Исследования неисправностей силовых трансформаторов на основе анализа растворенных в масле газов

В передаче и распределении электрической энергии силовые трансформаторы играют очень важную роль. Электроэнергетика ставит перед собой широкий  круг целей и задач чтобы удовлетворить постоянно растущие мировые потребности в потреблении энергии. Однако принцип работы маслонаполненных трансформаторов практически не изменился на протяжении почти столетия. В настоящее время во многих энергоузлах большее количество трансформаторов подвержены различным типам перегрузок и находятся под угрозой недостижения ожидаемого срока службы. Следовательно, чтобы обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей некоторые из таких трансформаторов должны быть вовремя заменены или отремонтированы,. Также очень трудно эксплуатировать трансформаторы возрастом свыше 30 лет в условиях системных перегрузок, которые приводят к увеличению количества отказов трансформаторов. Кроме того, бывает трудно устранить последствия аварийных отказов трансформаторов. Следовательно, обнаружение возникающих неисправностей очень важно в трансформаторе. Газы, преимущественно углеводородные соединения, такие как водород, метан, этан, этилена ацетилен вместе с окисью углерода и двуокисью углерода действуют как индикаторы неисправности. Экспериментальные результаты изменения концентрации различных горючих газов и их уровней в изоляционном масле указывают на развитие неисправностей и вероятный характер неисправности на ранних стадиях, что позволяет избежать внезапного отказа. Также это даёт полезные сведения о текущем состоянии масла и трансформатора. Частота отбора и анализа зависит от степени развития и характера неисправности, возникающей в трансформаторе. Недостаточно просто знать концентрацию газов в трансформаторном масле, но также важно правильно интерпретировать результаты, используя различные аналитические методы.

Как было сказано выше, в процессе эксплуатации разрушение изоляционных материалов в трансформаторе происходит из-за теплового воздействия и электрического напряжения. Важной частью силового трансформатора является изоляция в целом — твердая и жидкая. Путем раннего вычета любых внутренних неисправностей, возникающих в силовых трансформаторах, расходы на внеплановые отключения силовых трансформаторов часто снижаются. Газы появляются в трансформаторном масле во время работы трансформатора. Эти газы развивались в результате неисправностей в баке трансформатора, таких как искрение, корона (частичные разряды), перегрев масла трансформатора или перегрев бумажной изоляции (целлюлозы). Различные типы газов будут выделяются в разной концентрации в зависимости от характера неисправностей. Среди растворенных газов горючие газы (углеводородные газы) очень важны, и любой скачок уровней концентрации таких газов может свидетельствовать о серьезном/ разрушительном типе внутреннего дефекта. Горючие газы, такие как H2 (водород), C2H6 (этан), C2H4 (этилен) и C2H2 (ацетилен), обычно появляются в трансформаторном масле в очень низких концентрациях в нормальных условиях и легко обнаруживаются в ppm-уровнях с помощью анализа растворенных газов (DGA). Соотношение газов в пропорциях используется для определения типа неисправности. DGA выполняется в соответствии с IS-10593 или ASTM D3612 или IEC 60567 и IEC IEC-60599.

Существуют различные методы интерпретации DGA для диагностики неисправности в трансформаторе. Используются как методы, основанные на соотношениях газов, так и методы оценки концентрации газов по заданным допустимым пределам. Стандарт IEEE C57.104-2008 описывает следующие методы:

1. Метод ключевых газов
2. Метод соотношений Дорненбурга
3. Метод соотношений Роджерса.

Стандарт IEC 60599 и IS 10593 предлагают следующее методы.

1. Три основных газовых коэффициента
2. Метод двойного треугольника.

Метод ключевых газов использует критические концентрации газа для определения характера неисправности. Различная комбинация концентрации среди углеводородных газов будет определять различные типы неисправностей. В этом методе типы неисправностей идентифицируются с использованием относительного процента выбранного отпечатка газа. В этом методе используются четыре характеристические диаграммы, которые представляют типичные относительные концентрации газа для четырех основных типов неисправностей, а именно: перегрев целлюлозы, перегрев масла, частичный разряд или искрение, корона. При разложении масла и бумажной изоляции образуются следующие характерные газы: водород (H2), метан (CH4), этан (C2H6), этилен (C2H4), ацетилен (C2H2), окись углерода (CO) и кислород (O2). В результате разложения масла образуются все указанные газы, кроме окиси углерода и кислорода. Разложение целлюлозной (бумажной) изоляции образует угарный газ, углекислый газ (CO2) и кислород. Типы газов и их значения зависят от вида и степени развития дефекта в баке трансформатора.

