În sistemele de energie, transformatoarele servesc ca echipament de bază pentru conversia și transmiterea energiei, iar performanța lor de izolare determină în mod direct stabilitatea funcționării rețelei electrice. Descărcarea parțială (PD) este un „semnal de avertizare timpurie” pentru degradarea izolației transformatorului-acest tip de descărcare locală de arc care nu pătrunde în izolație va eroda treptat materialul de izolație și poate duce în cele din urmă la accidente grave, cum ar fi defectarea izolației și întreruperea echipamentului.
Transformatoarele cu structuri de izolare diferite au diferențe semnificative în mecanismul de generare și factori cheie inductori ai descărcării parțiale. Acest articol se concentrează pe transformatoare-immerse în ulei și transformatoare de tip-uscat (reprezentate prin tipul turnat cu rășină epoxidică-), combinând practicile din industrie și principiile tehnice pentru a analiza în profunzime cauzele principale ale descărcărilor parțiale, oferind referințe profesionale pentru selectarea echipamentelor, testarea de funcționare și întreținere.
I. Transformatoare de tip uscat-(tip rășină epoxidica- turnată): defectele de izolație și controlul procesului sunt factori inductori de bază
Transformatoarele de tip uscat-au ca nucleu rășina epoxidică și alte materiale izolante solide și sunt utilizate pe scară largă în clădiri-înalte, centre de date și alte scenarii datorită avantajelor lor, cum ar fi rezistența la foc, funcționarea fără întreținere-și dimensiunile reduse. Problemele lor de descărcare parțială sunt concentrate în principal în două dimensiuni: defecte de material izolator și procese de turnare/înfășurare.
Materialele de izolație de bază ale transformatoarelor de tip uscat-includ rășina epoxidică, hârtie Nomex, carton izolator etc. Dacă producția sau selecția materialului este necorespunzătoare, este ușor să amestecați cu bule, impurități sau să produceți microfisuri:
- Bulele care induc concentrația câmpului electric:Bulele reziduale din materialele izolante solide au o constantă dielectrică mult mai mică decât cea a mediului de izolație de bază (de exemplu, constanta dielectrică a rășinii epoxidice este de aproximativ 3,5, în timp ce cea a aerului este de numai 1,0). Câmpul electric va fi foarte concentrat în interiorul bulelor. Când intensitatea câmpului electric depășește pragul de toleranță al materialului, va fi declanșată descărcarea parțială. Descărcarea-pe termen lung va extinde treptat volumul bulelor, formând pericole de izolare;
- Impurități care cauzează distorsiunea câmpului electric:Resturile metalice, praful și alte impurități amestecate în materialul izolator vor forma o structură similară cu un „electrod de vârf”, perturbând distribuția uniformă a câmpului electric și formând o zonă locală cu intensitate ridicată a câmpului la vârful impurității, inducând descărcarea corona;
- Pericole de izolare ale microfisurilor:Dacă eliberarea tensiunii este neuniformă în timpul întăririi materialului sau dacă se întâlnește un impact mecanic în timpul transportului și instalării, se vor genera microfisuri care sunt invizibile cu ochiul liber. Efectul de concentrare a câmpului electric la fisuri va declanșa și descărcarea parțială, iar fisurile vor continua să se extindă odată cu descărcarea, accelerând îmbătrânirea izolației.
Controlul procesului este cheia pentru prevenirea descărcării parțiale în transformatoarele de tip uscat-. Neglijența în orice legătură, cum ar fi înfășurarea, împachetarea, turnarea și întărirea poate lăsa pericole ascunse:
- Izolație slabă înfășurare a înfășurărilor:Înveliș izolator liber între straturi și spire, cu goluri sau cute. Aceste goluri vor forma zone locale cu constantă dielectrică scăzută, devenind „zone cu risc-înalt” pentru concentrarea câmpului electric; în același timp, ridurile generate în timpul ambalării vor duce la grosimea neuniformă a izolației, exacerbând și mai mult distorsiunea câmpului electric;
- Defecte la prelucrarea conductorilor:Bavuri neînlăturate, colțuri ascuțite sau zgârieturi pe suprafața conductorului. În condiții de funcționare de-înaltă tensiune, intensitatea câmpului electric de la vârfuri va crește brusc (în conformitate cu principiul „descărcare corona”), inducând direct descărcarea corona. Descărcarea va eroda treptat stratul de izolație al conductorului, extinzând domeniul defectelor;
- Tratament inadecvat de egalizare a tensiunii:Distribuția câmpului electric la capătul înfășurării transformatorului este în mod natural neuniformă. Dacă nu este instalat niciun inel de egalizare a tensiunii sau o placă de egalizare a tensiunii sau proiectarea structurii de egalizare a tensiunii nu este rezonabil, intensitatea câmpului electric la sfârșit va depăși limita de toleranță a izolației, ceea ce duce la descărcare parțială excesivă. Acesta este, de asemenea, un stimulent comun pentru descărcarea parțială la capătul transformatoarelor de tip uscat-;
- Procese necorespunzătoare de turnare și întărire:Defectele de bază ale procesului transformatoarelor turnate-rășini epoxidice sunt concentrate în două verigi: „degazare” și „întărire”. Degazarea incompletă va face ca gazele reziduale din amestecul epoxidic să nu poată fi descărcate, formând bule interne după întărire (aceasta este o cauză de-frecvență înaltă a descărcării parțiale excesive în transformatoarele de tip-uscat); în timp ce temperatura de întărire excesiv de ridicată/joasă sau timpul de întărire excesiv de lung/scurt va duce la întărirea incompletă a izolației (monomeri epoxidici reziduali nereacționați) sau la concentrarea tensiunilor, care la rândul lor generează microfisuri și deteriorează integritatea izolației.
