У чому причина поганої стійкості трансформатора?

Як одне з основних обладнання енергетичної системи, трансформатор виконує ключові функції перетворення напруги, передачі та розподілу електроенергії. Від його стабільності роботи безпосередньо залежить безпека і надійність всієї енергосистеми. У сучасних електромережах трансформатори досягають ефективної передачі та розумного розподілу потужності шляхом зміни рівнів напруги, тим самим задовольняючи потреби різних користувачів в електроенергії. Крім того, трансформатори також відіграють важливу регулюючу роль у стабільній роботі енергосистеми, наприклад, підтримують рівень напруги шляхом регулювання положення відводу або покращують коефіцієнт потужності системи за допомогою компенсації реактивної потужності. Однак під час фактичної роботи багато трансформаторів будуть мати проблеми, такі як значні коливання напруги, нерівномірний розподіл навантаження та знижена здатність до перевантаження. Ці явища зазвичай вказують на «погану стабільність» трансформатора. Отже, які основні причини низької стабільності трансформаторів?

I. Необґрунтований дизайн і вибір

1. Неправильне узгодження напруги імпедансу

Напруга повного опору трансформатора визначає рівномірність розподілу навантаження при його паралельній роботі. Якщо відхилення напруги повного опору занадто велике, коли кілька трансформаторів працюють паралельно, трансформатор із меншим опором витримуватиме занадто велике навантаження та перебуватиме в стані перевантаження протягом тривалого часу, що вплине на стабільність системи в цілому.

2. Недостатній запас потужності

Якщо номінальна потужність трансформатора не відповідає фактичній потребі в навантаженні, особливо в сценаріях із великими коливаннями навантаження (таких як запуск промислової виробничої лінії, нове підключення до енергомережі), трансформатор часто працює близько до номінальної потужності або перевищує її, що ускладнює підтримку стабільної вихідної напруги.

3. Діапазон регулювання перемикача РПН обмежений

Кількість передач і точність регулювання пристрою РПН регулювання напруги під навантаженням недостатні і не можуть ефективно справлятися з великими коливаннями напруги мережі, що призводить до відхилення напруги вторинної сторони від нормального діапазону.

II. Виробничий процес і питання якості матеріалів

1. Поганий вибір матеріалу залізного сердечника

Вибір матеріалу залізного сердечника як основного компонента трансформатора безпосередньо впливає на магнітні властивості, втрати холостого ходу та стабільність роботи трансформатора. В даний час широко використовувані матеріали залізного сердечника в основному включають листи кремнієвої сталі та аморфні сплави. Існують значні відмінності між ними щодо магнітної проникності, інтенсивності магнітної індукції насичення та втрат заліза. Листи кремнієвої сталі широко використовуються в традиційних трансформаторах завдяки їх високій магнітній проникності та низькій вартості. Однак втрати заліза в листах кремнієвої сталі відносно високі, особливо в умовах високої частоти, що призведе до збільшення втрат холостого ходу трансформатора, що супроводжується збільшенням шуму та іншими проблемами, що впливає на його стабільність та економічність. Аморфні сплави поступово стали кращим матеріалом для нових трансформаторів завдяки своїм надзвичайно низьким втратам заліза та чудовим магнітним властивостям. Проте механічна міцність і ефективність обробки аморфних сплавів є відносно поганими. Якщо ці фактори не повністю враховані під час процесу проектування, це може спричинити такі проблеми, як деформація та розтріскування сердечника під час виготовлення або експлуатації, що ще більше вплине на продуктивність магнітного кола та робочу стабільність трансформатора. Таким чином, під час вибору матеріалів із залізного сердечника, його магнітні властивості, економічність і застосовність повинні бути всебічно розглянуті для досягнення найкращого дизайнерського ефекту.

