Почему оказывается недостаточным использование диагностического метода анализа газов, растворенных в трансформаторном масле?




Page 1


background image







Page 2


background image

132

ДИАГНОСТИКА 

И  МОНИТОРИНГ

Почему оказывается 
недостаточным использование 
диагностического метода 
анализа газов, растворенных 
в трансформаторном масле? 

Повышение эффективности при внедрении систем 
комплексного мониторинга трансформаторов

К

огда  разговор  идет  о  дорогостоящем  обо-

рудовании,  силовые  трансформаторы  на-

ходятся в верхней части списка. Именно по-

этому их преждевременный выход из строя 

является  более  чем  нежелательным.  Устранение 

повреждений  может  значительно  превышать  сто-

имость  замены  с  учетом  того,  что  неизбежно  воз-

никают  дополнительные  расходы,  связанные  с  за-

тратами рабочего времени, снижением надежности, 

штрафами  и  гражданскими  исками.  Профильные 

эксперты  в  сфере  электроэнергетики  уделяют  все 

больше внимания обеспечению работоспособности 

трансформаторов  и  оптимизации  затрат  на  техни-

ческое  обслуживание.  Можно  прогнозировать,  что 

срок  службы  трансформаторов  будет  постепенно 

увеличиваться, однако это далеко не всегда говорит 

о росте качества и надежности. Чтобы повысить на-

дежность  трансформаторов  и  получить  реальное 

представление об их состоянии, необходимо анали-

зировать критически важные элементы их конструк-

ции в реальных условиях эксплуатации. Только со-

вместный  мониторинг  всех  ключевых  компонентов 

и параметров может помочь выявить факторы, влия-

ющие на их работоспособность, надежность и риски 

выхода из строя.

КОМПЛЕКСНЫЙ

 

ПОДХОД

CIGRE

1

 опубликовал исследование в области надеж-

ности [1], показывающее, что более 80% отказов по-

нижающих трансформаторов связаны с такими ком-

понентами, как обмотки высокого напряжения, вводы 

и  переключатели  ответвлений  устройств  регулиро-

вания под нагрузкой (РПН). Аналогичную статистику 

можно найти о повышающих трансформаторах с той 

лишь разницей, что тремя основными компонентами 

являются: обмотки низкого напряжения, обмотки вы-

сокого напряжения и вводы. В дополнение к сказан-

ному, в качестве одной из основных причин отказов 

рассматриваются внешние короткие замыкания. Все 

вышеперечисленное указывает на то, что необходим 

комплексный  подход  к  мониторингу  трансформато-

ров, включающий в себя оценку их ключевых компо-

нентов и параметров, а также учитывающий внешние 

факторы в электрической сети и условия эксплуата-

ции. На рисунке 1 представлена общая картина того, 

как должен выглядеть комплексный подход к мони-

торингу  трансформатора,  охватывающий  вводы, 

главный  бак,  устройство  РПН,  маслорасширитель 

и систему охлаждения. Также важно дополнить, что 

для  совокупной  оценки  сквозных  коротких  замыка-

ний [2, 3], факторов старения, точек перегрева, воз-

можностей  перегрузки  [4,  5]  и  вероятностей  отказа 

трансформаторов могут быть использованы методы 

прогнозного моделирования и аналитики.

Нужно  понимать  несколько  ключевых  моментов, 

касающихся сути и цели систем онлайн-мониторинга.

Такие системы должны:

 

– быть надежными с точки зрения использующегося 

оборудования;

 

– быть экономически эффективными;

 

– обеспечивать  надежную  работу  сигналов  пред-

упреждения и тревоги;

 

– предоставлять синхронизированные, единообраз-

ные и содержательные данные с использованием 

открытых стандартов.

Кроме того, системы онлайн-мониторинга должны 

быть разработаны таким образом, чтобы:

 

– выявлять отклонения от нормы в реальных усло-

виях эксплуатации;

 

– обнаруживать отклонения и возникающие пробле-

мы на самой начальной стадии;

 

– предоставлять  профильным  экспертам  и  ме нед-

жерам  по  эксплуатации  и  техническому  обслу-

живанию  комплексные  данные,  которые  можно 

легко  сопоставить  для  получения  необходимой 

информации;

 

– помогать  профильным  экспертам  и  менеджерам 

по  эксплуатации  и  техническому  обслуживанию 

1

 CIGRE — 

международный

 

комитет

 

по

 

электрическим

 

сетям

 

высокого

 

напряжения

  (

ведущее

 

международное

 

профессиональное

 

сообщество

 

для

 

экспертизы

 

всех

 

аспектов

 

функционирования

 

электроэнергетических

 

систем

).







