Care este motivul pentru stabilitatea slabă a transformatorului?

Fiind unul dintre echipamentele de bază ale sistemului de alimentare, transformatorul îndeplinește funcțiile cheie de conversie a tensiunii, transmiterea și distribuția energiei. Stabilitatea sa operațională afectează în mod direct siguranța și fiabilitatea întregului sistem de alimentare. În rețelele de energie moderne, transformatoarele realizează o transmisie eficientă și o distribuție rezonabilă a energiei prin schimbarea nivelurilor de tensiune, satisfacând astfel nevoile diferiților utilizatori de energie electrică. În plus, transformatoarele joacă, de asemenea, un rol important de reglementare în funcționarea stabilă a sistemului de alimentare, cum ar fi menținerea nivelului de tensiune prin ajustarea poziției robinetului sau îmbunătățirea factorului de putere a sistemului prin compensarea puterii reactive. Cu toate acestea, în funcționarea efectivă, multe transformatoare vor întâmpina probleme cum ar fi fluctuații mari de tensiune, distribuție neuniformă a sarcinii și capacități reduse de suprasarcină. Aceste fenomene indică de obicei „performanța slabă de stabilitate” a transformatorului. Deci, care sunt cauzele fundamentale ale performanței slabe de stabilitate a transformatoarelor?

I. Design și selecție nerezonabile

1. Potrivirea necorespunzătoare a tensiunii de impedanță

Tensiunea de impedanță a transformatorului determină uniformitatea distribuției sarcinii atunci când este operat în paralel. Dacă abaterea tensiunii de impedanță este prea mare atunci când mai multe transformatoare sunt operate în paralel, transformatorul cu impedanță mai mică va suporta prea multă sarcină și va fi într-o stare de suprasarcină pentru o perioadă lungă de timp, afectând astfel stabilitatea întregului sistem.

2. Marja de capacitate insuficientă

Dacă capacitatea nominală a transformatorului nu se potrivește cu cererea reală de sarcină, în special în scenariile cu fluctuații mari de sarcină (cum ar fi pornirea liniei de producție industrială, conexiune nouă la rețea de energie), transformatorul funcționează frecvent aproape de sau depășește capacitatea nominală, ceea ce face dificilă menținerea tensiunii de ieșire stabile.

3. Domeniul de reglare al comutatorului de reglaje este limitat

Numărul de viteze și precizia de reglare a comutatorului de reglare a tensiunii la sarcină sunt insuficiente și nu pot face față în mod eficient fluctuațiilor mari ale tensiunii rețelei, ceea ce face ca tensiunea secundară să se abate de la intervalul normal.

II. Probleme legate de procesul de fabricație și calitatea materialelor

1. Selecție slabă a materialului miezului de fier

Ca componentă de bază a transformatorului, alegerea materialului miezului de fier afectează direct proprietățile magnetice, pierderea fără sarcină și stabilitatea de funcționare a transformatorului. În prezent, materialele de bază de fier utilizate în mod obișnuit includ în principal foi de oțel siliconic și aliaje amorfe. Există diferențe semnificative între cele două în ceea ce privește permeabilitatea magnetică, intensitatea inducției magnetice de saturație și pierderea de fier. Foile de oțel siliconic sunt utilizate pe scară largă în transformatoarele tradiționale datorită permeabilității magnetice ridicate și a costului redus. Cu toate acestea, pierderea de fier a foilor de oțel siliciu este relativ mare, mai ales în condiții de înaltă frecvență, ceea ce va duce la o creștere a pierderii fără sarcină a transformatorului, însoțită de o creștere a zgomotului și alte probleme, afectând astfel stabilitatea și economia acestuia. Materialele din aliaj amorfe au devenit treptat materialul preferat pentru noile transformatoare datorită pierderii lor extrem de scăzute de fier și proprietăților magnetice excelente. Cu toate acestea, rezistența mecanică și performanța de prelucrare a aliajelor amorfe sunt relativ slabe. Dacă acești factori nu sunt pe deplin luați în considerare în timpul procesului de proiectare, pot cauza probleme precum deformarea și fisurarea miezului în timpul producției sau al funcționării, afectând și mai mult performanța circuitului magnetic și stabilitatea operațională a transformatorului. Prin urmare, atunci când se selectează materialele cu miez de fier, proprietățile sale magnetice, economia și aplicabilitatea trebuie luate în considerare în mod cuprinzător pentru a obține cel mai bun efect de proiectare.