2. Дефекти конструкції сердечника та процесу укладання

Раціональність конструкції сердечника та процесу укладання має важливий вплив на продуктивність магнітного кола, струм холостого ходу та робочу стабільність трансформатора. Перш за все, необґрунтоване конструктивне виконання залізного сердечника, наприклад надмірні з’єднання або погана ізоляція між листами, призведе до нерівномірного розподілу магнітного потоку в магнітному колі, тим самим збільшуючи струм холостого ходу та втрати заліза. Це явище не тільки знизить ефективність роботи трансформатора, але також може спричинити локальні проблеми з перегрівом і навіть поломку сердечника у важких випадках. По-друге, нерегулярний процес укладання також є важливим фактором, що впливає на продуктивність ядра. Під час процесу укладання, якщо деталі неправильно вирівняні або ізоляція пошкоджена, безперервність магнітного кола буде зруйновано, що призведе до збільшення втрат на гістерезис і вихрових струмів. Крім того, недостатнє або нерівномірно розподілене зусилля притискання під час укладання також може призвести до ослаблення сердечника під час роботи, що впливає на його механічну стабільність і рівень шуму. Тому під час проектування сердечника та процесу виготовлення необхідно суворо контролювати точність процесу укладання, щоб гарантувати, що геометричні розміри та магнітні властивості сердечника відповідають вимогам конструкції, забезпечуючи тим самим надійну гарантію стабільної роботи трансформатора.

3. Неправильна структура обмотки та ізоляція

Вибір структури обмотки має важливий вплив на тепловіддачу, механічну міцність і стабільність трансформатора. В даний час поширені обмоткові конструкції включають циліндричний тип і секторний тип. Кожна структура має унікальні характеристики та застосовні сценарії. Циліндричні обмотки широко використовуються в малих і середніх трансформаторах завдяки своїй простій структурі та відпрацьованій технології виробництва. Однак застосування цієї структури у великих трансформаторах може мати проблеми з поганим розсіюванням тепла, особливо в умовах високого навантаження, що може легко призвести до локального перегріву, таким чином впливаючи на стабільну роботу трансформатора. Навпаки, секторні обмотки покращують ефективність розсіювання тепла та підвищують механічну міцність завдяки сегментованій конструкції, що робить їх більш придатними для трансформаторів великої потужності високої напруги. Однак якщо конструкцію вибрано неправильно, наприклад, сліпий вибір певної конструкції без повного врахування характеристик навантаження та робочого середовища, це може спричинити такі проблеми, як концентрація механічних навантажень і пошкодження ізоляції під час роботи трансформатора, що вплине на його стабільну роботу.

Коротке замикання між витками обмотки, старіння міжшарової ізоляції або невідповідний процес просочення призведе до часткового розряду або навіть пробою між витками, що призведе до ненормального розподілу електромагнітного поля всередині трансформатора та погіршення вихідних характеристик.

Тому при проектуванні структури обмотки необхідно всебічно оцінити переваги та недоліки різних структур на основі конкретних сценаріїв застосування, щоб вибрати оптимальне рішення.

4. Непродумана конструкція витків намотування

Кількість витків обмотки є одним із основних параметрів у конструкції трансформатора, і його раціональність безпосередньо впливає на коефіцієнт напруги, розподіл струму та загальну стабільність трансформатора. Якщо кількість витків обмотки запроектована занадто великою, співвідношення напруги між первинною та вторинною сторонами трансформатора буде відхилятися від номінального значення, що спричинить проблеми з відхиленням напруги. Це відхилення не тільки вплине на якість електропостачання енергосистеми, але й може призвести до пошкодження обладнання навантаження. Крім того, занадто багато витків збільшить опір обмотки, що призведе до збільшення втрат міді, тим самим зменшуючи ефективність роботи трансформатора. Навпаки, якщо кількість витків обмотки запроектована занадто малою, трансформатор матиме надмірний струм під номінальним навантаженням, посилюючи явище нагрівання обмотки, і навіть може призвести до старіння або руйнування шару ізоляції, серйозно вплинувши на стабільність і термін служби трансформатора. Таким чином, у фактичному проекті необхідно точно розрахувати та визначити прийнятну кількість витків обмотки на основі таких факторів, як номінальна потужність, рівень напруги та робоче середовище трансформатора, щоб гарантувати, що трансформатор підтримує стабільну роботу в довгостроковій експлуатації.