II. Transformatoare imersate în ulei-: starea uleiului izolator și defectele interfeței sunt principalele puncte de risc
Transformatoarele cu scufundare în ulei adoptă un sistem de izolație combinat de ulei izolator și izolație solidă (carton, hârtie impregnată cu ulei-) și au ocupat de mult timp principala piață a transformatoarelor în sistemele de energie datorită avantajelor lor, cum ar fi rezistența ridicată a izolației și o bună disipare a căldurii. Problemele lor de descărcare parțială sunt strâns legate de starea uleiului izolator și de caracteristicile interfeței de ulei-hârtie, cu factori inductori de bază incluzând următoarele trei categorii:
Uleiul izolator nu servește doar ca mediu de izolare, ci și funcția de disipare a căldurii. Puritatea și starea sa afectează direct riscul de descărcare parțială:
- Umiditate și conținut excesiv de gaz:Dacă transformatorul-imersat în ulei nu este etanș etanș, umiditatea din aer va pătrunde în uleiul izolator, ceea ce va reduce semnificativ tensiunea de defectare a uleiului; în același timp, dacă gazele dizolvate din ulei (cum ar fi oxigenul, hidrogenul, metanul) nu sunt îndepărtate în timp util, în ulei se vor forma bule mici. Aceste bule sunt predispuse la descărcare sub acțiunea câmpului electric, iar gazul generat de descărcare va crește și mai mult conținutul de gaz din ulei, formând un cerc vicios;
- Contaminare cu impurități:Dacă uleiul izolator este amestecat cu particule metalice, impurități din fibre etc. în timpul producției, transportului sau exploatării și întreținerii, acesta va forma un prototip de „canal conductor” în ulei-impuritățile vor absorbi sarcini, se vor deplasa direct sub acțiunea câmpului electric, se vor acumula la interfața dintre ulei și izolația solidă și vor induce descărcarea parțială;
- Îmbătrânirea și deteriorarea calității uleiului:După o funcționare pe termen lung-, uleiul izolator va suferi reacții de oxidare sub acțiunea temperaturii ridicate și a câmpului electric, producând produse de îmbătrânire precum acizi, coloizi și nămol. Aceste substanțe vor reduce performanța de izolație a uleiului și, în același timp, vor reacționa chimic cu materialele izolante solide, dăunând integrității izolației interfeței de hârtie de ulei-și oferind condiții pentru descărcarea parțială.
Sistemul de izolație al transformatoarelor-imerse în ulei este compus din „ulei izolant + carton solid”, iar starea de interfață dintre cele două este o zonă esențială sensibilă pentru descărcarea parțială:
- Baloane și goluri de interfață:Dacă degazarea este incompletă în timpul umplerii cu ulei de transformator sau uleiul izolator se extinde când este încălzit și se contractă când este răcit în timpul funcționării, se vor forma mici goluri sau bule la interfața dintre ulei și carton. Efectul de concentrare a câmpului electric în aceste zone este foarte probabil să declanșeze descărcarea parțială;
- Umiditatea și îmbătrânirea cartonului:Ca material izolant solid, dacă cartonul absoarbe umezeala (cum ar fi infiltrarea apei de ploaie din cauza defectării etanșării), performanța sa de izolare va fi redusă semnificativ. În același timp, umiditatea va favoriza îmbătrânirea și degradarea cartonului, generând microfisuri și resturi de fibre. Aceste defecte vor induce descărcarea la interfață, iar descărcarea va accelera carbonizarea cartonului, formând un canal conductor.
