Каква е причината за лошата стабилност на трансформатора?

Като едно от основните съоръжения на електроенергийната система, трансформаторът изпълнява ключовите функции на преобразуване на напрежение, пренос и разпределение на енергия. Неговата оперативна стабилност пряко влияе върху безопасността и надеждността на цялата енергийна система. В съвременните електрически мрежи трансформаторите постигат ефективно предаване и разумно разпределение на мощността чрез промяна на нивата на напрежение, като по този начин отговарят на нуждите на различни потребители от електрическа енергия. В допълнение, трансформаторите също играят важна регулаторна роля в стабилната работа на електроенергийната система, като например поддържане на нивото на напрежение чрез регулиране на позицията на крана или подобряване на фактора на мощността на системата чрез компенсация на реактивната мощност. Въпреки това, при действителна работа много трансформатори ще изпитват проблеми като големи колебания на напрежението, неравномерно разпределение на товара и намалени възможности за претоварване. Тези явления обикновено показват "лоша стабилност" на трансформатора. И така, какви са основните причини за лошата стабилност на трансформаторите?

I. Неразумен дизайн и избор

1. Неправилно съгласуване на напрежението на импеданса

Импедансното напрежение на трансформатора определя равномерността на разпределението на натоварването, когато работи паралелно. Ако отклонението на импедансното напрежение е твърде голямо, когато множество трансформатори работят паралелно, трансформаторът с по-малък импеданс ще понесе твърде голямо натоварване и ще бъде в състояние на претоварване за дълго време, като по този начин ще се отрази на стабилността на цялата система.

2. Недостатъчен запас от капацитет

Ако номиналният капацитет на трансформатора не съответства на действителното търсене на натоварване, особено в сценарии с големи колебания на натоварването (като стартиране на индустриална производствена линия, ново свързване към енергийната мрежа), трансформаторът често работи близо до или надвишава номиналния капацитет, което затруднява поддържането на стабилно изходно напрежение.

3. Обхватът на регулиране на стъпалния превключвател е ограничен

Броят на предавки и точността на регулиране на стъпалния превключвател за регулиране на напрежението под товар са недостатъчни и не могат ефективно да се справят с големи колебания в напрежението на мрежата, което води до отклонение на напрежението на вторичната страна от нормалния диапазон.

II. Проблеми с производствения процес и качеството на материала

1. Лош избор на материал за желязна сърцевина

Като основен компонент на трансформатора, изборът на материал от желязна сърцевина пряко влияе върху магнитните свойства, загубата на празен ход и работната стабилност на трансформатора. Понастоящем често използваните материали за желязна сърцевина включват главно силициеви стоманени листове и аморфни сплави. Има значителни разлики между двете по отношение на магнитната проницаемост, интензитета на магнитната индукция на насищане и загубата на желязо. Листовете от силиконова стомана се използват широко в традиционните трансформатори поради тяхната висока магнитна пропускливост и ниска цена. Загубата на желязо от силициевите стоманени листове обаче е относително висока, особено при условия на висока честота, което ще доведе до увеличаване на загубата на празен ход на трансформатора, придружено от увеличаване на шума и други проблеми, като по този начин ще се отрази на неговата стабилност и икономичност. Материалите от аморфни сплави постепенно се превърнаха в предпочитан материал за нови трансформатори поради изключително ниските им загуби на желязо и отличните им магнитни свойства. Въпреки това, механичната якост и ефективността на обработка на аморфните сплави са относително лоши. Ако тези фактори не са напълно взети под внимание по време на процеса на проектиране, това може да причини проблеми като деформация и напукване на сърцевината по време на производство или работа, което допълнително засяга производителността на магнитната верига и работната стабилност на трансформатора. Следователно, когато се избират материали за желязна сърцевина, нейните магнитни свойства, икономичност и приложимост трябва да бъдат обмислени изчерпателно, за да се постигне най-добрият дизайнерски ефект.

