К концу 1960-х годов стало возможным использовать газовый хроматограф как намного более чувствительный инструмент для определения запаха трансформаторного масла. Пионеры, такие как Р. Р. Роджерс и Э. Дорненбург, поняли, что опасные газы в масле возникают из-за пробоя твердой и жидкой изоляции, и интуитивно пришли к фундаментальному принципу анализа растворенных газов в трансформаторе (выделенная колонка снизу). Они собрали данные анализа растворенных газов и выдвинули идеи: (а) для выявления проблем, (б) оценки их степени тяжести и (в) определения общего характера проблемы.
Фундаментальный принцип анализа растворенных газов в трансформаторе
Трансформатор спроектирован таким образом, чтобы в процессе нормальной работы не происходило повреждения его внутренней изоляции. Поэтому, если количество побочных продуктов, растворенных в масле, образующихся в процессе ухудшения свойств изоляции, увеличивается (сверх той величины, которая ожидается в результате нормального старения), это означает, что с трансформатором не все в порядке.
Полезные краткие сведения по интерпретации результатов анализа растворенных газов на основе предельных значений были опубликованы Хэмриком в журнале NETA World.
Основанное на пятидесятилетнем опыте промышленного использования и сбора данных, а также на широкой доступности компьютеров, повторное исследование вопроса анализа растворенных газов в трансформаторе с точки зрения физической химии и современной статистики вдохнуло новую жизнь в этот предмет исследования. В настоящей статье описываются важные достижения в этой области. На примере показано, как они позволяют улучшить процедуру обнаружения повреждений и предоставить новую информацию для оценки рисков.
Для выявления проблем были установлены предельные значения концентрации газа и скорости ее увеличения, основанные на разумном предположении, что необычно высокая концентрация или скорость изменения опасного газа должны быть признаком неисправности. Для оценки степени тяжести использовались дополнительные предельные значения и соображения, касающиеся скорости увеличения, чтобы получить соответствующую отметку в табеле: хорошо, удовлетворительно или плохо, выражаемую в Северной Америке в виде числовых кодов состояния от 1 (хорошо) до 4 (очень плохо). Основанный на предельных значениях подход к интерпретации результатов анализа растворенных газов за много лет был усовершенствован, и на сегодняшний момент руководящие указания по газам IEEE C57.104 и IEC 60599 считаются авторитетными источниками, где описано, как его применять. Эти руководства содержат описание методов газовых соотношений для идентификации вида повреждения, разработанные Дорненбургом, Роджерсом, Дювалем и другими учеными.
НОВЕЙШИЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ АНАЛИЗА РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ
Примерно с 2014 года несколько новых разработок расширили возможности использования и повысили эффективность интерпретации результатов анализа растворенных газов.
- Учет потерь газа. Потеря газа предусмотренная или случайная, например, в результате утечки через уплотнение ввода или воздействия воздуха на пробу для анализа растворенных газов – может быть серьезной проблемой для интерпретации результатов анализа растворенных газов, особенно если она основана на предельных значениях концентрации газа и скорости ее изменения. Полезно работать с накопленными данными, чтобы избежать упущения серьезных проблем.
- Индексы энергии повреждения для обнаружения тренда и оценки его серьезности. Известно, что некоторые опасные газы являются более показательными, чем другие. Например, этилен и ацетилен связаны с тепловыми повреждениями сверхвысокой температуры. Физическим принципом разделения опасных газов по значимости является их теплота образования в твердой или жидкой изоляции. Значения теплоты образования, взвешенные по соответствующим концентрациям газов в масле, могут использоваться для расчета нормированной энергоемкости (Normalized Energy Intensity – NEI), чтобы определить индексы энергии повреждения, используемые для построения тренда, обнаружения повреждений и оценки их степени тяжести.
- Фокус внимания на событиях, связанных с газообразованием. Рассмотрение временных интервалов, на которых индекс энергии повреждения имеет тенденцию к росту (интервалы, заключенные в рамку, на рис. 4 и 5) – это естественный и очень полезный способ проанализировать процесс образования опасного газа.
- Оценка статуса газообразования, основанная на фундаментальном принципе анализа растворенных газов. Фундаментальный принцип анализа растворенных газов дает естественное основание для ранжирования трансформаторов в зависимости от того, требуют ли они дополнительного внимания. Процессы газообразования в трансформаторе либо происходили недавно, либо нет, и там, где идет процесс образования газа, он либо более серьезный, либо менее серьезный (выделенная колонка о статусе газообразования).
