Введение
Обеспечение надежного электроснабжения потребителей имеет важное значение для всех генерирующих и сетевых электроэнергетических компаний, преобразующих электрическую энергию в высокий класс напряжения для снижения потерь при передаче на дальние расстояния или понижая класс напряжения для безопасного распределения потребителям, что делает силовые трансформаторы одним из их самых важных активов и объектом крупнейших инвестиций. Кроме того, парк трансформаторов в некоторых странах мира в значительной степени выработал нормативный ресурс с нагрузками выше среднего уровня. По этим причинам оценка параметров работы трансформатора и анализ его технического состояния являются приоритетными задачами.
С течением времени электрические и тепловые процессы (дуговые разряды, коронные разряды, искрение и перегрев) воздействуя на изоляционные материалы трансформатора могут привести к возникновению начальной стадии дефекта внутри бака. В процессе эксплуатации могут возникать дополнительные риски возникновения дефектов – повреждение внутренних узлов при транспортировке, появление в баке посторонних предметов при ремонте, неправильное расположение косы отвода при замене высоковольтного ввода и др. По мере накопления мелких неисправностей изоляционные материалы постепенно разрушаются, при этом выделяя различные газы. Эти газы можно обнаружить в изоляционном масле трансформатора с помощью чувствительных и надежных методов анализа растворенных газов, что позволит специалистам определить вид возможного или возникшего повреждения.
Анализ растворенных газов считается лучшим методом определения общего состояния трансформатора и в настоящее время является универсальной практикой. К преимуществам анализа растворенных газов относятся:
- Заблаговременное предупреждение о возникновении повреждений;
- Проверка состояния новых и отремонтированных узлов оборудования;
- Удобное планирование ремонтных работ;
- Мониторинг узлов оборудования в условиях потенциальной перегрузки.
Использование соответствующих методов диагностики на основе анализа растворенных газов позволяет обеспечить высокое качество обслуживания, предотвращение выхода трансформатора из строя и отсрочку капитальных затрат на новое трансформаторное оборудование. Для лучшего понимания мы обсудим инструменты, использующиеся для анализа растворенных газов и интерпретации полученных результатов.
Образование газов в трансформаторном масле.
Тепловые и электрические нагрузки, возникающие при нормальной работе трансформаторов, сопровождаются выделением углеводородных газов, которые могут указывать на потенциальные проблемы внутри трансформатора. Предполагается, что по мере старения трансформатора, в нем происходит образование некоторого количества растворенных газов, поэтому важно отличать нормальную скорость газообразования от чрезмерно высоких скоростей газообразования. Поскольку нормальное газообразование зависит от конструкции трансформатора, нагрузки и типа используемого изоляционного материала, для определения аномальной работы используются общие значения скорости газообразования для всех трансформаторов.
Типичными газами, которые образуются в трансформаторах, являются водород (H2), метан (CH4), этан (C2H6), этилен (C2H4) и ацетилен (C2H2). Эти газы начинают образовываться при определенных температурах и разрядной активности в изоляционном масле силового трансформатора, как показано на рис. 1. Виды и количество образующихся газов будут зависеть от характера и интенсивности повреждения — при незначительном дефекте газы растворяются в масле, при дальнейшем развитии дефекта газы образуют пузыри, способные привести к срабатыванию газового реле с полным погашением трансформатора.
Водород и метан начинают образовываться в небольших количествах при температуре около 150 °C. Образование водорода продолжает увеличиваться по мере повышения температуры. Примерно при 250 °C начинается образование этана. При температуре около 350 °C начинается образование этилена. После достижения их максимальных значений образование метана, этана и этилена снижается с повышением температуры.
Образование ацетилена начинается между 500 и 700 °C. Раньше считалось, что наличие незначительного количества ацетилена указывает на то, что температура достигала по меньшей мере 700 °C, однако недавние открытия привели к выводу о том, что тепловое повреждение (локальный перегрев) при 500 °C может приводить к его образованию в незначительных количествах (несколько миллионных долей). Большие количества ацетилена могут быть получены только при температуре выше 700 °C при возникновении внутреннего дугового разряда.