2. Defecte în proiectarea structurii de bază și procesul de stivuire

Raționalitatea procesului de proiectare și stivuire a structurii de bază are un impact important asupra performanței circuitului magnetic, a curentului fără sarcină și a stabilității de funcționare a transformatorului. În primul rând, designul structural nerezonabil al miezului de fier, cum ar fi îmbinările excesive sau izolarea slabă între foi, va duce la o distribuție neuniformă a fluxului magnetic în circuitul magnetic, crescând astfel curentul fără sarcină și pierderea de fier. Acest fenomen nu numai că va reduce eficiența de funcționare a transformatorului, dar poate provoca, de asemenea, probleme locale de supraîncălzire și chiar poate provoca defecțiunea miezului în cazuri severe. În al doilea rând, procesul de stivuire neregulată este, de asemenea, un factor important care afectează performanța de bază. În timpul procesului de stivuire, dacă piesele sunt aliniate greșit sau izolația este deteriorată, continuitatea circuitului magnetic va fi distrusă, rezultând pierderi crescute de histerezis și pierderi de curent turbionar. În plus, forța de presare insuficientă sau distribuită neuniform în timpul stivuirii poate provoca, de asemenea, slăbirea miezului în timpul funcționării, afectând stabilitatea mecanică și nivelul de zgomot. Prin urmare, în timpul procesului de proiectare și fabricare a miezului, precizia procesului de stivuire trebuie controlată strict pentru a se asigura că dimensiunile geometrice și proprietățile magnetice ale miezului îndeplinesc cerințele de proiectare, oferind astfel o garanție de încredere pentru funcționarea stabilă a transformatorului.

3. Structura de înfășurare și izolație necorespunzătoare

Alegerea structurii înfășurării are un impact important asupra performanței de disipare a căldurii, rezistenței mecanice și stabilității transformatorului. În prezent, structurile obișnuite de înfășurare includ tipul cilindric și tipul plăcintă. Fiecare structură are caracteristici unice și scenarii aplicabile. Înfășurările cilindrice sunt utilizate pe scară largă în transformatoarele de dimensiuni mici și mijlocii datorită structurii lor simple și tehnologiei de fabricație mature. Cu toate acestea, aplicarea acestei structuri la transformatoarele mari poate avea probleme cu o slabă disipare a căldurii, mai ales în condiții de sarcină mare, ceea ce poate duce cu ușurință la supraîncălzire locală, afectând astfel funcționarea stabilă a transformatorului. În schimb, înfășurările de tip plăcintă îmbunătățesc eficiența disipării căldurii și îmbunătățesc rezistența mecanică prin design segmentat, făcându-le mai potrivite pentru transformatoare de mare capacitate, de înaltă tensiune. Cu toate acestea, dacă structura este selectată necorespunzător, de exemplu, selectând orbește o anumită structură fără a lua în considerare pe deplin caracteristicile de sarcină și mediul de operare, aceasta poate cauza probleme precum concentrarea tensiunilor mecanice și deteriorarea izolației în timpul funcționării transformatorului, afectând astfel performanța stabilă a acestuia.

Scurtcircuit între spirele înfășurării, îmbătrânirea izolației interstratului sau procesul de impregnare inadecvat vor cauza descărcarea parțială sau chiar defalcarea între spire, ducând la distribuția anormală a câmpului electromagnetic în interiorul transformatorului și deteriorarea caracteristicilor de ieșire.

Prin urmare, în proiectarea structurii de înfășurare, este necesar să se evalueze cuprinzător avantajele și dezavantajele diferitelor structuri pe baza scenariilor de aplicare specifice pentru a selecta soluția optimă.

4. Proiectare nerezonabilă a spirelor de înfășurare

Numărul de spire de înfășurare este unul dintre parametrii de bază în proiectarea transformatorului, iar raționalitatea acestuia afectează direct raportul de tensiune, distribuția curentului și performanța generală a stabilității transformatorului. Când numărul de spire de înfășurare este proiectat prea mult, raportul de tensiune dintre partea primară și partea secundară a transformatorului se va abate de la valoarea nominală, provocând astfel probleme de abatere a tensiunii. Această abatere nu numai că va afecta calitatea sursei de alimentare a sistemului de alimentare, dar poate provoca și deteriorarea echipamentului de încărcare. În plus, prea multe spire vor crește rezistența înfășurării, ducând la pierderi crescute de cupru, reducând astfel eficiența de funcționare a transformatorului. Dimpotrivă, dacă numărul de spire de înfășurare este proiectat să fie prea puțin, transformatorul va suporta un curent excesiv sub sarcina nominală, exacerbarea fenomenului de încălzire a înfășurării și poate chiar provoca îmbătrânirea sau deteriorarea stratului de izolație, afectând grav stabilitatea și durata de viață a transformatorului. Prin urmare, în proiectarea reală, este necesar să se calculeze și să se determine cu precizie numărul rezonabil de spire de înfășurare pe baza unor factori precum capacitatea nominală, nivelul de tensiune și mediul de operare al transformatorului pentru a se asigura că transformatorul își menține performanța stabilă în funcționarea pe termen lung.

