Мудрые мысли веков

Знание некоторых принципов легко возмещает незнание некоторых фактов.
Клод Гельвеций
Печать

Диагностика масла в силовых трансформаторах

В настоящее время результаты диагностики масла принято считать основными при анализе технического состояния силовых трансформаторов и прогнозировании причин имеющихся дефектов. Прогнозирование причин дефектов осуществляется на основании обширных экспериментальных исследований и построенных на их основе эмпирических зависимостей. Во многих  странах применяются различные методы и критерии оценки масла, и общепризнанная научно обоснованная методика пока отсутствует. В качестве исходных данных используются результаты физико-химического анализа, хроматографический анализ на содержание в масле газов, а также фуранов и другого рода примесей.

Масло в трансформаторе используется как диэлектрик и в качестве теплоносителя. Тепловизионное обследование трансформатора, это отдельная задача. Диэлектрические свойства масла исследуются путем измерения его физических характеристик. На физические характеристики масла оказывают влияние вода и присутствующие в нем газы, а также продукты распада твердой изоляции и примеси. Методики и критерии оценки масла по всем параметрам в комплексе широкого применения в практике исследований не получили из-за отсутствия  необходимой для этого функции качества. Вместе с тем, разработка такой функции, методик и критериев оценки по ней качества масла является перспективным направлением.

Достаточно полный обзор методов применяемых в диагностике масла силовых трансформаторов представлен в [1]. В соответствие с этим обзором, методикой МЭК 599, принятой в 1978 году, для анализа технического состояния масла используются отношения газов CH4/H2, C2H4/C2H6, C2H2/C2H4 и в качестве вспомогательного, для оценки старения бумаги, отношение CO2/CO. В новом стандарте МЭК 60599 добавлено отношение C2H2/H2, для оценки проникновения газов из РПН, если это возможно по конструкции трансформатора.

По методике IEEE оценка производится по трем соотношениям концентрации газов, C2H2/C2H4, CH4/H2, C2H4/C2H6, без учета предыдущих измерений и предыстории. Оценка выполняется по предельным значениям отношений. В соответствие с методикой CEGB при оценке технического состояния масла рассматриваются отношения CH4/H2, C2H6/CH4, C2H4/C2H6, C2H2/C2H4. Кроме этого существует методика Шлизингера, методика, используемая в Канаде и т.д.

В соответствие с методикой принятой в России, РД 153-34.0-46.302-00, оценка масла выполняется по CH4/H2, C2H4/C2H6, C2H2/C2H4 и дополнительно по CO2/CO. В ООО «ТестСервис» диагностика масла, в основном, производится по семи газам и семи их отношениях, приведенных ниже. Дополнительно оценка возможна по 21 отношению растворенных в масле газов.

Не смотря на то, что диагностика масла теоретически позволяет выявить до 80% возникающих в трансформаторах проблем, практически эту работу способны выполнить квалифицировано не большое количество специалистов. Обилие методик и способов оценки технического состояния масла, только подчеркивают нерешенность проблемы. Представляется, что проблему диагностики масла можно рассматривать по ряду отдельных направлений.

Первое направление рассчитано на специалистов-экспертов высокой квалификации, способных на базе имеющегося богатого практического опыта не только оценить техническое состояние масла, но и достаточно точно указать причины проблем. При этом совершенно не важна предыстория трансформатора, режимы его работы. Специалисты такого класса пользуются, как правило, методиками эмпирического характера, дополняя их интуицией и практикой исследований. Недостатком такого подхода является уникальность специалистов-экспертов.

Второе направление может быть реализовано путем определения зависимостей развития дефектов. Так как, дефекты в конструкциях трансформаторов имеют случайный характер, то закономерности их развития могут быть определены с использованием аппарата теории вероятности и математической статистики. Для решения этой задачи необходима достаточно большая статистика исследований масла. Кроме того, задача сложна из-за большого числа факторов влияющих на техническое состояние масла. Но при наличии успеха, появляется возможность составления алгоритмов и программ для автоматизации процесса диагностики трансформаторного масла.