Между 200 и 300 °C количество образующегося метана превышает количество образующегося водорода. Начиная примерно с 275 °C и выше, количество образующегося этана превышает количество образующегося метана. При температуре около 450 °C количество образующегося водорода превышает все остальные газы примерно до температуры 750-800 °C, и с этого момента образуется большее количество ацетилена.
Термическое разложение целлюлозных материалов также начнется примерно при 100 °C и приведет к образованию монооксида углерода (CO), двуокиси углерода (CO2), водорода (H2), метана (CH4) и кислорода (O2). Срок службы силовых масляных трансформаторов ограничивается состоянием бумажной изоляции в наиболее нагретых точках обмотки, поэтому крайне важно эксплуатировать трансформаторы при температуре не выше 90 °C.
Виды повреждений
Правильная диагностика повреждений должна включать в себя предупреждения о всех растворенных в масле газах, их концентрации, скорости роста газов и их соотношения, а также краткие интерпретирующие комментарии и рекомендации, основанные на полученных результатах. Для определения характера повреждения при проведении диагностики, с использованием ранее полученных данных огромного парка неисправных трансформаторов были определены следующие классы повреждений, обнаруживаемые с помощью визуальных осмотров и результатов анализа растворенных газов. Они также приведены на рис. 2.
Частичный разряд (ЧР) – возникает как разряд коронного типа, который может привести к отложению воскообразных продуктов (X-воска) на бумажной изоляции, или как разряд искрящегося типа, приводящий к появлению точечных отверстий (обугленных проколов) в бумаге, которые бывает трудно обнаружить.
Разряды низкой энергии (D1) – возникают в масле и (или) в бумаге, о чем свидетельствуют большие обугленные проколы в бумаге (точечные отверстия), обугливание поверхности бумаги (трекинг) или молекулы углерода в масле (как и в устройстве РПН).
Разряды высокой энергии (D2) – возникают в масле и (или) в бумаге, о чем свидетельствует обширное разрушение и обугливание бумаги или расплавление металла в крайних точках разряда, обширная карбонизация в масле, а в некоторых случаях отключение оборудования.
Тепловое повреждение (Т1) – возникает в масле и (или) в бумаге при температуре ниже 300 °С, отчего бумага меняет цвет на коричневатый.
Тепловое повреждение (T2) – возникает в масле и (или) в бумаге при температуре выше 300 °C и ниже 700 °C, приводя к обугливанию бумаги.
Тепловое повреждение (T3) – возникает в масле и (или) в бумаге при температуре выше 700 °C с явными признаками карбонизации масла, окрашивания металла (при 800 °C) или плавления металла (при температуре ниже 1000 °C).
Идентификация повреждения на основе типа газа
Потенциальные повреждения, такие как перегрев, частичный разряд и устойчивый дуговой разряд, приводят к образованию целого ряда газов. Концентрации и состав этих газов могут использоваться для определения вида и оценки степени тяжести повреждения, как показано на рис. 3. Поскольку все виды повреждений приводят к образованию различных газов, а не только одного газа, диагностические подходы, которые позволяют обнаружить несколько газов и учитывают всю картину газообразования, зачастую дают более точные результаты.
Диагностические инструменты для анализа растворенных газов
Большинство диагностических инструментов для анализа растворенных газов, используемых сегодня, можно найти в руководящих документах IEEE C57.104 или IEC 60599. На основе этих двух руководящих документов также разработаны другие национальные и международные руководящие документы, включающие описание дополнительных инструментов, но для наших целей мы будем обсуждать только те инструменты, которые описаны в руководствах IEEE и IEC (МЭК). На рис. 4 приведены диагностические инструменты, которые мы будем обсуждать и которые описаны в последнем руководящем документе IEEE, недавнем проекте стандарта (IEEE C57.104-D11d; не утвержден) руководящих указаний IEEE и руководстве IEC (МЭК).
Выбор диагностического инструмента для анализа растворенных газов
Существует широкий спектр диагностических инструментов, предназначенных для анализа растворенных газов. Некоторые из них являются более простыми и используют только суммы или отдельные соотношения газов, наряду с руководящими указаниями по определению различных уровней предупреждения. Другие являются более сложными, так как используют несколько соотношений газов и соотносят их с точным диапазоном значений.