5. Погана якість дроту

Провід є основним складовим матеріалом обмоток трансформатора, і їх якість безпосередньо впливає на величину опору, електричну міцність і загальну стабільність обмоток. Якщо питомий опір дроту занадто високий, це спричинить збільшення опору обмотки, викликаючи додаткові втрати міді та проблеми підвищення температури. Це підвищення температури не тільки прискорить старіння ізоляційного матеріалу, але також може знизити електричну міцність обмотки та збільшити ризик короткого замикання. Крім того, якість шару ізоляції проводів також має важливий вплив на стабільну роботу трансформатора. Якщо ізоляційний шар має такі проблеми, як нерівномірна товщина та недостатній опір напрузі, це легко призведе до міжвиткових коротких замикань або замикань обмотки на землю, що вплине на нормальну роботу трансформатора. Особливо в умовах високого навантаження проблема поганої якості провідника буде ще більше посилюватися, що може призвести до виходу трансформатора з ладу через перегрів або електричний збій. Таким чином, під час процесу виготовлення трансформатора, матеріали дроту повинні бути суворо перевірені, щоб переконатися, що їхні питомий опір та ізоляційні властивості відповідають проектним вимогам для забезпечення стабільної роботи трансформатора.

6. Погані характеристики ізоляційних матеріалів

Ізоляційні матеріали відіграють важливу роль в ізоляції компонентів з різними потенціалами в трансформаторах, і їх продуктивність безпосередньо впливає на надійність і загальну стабільність системи ізоляції трансформатора. Якщо ізоляційний матеріал має низький рівень термостійкості, його механічна міцність і електричні властивості можуть швидко погіршуватися в умовах високого навантаження або перевантаження, що призводить до руйнування ізоляції або часткового розряду. Крім того, стійкість до коронного розряду ізоляційного матеріалу також є ключовим фактором, що впливає на стабільність трансформатора. Коли ізоляційний матеріал піддається впливу сильного електричного поля, якщо його опір корони недостатній, це легко спричинить коронний розряд, що призведе до корозії та погіршення поверхні ізоляції, що в кінцевому підсумку скорочує термін служби трансформатора. Дослідження показують, що низька якість ізоляційних матеріалів не тільки збільшить частоту відмов трансформатора, але також може негативно вплинути на його економічну роботу, наприклад збільшити витрати на технічне обслуговування та втрати електроенергії. Таким чином, під час процесу виробництва трансформатора високоефективним ізоляційним матеріалам слід надавати пріоритет і пройти суворе випробування та перевірку, щоб переконатися, що вони можуть підтримувати стабільну роботу в різних умовах експлуатації.

III. Жорстке робоче середовище

1. Надмірна температура або погане розсіювання тепла

Коли трансформатори працюють у високотемпературному середовищі протягом тривалого часу (наприклад, під впливом прямих сонячних променів на відкритому повітрі влітку або на підстанціях із поганою вентиляцією), ізоляційний матеріал старіє швидше, діелектричні властивості масляно-паперової ізоляції погіршуються, що призводить до збільшення внутрішніх часткових розрядів, дрейфу електричних параметрів і зниження стабільності.

2. Висока вологість і сильне забруднення

Висока вологість, а також забруднювачі, такі як сольовий бризок і пил, що прилипають до поверхонь вводів та ізоляторів, можуть знизити рівень зовнішньої ізоляції, спровокувати спалах, спричинити миттєве заземлення або коротке замикання та призвести до серйозних коливань напруги.

