Μια προσέγγιση της διάρκειας ζωής εξοπλισμού των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας με παράδειγμα τους μετασχηματιστές διανομής

Abstract

The distribution transformer is a vital and costly element of the medium voltage network. Preventive diagnosis and maintenance of transformers are necessary in order to improve the reliability of power systems. This thesis primarily refers to measurements of insulating resistance in distribution transformers, at various temperatures, and thereafter to calculations of the thermal coefficient of the transformers. There were realized measurements on 72 distribution transformers that resulted in useful conclusions on ageing and the remnant life of the transformers. A method for transformer life cycle prediction is presented. The method can also be applied to other devices of the electric network, having oil or oil and paper as insulating system. The thesis consists of seven sections. In the first section an introduction on dielectric materials (liquid and solid) is given, as well as on the two basic theories of the phenomena before and during the breakdown of the solid insulation materials, that is the macroscopic and the quantum mechanical theory. The oil-paper transformer insulating system is presented, as well as the basic techniques for the assessment of its condition. At the end of the section a transformer equivalent circuit is developed, that facilitates the study of the various phenomena that are presented during its operation. The second section of this thesis has to do with the aim of the realized research, which is the calculation of the thermal coefficient of the transformer and the approach of the life time of the transformer insulation. The third section describes the method of experimentation and the measurement procedure. In the fourth section the results of measurements and calculations are presented. In the fifth section comments on the measured resistances and on the calculated thermal coefficients β of the transformers are made. In the sixth section the proposed method for estimation of the remnant life of the distribution transformers is presented. It seems that the transformer thermal coefficient is a useful magnitude for transformer valuation, because in combination with the measurement of the insulation resistance gives information about the life cycle of the insulation. The seventh section refers to the contribution of this thesis in the research and in practical applications. At the end of the thesis the bibliography is cited.

Ο μετασχηματιστής διανομής είναι ένα ζωτικό και ακριβό στοιχείο του δικτύου μέσης τάσεως. Η προληπτική διάγνωση και συντήρηση των μετασχηματιστών είναι απαραίτητες προκειμένου να βελτιωθεί η αξιοπιστία των ηλεκτρικών συστημάτων. Η εργασία αυτή αναφέρεται σε μετρήσεις της αντίστασης μονώσεως μετασχηματιστών διανομής σε διάφορες θερμοκρασίες και στον υπολογισμό, στη συνέχεια, του θερμικού συντελεστή των μετασχηματιστών. Μετρήθηκαν συνολικά 72 μετασχηματιστές διανομής από όπου υπήρξαν χρήσιμα συμπεράσματα για την γήρανση και την υπολειπόμενη διάρκεια ζωής τους. Παρουσιάζεται μια μέθοδος πρόβλεψης της διάρκειας ζωής των μετασχηματιστών διανομής, η οποία μπορεί να έχει εφαρμογή και σε άλλο εξοπλισμό των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας, όπως διακόπτες, μετασχηματιστές εντάσεως, πυκνωτές κλπ. Η εργασία αποτελείται από επτά κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο δίδεται μια εισαγωγή στα ηλεκτρομονωτικά υλικά (υγρά και στερεά) καθώς και στις δύο βασικές θεωρίες των φαινομένων προ και κατά τη διάσπαση των στερεών μονωτικών, ήτοι: τη μακροσκοπική θεωρία και την κβαντομηχανική θεωρία. Παρουσιάζεται το σύστημα μόνωσης λαδιού-χαρτιού των μετασχηματιστών και οι βασικές τεχνικές για διάγνωση της κατάστασής του. Τέλος αναπτύσσεται και παρουσιάζεται ένα ισοδύναμο κύκλωμα του μετασχηματιστή το οποίο διευκολύνει τη μελέτη των ποικίλων φαινομένων που εμφανίζονται κατά τη λειτουργία του. Το δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας αφορά τον σκοπό της έρευνας που έγινε, ο οποίος είναι ο προσδιορισμός του θερμικού συντελεστή του μετασχηματιστή και η προσέγγιση της διάρκειας ζωής των μονώσεων του μετασχηματιστή, καθώς και άλλων συσκευών των δικτύων των οποίων το μονωτικό σύστημα αποτελείται από λάδι ή χαρτί και λάδι. Στο τρίτο κεφάλαιο δίδεται η μέθοδος πειραματισμού και περιγράφεται η διαδικασία των μετρήσεων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων και υπολογισμών, σε πίνακες και γραφικές παραστάσεις, χωρίς κανένα σχόλιο. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνονται σχόλια επί των μετρηθεισών αντιστάσεων και επί των υπολογισθέντων θερμικών συντελεστών β των μετασχηματιστών. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η προτεινόμενη μέθοδος εκτίμησης του υπολειπόμενου χρόνου ζωής των μετασχηματιστών διανομής. Φαίνεται ότι ο θερμικός συντελεστής του μετασχηματιστή είναι ένα χρήσιμο μέγεθος αξιολόγησής του, γιατί σε συνδυασμό με τη μέτρηση της αντίστασης μόνωσης δίδει πληροφορίες για τη διάρκεια ζωής της μόνωσης. Το έβδομο κεφάλαιο αναφέρεται στη συμβολή της εργασίας στην έρευνα και στις πρακτικές εφαρμογές. Στο τέλος της εργασίας παρατίθεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε.