Trasformatori di potenza: rischi di cortocircuito cause e misure di miglioramento

Trasformatori di potenza: rischi, cause e misure di miglioramento dei cortocircuiti

I trasformatori di potenza sono componenti fondamentali nei sistemi di energia che forniscono la trasmissione di energia ed sono dispositivi induttivi cruciali per garantire l'operazione sicura dell'energia. La loro struttura è composta da bobine primarie, bobine secondarie e un nucleo di ferro, utilizzando il principio dell'induzione elettromagnetica per modificare la tensione alternata. Attraverso miglioramenti tecnologici a lungo termine, la affidabilità e stabilità del fornitura di energia si sono continuamente migliorate. Tuttavia, esistono ancora vari pericoli nascosti rilevanti. Alcune unità di trasformatori soffrono di una capacità insufficiente di resistere agli impatti dei cortocircuiti, rendendoli propensi a fenomeni di cortocircuito. Per determinare efficacemente le cause e le posizioni dei guasti, la ricerca sui guasti dei trasformatori e sulle tecnologie di diagnostica deve essere intensificata per adottare tecnologie corrispondenti che risolvano in modo efficiente i problemi di diagnostica dei guasti dei trasformatori.

1.Pericoli dei cortocircuiti nei trasformatori di potenza

• Impatto della corrente di impulso: un cortocircuito improvviso in un trasformatore genera una grande corrente di cortocircuito. Anche se la sua durata è breve, prima che il circuito principale del trasformatore sia disconnesso, questo pericolo nascosto può già essersi formato, potenzialmente causando danni interni al trasformatore e riducendo i livelli di isolamento.

• Impatto delle forze elettromagnetiche: durante un cortocircuito, la sovracorrente genera forze elettromagnetiche significative che influiscono sulla stabilità. In casi gravi, le avvolgimenti del trasformatore possono essere influenzati in una certa misura, come deformazioni degli avvolgimenti, danni alla resistenza isolante degli avvolgimenti e danni ad altri componenti. In casi estremi, ciò può portare a incidenti di sicurezza energetica come la combustione del trasformatore.

2.Cause dei cortocircuiti nei trasformatori di potenza

(1) I programmi di calcolo della corrente sono sviluppati basandosi su modelli idealizzati che presuppongono una distribuzione uniforme del campo magnetico di dispersione, diametri identici delle spire e forze in fase. Tuttavia, nella realtà, il campo magnetico di dispersione nei trasformatori non è distribuito uniformemente e si concentra relativamente nella sezione dello yoke, dove i fili elettromagnetici sperimentano forze meccaniche maggiori. Nei punti di transposizione dei cavi continuamente trasposti (CTC), la pendenza di salita cambia la direzione della trasmissione della forza, generando un momento. A causa del fattore di modulo elastico dei blocchi di spaziatura, una distribuzione assestica assiale non uniforme dei blocchi di spaziatura può causare che le forze alternate prodotte dai campi magnetici di dispersione alternati sperimentino una risonanza ritardata. Questo è il motivo fondamentale per cui i dischi di avvolgimento nella sezione dello yoke del nucleo di ferro, nei punti di transposizione e nelle posizioni corrispondenti con i cambiatori di presa si deformano per primi.

(2) L'uso di conduttori trasposti convenzionali con scarsa resistenza meccanica li rende suscettibili a deformazioni, separazione delle spire e esposizione del rame quando soggetti a forze meccaniche di cortocircuito. Quando si usano conduttori trasposti convenzionali, grandi correnti e salite ripide di transposizione in queste posizioni generano un momento significativo. Inoltre, i dischi di avvolgimento alle estremità degli avvolgimenti sperimentano un momento considerevole a causa degli effetti combinati dei campi magnetici di dispersione radiale e assiale, portando a una deformazione di torsione. 

Ad esempio, l'avvolgimento comune di fase A del trasformatore Yanggao 500kV aveva 71 transposizioni, e a causa dell'uso di conduttori trasposti convenzionali piuttosto spessi, 66 di queste transposizioni hanno mostrato diversi gradi di deformazione. Analogamente, il trasformatore principale WuJing No. 11 ha mostrato diversi gradi di capovolgimento e esposizione dei fili alle estremità dell'avvolgimento ad alta tensione nella sezione dello yoke del nucleo di ferro a causa dell'uso di conduttori trasposti convenzionali.

(3) I calcoli di resistenza ai cortocircuiti non tengono conto dell'impatto della temperatura sulla resistenza flessionale e alla trazione dei fili elettromagnetici. La resistenza ai cortocircuiti progettata a temperatura ambiente non riflette le condizioni operative reali. Secondo i risultati dei test, la temperatura dei fili elettromagnetici influenza significativamente il limite di snervamento (σ0.2). Con l'aumento della temperatura dei fili elettromagnetici, la resistenza flessionale, la resistenza alla trazione e l'allungamento diminuiscono tutti. A 250°C, la resistenza flessionale e alla trazione sono notevolmente inferiori rispetto a 50°C, mentre l'allungamento diminuisce di oltre il 40%. Nelle operazioni reali, i trasformatori raggiungono una temperatura media di avvolgimento di 105°C a carico nominale, con temperature di punto caldo che raggiungono 118°C. La maggior parte dei trasformatori subisce processi di ricongiunzione automatica durante l'operazione.

