Диагностика неисправностей трансформаторов и решения: распространённые причины, методы испытаний и меры по ремонту

В электрических системах, Трансформаторы отвечают за преобразование напряжения и распределение электроэнергии, и их эксплуатационное состояние напрямую влияет на надежность электроснабжения. Проблема в том, что после длительной эксплуатации неисправности оборудования зачастую неизбежны — не потому, что заводские стандарты недостаточны, а потому, что реальные условия работы отличаются от условий, существующих при заводских испытаниях.

Некоторые неисправности развиваются постепенно. На ранней стадии они могут проявляться лишь в виде незначительных отклонений параметров. Если эти изменения не будут своевременно выявлены, проблемы могут постепенно усугубляться, в итоге приводя к незапланированным отключениям или даже к полному выходу трансформатора из строя.

Во время послепродажных проверок, Цзишенг Электрик обнаружено, что многие неисправности могли быть выявлены на ранней стадии. Однако бригады технического обслуживания на месте часто либо неэффективно отслеживают изменения данных, либо не обладают достаточным опытом для правильной интерпретации аномальных сигналов.

В этой статье обобщен накопленный компанией Zisheng Electric опыт в области производства трансформаторов и проектного сопровождения. На основе многочисленных случаев анализа неисправностей и проектов эксплуатационно-ремонтной поддержки в различных условиях применения мы рассматриваем как трансформаторы типа K1 (маслонаполненные), так и сухого типа, пошагово раскрывая причины отказов, методы диагностики и корректирующие меры.

I. Где возникают неисправности трансформаторов? Сначала определите их местоположение и характер

Ниже приведены некоторые типичные аномальные явления, наблюдаемые в реальной эксплуатации, и соответствующие направления осмотра:

По этим эксплуатационным условиям область поиска неисправности можно быстро сузить.

Например, повышение температуры масла не обязательно указывает на повреждение обмотки. Это может быть вызвано просто уменьшением теплоотдачи из‑за скопления пыли на радиаторе. Аналогично, аномальный шум не всегда означает отказ сердечника; для подтверждения требуется дополнительный комплексный анализ по данным осмотра и результатов испытаний.

II. Неисправности обмотки: дисбаланс сопротивления постоянного тока является важным индикатором

Проявления и причины

Обмотка является одним из элементов с наибольшей частотой отказов в трансформаторе. Типичные неисправности включают межвитковые короткие замыкания, межслойные короткие замыкания и деформация обмотки.

При возникновении межвиткового или межслойного короткого замыкания в замкнутом участке формируется большой ток КЗ, из‑за чего температура обмотки быстро повышается. Необычно высокая температура масла, увеличенный ток со стороны питания и несбалансированное сопротивление постоянного тока между фазами являются типичными симптомами. В тяжелых случаях из масляного бака также могут быть слышны аномальные звуки.

Что вызывает эти проблемы? В основном следующие факторы:

Старение изоляции или поглощение влаги — прочность изоляции снижается и больше не выдерживает нормальное рабочее напряжение.

Производственные дефекты — межвитковая изоляция может уже иметь дефекты, которые не были обнаружены при заводских испытаниях.

Воздействие тока короткого замыкания — короткие замыкания на стороне вывода системы или в близлежащих зонах создают электромагнитные силы, способные деформировать обмотку.

Деформация обмотки — относительно скрытая проблема. После короткозамыкания трансформатора обмотка может претерпеть необратимую деформацию. В этот момент трансформатор может продолжать работать, но изоляция уже повреждена, что существенно повышает вероятность последующих отказов короткого замыкания. Скрытый период этого процесса может быть очень длинным, но как только он переходит в отказ, последствия могут быть серьезными.

Как диагностировать

Диагностика неисправностей обмотки в основном опирается на следующие методы:

Испытание сопротивления постоянного тока.
Измерьте сопротивление постоянного тока каждой фазной обмотки. Если трезвис фазовый дисбаланс превышает 2%, как правило, это указывает на возможные межвитковые короткие замыкания или плохой контакт. Это один из обязательных показателей каждого профилактического теста, который мы проводим.

Испытание коэффициента трансформации.
Если отклонение коэффициента трансформации на различных положениях переключения превышает допустимый диапазон, это указывает на возможное наличие межвитковых коротких замыканий в обмотке.