И третий подход возможен при эксплуатации трансформатора, в основном, без нарушения допустимых режимов его работы. В этом случае, процесс разложения масла на газы является естественным. В результате исследований выполненных в «Татэнерго»  было установлено, что периодическая очистка масла от кислорода и водорода позволяет восстанавливать его первоначальные свойства. Следовательно, эксплуатация трансформаторов может выполняться, достаточно долго, и значительно более его паспортного ресурса эксплуатации. Учитывая то, что большое число трансформаторов выработали свой паспортный ресурс эксплуатации, такой подход является весьма перспективным.

Наиболее оптимальным и перспективным, является совместное развитие второго и третьего подходов в эксплуатации и диагностике трансформаторного масла. Естественно это не исключает необходимость в специалистах-экспертах высокой квалификации.

На предприятии ООО «ТестСервис» работа, связанная с диагностикой силовых трансформаторов пока по-прежнему ориентирована на специалистов-экспертов. Вместе с тем, ведется работа по сбору информации результатов диагностики масла, для последующей статистической обработки и выявления закономерностей изменений его свойств.

В настоящее время, с учетом данных последнего хроматографического анализа масла из бака и  вводов ВН трансформатора проводится обработка и сравнительный анализ результатов хроматографического содержания газов, растворенных в масле. Обработка результатов анализов производится на ЭВМ с помощью имеющегося программного обеспечения специализированной химической лабораторией. В технических отчетах представляемых заказчику, протоколы лаборатории приводятся в качестве приложения.

Обычно анализируется концентрация водорода H2, метана CH4, этана C2H6, этилена C2H4, ацетилена C2H2,  окиси углерода CO,  диоксида углерода CO2, а также отношения С2Н22Н4, CH4/H2, С2Н42Н6, С2Н22Н6, H2/CH4, С2Н2/H2, CO2/CO. Концентрации водорода, метана, этана, этилена, ацетилена, окиси углерода и диоксида углерода являются факторами или переменными функции качества масла

 F1=F1(H2, CH4, C2H6, C2H4, C2H2, CO, CO2).

 Кроме того, существует корреляция между перечисленными концентрациями газов, которая приблизительно описывается отношениями концентраций, т.е.

 F2=F22Н22Н4, CH4/H2, С2Н42Н6, С2Н22Н6, H2/CH4, С2Н2/H2, CO2/CO).

 Обозначим x1= H2, x2= CH4, x3= C2H6, x4= C2H4, x5= C2H2, x6= CO,  x7= CO2, тогда матрице вида

                                                   x11  x12   x13   x14  x15  x16  x17

                                                    x21  x22  x23  x24  x25  x26  x27

                                                    x31  x32  x33  x34  x35  x36  x37

                                                    x41  x42  x43  x44  x45  x46  x47

                                                    x51  x52  x53  x54  x55  x56  x57

                                                    x61  x62  x63  x64  x65  x66  x67

                                                    x71  x72  x73  x74  x75  x76  x77

 соответствует матрица отношений концентраций газов xi/xjвида:

xi/xj

H2

CH4

C2H6

C2H4

C2H2

CO

CO2

H2

1

H2/CH4

H2/ C2H6

H2/ C2H4

H2/ C2H2

H2/ CO

H2/ CO2

CH4

CH4/ H2

1

CH4/ C2H6

CH4/ C2H4

CH4/ C2H2

CH4/ CO

CH4/ CO2

C2H6

C2H6/ H2

C2H6/ CH4

1

C2H6/ C2H4

C2H6/ C2H2

C2H6/ CO

C2H6/ CO2

C2H4

C2H4/ H2

C2H4/ CH4

C2H4/ C2H6

1

C2H4/ C2H2

C2H4/ CO

C2H4/ CO2

C2H2

C2H2/ H2

C2H2/ CH4

C2H2/ C2H6

C2H2/ C2H4

1

C2H2/ CO

C2H2/ CO2

CO

CO/ H2

CO/ CH4

CO/ C2H6

CO/ C2H4

CO/ C2H2

1

CO/ CO2

CO2

CO2/ H2

CO2/ CH4

CO2/ C2H6

CO2/ C2H4

CO2/ C2H2

CO2/ CO

1

Соотношения концентраций газов выделенные цветом являются факторами функции F2 и их предельные значения определены. В тоже время CH4/ H2 и H2/CH4 дублируют друг друга. Учитывая, что элементы верхней треугольной матрицы является обратными к элементам нижней треугольной матрицы, то можно рассматривать лишь отношения лежащие ниже главной диагонали. Тогда отношение  H2/CH4 из F2 можно исключить. Соотношения газов не входящие в качестве факторов в функцию F2  также могут быть приняты во внимание при анализе, если учесть предельные значения самих газов. Ниже приведена таблица значений хроматографического анализа масла из бака трансформатора, взятого в качестве примера. В этой же таблице имеются предельные значения концентраций рассматриваемых газов.

