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
).
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
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
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
136
ДИАГНОСТИКА
И МОНИТОРИНГ
который показал превышенный уровень водорода
в диапазоне нескольких сотен ppm. Производитель
предположил, что такая ситуация могла наблюдать-
ся вследствие проблемы, приводившей ранее к уве-
личению содержания этилена и, вероятно, связан-
ной с наличием точек перегрева.
Поскольку увеличение содержания водорода
было значительным и случайным образом произо-
шло сразу после технического обслуживания, генери-
рующая компания заподозрила, что дефект каким-то
образом может быть связан с этим обслуживанием.
Было принято решение оснастить трансформатор
системой комплексного мониторинга, контролиру-
ющей газы и влагу, частичные разряды, состояние
вводов и температуру (рисунок 5).
Через два месяца работы системы были получены
следующие результаты:
• После первоначального увеличения содержания
водорода примерно на 4 ppm в день, в после-
дующие 2 месяца скорость роста снизилась до
1,6 ppm в день, при этом суммарное значение
достигло 700 ppm. Все остальные газы имели
нормальную концентрацию. Очевидно, имел
место активный дефект.
• Модуль контроля частичных разрядов почти сразу
обнаружил их постоянный источник в фазе A. Ана-
лиз его активности выявил вероятное наличие двух
различных дефектов. От первого дефекта наблюда-
лись постоянные сигналы неизменной амплитуды
и частоты повторения (5000 импульсов в секунду)
с обратной полярностью. Такая картина типична
для внутренних повреждений главного бака (нахо-
дящихся за пределами ввода). Перекрестной связи
сигналов с другими фазами выявлено не было, из
чего можно сделать вывод, что их источник нахо-
дится далеко от двух других фаз или очень близко
к датчику частичных разрядов. От второго дефекта
фиксировались нерегулярные сигналы с меньшей
частотой повторения (в диапазоне 1000–2000 им-
пульсов в секунду) и с прямой полярностью. Это
означало, что он может находиться внутри или
очень близко к вводу фазы A. Частота повторения
частичных разрядов увеличивалась с течением
времени, что указывало на фактическое нахожде-
ние активного дефекта в фазе A.
• Имелись затруднения в идентификации источника
частичных разрядов, однако, ситуации, схожие
с наблюдаемой, были зарегистрированы, когда
не была проведена должным образом обработка
бумажной изоляции маслом (остались небольшие
пузырьки воздуха), а также когда в ней имели место
небольшие проколы.
• Обобщение всех данных, собранных комплексной
системой мониторинга (рисунки 6 и 7), позволило
увидеть, что между ними почти нет никакой корре-
ляции. Образование газа и активность частичных
разрядов не были обусловлены ни влиянием
нагрузки, ни температуры, ни влажности.
Рис
. 5.
Комплексная
онлайн
–
система
мониторинга
,
установленная
на
повышающем
трансформаторе
мощ
–
ностью
25
МВА
Рис
. 6.
Результаты
онлайн
–
диагностики
,
синхронизированные
и
визуализированные
таким
образом
,
чтобы
позво
–
лить
выявление
возможной
корреляции
Амплит
уда, В
Ток, А
Фазовый сдвиг, град.
— Нагрузка трансформатора
— Водород
— Сигнал в фазе А1
— Температура верхних
слоев масла;
— Температура нижних
слоев масла;
— Температура переклю-
чателя ответвлений
— Внешняя температура
137
Первое умозаключение, которое напрашивалось
после просмотра данных онлайн-мониторинга, сво-
дилось к тому, что дефект мог возникнуть при по-
следней заливке масла по причине нарушения ваку-
ума (возможно, из-за использования некачественных
уплотнителей).
Из-за отсутствия газов, возникающих вследствие
перегрева или дуги, идеального состояния вводов
(с точки зрения емкости и тангенса угла диэлектриче-
ских потерь), а также отсутствия четкой корреляции
с нагрузкой или температурой, энергетическая компа-
ния приняла следующие решения:
– держать трансформатор под постоянным наблю-
дением, чтобы анализировать образование газов
и частичных разрядов в течение следующих
нескольких месяцев;
– запланировать замену уплотнителей, чтобы
выполнить надлежащую обработку масла и реа-
лизовать его повторную заливку под вакуумом
в целях удаления оставшихся пузырьков газа;
– запланировать техническое обслуживание на вре-
мя следующей остановки генератора, обеспечива-
ющего питание повышающего трансформатора,
с учетом того, что результаты онлайн-мониторинга
указывают на то, что трансформатор не был в кри-
тическом состоянии и трансформатор находится
под постоянным контролем, поэтому о любых
неожиданных изменениях в его состоянии будет
незамедлительно уведомлен профильный эксперт.