Испытание импеданса короткого замыкания.
Изменения импеданса короткого замыкания могут отражать, подверглась ли обмотка деформации. Это необходимое проверочное испытание после воздействия на трансформатор короткого замыкания.

Анализ растворенных газов (DGA).
Перегрев или частичные разряды в обмотке формируют специфические газы. Анализируя тип и концентрацию растворенных в масле газов, можно определить тип и тяжесть неисправности.

Как устранить это

Для незначительных межвитковых коротких замыканий, фильтрация и сушка масла могут быть предприняты в первую очередь.

Для серьезных неисправностей обмотки трансформатор должен быть выведен из эксплуатации для обслуживания с разборкой активной части, после чего выполняется замена поврежденных обмоток или перемотка.

Для тяжелой деформации обмотки единственные варианты — перемотка обмотки или замена всего трансформатора.

Мероприятия по предотвращению:

• Избегайте длительной перегрузочной эксплуатации
• После короткозамыкания в системе, своевременно проводите испытание обмотки на деформацию
• Проводите регулярные профилактические испытания и отслеживайте изменение тенденции состояния изоляции обмотки

Ключевое напоминание:
Испытание сопротивления постоянного тока не должно проводиться только один раз при вводе в эксплуатацию с последующим игнорированием. Необходимо создавать историческую базу данных, и каждый результат сравнивать с предыдущими данными. Изменения тенденций часто более значимы, чем абсолютные значения.

III. Неисправности сердечника: одна точка заземления является нормой, несколько точек заземления — проблема

Проявления и причины

Сердечник трансформатора является магнитной цепью трансформатора. Основные неисправности — множественные точки заземления и локальный перегрев.

В нормальной эксплуатации сердечник трансформатора допускает только одну надежную точку заземления. При появлении двух и более точек заземления образуется замкнутый контур. Под действием переменного магнитного поля индуцируются токи, вызывающие локальный перегрев сердечника.

Незначительное многоточечное заземление может повысить температуру лишь на несколько градусов, в то время как в тяжелых случаях может произойти выгорание сердечника.

Повреждение изоляции между листами кремниевой стали также является распространённой проблемой. Внешнее механическое повреждение или длительный старческий износ также могут вызвать этот отказ. После появления локальных коротких замыканий между листами кремниевой стали увеличиваются потери вихревых токов, и местные температуры быстро растут.

Как диагностировать

Измерение тока заземления.
Установите амперметр последовательно с линией заземления сердечника. Значительное увеличение тока указывает на возможные множественные точки заземления.

При нормальных рабочих условиях ток заземления сердечника обычно составляет уровень миллиампер. Если он достигает уровня ампера, проблему можно считать в целом подтвержденной.

Анализ растворенных газов (DGA).
Характеристические газы, возникающие при перегреве сердечника, можно проанализировать методом DGA, чтобы определить наличие перегрева и его степень.

Испытание частичных разрядов.
Множественные заземления сердечника часто сопровождаются частичными разрядами, которые можно использовать как дополнительный подтверждающий метод.

Как действовать I

При многоочаговом заземлении сердечника, сначала в цепь заземления можно включить последовательно резистор ограничения тока для временного ограничения тока заземления.

В конечном итоге трансформатор должен быть выведен из эксплуатации для обслуживания и снята активная часть для проверки состояния заземления сердечника и устранения ненужных точек заземления.

Если повреждение изоляции возникло между листами кремниевой стали, активная часть также должна быть снята для ремонта изоляции или замены поврежденных листов кремниевой стали.

IV. Отказы изоляции: температура и влага — два главных врага

Проявления и причины

Система изоляции является основой долгосрочной надежной эксплуатации трансформатора. Основные отказы — старение изоляции и впитывание влаги изоляцией.

Старение изоляции — это неизбежный физический процесс. Под совместным воздействием электрических перенапряжений, тепла, механических сил и факторов окружающей среды изоляция постепенно необратимо ухудшается.

Скорость старения напрямую связана с температурой эксплуатации.

Существует инженерное правило: после того как рабочая температура превышает проектное значение, при каждом повышении температуры на 6–8°C примерно вдвое сокращается срок службы изоляционного материала. Это соотношение описано в соответствующих разделах IEC 60076-14 и неоднократно должно подчеркиваться в ходе эксплуатации и обслуживания.