 Хроматографический анализ масла из бака трансформатора

Газ

Н2

СН4

С2Н6

С2Н4

С2Н2

СО

СО2

водород

метан

этан

этилен

ацетилен

окись

углерода

двуокись

углерода

Норма, % об.

0,01

0,01

0,005

0,01

0,001

0,06

0,8

Кон­центра­ция, % об.

0,00616

0,01984

0,01413

0,07018

0,00085

0,02599

1,00481

Превыше­ние, о.е.

0,616

1,984

2,826

7,018

0,85

0,4332

1,256

Характер

малое со­держа­ние

высокое содержа­ние

высокое содержа­ние

основной газ

малое содержа­ние

малое содержа­ние

высокое содержа­ние

 Предельные значения отношений перечисленных газов ниже главной диагонали можно свести в таблицу.

 Предельные значения отношений газов в масле трансформатора

Отношение газов

CH4/ H2

C2H6/ H2

C2H4/ H2

C2H2/ H2

CO/ H2

CO2/ H2

CO/ C2H2

Предельное значение

1,0

0,5

1,0

0,1

6,0

80,0

60,0

 

Отношение газов

C2H6/ CH4

C2H4/ CH4

C2H2/ CH4

CO/ CH4

CO2/ CH4

C2H4/ C2H6

CO2/ C2H2

Предельное значение

0,5

1,0

0,1

6,0

80,0

2,0

800,0

           

Отношение газов

C2H2/ C2H6

CO/ C2H6

C2H2/ C2H4

CO/ C2H4

CO2/ C2H4

CO2/ C2H6

CO2/ CO

Предельное значение

0,2

12,0

0,1

6,0

80,0

160,0

13,333

 С помощью хроматографического анализа растворенных газов в трансформаторах можно обнаружить две группы дефектов.

Группа 1.  Перегревы токоведущих соединений и элементов конструкции остова. Основные газы: С2Н4 – в случае нагрева масла и бумажно-масляной изоляции выше 600 0С или С2Н2 – в случае перегрева масла, вызванного дуговым разрядом. Характерными газами в обоих случаях являются: H2, СН4 и С2Н6.

Перегрев токоведущих соединений возможен по следующим причинам:

  • нагрев и выгорание контактов переключающих устройств;
  • ослабление и нагрев места крепления электростатического экрана;
  • обрыв электростатического экрана;
  • ослабление винтов компенсаторов отводов низкого напряжения, НН;
  • ослабление и нагрев контактных соединений отвода НН и шпильки проходного изолятора;
  • нарушение пайки элементов обмотки;
  • замыкание параллельных и элементарных проводников обмотки и др.

 Перегрев металлических элементов конструкции остова возможен:

  • при неудовлетворительной изоляции листов электротехнической стали;
  • из-за нарушения изоляции стяжных шпилек или накладок, ярмовых балок с образованием короткозамкнутого контура;
  • общим нагревом и недопустимыми местными нагревами от магнитных полей рассеяния в ярмовых балках, бандажах, прессующих кольцах и винтах;
  • неправильным заземлением магнитопровода;
  • нарушением изоляции амортизаторов и шипов поддона реактора, домкратов и прессующих колец при распрессовке и др.

Группа 2. Электрические разряды в масле. Электрические разряды в масле могут быть разрядами большой и малой мощности. При частичных разрядах основным газом является H2, характерными газами с малым содержанием - CH4 и С2Н2. При искровых и дуговых разрядах основными газами являются H2 или С2Н2, а характерными газами с любым содержанием - CH4 и С2Н4.