2. Дефекти в дизайна на основната структура и процеса на подреждане

Рационалността на дизайна на структурата на сърцевината и процеса на подреждане има важно влияние върху производителността на магнитната верига, тока на празен ход и работната стабилност на трансформатора. На първо място, неразумният структурен дизайн на желязната сърцевина, като прекомерни фуги или лоша изолация между листовете, ще доведе до неравномерно разпределение на магнитния поток в магнитната верига, като по този начин ще увеличи тока на празен ход и загубата на желязо. Това явление не само ще намали ефективността на работа на трансформатора, но може също да причини локални проблеми с прегряване и дори да причини повреда на сърцевината в тежки случаи. Второ, нередовният процес на подреждане също е важен фактор, влияещ върху производителността на ядрото. По време на процеса на подреждане, ако частите са неправилно подравнени или изолацията е повредена, непрекъснатостта на магнитната верига ще бъде разрушена, което ще доведе до увеличена загуба на хистерезис и загуба на вихров ток. В допълнение, недостатъчната или неравномерно разпределена сила на натиск по време на подреждане може също да доведе до разхлабване на сърцевината по време на работа, което се отразява на нейната механична стабилност и ниво на шум. Следователно, по време на процеса на проектиране и производство на сърцевината, точността на процеса на подреждане трябва да бъде стриктно контролирана, за да се гарантира, че геометричните размери и магнитните свойства на сърцевината отговарят на проектните изисквания, като по този начин се осигурява надеждна гаранция за стабилна работа на трансформатора.

3. Неправилна структура на намотката и изолация

Изборът на структура на намотката има важно влияние върху характеристиките на разсейване на топлината, механичната якост и стабилността на трансформатора. Понастоящем обичайните структури за навиване включват цилиндричен тип и тип пай. Всяка структура има уникални характеристики и приложими сценарии. Цилиндричните намотки се използват широко в малки и средни трансформатори поради тяхната проста структура и зряла технология на производство. Въпреки това, прилагането на тази структура в големи трансформатори може да има проблеми с лошо разсейване на топлината, особено при условия на високо натоварване, което може лесно да доведе до локално прегряване, като по този начин повлияе на стабилната работа на трансформатора. За разлика от тях пайовите намотки подобряват ефективността на разсейване на топлината и повишават механичната якост чрез сегментиран дизайн, което ги прави по-подходящи за трансформатори с голям капацитет и високо напрежение. Въпреки това, ако структурата е неправилно избрана, например сляпо избиране на определена структура, без да се вземат предвид напълно характеристиките на натоварването и работната среда, това може да причини проблеми като концентрация на механично напрежение и повреда на изолацията по време на работа на трансформатора, като по този начин повлияе на неговата стабилна работа.

Късо съединение между навивките, стареенето на изолацията на междинния слой или неадекватният процес на импрегниране ще причинят частично разреждане или дори повреда между навивките, което ще доведе до необичайно разпределение на електромагнитното поле вътре в трансформатора и влошаване на изходните характеристики.

Следователно при проектирането на структурата на намотката е необходимо да се оценят изчерпателно предимствата и недостатъците на различните структури въз основа на конкретни сценарии на приложение, за да се избере оптималното решение.

4. Неразумно проектиране на навивки

Броят на намотките е един от основните параметри при проектирането на трансформатора и неговата рационалност пряко влияе върху съотношението на напрежението, разпределението на тока и общата стабилност на трансформатора. Когато броят на навивките на намотката е проектиран твърде голям, съотношението на напрежението между първичната страна и вторичната страна на трансформатора ще се отклони от номиналната стойност, като по този начин ще причини проблеми с отклонението на напрежението. Това отклонение не само ще повлияе на качеството на електрозахранването на електроенергийната система, но може също да причини повреда на товарното оборудване. В допълнение, твърде много навивки ще увеличат съпротивлението на намотката, което ще доведе до увеличени загуби на мед, като по този начин ще намали ефективността на работа на трансформатора. Напротив, ако броят на навивките на намотката е проектиран да бъде твърде малък, трансформаторът ще понесе прекомерен ток при номиналния товар, което ще влоши феномена на нагряване на намотката и дори може да причини стареене или разрушаване на изолационния слой, сериозно засягайки стабилността и експлоатационния живот на трансформатора. Следователно при реалния дизайн е необходимо точно да се изчисли и определи разумният брой навивки на намотката въз основа на фактори като номинален капацитет, ниво на напрежение и работна среда на трансформатора, за да се гарантира, че трансформаторът поддържа стабилна работа при дългосрочна работа.