Page 3


background image

133

надлежащим  образом  спланировать  обслужива-

ние и автономное тестирование

1

;

 

– способствовать  выявлению  наиболее  вероятного 

режима  отказа  путем  объединения  результатов, 

полученных  в  режиме  онлайн,  с  результатами 

автономного тестирования и историей обслужива-

ния трансформатора;

 

– снижать затраты на обслуживание;

 

– позволять владельцам активов управлять рисками 

и, в конечном счете, снижать их.

При  этом  системы  онлайн-мониторинга  не  при-

званы полностью заменить автономную диагностику 

и обязательно копировать стандарты и механизмы ав-

тономного тестирования.

РАЗБОР

 

ПРАКТИЧЕСКИХ

 

ПРИМЕРОВ

Представленные  ниже  примеры  демонстрируют 

успешные  практики,  когда  энергетическая  компания 

имела  возможность  планировать  предупреждающие 

действия  и  техническое  обслуживание  трансформа-

торов, благодаря анализу корреляции двух или более 

параметров.

Практический

 

пример

 

 1: 

компания

 KEPCO 

успешно

 

заменяет

 

ввод

 345 

кВ

 

на

 

основании

 

дан

ных

 

онлайн

мониторинга

показавшего

 

увеличение

 

емкости

 

и

 

наличие

 

высокоэнергетических

 

воздей

ствий

.

Система мониторинга вводов и частичных разря-

дов была внедрена в 2015 году на блоке однофазных 

трансформаторов  в  городе  Ульсан  в  Южной  Корее. 

Установленные  устройства  постоянно  контролиро-

вали токи утечки вводов и частичные разряды в изо-

ляционных средах вводов и главного бака, используя 

специальные  переходники,  смонтированные  на  диа-

гностических ответвлениях вводов. Производился не-

прерывный и одновременный сбор всех данных с еже-

часным подведением результатов. Уже более 30 лет 

в эксплуатации находились вводы с бумажно-масля-

ной изоляцией от компании NGK напряжением 345 кВ 

и емкостью около 430 пФ. В феврале 2015 года сис-

темой  мониторинга  было  зафиксировано  внезапное 

скачкообразное  увеличение  емкости  (C1)  на  вводе 

фазы А, при котором она изменилась на 1,7%, что со-

ответствует приблизительному увеличению на 7 пФ. 

Такое небольшое изменение могло быть вызвано ко-

ротким  замыканием  между  двумя  слоями  изоляции 

в конденсаторе, с учетом того, что общее количество 

слоев для вводов напряжением 345 кВ достигает 60. 

Компания KEPCO запланировала офлайн-диагности-

ку  трансформатора,  чтобы  подтвердить  показания, 

1

 

Здесь

 

и

 

далее

 

под

 

автономным

 

тестированием

 

предполагается

 

так

 

называемая

 

офлайн

диагностика

 

трансформатора

требую

щая

 

его

 

отключения

 

от

 

электрической

 

сети

 

и

 

использующаяся

 

во

 

время

 

плановых

 

проверок

 

или

 

в

 

результате

 

отказа

ВВОДЫ

•  Емкость

•  tg 

 / Коэффициент мощности

•  Частичные разряды

•  Высокоэнергетические

воздействия

•  Напряжение

•  Уровни

•  Давление

УСТРОЙСТВО РПН

•  Позиция переклю-

чателя ответвлений

•  Перепад температуры

•  Уровни

•  Состояние

•  Анализ растворенных газов

•  Ток привода

•  Количество переключений

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

•  Нагрузка / Напряжение

•  Сквозные короткие замыкания

•  Точки перегрева

•  Полная мощность

•  Перегрузочная способность

•  Старение / Остаточный срок службы

•   Потери

•  Содержание влаги в бумажной изоляции

•  Состояние трансформатора

ГЛАВНЫЙ БАК

•  Анализ растворенных газов (G1, G5, G9)

•  Содержание влаги в масле

•  Частичные разряды

•  Высокоэнергетические воздействия

•  Температура

•  Уровни

•  Состояние вспомогательного оборудования / 

Предупреждения

•  Поиск точек перегрева

•  Геомагнитно-индуцированные токи

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

•  Внешняя и внутренняя

температура вентиляторов

•  Расход масла

•  Состояние

•  Перепад температуры

•  Текущее потребление

двигателей

•  Часы работы

•  Эффективность охлаждения

МАСЛОРАСШИРИТЕЛЬ

•  Уровни масла

•  Состояние

•  Давление

•  Влажность воздуха

•  Реле Бухгольца

(состояние и уровень жидкости)

Рис

. 1. 

Пример

 

комплексного

 

подхода

 

к

 

мониторингу

 

трансформатора

 2 (65) 2021







Page 4


background image

134

полученные  в  режиме  онлайн,  но  при  соотнесении 

результатов возникли сложности. Как оказалось, аб-

солютное значение емкости ввода фазы A не сильно 

отличалось  от  предыдущих  измерений.  Это  проде-

монстрировано в таблице 1.