5. Calitatea slabă a firului

Firele sunt materialele constitutive de bază ale înfășurărilor transformatorului, iar calitatea lor afectează direct valoarea rezistenței, rezistența electrică și stabilitatea generală a înfășurărilor. Dacă rezistivitatea firului este prea mare, aceasta va duce la creșterea rezistenței înfășurării, provocând pierderi suplimentare de cupru și probleme de creștere a temperaturii. Această creștere a temperaturii nu numai că va accelera îmbătrânirea materialului de izolație, dar poate, de asemenea, să reducă rezistența electrică a înfășurării și să crească riscul de defecțiune a scurtcircuitului. În plus, calitatea stratului de izolație a firului are, de asemenea, un impact important asupra performanței stabile a transformatorului. Dacă stratul de izolație are probleme precum grosimea neuniformă și rezistența insuficientă la tensiune, va duce cu ușurință la scurtcircuite între ture sau defecțiuni la împământare ale înfășurării, care vor afecta funcționarea normală a transformatorului. În special în condiții de sarcină ridicată, problema calității slabe a conductorului va fi amplificată și mai mult, ceea ce poate cauza defectarea transformatorului din cauza supraîncălzirii sau defecțiunii electrice. Prin urmare, în timpul procesului de fabricație a transformatorului, materialele de sârmă trebuie ecranate cu strictețe pentru a se asigura că proprietățile lor de rezistivitate și izolație îndeplinesc cerințele de proiectare pentru a asigura funcționarea stabilă a transformatorului.

6. Performanța slabă a materialelor de izolare

Materialele izolante joacă un rol important în izolarea componentelor cu potențiale diferite în transformatoare, iar performanța lor afectează în mod direct fiabilitatea și stabilitatea generală a sistemului de izolație a transformatorului. Dacă materialul izolator are un nivel scăzut de rezistență la căldură, rezistența mecanică și proprietățile sale electrice pot scădea rapid în condiții de sarcină mare sau suprasarcină, ducând la defectarea izolației sau la descărcarea parțială. În plus, rezistența corona a materialului izolator este, de asemenea, un factor cheie care afectează stabilitatea transformatorului. Când materialul izolator este expus la un mediu puternic de câmp electric, dacă rezistența sa corona este insuficientă, va provoca cu ușurință descărcarea corona, ceea ce duce la coroziune și deteriorarea suprafeței izolației, scurtând în cele din urmă durata de viață a transformatorului. Cercetările arată că performanța slabă a materialelor de izolație nu numai că va crește rata de defecțiune a transformatorului, dar poate avea și un impact negativ asupra funcționării economice a acestuia, cum ar fi costuri crescute de întreținere și pierderi de întrerupere a curentului. Prin urmare, în timpul procesului de fabricație a transformatorului, materialele de izolație de înaltă performanță ar trebui să aibă prioritate și să fie supuse unor teste și verificări riguroase pentru a se asigura că pot menține performanța stabilă în diferite condiții de funcționare.

III. Mediu de operare dur

1. Temperatură excesivă sau disipare slabă a căldurii

Când transformatoarele funcționează în medii cu temperatură ridicată pentru perioade lungi de timp (cum ar fi expus la lumina directă a soarelui în aer liber în timpul verii sau în substații slab ventilate), materialul de izolație îmbătrânește mai rapid, proprietățile dielectrice ale izolației din hârtie uleioasă se deteriorează, ducând la descărcări parțiale interne crescute, la o schimbare a parametrilor electrici și la o stabilitate redusă.

2. Umiditate ridicată și contaminare severă

Umiditatea ridicată, împreună cu contaminanții cum ar fi pulverizarea de sare și praful, care aderă la suprafețele bucșelor și izolatorilor, pot scădea nivelul de izolație externă, pot declanșa fulgerări, pot provoca împământare instantanee sau scurtcircuite și pot duce la fluctuații severe de tensiune.