3. Перешкоди гармонійного та ударного навантаження

Велика кількість гармонік, створюваних нелінійними навантаженнями (такими як перетворювачі частоти, випрямлячі та дугові печі), коли вводиться в трансформатори, збільшує втрати міді та заліза, викликаючи додаткове нагрівання. У той же час гармонічні струми також можуть спотворювати магнітний потік в осерді, впливаючи на стабільність форми та амплітуди вихідної напруги.

IV. Неадекватне управління експлуатацією та обслуговуванням

1. Відсутність регулярних перевірок і профілактичних випробувань: профілактичні випробування, такі як випробування опору ізоляції, вимірювання діелектричних втрат і аналіз масляної хроматографії, не проводилися вчасно, що унеможливлювало оперативне виявлення внутрішніх прихованих несправностей (таких як локальний перегрів, розряд або проникнення вологи). Це призвело до того, що проблеми не вдалося виявити на ранній стадії, що призвело до їх ескалації та серйозного впливу на стабільність.

2. Недбале технічне обслуговування системи охолодження: несправності в охолоджуючих пристроях, таких як вентилятори, масляні насоси та радіатори, не були відремонтовані вчасно, або радіатори сильно забивалися пилом, що зменшувало ефективність розсіювання тепла трансформатора та підвищувало температуру масла. Це прискорило старіння ізоляції та погіршення електричних характеристик.

3. Неналежна робота перемикачів РПН: під час ручного або автоматичного регулювання напруги можуть виникнути такі проблеми, як зависання механізмів перемикача РПН, згорілі контакти або механічні збої, що призведе до неправильного регулювання напруги або неправильного положення РПН, що може призвести до неконтрольованої вихідної напруги.

V. Фактори зовнішньої електромережі

1. Напруга в системі часто коливається

Напруга передньої електромережі раптово підвищується або падає через масштабне перемикання навантаження, відключення через несправність тощо. Коли потужність регулювання напруги трансформатора перевищена, трансформатор не може підтримувати стабільність напруги вторинної сторони.

2. Трифазний дисбаланс є серйозним

Однофазне навантаження великої потужності на стороні низької напруги розподіляється нерівномірно, що призводить до серйозного дисбалансу трифазного струму та зсуву нейтральної точки. Це не тільки викликає збільшення струму нульової послідовності та додаткові втрати, але й робить вихідну трифазну напругу несиметричною, що впливає на нормальну роботу електрообладнання.

VI. Підсумок і пропозиції щодо покращення

Погана стабільність трансформатора часто є результатом суперпозиції багатьох факторів, і одна причина рідко може призвести до серйозних наслідків окремо. У відповідь на вищезазначені проблеми рекомендується вдосконалити такі аспекти:

• Оптимізуйте початкову конструкцію: обґрунтовано виберіть потужність трансформатора, напругу імпедансу та метод регулювання напруги відповідно до фактичних характеристик навантаження та використовуйте трансформатор регулювання напруги під навантаженням, коли це необхідно.
• Суворо контролюйте якість виробництва: вибирайте високоякісні листи з кремнієвої сталі та високоякісні ізоляційні матеріали та посилюйте заводські випробування, щоб забезпечити послідовність процесу.
• Покращте робоче середовище: тримайте трансформаторну добре вентильованою, встановіть пристрої для контролю температури та осушення, регулярно прибирайте бруд.
• Покращте керування експлуатацією та техобслуговуванням: створіть наукову систему перевірки, регулярно проводите аналіз зразків масла та електричні випробування, а також своєчасно замінюйте старі частини.
• Підвищити якість електромережі: встановити фільтри та пристрої компенсації реактивної потужності, оптимізувати розподіл трифазного навантаження, зменшити вплив гармонік і дисбалансу на трансформатор.

Лише за допомогою контролю всього ланцюга від проектного джерела до щоденної експлуатації та обслуговування можна ефективно покращити стабільну роботу трансформатора та забезпечити безпечну та надійну роботу енергосистеми.