Процедура определения общего количества горючих газов (TCG) и процедура определения общего количества растворенных горючих газов (TDCG) – это два диагностических инструмента, которые не основаны на соотношении. Общее количество горючих газов относится к газам в газовом пространстве над поверхностью масла, а общее количество растворенных газов – к газам, растворенным в масле. Эти показатели могут служить индикатором того, что уровни газа увеличиваются, а также сопровождаться рекомендациями для операторов по периодичности выполнения ручного отбора проб для анализа растворенных газов. Однако, поскольку они не дают какой-либо достоверной диагностической оценки относительно типа повреждения, руководящие указания IEEE рекомендуют использовать их совместно с другими диагностическими инструментами, чтобы лучше понимать, что происходит в трансформаторе.
Существует еще три диагностических показателя, которые также можно использовать в качестве дополнения к другим методам диагностики для более точной оценки состояния трансформатора. Это соотношение CO2/CO, соотношение O2/N2 и соотношение C2H2/H2, которые описаны ниже более подробно.
Соотношение CO2/CO – это известное соотношение, которое используется для обнаружения того, что повреждение распространилось на бумажную изоляцию. Если данное соотношение ниже 3, то это явный признак повреждения бумаги, будь то локальный перегрев или электрический дуговой разряд с температурой выше 200 °C. Если соотношение выше 10, это указывает на повреждение с температурой ниже 150 °C. Однако это соотношение не очень точно, поскольку оно зависит от количества CO2 и CO, образующихся при окислении масла и нормальном старении целлюлозы, поэтому при большом количестве CO2 увидеть значительное изменение соотношения CO2/CO практически невозможно.
Соотношение O2/N2 – газы О2 и N2 могут попадать в масло либо в результате прямого контакта с воздухом в оборудовании негерметичного исполнения, либо при потере герметичности плёночной или азотной защиты трансформатора. При условии достижения равновесной растворимости О2 и N2, отношение концентраций газов O2/N2 приблизительно равняется 0,5. Для оборудования с азотной защитой показателем потери герметичности служит только концентрация О2. Интенсивные окислительные процессы в масле протекают с расходованием О2. Если скорость расходования О2 выше скорости его диффузии в масло из воздуха, то отношение концентраций газов O2/N2 уменьшается. Когда отношение концентраций газов O2/N2 достигает величины 0,2 и меньше — можно диагностировать окислительные процессы аномально высокой интенсивности.
Соотношение C2H2/H2 – если значение этого соотношения лежит в диапазоне от 2 до 3 в основном баке, это указывает на загрязнение отсека с устройством РПН. В этих случаях уровень ацетилена в основном баке может быть довольно высоким, поэтому для того, чтобы диагностировать истинные проблемы в основном баке, необходимо контролировать постепенные изменения уровня ацетилена.
Остальные диагностические инструменты анализа растворенных газов, которые мы будем обсуждать, считаются основными методами интерпретации результатов, используемыми для диагностики повреждений силовых трансформаторов. К ним относятся метод основного газа (KGM), метод соотношений Дорненбурга (DRM), метод соотношений Роджерса (RRM), метод основных газовых соотношений МЭК (IRM), треугольник Дюваля (DTM) и методы коэффициентов СИГРЭ. Большинство из этих методов основаны на соотношениях, то есть они используют часть приведенных ниже соотношений для диагностики вида повреждения на основе соответствия каждого результирующего соотношения определенному диапазону значений:
- Соотношение 1 (R1) = CH4/H2
- Соотношение 2 (R2) = C2H2/C2H4
- Соотношение 3 (R3) = C2H2/CH4
- Соотношение 4 (R4) = C2H6/C2H2
- Соотношение 5 (R5) = C2H4/C2H6
Важно помнить, что при использовании диагностических методов на основе соотношений необходимо брать минимальные уровни газов, определенные в руководящих указаниях, для того чтобы анализ соотношений считался допустимым.
Метод основных газов
Метод основных газов основан на определении количества опасных газов, которые выделяются из изоляционного масла в ходе распада химической структуры при различных температурах в трансформаторе. Этот метод использует уровни отдельных газов, или основных газов, для обнаружения повреждений. На рис. 5 представлены основные газы и соответствующие им признаки повреждений.
Этот метод предлагает осуществлять диагностику путем вычисления относительных долей (в процентах) для основных газов внутри трансформатора. На рис. 6 показаны эти основные газы и их относительные доли, указывающие на четыре общих вида повреждений.
