تحلیل خرابی و بهینه سازی طراحی ترانسفورماتورهای زمینی معمولی

I. سبب اصلی خسارت: تأثیر الکترودینامیک (مطابق با GB/T 1094.5 / IEC 60076-5)

علت مستقیم فروپاشی انتهای پیچه‌های ولتاژ بالا، تأثیر الکترودینامیکی ناشی از جریان کوتاه مدت است. هنگامی که خطای زمینی تک فاز در سیستم (مانند برق صاعقه، شکست عایق) رخ می‌دهد، ترانسفورماتور زمینی به عنوان مسیر جریان خطا، جریان‌های کوتاه مدت با دامنه بالا و نرخ بالای افزایش را تحمل می‌کند. بر اساس قانون نیروی آمپر، هادی‌های پیچه تحت تأثیر نیروهای الکترودینامیکی شعاعی (فشرده‌سازی داخلی) و محوری (کشش/فشار) در میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرند. اگر نیروی الکترودینامیکی از حد قابلیت تحمل ساختار پیچه (هادی‌ها، جداکننده‌ها، صفحات فشار، سیستم‌های بسته‌بندی) فراتر رود، منجر به تغییر شکل غیرقابل برگشت، جابجایی یا تحریف پیچه‌ها می‌شود که در نهایت به فروپاشی انتهای پیچه‌ها منجر می‌شود - یک حالت شکست معمول تجهیزات نوع ترانسفورماتور در شرایط خطاها.

II. عوامل مرتبط با خطا: برق‌بالای هماهنگ و تغذیه با خطاها باقی‌مانده (مطابق با استانداردهای حفاظت از برق‌بالا مانند DL/T 620 / IEC 60099)

• برق‌بالای هماهنگ سیستم (فرورزونانس / رزونانس خطی)
  تطابق نامناسب پارامترهای سیستم (ظرفیت خط، القای PT، القای میله‌ی خنثی‌کننده، و غیره) می‌تواند فرورزونانس یا رزونانس خطی را ایجاد کند و برق‌بالای مداوم تولید کند. این برق‌بالا به طور مکرر روی نقاط ضعیف عایق (عایق‌های قدیمی، محافظ‌ها، لوله‌ها و غیره) عمل می‌کند و منجر به زمینی‌سازی قوسی متناوب یا تخریب‌های مکرر می‌شود که ترانسفورماتور زمینی را مجبور به تحمل جریان‌های ضربه‌ای با فرکانس بالا می‌کند. این نه تنها به طور مستقیم تأثیر الکترودینامیکی تولید می‌کند بلکه پیری حرارتی و الکتریکی عایق پیچه (بین دور، بین لایه و عایق اصلی) را تسریع می‌کند و قابلیت تحمل الکتریکی و مکانیکی آن را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و آن را در مقابل تأثیرات بعدی یا عملیات عادی بیشتر آسیب‌پذیر می‌کند.

• تغذیه با خطاها باقی‌مانده پس از برق صاعقه
  بعد از اینکه برق صاعقه خطای زمینی دائمی را در خط ایجاد می‌کند، اگر نقطه خطا جداسازی نشود (مثلاً دیود کنترلی نمی‌افتد یا نشانه‌ی خطا واضح نیست)، کارکنان نگهداری به اشتباه تغذیه را بازگردانی می‌کنند (تغذیه با خطاها)، که ترانسفورماتور زمینی را مجبور به عبور مداوم جریان خطا با فرکانس تغذیه (بیش از حد مجاز طراحی) می‌کند. جریان بیش از حد مداوم تأثیر گرمایی IRt را ایجاد می‌کند که باعث افزایش سریع دما در پیچه فراتر از حد تحمل عایق (مثلاً ۱۰۵ درجه سانتیگراد برای کلاس A) می‌شود و به سرعت منجر به پیری حرارتی، کربنیزاسیون و از دست دادن عملکرد عایق می‌شود که در نهایت منجر به کوتاه شدن و سوختن پیچه (فروپاشی حرارتی) می‌شود. این وضعیت به تجهیزات آسیب فاحش می‌رساند.

III. برنامه بهینه‌سازی: افزایش تحمل تجهیزات و کامل کردن استراتژی‌های حفاظت (ادغام استانداردهای انتخاب تجهیزات، حفاظت رله‌ای و نظارت بر وضعیت)

• بهبود مقاومت کوتاه مدت بدنه تجهیزات (مطابق با GB/T 1094.5 / IEC 60076-5)

• نیازمندی‌های انتخاب: در خریدهای بعدی، مدل‌های با مقاومت کوتاه مدت بالا که توسط آزمایش‌های تحمل کوتاه مدت دقیق (مانند IEC 60076-5) تأیید شده‌اند را اولویت بخشیده و روی طراحی ساختار پیچه (صفحات فشار تقویت شده، سیستم‌های بسته‌بندی محوری، ساختارهای پشتیبانی شعاعی، فرآیندهای هادی‌های ترانسبوزیشن)، قدرت مواد و فرآیندهای تولید تمرکز کنید.