При  дальнейшем  анализе  было  замечено,  что 

при довольно небольшом увеличении емкости ввода 

фазы A, емкость обоих вводов B и C снизилась (ри-

сунок  2).  Это  навело  на  мысль,  что  испытательная 

установка на протяжении многих лет могла претер-

певать изменения. Чтобы принять это во внимание, 

была  проанализирована  относительная  разница 

между  емкостями  фаз  A  и  B  с  течением  времени. 

В  результате  выяснилось,  что  эта  разница  была 

близкой  к  постоянной  в  2012  и  2014  годах  (ниже 

2 пФ), но значительно возросла в 2015 году, превы-

сив значение 12 пФ (что соответствует увеличению 

емкости на 2,7%).

Таким  образом,  офлайн-диагностика  транс-

форматора  не  дала  окончательного  результата,  но 

обусло вила  необходимость  дальнейшего  исследо-

вания онлайн-данных.

Спустя некоторое время было обнаружено, что не-

посредственно  в  момент  увеличения  емкости  ввода 

системой онлайн-мониторинга фиксировалось высо-

коэнергетическое событие в той же фазе (частичные 

разряды значительной величины, при которых на де-

текторе  регистрировались  максимальные  напряже-

ния, равные и превышающие 20 В [6]). Всего имело 

место  8  импульсов  в  секунду,  один  из  которых  был 

наибольшим. Тот факт, что данный импульс был заре-

гистрирован совместно с увеличением емкости, стал 

важной деталью, которая побудила провести допол-

нительное  автономное  испытание  трансформатора 

для  отбора  проб  масла  из  ввода  и  анализа  раство-

ренных газов. В таблице 2 представлены результаты 

этого анализа для вводов A и C. Хорошо видно, что 

количество  ацетилена  во  вводе  фазы  A  значитель-

но  превышает  допустимое  значение  и  составляет 

76 ppm, в то время как уровень ацетилена во вводе 

фазы C, как и ожидалось, остается нулевым.

На  основании  полученных  результатов  компания 

KEPCO  своевременно  спланировала  и  выполни-

ла замену ввода в течение нескольких месяцев, что 

предотвратило  потенциально  возможные  серьезные 

повреждения. Следует отметить, что количество слу-

чаев одновременного изменения емкости и возникно-

вения  высокоэнергетических  воздействий  было  до-

вольно  небольшим.  Однако  благодаря  возможности 

обнаружения  обоих  явлений  в  режиме  онлайн  и  их 

сопоставления во времени компания KEPCO получи-

ла важную информацию, позволившую предпринять 

меры и минимизировать ущерб.

Практический

 

пример

 

 2: 

замена

 

ввода

 345 

кВ

 

в

 

Северной

 

Америке

 

в

 

связи

 

с

 

увеличением

 

емкости

 

и

 

наличием

 

высокоэнергетических

 

воздействий

.

Система  мониторинга  вводов  и  частичных  раз-

рядов  (рисунок  3)  была  внедрена  в  2018  году  на 

трехфазном  трансформаторе  мощностью  504  МВА 

ДИАГНОСТИКА 

И  МОНИТОРИНГ

Табл. 1. Результаты офлайн-диагностики трансформатора до (в 2012 и 2014 г.) и после (в 2015 г.)

получения сигнала от системы онлайн-мониторинга)

Измерение емкости ввода 345 кВ

компании NGK при офлайн-диагностике, пФ

Сравнение измерений емкости вводов A и B 345 кВ

компании NGK при офлайн-диагностике, пФ

2012

2014

2015

Рост

с 2012 года

2012

2014

2015

Рост

с 2012 года

Ввод А

435

429

438

0,6%

Ввод А

435

429

438

Ввод B

433

430

426

–1,6%

Ввод B

433

430

426

Ввод С

432

Не опр.

430

–0,46%

A-B

+2 пФ

–1 пФ

+12 пФ

2,7%

Рис

. 2. 

Увеличение

 

емкости

 

ввода

 

фазы

 A1 

и

 

одновременно

 

зареги

стрированное

 

высокоэнергетическое

 

воздействие

— Высокоэнергетическое воздействие
— Емкость ввода фазы A

Табл. 2. Результаты анализа растворен-

ных газов в автономном режиме работы 

трансформатора для вводов A и C

Фаза А 

трансфор-

матора

Фаза C 

трансфор-

матора

H

2

17

28

C

2

H

2

76

0

C

2

H

4

44

1

C

2

H

6

32

62

CH

4

40

39

C

3

H

8

21

24

Общий объем 

горючих газов

230

154

CO

71

53

CO

2

564

789

O

2

10 280

4337

N

2

150 862

156 665

Общий

объем газа

162 007

161 998







Page 5


background image

135

в  Северной  Америке.  Установ-

ленные  устройства  имели  те  же 

характеристики,  что  и  в  приме-

ре  №  1,  и  были  установлены  на 

диагностических 

ответвлениях 

вводов с бумажно-масляной изо-

ляцией, поставленных компанией 

Westinghouse в 1979 году.