Статус газообразования
1. Никакого существенного образования опасного газа никогда не происходило.
2. Образование некоторого количества опасного газа имело место, но не в последнее время.
3. Недавнее образование опасного газа в умеренном количестве.
4. Недавнее образование опасного газа в очень большом количестве.
- Приращения количества газа во время событий газообразования для идентификации вида повреждения. Треугольник Дюваля (рис. 6) является очень хорошим методом идентификации вида повреждения. При попытке определить причину образования опасного газа во время события, связанного с газообразованием, не используйте концентрации газа, которые, возможно, учитывают не относящееся к делу количество газа, присутствующее перед событием газообразования. Вместо этого используйте приращения количества газа, рассчитанные между самой ранней и самой последней пробами масла на данном временном интервале.
- Процентное изменение соотношения CO/ CO₂ для определения места ухудшения свойств бумаги. Соотношение для газообразного оксида углерода может использоваться для оценки приблизительного места повреждения, влияющего на бумажную изоляцию. Это также иногда позволяет получить раннее предупреждение о возникновении проблемы. Резкое увеличение (на 200% и более) указывает на наличие локального перегрева, влияющего на изоляцию обмотки. Меньшее увеличение указывает на то, что может быть затронута бумажная изоляция вне обмоток, например на вводе или выводах устройства РПН. Снижение может свидетельствовать об образовании CO₂ из-за общего перегрева бумажной изоляции в диапазоне невысоких температур.
- Статистика надежности, связывающая результаты анализа растворенных газов с отказом трансформатора. Вместо оценки степени тяжести с точки зрения превышения предельных значений, используйте статистическую модель распределения индекса энергии повреждения в трансформаторах, которые близки к тому, чтобы выйти из строя, для оценки воздействия предшествующего риска и риска ближайшего отказа.
ПРИМЕНЕНИЕ СТАТИСТИКИ НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ АНАЛИЗА РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ
Статистическая модель, упоминаемая в предыдущем параграфе, показывает распределение значений индекса энергии повреждения в трансформаторах, где идет процесс газообразования и которые вот-вот выйдут из строя. Модели (по одной для каждого индекса энергии повреждения) были получены на основе большой базы данных анализа растворенных газов с использованием дополнительной информацией об отказах трансформаторов. Информация, полученная с помощью модели, связывающей значения индекса энергии повреждения для углеводородного газа (NEI-HC) с повреждениями, обобщена на графике интенсивности отказов, который показан на рис. 1. Четыре вертикальные пунктирные линии (слева направо) показывают 90, 95, 98 и 99-процентные эквиваленты накопленного индекса энергии повреждения для углеводородного газа (NEI-HC) на основе большой базы данных анализа растворенных газов. Пиковая интенсивность отказов приходится примерно на 82-процентный эквивалент, однако она значительно ниже 90-процентного эквивалента, это указывает на то, что ожидание превышения 90-процентного эквивалента прежде, чем предпринять обследование, может оказаться не очень хорошей идеей!
Рисунок 1: Кривая показывает частоту отказов трансформаторов (долю оставшегося в работе оборудования) в зависимости от накопленного значения индекса энергии повреждения для углеводородного газа (NEI-HC). Вертикальные пунктирные линии показывают 90, 95, 98 и 99-процентные эквиваленты накопленного значения индекса NEI-HC на основе большой базы данных анализа растворенных газов.
Если в трансформаторе с довольно малым количеством опасного газа начинает образовываться опасный углеводородный газ, это должно немедленно вызвать беспокойство, так как связанный с этим риск отказа возрастает очень резко. По мере дальнейшего увеличения индекса NEI-HC интенсивность отказов уменьшается, указывая на то, что вопреки тому, как зачастую интерпретируют более высокие предельные значения, полученные при анализе растворенных газов, продолжающееся газообразование не обязательно означает ухудшение надежности. Это означает одно из трех:
а. что бы ни было причиной газообразования, это не очень вредно для трансформатора и может продолжаться бесконечно; или
б. в трансформаторе идет процесс газообразования, потому что он поврежден или неисправен, и следующая неисправность может привести к его отказу; или
в. имеет место нечто среднее между крайними состояниями (а) и (б).
ИССЛЕДОВАНИЕ НА КОНКРЕТНОМ ПРИМЕРЕ
Новый подход к анализу растворенных газов с использованием статистики надежности был исследован на 7200 трансформаторах в 2016 году крупной американской электроэнергетической компанией. Он работал настолько хорошо, выявляя многие ранее не обнаруженные серьезные проблемы, что энергетическая компания сразу же приняла его в качестве основной составляющей своей системы оценки состояния трансформаторов.