5. Лошо качество на проводника

Проводниците са основните съставни материали на намотките на трансформатора и тяхното качество пряко влияе върху стойността на съпротивлението, електрическата якост и цялостната стабилност на намотките. Ако съпротивлението на жицата е твърде високо, това ще доведе до увеличаване на съпротивлението на намотката, причинявайки допълнителни загуби на мед и проблеми с повишаване на температурата. Това повишаване на температурата не само ще ускори стареенето на изолационния материал, но може също така да намали електрическата якост на намотката и да увеличи риска от повреда на късо съединение. В допълнение, качеството на изолационния слой на проводника също има важно влияние върху стабилната работа на трансформатора. Ако изолационният слой има проблеми като неравномерна дебелина и недостатъчно съпротивление на напрежението, това лесно ще доведе до късо съединение между завои или заземяване на намотките, което ще повлияе на нормалната работа на трансформатора. Особено при условия на високо натоварване, проблемът с лошото качество на проводника ще бъде допълнително засилен, което може да доведе до повреда на трансформатора поради прегряване или електрическа повреда. Следователно, по време на производствения процес на трансформатора, телените материали трябва да бъдат стриктно проверени, за да се гарантира, че тяхното съпротивление и изолационни свойства отговарят на проектните изисквания, за да се гарантира стабилната работа на трансформатора.

6. Лоши характеристики на изолационните материали

Изолационните материали играят важна роля при изолирането на компоненти с различни потенциали в трансформаторите и тяхната производителност пряко влияе върху надеждността и цялостната стабилност на изолационната система на трансформатора. Ако изолационният материал има ниско ниво на топлоустойчивост, неговата механична якост и електрически свойства могат да намалеят бързо при високо натоварване или условия на претоварване, което води до разрушаване на изолацията или частичен разряд. В допълнение, устойчивостта на корона на изолационния материал също е ключов фактор, влияещ върху стабилността на трансформатора. Когато изолационният материал е изложен на среда със силно електрическо поле, ако неговата устойчивост на корона е недостатъчна, той лесно ще причини коронен разряд, водещ до корозия и влошаване на изолационната повърхност, което в крайна сметка съкращава експлоатационния живот на трансформатора. Изследванията показват, че лошото представяне на изолационните материали не само ще увеличи степента на повреда на трансформатора, но може също така да има отрицателно въздействие върху неговата икономична работа, като увеличени разходи за поддръжка и загуби при прекъсване на захранването. Следователно, по време на производствения процес на трансформатора, високоефективните изолационни материали трябва да имат приоритет и да бъдат подложени на стриктно тестване и проверка, за да се гарантира, че могат да поддържат стабилна производителност при различни работни условия.

III. Тежка работна среда

1. Прекомерна температура или лошо разсейване на топлината

Когато трансформаторите работят в среда с висока температура за продължителни периоди (като излагане на пряка слънчева светлина на открито през лятото или в лошо вентилирани подстанции), изолационният материал остарява по-бързо, диелектричните свойства на маслената хартиена изолация се влошават, което води до увеличени вътрешни частични разряди, отклонение в електрическите параметри и намалена стабилност.

2. Висока влажност и силно замърсяване

Високата влажност, заедно със замърсители като солена пръскачка и прах, полепнали по повърхностите на втулките и изолаторите, могат да понижат нивото на външната изолация, да предизвикат пълзяща фаза, да причинят мигновено заземяване или късо съединение и да доведат до сериозни колебания на напрежението.

