Transformatory elektryczne: Ryzyko przekroczenia dopuszczalnego prądu krótkiego obwodu przewodzącego causes and improvement measures

Transformatory mocy: zagrożenia związane z zwarciem, przyczyny i środki zaradcze

Transformatory mocy są podstawowymi komponentami systemów energetycznych, zapewniającymi przesył energii oraz stanowiącymi kluczowe urządzenia indukcyjne gwarantujące bezpieczne działanie systemu zasilania. Ich konstrukcja składa się z uzwojenia pierwotnego, uzwojenia wtórnego i rdzenia żelaznego, wykorzystując zasadę indukcji elektromagnetycznej do zmiany napięcia przemiennego. Dzięki długotrwałym ulepszeniom technologicznym niezawodność i stabilność zasilania ciągle rosną. Niemniej jednak wciąż istnieją różne widoczne zagrożenia. Niektóre jednostki transformatorowe charakteryzują się niewystarczającą odpornością na skutki dynamiczne zwarcia, przez co są narażone na zjawiska zwarć. W celu efektywnego określenia przyczyn i lokalizacji uszkodzeń, należy intensyfikować badania dotyczące awarii transformatorów i technologii diagnostycznych, aby stosować odpowiednie technologie skutecznie rozwiązujące problemy diagnostyki uszkodzeń transformatorów.

1. Zagrożenia związane ze zwartem w transformatorach mocy

• Wpływ prądu udarowego: nagłe zwarcie w transformatorze generuje duży prąd zwarciowy. Chociaż jego czas trwania jest krótki, zanim główne obwody transformatora zostaną odłączone, to ukryte zagrożenie może już powstać, potencjalnie powodując uszkodzenie wewnętrzne transformatora oraz obniżenie poziomu izolacji.

• Wpływ sił elektromagnetycznych: podczas zwarcia nadprąd generuje znaczne siły elektromagnetyczne wpływające na stabilność. W przypadkach zaawansowanych mogą one wpływać na uzwojenia transformatora w pewnym stopniu, takie jak deformacja uzwojeń, uszkodzenie wytrzymałości izolacyjnej uzwojeń oraz uszkodzenie innych komponentów. W skrajnych przypadkach może to prowadzić do wypadków bezpieczeństwa energetycznego, takich jak zapłon transformatora.

2. Przyczyny zwarć w transformatorach mocy

(1) Programy obliczeniowe prądu zostały opracowane na podstawie uogólnionych modeli zakładających jednorodny rozkład pola magnetycznego upływu, identyczne średnice zwojów oraz siły w fazie. Jednak w rzeczywistości pole magnetyczne upływu w transformatorach nie jest równomiernie rozłożone i jest względnie skoncentrowane w sekcji jarzma, gdzie druty elektromagnetyczne są narażone na większe siły mechaniczne. W punktach transpozycji kabli o ciągłej transpozycji (CTC), nachylenie wspinaczkowe zmienia kierunek przekazywania siły, generując moment obrotowy. Z powodu współczynnika modułu sprężystości przekładek, nierównomierne rozmieszczenie przekładek w kierunku osiowym może spowodować opóźnione rezonansy sił przemiennych generowanych przez przemienne pole magnetyczne upływu. Jest to podstawowa przyczyna, dla której tarcze uzwojeń w sekcji jarzma rdzenia żelaznego, punktach transpozycji oraz odpowiadających im pozycjach z przełącznikiem zaczepów ulegają deformacji jako pierwsze.

(2) Stosowanie tradycyjnych przewodów transponowanych o słabej wytrzymałości mechanicznej sprawia, że są one skłonne do deformacji, rozwarstwienia się strun i odsłonięcia miedzi pod wpływem mechanicznych sił zwarciowych. Podczas stosowania tradycyjnych przewodów transponowanych duże prądy i strome nachylenia transpozycji w tych miejscach generują znaczny moment obrotowy. Dodatkowo tarcze uzwojeń na obu końcach uzwojeń doświadczają dużego momentu obrotowego z powodu łączonych efektów pól magnetycznych upływu radialnego i osiowego, co prowadzi do odkształceń skrętnych. 

Na przykład wspólna faza A uzwojenia transformatora 500 kV Yanggao miała 71 transpozycji, a z powodu zastosowania stosunkowo gruby tradycyjny przewód transponowany, 66 z tych transpozycji wykazało różnego rodzaju deformacje. Podobnie główny transformator WuJing nr 11 również wykazał różne stopnie przewracania się drutu i jego odsłonięcia na końcach uzwojenia wysokiego napięcia w sekcji jarzma rdzenia żelaznego z powodu zastosowania tradycyjnych przewodów transponowanych.

(3) Obliczenia odporności na zwarcie nie uwzględniają wpływu temperatury na wytrzymałość na zginanie i rozciąganie przewodów elektromagnetycznych. Odporność na zwarcie zaprojektowana w temperaturze pokojowej nie odzwierciedla rzeczywistych warunków eksploatacyjnych. Według wyników badań temperatura przewodów elektromagnetycznych znacząco wpływa na ich granicę plastyczności (σ0.2). W miarę wzrostu temperatury przewodów elektromagnetycznych ich wytrzymałość na zginanie, wytrzymałość na rozciąganie oraz wydłużenie maleją. W temperaturze 250°C wytrzymałość na zginanie i rozciąganie jest znacznie niższa niż w temperaturze 50°C, natomiast wydłużenie zmniejsza się o ponad 40%. W rzeczywistej pracy transformatory osiągają średnią temperaturę uzwojeń 105°C przy obciążeniu znamionowym, a temperatura punktów gorących dochodzi do 118°C. Większość transformatorów podczas pracy przechodzi proces automatycznego ponownego załączania.

