Неисправности трансформатора – обнаружение и ремонт
Тематическое исследование: неисправности трансформатора, их обнаружение и ремонт с последующей дегазацией, контролируемой в реальном времени с помощью автоматической системы мониторинга работы трансформаторов DGA.
Аннотация. В статье рассматривается тематическое исследование трансформатора 400 МВА 400/120/21 кВ, установленного и введенного в эксплуатацию на подстанции 400/110 кВ в Финляндии в 2003 г. Этот трансформатор с естественной циркуляцией масла и естественной циркуляцией воздуха имеет систему свободного дыхания, которое обеспечивается силикагелевым осушителем. В нём содержится минеральное масло.
У трансформатора было обнаружено газовыделение с обнаруженными, и позже устраненными, неисправностями. Дегазация была проведена, чтобы увидеть, существует ли еще активная неисправность, которая производит газы, скрытые газами от предыдущих уже устраненных неисправностей. Трансформатор был оснащен прототипом мультигазового DGA-монитора Vaisala, который работал как в процессе дегазации, так и в последующие месяцы.
История появления проблемы с газами до дегазации.
Газообразование началось в 2005 году и возрастало до 2010 года. После анализа растворенного газа (DGA – dissolved gas analysis) был обнаружен высокотемпературный термический сбой. Однако первые электрические измерения в ноябре 2010 года не выявили ничего существенного. Неисправность все еще имело место, а производимые газы демонстрировали тенденцию к росту до 2013 г. На этот раз газы начали возрастать быстрее и повторное измерение сопротивления постоянному току выявило проблему с фазой 110 кВ 2а. Неисправность была локализована на 110 кВ между втулкой и главным контактом на выходе обмотки. Неисправный фазовый контакт 110 кВ 2а был отремонтирован в августе-сентябре 2013 года.
Рис. 1. Неисправный главный контакт ввода-вывода 110 кВ 2а до и после ремонта.
Производимые газы уменьшались до февраля 2014 года и снова начали медленно расти до апреля 2014 года. После этого газы начали быстро возрастать и измерение сопротивления постоянному току позволило локализовать проблему до фазы 110 кВ 2с. Неисправность снова возникла на стороне 110 кВ между вводом и главным контактом выходного отверстия обмотки, и эти неисправности были устранены в июне 2014 г.
Рис. 2. Неисправность главных контактов вводов и обмоток 110 кВ 2b и 2c до и после ремонта.
После последнего ремонта трансформатора уровни неисправного газа были относительно высокими. Чтобы увидеть, была ли еще активная неисправность, дегазация трансформатора была запланирована на ноябрь 2015 г. Фактический процесс дегазации был запущен сервис провайдером.
DGA монитор.
За две недели до проведения дегазации трансформатор был оснащен новым онлайн-монитором DGA, который забирает масло для анализа из нижнего клапана отбора и возвращает его в верхний клапан. В этом мониторе газы извлекаются из масла с помощью вакуума и анализируются в оптическом инфракрасном (ИК) измерительном модуле. Водород и влажность измеряли в масляной фазе перед вакуумной экстракцией.
Поскольку новый онлайн-монитор DGA все еще находился в стадии разработки, он не был подключен к централизованной системе мониторинга утилиты, а работал дистанционно с помощью Vaisala R&D через 3G-модем. Средний цикл измерения был установлен на 90 минут, и данные мониторинга считывались и записывались без какой-либо фильтрации или усреднения. Фактический процесс дегазации начался 17 ноября и закончился 20 ноября. Монитор DGA работал нормально во время процесса дегазации, а также в последующие месяцы, чтобы увидеть, как газы из бумаги, пропитанной маслом, оказались в общем объеме масла.
Рис. 3. Трансформатор 400 МВА с прототипом онлайн-DGA-монитора Vaisala (красный круг).
Дегазация.
В процессе дегазации объем масла 100 кубических метров обрабатывался примерно 3 раза при 80 °С в течение 3 дней, когда трансформатор не работал. Процесс уменьшил количество газа в нефти до одной десятой, что было подтверждено как отдельными измерениями газа, так и давлением всех растворенных газов. Температура окружающей среды варьировалась от 0 до 10 °C во время процесса дегазации.