Превышение граничных концентраций CO и CO2 может свидетельствовать об ускоренном старении и/или  увлажнении твердой изоляции. При перегревах твердой изоляции основным газом является диоксид углерода. Основные (ключевые) газы – наиболее характерные для определенного вида дефекта перечислены ниже.

Дефекты электрического характера:

  • водород – частичные разряды, искровые и дуговые разряды;
  • ацетилен – электрическая дуга, искрение.

Дефекты термического характера:

  • этилен – нагрев масла и бумажно-масляной изоляции выше 600 0С;
  • метан – нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур (400-600) 0С или нагрев масла и бумажно-масляной изоляции, с сопровождающимися разрядами;
  • этан – нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур (300-400) 0С;
  • оксид и диоксид углерода – нагрев твердой изоляции.

Вид и характер развивающихся дефектов определяется, кроме того, по соотношению концентраций следующих  газов: H2, СН4, С2Н2, С2Н4 и С2Н6.

Соотношение пар растворенных в масле трансформатора газов

Соотношения пар газов

С2Н22Н4

CH42

С2Н42Н6

С2Н22Н6

H2/СН4

С2Н2/H2

CO2/СО

0,01211

3,2208

4,9667

0,0602

0,3105

0,1379

38,6614

 

При этом рекомендуется использовать такие результаты анализа растворенных газов, в которых концентрация хотя бы одного из них была больше соответствующего граничного значения в 1,5 раза. Вид развивающихся в трансформаторах дефектов (тепловой или электрический) можно ориентировочно определить по отношению концентраций пар из четырех газов: H2, СН4, С2Н2, С2Н4.

Если   и  условие, то прогнозируется электрический «разряд», а при соотношениях  условие и условие , вероятной причиной является тепловой «перегрев». Если при этом концентрация СО < 0,05% об., то прогнозируется «перегрев масла», а если концентрация СО > 0,05% об., – «перегрев твердой изоляции».

Условия прогнозирования наличия «перегрева» и «разряда» одновременно:

 условие

или

 условие

Отношение CO2/CO дополнительно уточняет характер дефектов:

  • если повреждением не затронута твердая изоляция, то 5 ? CO2/СО ? 13 ;
  • если повреждением затронута твердая изоляция, то CO2/СО < 5 или CO2/СО > 13.

В соответствие с прогнозом хроматографического анализа по методике РД 34.46.303-00, для приведенного примера, присутствуют следующие признаки:

группа дефектности -1, (перегрев конструкций, токоведущих соединений), да;

группа дефектности -2, (электрические разряды в масле), нет.

  • вид дефекта                                                                                         перегрев;
  • дефект электрического характера                                                              нет;
  • дефект термического характера                                                                   да;
  • твердая изоляция                                                                               затронута;
  • основной газ                                                                                            этилен;
  • расчетная температура в зоне нагрева 7000С, (РД34.46.302-89).                         

Степень точности прогноза  по РД 34.46.303-00 - достаточная для диагностики концентрация газов.Ниже приведены графики концентрации водородосодержащих и оксидных газов в относительных к предельной норме единицах, для приведенного примера диагностики.

                                           

Содержание растворенных в масле газов

Содержание растворённых в масле газов

Содержание растворённых в масле газов

Красной линией обозначена граница предельного содержания растворенных в масле газов. Ниже приведены графики соотношений пар растворенных в масле трансформатора газов.

В соответствии с новой методикой РГ СИГРЭ 15.01, отношение С2Н42Н6 (этилен/этан) представляет собой отношение ненасыщенных углеводородов к насыщенным углеводородам и выявляет термические воздействия. Обычно его значение должно быть больше единицы. Ненасыщенные углеводороды образуются главным образом при перегревах масла, что подтверждается значением анализа по С2Н4.

Отношение С2Н22Н6 считается ключевым для определения электрических разрядов. Если эта величина больше единицы, то дефект присутствует. Результаты анализа наличие электрических разрядов не подтверждают.

Если отношение H2/CH4 больше десяти, то это указывает на наличие частичных разрядов в масле. Результаты анализа это явление отрицают. При значениях С2Н2/H2 равным двум и более и концентрации С2Н2 не менее 0,00003 отн.ед.,  означает проникновение газов из РПН в общий бак. В данном случае этот процесс отсутствует.