Аналогично с примером № 1, 

системой  мониторинга  было  об-

наружено  внезапное  скачкооб-

разное  увеличение  емкости  (C1) 

во вводе H2 (примерно на 2,9%), 

что могло соответствовать корот-

кому  замыканию  между  двумя 

слоями изоляции.

Изучение  данных  снова  пока-

зало,  что  высокоэнергетическое 

событие  было  зарегистриро-

вано в сочетании с увеличением

емкости  в  одной  и  той  же  фазе. 

На  рисунке  4  продемонстрирован  график  измене-

ния  емкости  (неусредненный,  с  часовыми  значени-

ями) и воздействия частичных разрядов. Последние 

характеризовались  импульсами  значительной  вели-

чины (до 60 В в максимуме) и малой частотой повто-

рения (всего 6 импульсов в секунду), что соответство-

вало  имевшей  место  дуговой  активности.  С  учетом 

корреляционной  зависимости  (изменение  емкости 

+  высокоэнергетическое  воздействие),  которая  уже 

наблюдалась в случае с компанией KEPCO, энерге-

тической компании было предложено взять образец 

масла из вводов.

В  таблице  3  приведено  сравнение  результатов 

анализа вводов H1 и H2, показывающее, что в том 

вводе,  где  были  обнаружены  изменение  емкости 

и высокоэнергетические воздействия, концентрация 

ацетилена превышает 20 ppm. Это стало подтверж-

дением данных онлайн-диагностики трансформато-

ра  и  позволило  немедленно  приступить  к  планиро-

ванию  замены  поврежденного  ввода.  Корреляция 

данных  мониторинга  частичных  разрядов  и  состо-

яния вводов совместно с автономной диагностикой 

позволили выявить проблему на 

самой ранней стадии, оптимизи-

ровать  техническое  обслужива-

ние  и,  в  конечном  итоге,  сохра-

нить трансформатор в работе.

Важно подчеркнуть:

•  Абсолютные  значения  увели-

чения  емкости  и  частичных 

разрядов  были  настолько  ма-

лы, что не вызвали бы большо-

го беспокойства, если бы рас-

сматривались по отдельности.

•  Комбинация  двух  незначи-

тельных отклонений, возника-

ющих  одновременно,  и  опыт 

предыдущих подобных случа-

ев позволили прийти к реше-

нию  о  необходимости  взятия 

пробы масла в качестве под-

тверждающего теста.

•  Анализ  растворенных  газов  в  пробах  масла  из 

вводов не является стандартным тестом для энер-

гетических компаний и проводится только в самых 

исключительных случаях.

Практический

 

пример

 

 3: 

повышающий

 

транс

форматор

 

мощностью

 25 

МВА

 

с

 

неизвестным

 

де

фектом

исследованным

 

с

 

помощью

 

анализа

 

раство

ренных

 

газов

 

и

 

системы

 

мониторинга

 

частичных

 

разрядов

температуры

 

и

 

состояния

 

вводов

.

Повышающий 

трансформатор 

мощностью 

25 МВА был установлен в 1986 году на гидроэлек-

тростанции в Европе. В 2018 году он проходил пла-

новое техническое обслуживание у производителя, 

в рамках которого были выполнены следующие ме-

роприятия:

1)  дегазация масла (трансформатор содержал не-

которое количество таких газов, как этилен и ме-

тан из-за имевших место тепловых воздействий); 

2)  замена стекла маслоуказателя ввода.

Трансформатор  изначально  не  был  оборудо-

ван  какой-либо  системой  мониторинга.  После  тех-

нического  обслуживания  был  взят  образец  масла, 

Рис

. 4. 

Увеличение

 

емкости

 

ввода

 H2 

и

 

одновременно

 

зарегистрированное

 

высокоэнергетическое

 

воздействие

Рис

. 3. 

Специальный

 

адаптер

 

для

 

мониторинга

 

частичных

 

разрядов

 

и

 

состояния

 

высоковольтного

 

ввода

— Высокоэнергетическое воздействие
— Емкость ввода фазы A

Табл. 3. Результаты анализа

растворенных газов в автономном 

режиме работы трансформатора для 

вводов H1 и H2

H1

H2

H

2

20

85

CH

4

8

167

C

2

H

2

<2

21

C

2

H

4

<2

645

C

2

H

6

14

65

CO

75

714

CO

2

1460

2790

N

2

51 800

84 300

O

2

7490

29 600

TDCG

117

1697

TDG%

6,07

11,79

 2 (65) 2021







Page 6