3. Interferența la sarcină armonică și de impact

O cantitate mare de armonici generate de sarcini neliniare (cum ar fi convertoare de frecvență, redresoare și cuptoare cu arc) atunci când sunt injectate în transformatoare măresc pierderile de cupru și fier, provocând încălzire suplimentară. În același timp, curenții armonici pot distorsiona și fluxul magnetic în miez, afectând stabilitatea formei de undă a tensiunii de ieșire și a amplitudinii.

IV. Management inadecvat de operare și întreținere

1. Lipsa inspecțiilor regulate și a testelor preventive: Testele preventive, cum ar fi testarea rezistenței izolației, măsurarea pierderilor dielectrice și analiza cromatografiei în ulei, nu au fost efectuate la timp, ceea ce face imposibilă identificarea promptă a defecțiunilor interne latente (cum ar fi supraîncălzirea localizată, descărcarea sau pătrunderea umidității). Acest lucru a dus la eșecul de a detecta problemele din timp, permițându-le să escaladeze și să afecteze grav stabilitatea.

2. Neglijarea întreținerii sistemului de răcire: Defecțiunile dispozitivelor de răcire, cum ar fi ventilatoarele, pompele de ulei și radiatoarele nu au fost reparate prompt, sau radiatoarele s-au înfundat grav cu praf, reducând eficiența de disipare a căldurii a transformatorului și crescând temperatura uleiului. Acest lucru a accelerat îmbătrânirea izolației și deteriorarea performanței electrice.

3. Funcționarea necorespunzătoare a comutatoarelor: în timpul reglării manuale sau automate a tensiunii, pot apărea probleme precum mecanismele comutatorului blocate, contacte arse sau defecțiuni mecanice, ceea ce duce la reglarea eșuată a tensiunii sau poziții incorecte ale prizei, ceea ce ar putea duce la tensiuni de ieșire necontrolate.

V. Factorii externi ai rețelei electrice

1. Tensiunea sistemului fluctuează frecvent

Tensiunea rețelei electrice din amonte crește sau scade brusc din cauza comutării sarcinii la scară mare, declanșării defecțiunilor etc. Când capacitatea de reglare a tensiunii a transformatorului este depășită, transformatorul nu poate menține stabilitatea tensiunii secundare.

2. Dezechilibrul trifazat este grav

Sarcina monofazată de mare putere pe partea de joasă tensiune este distribuită neuniform, rezultând un dezechilibru grav al curentului trifazat și o schimbare a punctului neutru. Acest lucru nu numai că provoacă o creștere a curentului cu secvență zero și pierderi suplimentare, dar face și tensiunea de ieșire trifazată asimetrică, afectând funcționarea normală a echipamentelor electrice.

VI. Rezumat și sugestii de îmbunătățire

Performanța slabă a stabilității transformatorului este adesea rezultatul suprapunerii mai multor factori, iar o singură cauză poate duce rareori la consecințe grave în mod independent. Ca răspuns la problemele de mai sus, se recomandă îmbunătățirea următoarelor aspecte:

• Optimizați proiectarea timpurie: selectați în mod rezonabil capacitatea transformatorului, tensiunea impedanței și metoda de reglare a tensiunii în funcție de caracteristicile reale de sarcină și utilizați un transformator de reglare a tensiunii în sarcină atunci când este necesar.
• Controlați cu strictețe calitatea producției: selectați foi de oțel siliconic de înaltă calitate și materiale de izolare de înaltă calitate și consolidați testarea din fabrică pentru a asigura consistența procesului.
• Îmbunătățiți mediul de funcționare: mențineți camera transformatorului bine ventilată, instalați dispozitive de control al temperaturii și dezumidificare și curățați murdăria în mod regulat.
• Consolidați managementul operațiunii și întreținerii: stabiliți un sistem de inspecție științifică, efectuați periodic analize de mostre de ulei și teste electrice și înlocuiți piesele învechite în timp util.
• Îmbunătățiți calitatea rețelei electrice: instalați dispozitive de filtrare și compensare a puterii reactive, optimizați distribuția trifazată a sarcinii și reduceți impactul armonicilor și al dezechilibrului asupra transformatorului.

Numai prin controlul întregului lanț de la sursa de proiectare până la operarea și întreținerea zilnică poate fi îmbunătățită eficient performanța stabilă a transformatorului și asigurată funcționarea sigură și fiabilă a sistemului de alimentare.