Pertanto, se il punto di cortocircuito non scompare immediatamente, il trasformatore subirà un secondo impatto di cortocircuito entro un tempo molto breve (0,8 secondi). Tuttavia, dopo l'impatto della corrente di cortocircuito iniziale, la temperatura dell'avvolgimento aumenta bruscamente. Secondo gli standard GB1094, la temperatura massima consentita è 250°C, a cui la resistenza ai cortocircuiti dell'avvolgimento è notevolmente diminuita. Questo spiega perché la maggior parte degli incidenti di cortocircuito nei trasformatori si verifica dopo le operazioni di ricongiunzione.

(4) La costruzione dell'avvolgimento allentata, la lavorazione impropria delle transposizioni e l'eccessiva sottigliezza causano i fili elettromagnetici a diventare sospesi. Dal punto di vista delle posizioni di danno negli incidenti, la deformazione è più comunemente trovata nei punti di transposizione, specialmente nelle posizioni di transposizione dei conduttori trasposti.

(5) L'uso di conduttori morbidi è una delle principali ragioni per la scarsa resistenza ai cortocircuiti nei trasformatori. A causa di una comprensione insufficiente iniziale di questo problema o difficoltà con le attrezzature e i processi di avvolgimento, i produttori erano riluttanti a utilizzare conduttori semirigidi o non avevano tali requisiti nei loro progetti. Tutti i trasformatori che hanno fallito hanno utilizzato conduttori morbidi.

(6) Differenze di montaggio eccessive risultano in un supporto insufficiente sui fili elettromagnetici, creando pericoli nascosti per la resistenza ai cortocircuiti dei trasformatori.

(7) Forze di pre-carico non uniformi applicate a vari avvolgimenti o posizioni di presa causano i dischi di avvolgimento a saltare durante gli impatti di cortocircuito, risultando in uno stress flessionale eccessivo sui fili elettromagnetici e successivamente in deformazioni.

(8) La mancanza di trattamento di impregnazione tra gli avvolgimenti o i fili porta a una scarsa resistenza ai cortocircuiti. Gli avvolgimenti iniziali trattati con impregnazione di vernice non hanno subito danni.

(9) Il controllo improprio della forza di pre-accensione degli avvolgimenti causa lo spostamento dei conduttori nei conduttori trasposti convenzionali.

(10) Incidenti frequenti di cortocircuito esterno causano effetti cumulativi delle forze elettromagnetiche dopo più impatti di corrente di cortocircuito, portando all'ammorbidimento dei fili elettromagnetici o allo spostamento relativo interno, risultando infine nella rottura dell'isolamento.

3.Misure di miglioramento per aumentare la resistenza ai cortocircuiti dei trasformatori di potenza

(1) Eseguire test di cortocircuito per prevenire problemi prima che si verifichino

 L'affidabilità operativa dei grandi trasformatori dipende principalmente dalla loro struttura e dalla qualità del processo di fabbricazione, seguita da vari test condotti durante l'operazione per comprendere tempestivamente le condizioni dell'equipaggiamento. Per comprendere la stabilità meccanica di un trasformatore, è possibile eseguire test di cortocircuito per identificare i punti deboli da migliorare, garantendo la fiducia nella progettazione della forza strutturale dei trasformatori.

(2) Standardizzare la progettazione e enfatizzare il processo di compressione assiale nella fabbricazione degli avvolgimenti

Nel progettare i trasformatori, i produttori dovrebbero considerare non solo la riduzione delle perdite e il miglioramento dei livelli di isolamento, ma anche l'aumento della resistenza meccanica e la resistenza ai guasti di cortocircuito. In termini di processi di fabbricazione, poiché molti trasformatori utilizzano lastre di pressione isolate con avvolgimenti ad alta e bassa tensione che condividono una singola lastra di pressione, questa struttura richiede standard elevati di processo di fabbricazione. I blocchi di distanza dovrebbero subire un trattamento di densificazione e, dopo il processo di avvolgimento, ogni avvolgimento dovrebbe essere sottoposto a essiccazione a pressione costante con misurazione dell'altezza dell'avvolgimento compresso.

Dopo tale elaborazione, gli avvolgimenti sulla stessa lastra di pressione dovrebbero essere regolati alla stessa altezza. Durante l'assemblaggio finale, dovrebbe essere applicata una pressione specificata agli avvolgimenti utilizzando dispositivi idraulici per raggiungere l'altezza prevista dal progetto e richiesta dal processo. Durante l'assemblaggio finale, si dovrebbe prestare attenzione non solo alla compressione degli avvolgimenti ad alta tensione, ma anche al controllo della compressione degli avvolgimenti a bassa tensione.