Впитывание влаги в изоляцию — это одна из самых распространённых причин внезапного ухудшения характеристик изоляции.

Влага обычно проникает через три канала:

• Старение или повреждение уплотняющих деталей позволяет влаге проникать через щели
• Низкий уровень масла увеличивает площадь контакта между изоляционным маслом и воздухом, что позволяет влаге постепенно проникать
• Неисправность дыхательного клапана (breather) препятствует эффективному удалению влаги из входящего воздуха

Как диагностировать

Испытание сопротивления изоляции.
Используйте мегаомметр для измерения сопротивления изоляции между обмотками и землей, а также между обмотками. Значительно пониженное значение сопротивления указывает на возможное впитывание влаги или старение изоляции.

При измерении необходимо обращать внимание на различие температур. Значения сопротивления при разных температурах нельзя напрямую сравнивать и их нужно приводить к одной и той же опорной температуре перед сравнением.

Испытание фактора потерь (tanδ).
Увеличение tanδ указывает на снижение качества изоляции. Этот параметр очень чувствителен как к впитыванию влаги, так и к старению изоляции.

Анализ влажности масла.
Содержание влаги в изоляционном масле оценивают. Для оборудования высокого напряжения, как правило, требуется поддерживать его ниже 15–25ppm (конкретные пределы зависят от уровня напряжения). Избыточная влажность указывает на то, что система изоляции стала влажной.

Испытание качества масла.
В него входят определение пробивного напряжения, измерение кислотного числа и измерение поверхностного натяжения для всесторонней оценки состояния изоляционного масла.

Как устранить это

Для изоляции, подверженной воздействию влаги, выполняют вакуумную сушку для удаления влаги из изоляционных материалов.

Одновременно проводят вакуумную фильтрацию масла под давлением для удаления воды и газов из масла.

При сильном старении изоляции, замена масла или регенерация масла требуется.

В крайнем случае также подлежат замене старые изоляционные материалы.

Ключевые профилактические меры:

• Регулярно проводите испытания изоляции и ведите учет трендов.
• Поддерживайте систему уплотнений в надлежащем состоянии, чтобы предотвратить проникновение влаги.
• Обеспечьте корректную работу воздухоосушителя и регулярно заменяйте осушающий материал.

V. Отказы переключателя ответвлений: главным фактором является плохой контакт

Проявления и причины

Переключатель ответвлений является одним из компонентов трансформатора с относительно высоким уровнем отказов.

Распространенные неисправности переключателей без напряжения (DETC) включают плохой контакт и эрозию контактов. Переключатели под нагрузкой (OLTC) также могут дополнительно иметь отказы механизма переключения.

При увеличении сопротивления контакта из‑за плохого контакта возникает сильный локальный нагрев. Со временем контакты могут выгореть или даже свариться.

Симптомы включают:

• Повышение температуры масла
• Аномальное выходное напряжение
• Рост величины дисбаланса сопротивления постоянного тока

Основные причины включают:

• Недостаточное давление пружины контакта, вызывающее плохой контакт
• Окисление или загрязнение поверхностей контактов, повышающее сопротивление контакта
• Частые переключения, вызывающие износ контактов
• Механический отказ механизма переключения, приводящий к неполному выполнению операции

Как диагностировать

Испытание сопротивления постоянного тока.
Измеряйте сопротивление постоянному току на каждом положении ответвления. Если сопротивление на конкретной позиции значительно выше, , это указывает на плохой контакт на данном положении ответвления.

Инфракрасное измерение температуры.
Используйте инфракрасную тепловизионную камеру для контроля распределения температуры вокруг переключателя ответвлений во время работы и выявления локальных горячих точек.

Испытание переключения.
Переключайте переключатель ответвлений поэтапно, чтобы проверить плавность переключения и корректное достижение каждого положения.

Как устранить это

При плохом контакте сначала отключите трансформатор и переключите переключатель ответвлений несколько раз взад‑вперед. Механическое движение может удалить оксидные слои с поверхности контакта.

Если проблема остается, активную часть необходимо демонтировать для проверки контактов, полировки выгоревших участков или прямой замены поврежденных компонентов.