Чтобы увидеть, как вышеупомянутые инновационные разработки улучшают анализ растворенных газов применительно к маслонаполненным трансформаторам, рассмотрим пример трансформатора с азотной подушкой мощностью 250 МВА и напряжением 230 кВ, изготовленного в начале 1980-х годов. Уровни опасного газа в трансформаторе были обычными, за исключением постоянно высокой концентрации CO₂ в среднем около 4200 ppm (миллионых долей). Однажды в 2011 году в трансформаторе возник межвитковый дуговой разряд, и трансформатор был выведен из эксплуатации. Послеаварийный анализ неожиданно выявил очень обширное обугливание изоляционной бумаги обмоток и прокладок из прессованного картона, это говорит о том, что обмотки перегревались в течение длительного времени.
Эта проблема оставалась незамеченной в течение многих лет, поскольку периодический выброс газа системой регулирования давления азота в пространстве над поверхностью масла препятствовал росту концентрации нагретых газов (метана, этана и этилена). За исключением неизменно высоких уровней CO₂, никакие предельные значения концентрации газа или скорости ее изменения ни разу не превышались до того дня, когда трансформатор вышел из строя.
На рис. 2 показано, что концентрации водорода и углеводородного газа в трансформаторе изменялись от стабильно низких до умеренных значений с большим количеством всплесков. Концентрации метана и этана увеличились в 2008-2009 годах, но никаких предельных значений превышено не было. Эти тенденции роста изменили свое направление на обратное в 2009-2010 годах.
Рисунок 2: : Концентрации водорода и углеводородного газа
На рис. 3 показано, что уровни кислорода и CO₂ соответствовали некоторым подъемам и снижениям. Средняя концентрация CO₂ составляла около 4200 ppm (миллионных долей). Концентрация CO была переменной и всегда ниже 60 ppm.
Рисунок 3: : Концентрация газов в атмосферном воздухе и концентрация оксида углерода
Концентрация азота была неизменно очень высока, как и ожидалось для трансформатора с азотной подушкой.
Как видно из рис. 2 и рис. 3, достаточно трудно понять, что происходит, даже если построить тренд и оценить концентрацию нескольких опасных газов. С другой стороны, индексы энергии повреждения — один для масла и один для бумажной изоляции — показывают, когда образуется значимый опасный газ, и обеспечивают надежное основание для оценки степени тяжести повреждения. Сравните рис. 4 и 5 с рис. 2 и 3.
Рисунок 4: Сплошная черная линия представляет собой индекс энергии повреждения для углеводородного газа (NEI-HC), рассчитанный на основе накопленных значений концентрации газа. Пунктирная линия с символами плюса представляет собой индекс NEI-HC, рассчитанный на основе необработанных значений концентрации газа.
Рисунок 5:Сплошная черная линия представляет собой индекс энергии повреждения для оксида углерода (NEI-CO), рассчитанный на основе накопленных значений концентрации газа. Пунктирная линия с символами плюса представляет собой индекс NEI-CO, рассчитанный на основе необработанных значений концентрации газа.
На рис. 4 и рис. 5 показано, как выявляется длительный процесс образования опасного газа с помощью:
а. использования накопленных данных для частичной компенсации потерь газа;
б. отслеживания трендов индексов энергии повреждения
Необработанные (ненакопленные) значения индексов энергии повреждения отображаются серыми знаками плюс (+), а накопленные значения построены в виде сплошной линии. Интервалы, заключенные в рамку, на графике накопленного индекса энергии повреждения представляют собой события газообразования или временные интервалы, когда, по всей видимости, идет активное образование опасного газа. Очевидно, что, взглянув на беспорядочные графики, показанные на рис. 2 и рис. 3 или на необработанные цифры из лабораторных отчетов, будет трудно заметить тенденции роста накопленного индекса NEI как для углеводородного газа, так и для оксида углерода. Поскольку при взятии последней пробы наблюдается явно умеренное продолжающееся образование оксида углерода, статус газообразования для этого трансформатора будет соответствовать 3.
Для каждого из событий газообразования, показанных на рис. 4 и 5, приращения концентрации метана, этилена и ацетилена во время этого события используются для построения точки на треугольнике Дюваля (рис. 6), причем самый последний результат изображен красным знаком плюс. Выявляемым видом повреждения неизменно является T1 проблема с перегревом при температуре менее 300 °C.