Результаты и обсуждение.
Количество углекислого газа в масле начало резко увеличиваться после завершения процесса дегазации, основным источником которого, вероятно, был атмосферный воздух. Также уровень этилена увеличился. Тем не менее, он стабилизировался в течение двух месяцев после небольшого увеличения. Контрольные методы подтвердили увеличение. На данный момент неясно, связано ли увеличение количества углекислого газа и этилена с тем, что газ «хранился» в бумаге и высвобождался для формирования равновесия между объемом бумаги, пропитанной маслом и объёмом всего масла, или существует только горячая точка.
Можно ожидать, что приблизительно 7-10% концентрации до дегазации восстановятся в масле в течение следующих дней или недель после процесса дегазации. Это связано с тем, что газы в масле пропитаны бумагой, но не прошли обработку. Количество может несколько варьироваться в зависимости от отношения твердой изоляции к массе масла. В этом случае соотношение было известно. Тем не менее, из измеренного уровня этилена мы можем сделать вывод, что он увеличился с примерно в два раза в течение 6 недель после дегазации и затем стабилизировался.
Другие газы, кроме углекислого газа, оставались на стабильном уровне в течение зимы 2015-2016 гг. В марте уровень этилена снова начал расти, и в мае 2015 года его уровень даже снизился. Эта тенденция к выделению газа из этилена может быть связана с внутренними воздействиями трансформатора, так как он появляется одновременно с повышением верхнего уровня температуры масла.
Использовалось 4 различных метода анализа, из которых один традиционный лабораторный анализ, один автономный метод, один коммерческий онлайн-монитор и прототип VGA для онлайн-DGA. Хотя в результатах были явные различия, величина уровней газа была постоянной. Все методы также подтвердили, что в течение следующего года после дегазации наблюдалось значительное повышение уровня некоторых газов. Одно устройство вышло из строя, поэтому результаты не были доступны сразу после дегазации, пока оно не было отремонтировано. Также были некоторые отличия в параметрах газа.
Удивительно, но общее давление газа в масле не достигло равновесия с атмосферным давлением даже спустя почти год после дегазации. Хотя это свободно дышащий трансформатор, диффузия газа через длинную трубу между резервуаром и консерватором происходила очень медленно при низких температурах. Кроме того, небольшая нагрузка сохраняла уровень масла в консерваторе стабильным.
На данный момент неясно, каковы причины повышения уровня газа даже при довольно низкой нагрузке и температуре. Если посмотреть на треугольник Дюваль, измеренные онлайн-данные указывают на неисправность T3 при высокой температуре. В то же время произошло некоторое увеличение оксида углерода и значительное увеличение углекислого газа. Причиной тому может быть бумага.
Рис. 4. Треугольник Дюваля с точкой онлайн-данных через 11 месяцев после дегазации.
Выводы.
Онлайн-мониторинг DGA во время процесса дегазации доказал, что монитор способен следить за снижением уровня газа в масле в реальном времени. Даже когда общее количество всех растворенных газов уменьшилось до одной десятой от исходного уровня, можно было легко извлечь газы из масла с помощью вакуума. Данные мониторинга ясно показывают, что дегазация не была завершена, и еще несколько дней могли бы улучшить ситуацию, и часть газов в пропитанном масле могла быть удалена.
Незавершенный процесс дегазации оставил довольно значительное количество газов в изоляции трансформатора, которые затем снова распределились по всему объему масла. Такое «извлечение» уровня газа затрудняет интерпретацию данных, измеренных после процесса дегазации. Значительное количество измеренных газов все еще осталось от более ранних неисправностей или что-то новое происходит в этом трансформаторе? Стоит ли беспокоиться или нет? Да, потому что были некоторые проблемы во время производства и монтажных работ на месте. Вот почему устройство мониторинга нескольких газов имеет важное значение для непрерывного мониторинга этого устройства с достаточной точностью и хорошей повторяемостью, что обеспечивает постоянную тенденцию изменения концентрации газа.