Меры предотвращения:

• Никогда не эксплуатируйте переключатель без напряжения, пока трансформатор находится под напряжением — это самое базовое и наиболее часто упускаемое правило.
• Регулярно осматривайте рабочий механизм и состояние контактов.

VI. Ухудшение качества масла и его утечки: небольшие проблемы могут стать серьезными отказами

Проявления и причины

Масляные трансформаторы используют изоляционное масло для одновременного выполнения двух функций: изоляции и отвода тепла.

При ухудшении качества масла обе эти функции ухудшаются.

Признаки ухудшения масла включают:

• Потемнение масла
• Повышение кислотного числа
• Повышение фактора потерь
• Снижение напряжения пробоя

Причина — окисление изоляционного масла при длительной эксплуатации. Высокая температура ускоряет окисление, а влага и примеси действуют как катализаторы, создавая непрерывный цикл ухудшения.

Утечка масла встречается чаще и может казаться небольшой проблемой, но способна вызвать серьезные неисправности.

Утечка масла не только снижает его объем. Более того, по пути утечки могут проникать влага и загрязнения, ускоряя ухудшение масла.

Мы наблюдали множество случаев, когда легкую утечку масла игнорировали. Через один-два года результаты анализа масла превышали допустимые пределы по нескольким показателям, требуя крупного ремонта.

Как диагностировать

Испытание качества масла.
Регулярно отбирайте пробы масла и проводите испытания:

• Напряжение пробоя
• Содержание влаги
• Кислотное число
• Коэффициент диссипации
• Температура вспышки
• Анализ растворенных газов (DGA)

В нормальных условиях испытания следует проводить раз в один-два года. Для сильно загруженного оборудования или в суровых условиях интервал следует сократить до шести месяцев.

Проверка уровня масла.
Непрерывное снижение уровня масла указывает на утечку. Не следует считать это простым испарением из-за высокой температуры — сначала определите возможные точки утечки.

Визуальный осмотр.
Проверьте масляный бак, сварные швы, клапаны и уплотнительные прокладки на наличие признаков утечки масла.

Как устранить это

Для ухудшенного масла выполните фильтрацию и регенерацию для удаления влаги, примесей и продуктов распада.

Для сильно деградированного масла масло следует заменить напрямую.

Устранение утечек зависит от места утечки:

• Замените протекающие уплотнительные прокладки
• Отремонтируйте протекающие сварные швы
• Отремонтируйте или замените протекающие клапаны

Предотвращение:

• Регулярный контроль качества масла не должен быть упущен
• Поддерживайте правильный уровень масла и избегайте слишком низкого уровня
• Убедитесь, что дыхательный клапан работает правильно

VII. Неисправности системы охлаждения: как только прекращается отвод тепла, рост температуры становится неконтролируемым

Проявления и причины

Система охлаждения отвечает за отвод тепла, возникающего во время работы трансформатора. После возникновения отказа системы охлаждения температура трансформатора повышается выше допустимого предела, ускоряя старение изоляции.

К общим неисправностям относятся: засорение радиатора (скопление пыли на поверхности или внутреннее засорение), отказ масляного насоса (ограниченная циркуляция масла), отказ вентилятора (не вращается или недостаточная скорость вращения), и утечка трубопровода охлаждителя.

В пыльных условиях, таких как на Ближнем Востоке, скопление пыли на поверхностях радиаторов происходит особенно быстро. При нормальных условиях ветра его влияние может быть ограниченным, но после песчаной бури мелкий песок может полностью заполнить зазоры между ребрами радиатора.

В проекте в Саудовской Аравии компания Zisheng Electric столкнулась с аналогичной ситуацией: поверхность радиатора была покрыта слоем пыли и песка. Температура верхнего масла была практически на 8°C выше до очистки. После очистки температура вернулась к нормальным уровням.

Как диагностировать

Контроль температуры масла.
При одинаковой нагрузке и температуре окружающей среды, если температура верхнего масла значительно выше нормы, это может указывать на неисправность системы охлаждения.

Проверка оборудования охлаждения.
Проверьте, нормально ли работают масляные насосы и вентиляторы: прислушайтесь к необычным звукам и проверьте рабочий ток.

Осмотр радиатора.
Проверьте, не скопилась ли на поверхности радиатора избыточная пыль или засорение, вызванное попаданием посторонних материалов.

Как устранить это

Если радиатор заблокирован, выполните очистку или продувку сжатым воздухом.