Рисунок 6:Треугольник Дюваля. Каждый построенный крестик основан на приращениях (величинах прироста) метана, этилена и ацетилена во время события газообразования. Красный знак плюс обозначает самое последнее событие, связанное с газообразованием. Все указывает на устойчивое тепловое повреждение T1 (при температуре ниже 300 °C).
А как насчет соотношения CO/CO₂? В трансформаторе без потерь газа следовало бы ожидать, что интенсивное обугливание изоляции обмоток приведет к значительному увеличению (более чем на 200%) соотношения CO/CO₂ из-за быстрого образования CO.
Однако заявленная концентрация CO в исследуемом трансформаторе была стабильно очень низкой, а соотношение CO/CO₂, основанное на накопленных значениях концентрации газа, оставалось близким к 0,008 с очень небольшим отклонением. Это можно объяснить потерей CO с такой же скоростью, как он образовывался; из-за низкой растворимости CO в масле большая часть CO из масла переходила в пространство над поверхностью масла, где он выбрасывался за счет частого выпуска газа для регулирования давления. Отсутствие какого-либо предупреждения об ухудшении свойств изоляции обмоток по соотношению CO/CO₂ в этом случае является примером потенциально серьезного ухудшения чувствительности анализа растворенных газов к повреждениям из-за потери газа, даже если потеря газа частично компенсируется использованием накопленных данных.
Общий вывод из данного анализа с использованием последних достижений в области анализа растворенных газов состоит в том, что, несмотря на очень значительные потери газа из-за регулирования давления в пространстве над поверхностью масла, отклоняющееся от нормы образование опасного газа из-за повреждения этого трансформатора могло быть обнаружено за несколько лет до отказа, что повысило бы статус газообразования в трансформаторе до 3 и дало бы возможность исследовать и, возможно, минимизировать последствия теплового повреждения или по крайней мере спланировать последующую замену трансформатора. Применение предельных значений для анализа растворенных газов без учета потерь газа не позволило обнаружить возникновение проблемы в трансформаторе.
Количественные статистические результаты по состоянию на август 2010 года (за семь месяцев до отказа) показывают вероятность отказа 1,1% с индексом NEI-CO ниже 24,2; это означает, что около 11 трансформаторов из тысячи вышли бы из строя при более низком уровне накопленного индекса NEI-CO. Коэффициент опасности или расчетная временная интенсивность отказов на тот момент составляла 0,18% в год, рассчитанная путем умножения интенсивности отказов модели NEI-CO (0,1% на единицу нормированной энергоемкости NEI) на самую последнюю скорость увеличения индекса NEI-CO (1,8/год). Эти статистические данные свидетельствуют о том, что наблюдаемое образование опасного газа на сегодняшний день, недооцененное на неизвестную величину из-за потери газа, соответствует среднему показателю подверженности риску, причем этот риск постоянно увеличивается. Позволили бы только эти результаты энергетической компании избежать выхода из строя трансформатора – это еще под вопросом; однако, получив достоверное предупреждение о том, что существует некоторый риск повреждения, можно было бы подготовиться к возможной замене, и последующий отказ не был бы неожиданным.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленный анализ не учитывает и не может учитывать неизвестное количество газа, которое было потеряно и никогда не измерялось, поэтому степень тяжести и уровень риска занижены до неизвестной степени. Однако, новый подход мог бы привести к раннему обнаружению того, что в трансформаторе шел процесс газообразования и что потеря газа могла замаскировать эту проблему, на что указывают очень низкие уровни водорода и CO. Возможно, в тот момент можно было заблокировать систему регулирования давления, чтобы остановить выброс газа на достаточно длительное время, чтобы получить более точную оценку газообразования опасного газа, тренда соотношения CO/CO₂ и связанного с этим фактора опасности.
Д-р Джеймс Дж. Дукарм – основатель и руководящий научный сотрудник компании Delta-X Research Inc., г. Виктория, провинция Британская Колумбия, Канада. Являясь членом ASTM и CIGRE, а также пожизненным членом IEEE, Джим принимал активное участие в разработке и пересмотре руководящих указаний по анализу растворенных газов комитета трансформаторов IEEE C57.104, C57.139 и C57.155. Он является соавтором нескольких статей в журналах IEEE и NETA World и неоднократно выступал с докладами на отраслевых конференциях. Джим получил степень магистра математики в университете Сент-Мэри, г. Сан-Антонио, Техас, и степень доктора математики в университете Саймона Фрейзера, г. Бернаби, провинция Британская Колумбия, Канада.