Pe lângă problemele legate de uleiul izolator și de interfață, proiectarea structurală necorespunzătoare și procesele pot duce, de asemenea, la descărcarea parțială a transformatoarelor-imerse în ulei:
- Fixare înfășurare liberă:Dacă înfășurarea este legată slab, vibrația electromagnetică în timpul funcționării transformatorului va cauza deplasarea înfășurării, rezultând goluri în izolația dintre straturi și spire și inducerea concentrației câmpului electric;
- Vârfurile proeminente ale componentelor metalice:Dacă există colțuri ascuțite, bavuri pe consolele metalice, cablurile și alte componente din interiorul transformatorului sau pozițiile lor sunt compensate în timpul instalării, zonele locale cu intensitate ridicată a câmpului se vor forma sub tensiune înaltă, inducând descărcarea corona;
- Etanșare slabă a rezervorului:Eșecul etanșării rezervorului nu numai că va duce la infiltrarea umidității și a impurităților, dar va permite și aerului să intre în rezervor, formând un strat de bule pe suprafața uleiului. Aceste bule sunt surse importante de descărcare parțială.
III. Diferențele de bază și prevenirea Miez de descărcare parțială între cele două tipuri de transformatoare
| Dimensiunea de comparație | Transformatoare de tip-uscat (tip turnat din rășină epoxidica-) | Transformatoare imersate în ulei- |
| Miez de izolare mediu | Izolație solidă, cum ar fi rășină epoxidică, hârtie Nomex | Ulei izolator + ulei-izolație compozită din hârtie |
| Principalii factori inductori ai descarcarii | Bule interne în materiale, defecte de proces (turnare/înfășurare) | Deteriorarea uleiului izolator, defecte de interfață de ulei{0}}hârtie |
| Zone sensibile | Capete de înfășurare, în interiorul corpului de turnare, vârfuri de conductor | Ulei-interfață de hârtie, bule în ulei, spațiu de aer în partea de sus a rezervorului |
| Nucleul de prevenire | Controlul purității materialelor, procese rafinate (degazare/întărire/împachetare), optimizarea structurii de egalizare a tensiunii | Purificarea uleiului izolator (degazare/deshidratare/eliminare a impurităților), protecție de etanșare, monitorizarea stării interfeței |
IV. Perspective ale industriei: Detectare timpurie și sugestii de operare și întreținere pentru descărcarea parțială
Pericolul descărcării parțiale constă în „ascunderea” acesteia-intensitatea inițială a descărcării este scăzută, fără caracteristici externe evidente, dar-cumularea pe termen lung va duce la degradarea ireversibilă a izolației. Prin urmare, atât transformatoarele de tip-immerse în ulei, cât și cele uscate-ar trebui să acorde importanță detectării timpurii și controlului funcționării și întreținerii:
- Testare regulată: adoptați sisteme online de monitorizare a descărcării parțiale (cum ar fi testarea cu ultrasunete, testarea cu frecvență ultra-înaltă) pentru a capta semnalele de descărcare în timp real și a localiza cu precizie pozițiile defectelor;
- Controlul materialelor și al proceselor: acordați prioritate producătorilor cu calificări complete și procese mature atunci când selectează produse, concentrându-se pe puritatea materialului izolator și pe rapoartele de testare a procesului;
- Protecție la funcționare și întreținere: pentru transformatoarele cu scufundare în ulei-, testați în mod regulat indicatorii precum umiditatea, conținutul de gaz și pierderea dielectrică a uleiului izolator și efectuați filtrarea și purificarea în timp util; pentru transformatoarele de tip uscat-, evitați impactul mecanic, curățați în mod regulat praful de suprafață și preveniți scurgerea suprafeței de izolație;
- Controlul mediului: Evitați operarea transformatoarelor în medii cu umiditate ridicată, praf excesiv și gaze corozive. Transformatoarele de tip uscat-ar trebui să asigure o bună ventilație și disiparea căldurii pentru a preveni supraîncălzirea și îmbătrânirea izolației.
Concluzie: Descărcarea parțială este un „ucigaș invizibil” al sistemului de izolație al transformatorului, iar cauzele sale sunt strâns legate de tipul echipamentului, structura izolației și nivelul procesului. Stăpânirea caracteristicilor de descărcare parțială ale transformatoarelor de tip ulei-imerse și uscate-și prin selecția științifică a produselor, controlul rafinat al procesului și testarea regulată, poate reduce riscurile de descărcare de la sursă și poate asigura funcționarea sigură și stabilă a sistemului de alimentare.