Если масляный насос или вентилятор выходит из строя, отремонтируйте или замените неисправные компоненты.

Если на охладителе есть утечка, найдите точку протечки и устраните её.

Предотвращение:

• Регулярно очищайте радиаторы — в пыльных условиях очистку следует проводить не реже одного раза в квартал
• Регулярно проверяйте состояние работы масляных насосов и вентиляторов
• Проводите комплексный осмотр и техническое обслуживание до начала сезона высоких температур

VIII. Краткое сравнение различных неисправностей трансформаторов

IX. Профилактические испытания: не ждите появления неисправностей

Тесты, которые можно выполнять под напряжением (отключение питания не требуется)

1. Анализ растворенных газов (DGA)

В настоящее время это один из наиболее широко используемых методов диагностики неисправностей трансформаторов.

При возникновении тепловых или электрических неисправностей внутри трансформатора изоляционное масло и твердые изоляционные материалы разлагаются и образуют специфические газы. Анализируя тип и концентрацию этих газов, можно определить тип и степень неисправности.

К методам, таким как метод трех соотношений можно применять для предварительной диагностики. Ключевой момент — выявить тенденцию изменения газового содержимого—отдельный результат испытания имеет ограниченную справочную ценность, тогда как непрерывные данные, собранные в нескольких тестах, позволяют определить, ухудшается ли проблема или остается стабильной.

В наших проектах обычно проводится следующий подход: испытания DGA обычно выполняются два раза в год. Для трансформаторов с высокой нагрузкой или важных подстанций частота испытаний может быть увеличена до раз в квартал. Накопленные данные становятся “журналом состояния” трансформатора.

2. Измерение тока заземления сердечника

Используется для мониторинга многоточечного заземления сердечника трансформатора.

В нормальном режиме ток заземления находится на уровне миллиампер. Резкое увеличение следует рассматривать как предупреждающий сигнал.

3. Обнаружение частичных разрядов

Для онлайн-детекции могут применяться методы ультравысокой частоты (UHF), ультразвуковые и высокочастотные методы.

Эти методы отличаются высокой чувствительностью к внутренним дефектам изоляции.

4. Инфракрасная тепловизионная диагностика

Без отключения и физического контакта инфракрасная тепловизионная съемка может сканировать распределение температуры по:

• Проходки
• Выводные соединения
• Бак трансформатора
• Переключатели ответвлений

Места локального перегрева можно определить немедленно.

При проведении осмотров на месте инфракрасная тепловизионная съемка является одним из наиболее часто используемых методов быстрого скрининга.

Тесты, требующие отключения питания

Тесты, связанные с обмотками

• Испытания сопротивления изоляции, коэффициента диэлектрической абсорбции и индекса поляризации
  (между обмоткой и землей, а также между обмотками)
• Испытание фактора потерь tanδ
  (для обмоток вместе с вводами)
• Испытание коэффициента трансформации (испытание трансформационного отношения)
  — Необходимо проверить все положения ответвлений; измерение только одного или двух положений недостаточно
• Испытание постоянного сопротивления
  — Для оценки состояния обмотки и состояния переключателя ответвлений следует проверять все положения
• Испытание деформации обмотки методом Sweep Frequency Response Analysis (SFRA)
  — Особенно важно после того, как трансформатор испытал воздействие короткого замыкания

Ядро и стяжная конструкция

• Испытание сопротивления изоляции сердечника/зажима относительно земли
  — Проводится во время остановки для определения наличия нескольких заземляющих точек

Испытания качества масла

В испытания входят:

• Пробивное напряжение масла
• Влажность масла
• Кислотное число
• Диэлектрический фактор потерь масла
• Интерфазное натяжение
• Температура вспышки

Образцы DGA можно отбирать во время работы под напряжением или вместе с испытаниями при обслуживании на останове.

Испытания вводов

• Испытание сопротивления изоляции вводов
• Измерение диэлектрических потерь и емкости вводов

Переключатель под нагрузкой (OLTC), если установлен

• Испытание последовательности включения
• Испытание времени переключения
• Проверка состояния контактов

Прочие испытания

• Испытание на электрическую прочность переменного тока
  — Проводится после капитального ремонта или во время ввода в эксплуатацию; обычно не включается в рутинное профилактическое тестирование
• Проверка герметичности и визуальный осмотр
• Проверка дышащего устройства и уплотняющих компонентов

X. Часто задаваемые вопросы

Q1: Всегда ли аномальный шум трансформатора указывает на неисправность?