3. Хармонични и ударни натоварвания

Голямо количество хармоници, генерирани от нелинейни товари (като честотни преобразуватели, токоизправители и дъгови пещи), когато се инжектират в трансформатори, увеличават загубите на мед и желязо, причинявайки допълнително нагряване. В същото време хармоничните токове могат също да изкривят магнитния поток в сърцевината, засягайки стабилността на формата на вълната и амплитудата на изходното напрежение.

IV. Неадекватно управление на експлоатацията и поддръжката

1. Липса на редовни инспекции и превантивни тестове: Превантивни тестове, като тестване на съпротивлението на изолацията, измерване на диелектрични загуби и анализ на маслена хроматография, не са проведени навреме, което прави невъзможно бързото идентифициране на вътрешни латентни грешки (като локализирано прегряване, разреждане или навлизане на влага). Това доведе до невъзможност за ранно откриване на проблеми, позволявайки им да ескалират и да засегнат сериозно стабилността.

2. Пренебрегната поддръжка на охладителната система: Повредите в охладителните устройства като вентилатори, маслени помпи и радиатори не са ремонтирани своевременно или радиаторите са силно задръстени с прах, намалявайки ефективността на разсейване на топлината на трансформатора и повишавайки температурата на маслото. Това ускори стареенето на изолацията и влошаването на електрическите характеристики.

3. Неправилна работа на стъпални превключватели: По време на ръчно или автоматично регулиране на напрежението могат да се появят проблеми като заседнали механизми на стъпален превключвател, изгорели контакти или механични повреди, което води до неуспешно регулиране на напрежението или неправилни позиции на стъпалата, което може да доведе до неконтролирано изходно напрежение.

V. Фактори на външната електрическа мрежа

1. Системното напрежение варира често

Напрежението на електрическата мрежа нагоре по веригата внезапно се покачва или пада поради мащабно превключване на товара, изключване при повреда и т.н. Когато капацитетът за регулиране на напрежението на трансформатора е надвишен, трансформаторът не може да поддържа стабилността на напрежението от вторичната страна.

2. Трифазният дисбаланс е сериозен

Монофазният товар с висока мощност от страната на ниското напрежение е неравномерно разпределен, което води до сериозен дисбаланс на трифазния ток и изместване на неутралната точка. Това не само причинява увеличаване на тока на нулева последователност и допълнителни загуби, но също така прави трифазното изходно напрежение асиметрично, което засяга нормалната работа на електрическото оборудване.

VI. Обобщение и предложения за подобрение

Лошата стабилност на трансформатора често е резултат от наслагването на множество фактори и една единствена причина рядко може да доведе до сериозни последствия независимо. В отговор на горните проблеми се препоръчва да се подобрят следните аспекти:

• Оптимизирайте ранния дизайн: Разумно изберете капацитета на трансформатора, напрежението на импеданса и метода за регулиране на напрежението според действителните характеристики на натоварването и използвайте трансформатор за регулиране на напрежението под товар, когато е необходимо.
• Контролирайте стриктно качеството на производство: изберете висококачествени силиконови стоманени листове и висококачествени изолационни материали и засилете фабричното тестване, за да осигурите последователност на процеса.
• Подобрете работната среда: поддържайте трансформаторното помещение добре вентилирано, инсталирайте устройства за контрол на температурата и изсушаване и редовно почиствайте мръсотията.
• Укрепване на управлението на експлоатацията и поддръжката: Създайте научна система за инспекция, редовно провеждайте анализ на пробите от масло и електрически тестове и своевременно подменяйте остарелите части.
• Подобрете качеството на електрическата мрежа: инсталирайте устройства за филтриране и компенсиране на реактивната мощност, оптимизирайте трифазното разпределение на товара и намалете въздействието на хармониците и дисбаланса върху трансформатора.

Само чрез контролиране на цялата верига от проектния източник до ежедневната експлоатация и поддръжка може ефективно да се подобри стабилната работа на трансформатора и да се осигури безопасна и надеждна работа на енергийната система.