Метод соотношений Дорненбурга (Doernenburg Ratio Method – DRM)
Описание метода Дорненбурга можно найти в руководстве IEEE C57.104-1991. Он утратил свою популярность в некоторых странах мира из-за своей сложности и преобразования в другие подходы, основанные на использовании соотношения Роджерса и основных газовых соотношений, но, по сравнению с другими методами диагностики, метод соотношений Дорненбурга все еще сохраняет свою ценность как один из наиболее эффективных и доступных диагностических инструментов.
Для использования метода соотношений Дорненбурга концентрация одного из основных газов (H2, C2H2, C2H4, C2H6 или CH4) должна быть по меньшей мере вдвое выше соответствующих концентраций L1, как показано на рис. 7. Когда этот критерий соблюден, то можно рассчитать четыре возможных соотношения, если они содержат основной газ, представляющий интерес. На рис. 8 показано, что предлагаемый метод диагностики повреждений основан на диапазонах четырех соотношений. Стандарт IEEE (IEEE C57. 104-1991) также содержит иллюстрированное пошаговое описание применения данного метода соотношений только для газов, извлекаемых из трансформаторного масла.
Метод соотношений Роджерса (Rogers Ratio Method – RRM)
Метод соотношений Роджерса разработан на основе метода Дорненбурга и используется точно так же, но вместо требования, касающегося значительных концентраций основных газов, метод соотношений Роджерса может использоваться, когда концентрации превышают значения, приведенные на рис. 7 (вместо их удваивания).
Значения трех газовых соотношений, соответствующие предложенным диагностическим случаям, приведены на рис. 9. Виды повреждений (случаи), которые предоставлены на рисунке, были выбраны путем объединения нескольких случаев из числа видов повреждений, первоначально предложенных Роджерсом.
Несмотря на более высокую точность, методы соотношений Дорненбурга, соотношений Роджерса и базовых газовых соотношений имеют один недостаток, заключающийся в том, что, когда некоторые сочетания газов не укладываются в заданный диапазон значений при расчете, вид повреждения невозможно определить. Чтобы еще лучше продемонстрировать это, на рис. 10 показано трехмерное представление метода основных газовых соотношений (IEC 60599-2007-05).
Метод треугольника Дюваля (DuvalTriangle Method – DTM)
Метод треугольника Дюваля был разработан на основе баз данных IEC TC10 и существующего метода соотношений IEC 60599. Для разработки треугольника было использовано около 200 с лишним проверенных случаев повреждений, возникших в ходе эксплуатации. Внутри треугольника есть шесть (6) потенциальных зон повреждений, включающих частичные разряды, электрические повреждения (дуговые разряды высокой и низкой энергии) и тепловые повреждения (при различных диапазонах температур), а также зону DT (сочетание тепловых и электрических повреждений).
Использование метода треугольника Дюваля основано на трех основных газах (CH4, C2H4 и C2H2), которые соответствуют возрастающим уровням энергии газообразования, как показано на рис. 11. Сначала рассчитывают уровни концентрации этих газов, а затем выполняют построение вдоль трех сторон равностороннего треугольника: на каждой стороне откладывается относительное значение содержания определенного газа, которое может меняться от 0 до 100 % по часовой стрелке. При этом сумма значений концентраций всех газов принимается за 100%, а процентные концентрации каждого газа определяются от этой суммы. Во-вторых, при нанесении границ зон дефектов линии проводятся параллельно отстающей стороне треугольника, т.е. если точка берется на стороне СН4, то прямая из этой точки проходит параллельно стороне С2Н2, если точка берется на стороне С2Н4, то–параллельно стороне СН4 и т.д. Рассматриваемый метод не только наглядно показывает «место»дефекта, но и позволяет наблюдать за траекторией его развития, когда через определенное время делается несколько ХАРГ и получаемые точки последовательно наносятся на треугольника.