• ریاکتور محدودکننده جریان اختیاری: یک ریاکتور محدودکننده جریان در مدار خنثی ترانسفورماتور زمینی نصب کنید تا به طور موثر دامنه و نرخ افزایش جریان‌های خطا را کاهش دهد و تأثیر الکترودینامیکی بر پیچه‌ها را کاهش دهد. همزمان باید تأثیر آن بر حالت زمینی سیستم و حفاظت رله‌ای را تأیید کنید.

• بهینه‌سازی پیکربندی و تنظیمات حفاظت رله‌ای (مطابق با استانداردهای حفاظت رله‌ای DL/T 584 / DL/T 559)

• اصل تنظیم: تنظیمات حفاظت از جریان بیش از حد (جریان بیش از حد توالی صفر، جریان بیش از حد معکوس زمان) ترانسفورماتور زمینی باید به طور строго нижче теплових та динамічних меж стійкості обладнання (обчислено за GB/T 1094.5).

• Координування градацій: Часовий запаздвання захисту заземлювального трансформатора (наприклад, 100A/10s) має надійно координуватися з вищим захистом лінії (вихідний автомат). Забезпечте, щоб захист лінії (ступінь I нульового послідовного струму: 0.2с, ступінь II: 0.7с) швидко усунув заземлення на лінії, запобігаючи необхідному напруженню для заземлювального трансформатора. Захист заземлювального трансформатора, як ближній резерв, повинен мати часове запаздвання більше за найдовше часове запаздвання захисту лінії (включаючи градаційну Δt).

• Оптимізація налаштувань захисту заземлювального трансформатора:

• Покращення можливостей швидкого усунення аварій (згідно з DL/T 584 / DL/T 559)

• Налаштування напрямкового захисту нульового послідовного струму: Введіть і надійно активуйте напрямковий захист нульового послідовного струму (ступінь I/II) у захисті лінії. Напрямковий елемент точно розрізняє аварійні та неаварійні лінії, забезпечуючи надійне відключення автомату аварійної лінії ≤0.2с при однофазних заземленнях, повністю ізольуючи джерело аварії - це ключова захисна міра для запобігання пошкодженню заземлювального трансформатора.

• Впровадження інтелектуальних систем онлайн-моніторингу та раннього попередження (згідно з стандартом моніторингу стану DL/T 1709.1)

• Моніторинг реального часу температури гарячих точок підвиводу: Встановіть оптичні волоконні або платинові резисторні сенсори температури на ключових позиціях кінців високовольтних підвиводів для досягнення моніторингу реального часу з точністю ±1~2°C. Встановіть багаторівневі сигналізації (попередження/тривога) та пороги відключення (обчислені на основі моделей теплої класифікації), автоматично викликайте захисні дії при перевищенні границь, щоб запобігти термічному руйнуванню.

• Моніторинг електричних параметрів нейтральної точки та сигналізація асиметрії: Постійно моніторьте струм нейтральної точки та системний зсунений напруг (нулівий послідовний напруг), і налаштуйте функції сигналізації перевищення асиметрії. Коли виявлена постійна/часта аномальна електрична активність нейтральної точки (що вказує на періодичне заземлення, резонанс або вироблення ізоляції), видайте немедля попередження для раннього втручання у аварію.

Висновки оптимізації та рекомендації щодо впровадження

• Зведення висновків

• Посилення обладнання: Оберіть обладнання з високою стійкістю до коротких замикань або встановіть реактори, що обмежують струм, для підвищення стійкості до електродинамічних впливів.

• Координування захисту: Точне встановлення значень захисту (≤межі стійкості обладнання) та забезпечення координування градацій з напрямковим захистом нульового послідовного струму (ступінь I ≤0.2с).

• Рання сигналізація про стан: Впровадження систем моніторингу температури з високою точністю (±1~2°C) та системи сигналізації електричних параметрів нейтральної точки для раннього захисту від аварій.

• Пряма причина аварії полягає в тому, що електродинамічна сила, що виникає через струм короткого замикання одиночної фази, перевищує механічну міцність підвиводів.

• Глибинні причини включають: ① Періодичні впливи, що викликаються системним резонансним перенапругою, прискорюють старіння ізоляції; ② Термічне руйнування через включення з постійними дефектами після удару блискавки.

• Системна оптимізація повинна зосередитися на трьох аспектах:

• Рекомендації щодо впровадження

• Негайне впровадження коригувань налаштувань захисту, активації напрямкового захисту та встановлення систем моніторингу.

• Планування оновлення обладнання разом з циклами службових життів та графіками технічного переобладнання.

• Включення цієї схеми до регламентів експлуатації та заходів проти аварій, строгий заборона включення зі заземленням, та детальне дослідження точок аварії перед відновленням електропостачання після удару блискавки.