Dlatego też, jeśli punkt zwarcia nie zniknie natychmiast, transformator doświadczy drugiego uderzenia zwarciowego w bardzo krótkim czasie (0,8 sekundy). Jednak po pierwszym impulsie prądu zwarciowego temperatura uzwojeń gwałtownie wzrasta. Zgodnie z normą GB1094 maksymalna dopuszczalna temperatura wynosi 250°C, w której momencie odporność uzwojeń na zwarcie znacznie spada. To wyjaśnia, dlaczego większość wypadków zwarć transformatorów występuje po operacjach ponownego załączania.

(4) Luźna konstrukcja uzwojeń, nieprawidłowe przetwarzanie transpozycji oraz nadmierne cienkość powodują zawieszanie się przewodów elektromagnetycznych. Ze względu na lokalizacje uszkodzeń w wypadkach, deformacje najczęściej występują w punktach transpozycji, szczególnie w miejscach transpozycji przewodów transponowanych.

(5) Użycie miękkich przewodów jest jedną z głównych przyczyn słabej odporności transformatorów na zwarcie. Z powodu niewystarczającej wcześniejszej wiedzy na ten temat lub trudności z wyposażeniem i procesami nawijania, producenci niechętnie stosowali przewody półsztywne lub nie mieli takich wymagań w swoich projektach. Transformatory, które uległy awarii, wszystkie używały miękkich przewodów.

(6) Nadmierne luki montażowe powodują niewystarczające podparcie przewodów elektromagnetycznych, tworząc ukryte zagrożenia dla odporności transformatora na zwarcie.

(7) Nierównomierne siły wstępne naciągania różnych uzwojeń lub pozycji zaczepów powodują odbijanie się tarcz uzwojeń podczas oddziaływania uderzenia zwarciowego, co skutkuje nadmiernym naprężeniem zginającym przewody elektromagnetyczne i kolejną deformacją.

(8) Brak odpowiedniego procesu twardnienia między zwitkami lub przewodami prowadzi do słabej odporności na krótkie zamykania. Wczesne zwitki poddane impregnacji lakierem nie odznaczały się uszkodzeniami.

(9) Niewłaściwa kontrola siły wstępnej napięcia zwitków powoduje niewłaściwe ułożenie przewodników w tradycyjnych przewodnikach przestawnych.

(10) Częste zewnętrzne zdarzenia związane z krótkimi zamykaniami powodują kumulatywne efekty sił elektromagnetycznych po wielokrotnych wpływach prądu krótkiego zamykania, co prowadzi do mięknięcia przewodów elektromagnetycznych lub względnego przemieszczenia wewnętrznych elementów, ostatecznie skutkując przebiciem izolacji.

3.Miary doskonalenia odporności transformatorów mocy na krótkie zamykania

(1) Przeprowadzanie testów krótkich zamykań w celu zapobiegania problemom przed ich wystąpieniem

 Zaufana niezawodność dużych transformatorów zależy głównie od ich konstrukcji i jakości procesu produkcji, a następnie od różnych testów przeprowadzanych podczas eksploatacji, aby w czasie rzeczywistym poznać stan urządzeń. Aby zrozumieć mechaniczną stabilność transformatora, można przeprowadzić testy krótkich zamykań, aby wykryć punkty słabe wymagające poprawy, zapewniając pewność w zakresie projektowania konstrukcyjnej wytrzymałości transformatorów.

(2) Standaryzacja projektowania i nacisk na proces ucisku osiowego podczas produkcji cewek

Podczas projektowania transformatorów producenci powinni brać pod uwagę nie tylko zmniejszenie strat i poprawę poziomu izolacji, ale również wzrost wytrzymałości mechanicznej i odporności na błędy krótkich zamykań. W zakresie procesów produkcyjnych, ponieważ wiele transformatorów używa izolowanych płyt tłoczkowych z cewkami wysokiego i niskiego napięcia dzielącymi tę samą płytę tłoczkową, ta struktura wymaga wysokich standardów procesów produkcyjnych. Bloki rozdzielcze powinny być poddawane procesowi zagęszczania, a po obróbce cewek, poszczególne cewki powinny podlegać suszeniu pod stałą ciśnieniem z pomiarem wysokości cewki pod ciśnieniem.

Po powyższej obróbce, cewki na tej samej płycie tłoczkowej powinny być dostosowane do tej samej wysokości. Podczas końcowej montażu, należy zastosować określone ciśnienie do cewek za pomocą urządzeń hydraulicznych, aby osiągnąć zaprojektowaną i procesowo wymaganą wysokość. Podczas końcowego montażu należy zwracać uwagę nie tylko na ucisk cewek wysokiego napięcia, ale szczególnie na kontrolowanie ucisku cewek niskiego napięcia.