Как уже говорилось ранее, один из недостатков методов соотношения газов заключается в том, что некоторые результаты могут выходить за пределы стандартных значений, и в этом случае невозможно провести какую-либо диагностику (неинтерпретируемые диагностически результаты). Этого не происходит с методом треугольника Дюваля, поскольку он представляет собой «замкнутую систему». Этот метод всегда выдает диагностические результаты, причем с низким процентом ошибочных результатов. Действительно, согласно некоторым опубликованным отчетам, метод треугольника Дюваля обеспечивает более точные и последовательные диагностические результаты, чем любой другой метод, доступный в настоящее время.
Краткие выводы по методам диагностики
Наиболее важной особенностью методов диагностики, используемых для анализа растворенных газов, является возможность правильно диагностировать зарождающиеся и развивающиеся повреждения в контролируемом трансформаторе. С учетом этого факта, основные методы интерпретации результатов анализа растворенных газов, рассмотренные в данной статье, обобщены на рис. 12, а их точность показана на рис. 13, которая оценивалась с использованием базы данных МЭК о проверенных отказах трансформаторов, а также различных других отчетов.
Заключение
В данной статье мы представили диагностические инструменты анализа растворенных газов, которые позволяют получить результаты, указывающие на конкретный вид повреждения, которое уже возникло или может возникнуть в трансформаторе. Затем эта информация может использоваться для определения соответствующего плана эксплуатационных мероприятий в отношении данного конкретного трансформатора. Например, некоторые повреждения можно рассматривать как менее серьезные, чем другие, и, возможно, разрешить дальнейшую эксплуатацию трансформатора, не предпринимая немедленных действий по выводу его из работы и отключению питания.
Понимание существующих методик диагностики, используемых для анализа растворенных газов, может дать явные преимущества, особенно когда на вооружение берутся различные методы. Однако, если конечный пользователь хочет провести анализ проб масла и получить правильные результаты, то для того, чтобы правильно использовать обсуждаемые методы и способы, они должны быть полностью понятны.
Основная задача анализа растворенных газов, растворенных в масле, состоит в том, чтобы правильно диагностировать повреждение, которое может возникнуть. Некоторые диагностические инструменты могут работать лучше других, поэтому при включении их в процедуры анализа растворенных газов важно учитывать самую актуальную информацию.
Мы представили и обсудили наиболее распространенные методы анализа данных о растворенных газах для интерпретации возможных видов повреждений, включая метод основного газа, соотношения Дорненбурга, соотношения Роджерса, соотношения МЭК, треугольник Дюваля и методы СИГРЭ. Имейте в виду, что многие из этих методов могут выдавать противоречивые диагностические результаты для одной и той же пробы масла, а некоторые результаты, полученные по методам соотношений (Дорненбурга, Роджерса и МЭК), могут оказаться неинтерпретируемыми (не иметь диагностического результата). При использовании метода треугольника Дюваля такого не происходит. Как уже было описано ранее, два независимых исследования показали, что метод треугольника Дюваля в 96 процентах случаев приводил к правильному результату определения вида повреждения трансформатора, несмотря на то что данный метод имел более высокий процент ошибок в диагностике, чем метод соотношений Дорненбурга, он имел нулевой процент ошибок для неинтерпретируемых диагностических результатов.
Перспективы в будущем
Представленные методы диагностики, применяемые на сегодняшний день для анализа растворенных газов, используют концентрации или соотношения концентраций растворенных в масле газов, основанные на практическом опыте различных экспертов, а не на количественных данных. Сейчас, учитывая наличие большого количества данных анализа растворенных газов, исследователи мотивированы разрабатывать альтернативные подходы только к интерпретации результатов анализа растворенных газов. К этим различным или альтернативным подходам относятся методы искусственного интеллекта (ИИ), нечеткая логика и методы нейронных сетей.
Последние разработки модели ИИ на основе комбинации методов основного газа, соотношений Дорненбурга, соотношений Роджерса и треугольника Дюваля, позволяют получить представление о будущих направлениях работы, как показано на рис. 14. Подходы с использованием ИИ обеспечивают получение более точных и достоверных результатов диагностики трансформаторов по сравнению с использованием только одного из методов: метода основного газа, метода соотношений Дорненбурга, метода соотношений Роджерса или метода треугольника Дюваля. Однако, несмотря на то что большинство подходов ИИ могут диагностировать повреждения с высокой точностью, некоторые из них не могут различать тепловые повреждения в масле и те же самые повреждения в целлюлозе, поэтому инженерная оценка по прежнему актуальна.