Метод Дорненбурга определяет конкретный тип неисправности из трех возможных типов неисправностей из расчёта соотношений газа. Эта процедура требует достаточно высоких уровней газов для правильной диагностики. Четыре соотношения и их диагностические значения приведены Таблице 2. В методе Дорненбурга используются пять отдельных газов или четыре основных соотношения газа:

Таблица 2 — Соотношения ключевых газов по методу Дорненбурга

В этом методе для диагностики используются четыре пары соотношения горючих газов CH4/H2, C2H6/CH4, C2H4/C2H6 и C2H2/C2H4. В таблице 3 приведены значения соотношений газов и диагностические заключения, согласно методике Роджерса. Данный метод широко используется в производственной практике. Однако в некоторых случаях это этого метода недостаточно.

Таблица 3 — Соотношения ключевых газов по методу Роджерса

В этом методе используются три соотношения газа: метан / водород (CH4 / H2), ацетилен / этилен (C2H2 / C2H4) и этилен / этан (C2H4 / C2H6). Начальные сбои изначально начинались как сбои с низким энергопотреблением и перерастали в более серьезные сбои с высоким энергопотреблением или высокой температурой. Важно следить за скоростью увеличения газа при обнаружении неисправности. Повышение значений газа более чем на 10% в месяц по сравнению с нормальными значениями контрольных линий следует серьезно рассматривать как активную неисправность. Следовательно, очень важно изучить тенденцию возникновения различных типов неисправностей. Соотношение CO2/CO иногда используется в качестве показателя термического разложения целлюлозы.

Таблица 4  Метод трех основных газовых отношений

Четыре классических метода диагностики неисправностей трансформатора, такие как метод ключевых газов, метод Дерненбурга, метод Роджера и метод трех основных соотношений газов, должны использоваться совместно для более точного определения характера неисправности в трансформаторе. Они могут быть прописаны в листе Excel для оценки технического состояния оборудования по мере накопления диагностических данных, а так же использованы в расчётных моделях в случае применения систем непрерывного контроля и автоматической диагностики.

Несколько примеров из практики представлены в Таблице 5, где трансформаторы были выведены из эксплуатации из-за высокого уровня образования газов. Диагностические заключения для этих трансформаторов выполнены программным обеспечением, использующим различные методологии интерпретации.

Таблица 5 — Практические исследования

В таблице 5 показаны концентрации газа в масле четырёх разных трансформаторов, а также результаты лабораторных анализов с использованием рассмотренных методик и специально разработанного программного алгоритма. Из приведенной выше таблицы видно, что каждая методология интерпретации указывает на схожие результаты для одного и того же набора результатов DGA, но окончательное заключение должно учитывать совокупность всех доступных методик.

Результаты различных случаев показывают, что использование различных методик анализа растворённых газов в программном обеспечении является удобным и надежным диагностическим инструментом. Автоматизация вычислений экономит время, позволяя избегать ручной работы и повышая точность диагностических заключений. Кроме того, из практических исследований можно сделать вывод, что даже при том, что для одного и того же набора уровней газа DGA использовалась различная методология интерпретации, конечный результат совпадает с ручными вычислениями, проведенными химической лабораторией. Однако в некоторых случаях интерпретация по каждой методологии может немного отличаться, что может быть связано с тем, что каждая методология имеет в своей основе определение различных типов дефектов с использованием одного или двух конкретных газов для расчета. При таких обстоятельствах пользователь, основываясь на своем опыте, должен выбрать подходящую методологию для правильной диагностики неисправности. Выбор методов интерпретации DGA может быть полезен при оценке технического состояния трансформаторов и расстановке приоритетов планирования технического обслуживания.

Технический директор ООО ИТЦ АВИКОН
Толянов А.