В рассмотренном случае использование комплекс-
ного мониторинга трансформатора было направлено
не только на оптимизацию и отсрочку технического
обслуживания до наиболее удобного момента (еже-
годная остановка генератора), но и на разрешение
разногласий между производителем, ответственным
за техническое обслуживание и замену масла, и вла-
дельцем трансформатора.
ВЫВОДЫ
Использование более целостного и комплексного
подхода к мониторингу трансформатора может зна-
чительно оптимизировать техническое обслужива-
ние и снизить риски. Целостный подход означает
эксплуатацию трансформатора не на основе одного
диагностического параметра (как правило, результа-
та анализа газов, растворенных в масле), а с учетом
всех данных о его режиме, данных об окружающей
среде, внешних воздействующих факторах и преды-
дущем опыте. Шансы на выявление потенциального
отказа или дефекта в таком случае резко возрастают,
что позволяет владельцам оборудования адекватно
оценивать свой риск и, в конечном итоге, принимать
более быстрые и обоснованные решения. Использо-
вание ценных данных, полученных в результате при-
менения методов офлайн-диагностики (анализа рас-
творенных газов во вводах, частотных характеристик
и пр.), может быть более эффективным в случае их
сочетания с онлайн-мониторингом, роль которого не
в замене, а в дополнении автономных методов. Ана-
лиз корреляции различных факторов (таких как рас-
творенные газы, частичные разряды, емкости вводов
и т.д.) играет фундаментальную роль. Ключевой мо-
мент, показанный в рамках исследований в данной
статье, заключается в том, что корреляция и время
возникновения различных воздействий могут быть
даже более важными, чем их непосредственная ве-
личина. Небольшое увеличение емкости и несколько
импульсов частичных разрядов возможно расценить
как незначительные события и проигнорировать, если
рассматривать их по отдельности. Однако результат,
полученный путем анализа корреляции всех этих не-
больших событий, может иметь огромное влияние на
объективную оценку риска и идентификацию потен-
циальных отказов, а также способствовать принятию
более эффективных решений.
Р
Рис
. 7.
Стабильные
сигналы
частичных
разрядов
в
фазе
A1 (
слева
)
и
нерегулярные
сигналы
(
справа
)
ЛИТЕРАТУРА
1. CIGRE TB 642, WG A2.37, Transform-
er Reliability Survey.
2. Scatiggio F., Serafi no C.A., Tozzi M.,
Savorelli E., Salsi A. TERNA Trans-
former Fleet Knowledge Management
through the use of on-line Monitors,
D1-313, CIGRE, Paris, 2018.
3. Yule K., Brock D., Purdy J. Account-
ability and Evaluation of Aggregate
Eff ects of Through Faults On Power
Transformers, Unclassifi ed Open
Source.
4. IEEE C57.91-2011. IEEE Guide for
Loading Mineral-Oil-Immersed Trans-
formers and Step-Voltage Regulators.
5. IEC 60076-6. Power transformers –
Part 7: Loading guide for mineral-oil-
immersed power transformers.
6. Tozzi M., McIlrory C., Serafi no C.A.,
Rebolini M. Condition Based Mainte-
nance on 400 MVA Autotransformers:
a case study, CIGRE VII Workspot, A2,
PS1, Rio de Janeiro, 2014.
31 Ferguson Drive,
Lisburn, BT28 2EX, N.Ireland
Camlin Ltd.
+44(0) 2892 626 989
Амплит
уда, В
Фазовый сдвиг, град.
Фазовый сдвиг, град.
Амплит
уда, В
№
2 (65) 2021
Оригинал статьи: Почему оказывается недостаточным использование диагностического метода анализа газов, растворенных в трансформаторном масле?
Повышение эффективности при внедрении систем комплексного мониторинга трансформаторов