την τελική συναρμολόγηση, θα πρέπει να εφαρμοστεί η καθορισμένη πίεση στις στροφές με υγραυτικά συστήματα για να επιτευχθεί το ύψος που προβλέπεται από τον σχεδιασμό και την διαδικασία. Κατά την τελική συναρμολόγηση, πρέπει να δοθεί προσοχή όχι μόνο στη στερέωση των ανώτερων στροφών, αλλά και ειδικά στην ελέγχου της στερέωσης των κατώτερων στροφών.