Не обязательно.

Незначительные изменения звука могут быть вызваны изменением нагрузки. Однако непрерывно усиливающийся гул или звуки разрядов требуют дополнительной проверки.

Q2: Как часто следует проводить осмотр трансформаторов?

Для нормальной работы трансформаторов интервалы осмотров следует определять в зависимости от условий эксплуатации и важности оборудования.

Для трансформаторов с высокой нагрузкой или оборудования, эксплуатируемого в тяжелых условиях, интервалы осмотров следует соответственно сокращать.

Q3: В чем различия между неисправностями маслонаполненных и сухих трансформаторов?

Для масляные трансформаторы, внимание в первую очередь сосредоточено на:

• Состояние изоляционного масла
• Утечка масла
• Температура масла

Для сухие трансформаторы, внимание в первую очередь сосредоточено на:

• Повышение температуры обмотки
• Старение изоляции
• Влажность окружающей среды

Заключение

Большинство неисправностей трансформаторов обычно проявляют предупредительные признаки на ранней стадии, такие как:

• Аномально повышенная температура масла
• Изменения в газовом составе
• Неравномерность сопротивления постоянного тока

Если эти сигналы будут вовремя выявлены и устранены, как правило, можно избежать дальнейшего развития неисправности.

Однако проблема в том, что Персонал на месте не всегда имеет достаточно времени и технических ресурсов для проведения систематического анализа данных. Поэтому крайне важно иметь четкий метод диагностики и последовательность устранения неисправностей.

Для пользователей трансформаторов особенно важны три рекомендации:

1. Создать стандартизованную систему профилактического тестирования

Необходимо не пропускать обязательные проверки и испытания.

2. Оснастить необходимые диагностические средства

Должны быть доступны базовые инструменты, такие как инфракрасные камеры, оборудование для испытаний DGA и измерители сопротивления постоянного тока.

3. Накопить эксплуатационные данные и выполнять анализ трендов

Одиночный результат испытания — лишь изолированная точка; Постоянный анализ трендов обеспечивает настоящую систему раннего предупреждения.

Цзишенг Электрик Специализируется на разработке, научно-исследовательских работах и производстве электрооборудования. В портфеле продукции компании есть сборные подстанции, масляные трансформаторы，сухие трансформаторы, трансформаторы из аморфного сплава и связанное с ними коммутационное оборудование.

В дополнение к изготовлению по китайским национальным стандартам компания Zisheng Electric также может поставлять индивидуальные изделия на основе международных стандартов, таких как IEC 60076 и GOST, ориентируясь на рынки, включая Ближний Восток, Южную Америку, Африку и Россию.

Мы предлагаем не только оборудование, включая:

• Рекомендации по эксплуатации и техническому обслуживанию и поддержку диагностики неисправностей
• Консультации по плану профилактических испытаний
• Решения по аварийному реагированию при нестандартных условиях работы

Понимание диагностических методов и превентивных мер заранее существенно эффективнее, чем ждать, пока произойдет отказ, а затем разбираться, как его устранять.

По вопросам, связанным с эксплуатацией и обслуживанием трансформаторов, диагностикой неисправностей или выбором оборудования, отправьте параметры вашего проекта через официальные каналы Zisheng Electric, чтобы получить техническую поддержку.

Вы также можете указать конкретные симптомы неисправности в разделе комментариев (например, температуру масла, данные анализа газов, условия нагрузки и т.д.), и наши инженеры дадут диагностические рекомендации с последующим ответом.

О компании ZISHENG ELECTRICAL

Жишэнг является профессиональным производителем с более чем 19-летним опытом масляных трансформаторов, Компактная подстанция, Трансформаторы в пневматических установках, полевые трансформаторы и Сухие трансформаторы. У нас есть сертификаты ISO/CE/IEC 60076 и TUV Rheinland.
Трансформаторы проходят строгие испытания FAT и аттестацию типа, поддерживают настройку напряжения/емкости. Добро пожаловать на консультацию по Каталог и Продукт. вы можете связаться с нами по электронной почте [email protected].