Co se to tu taví?

Podkladové informace 

Tato případová studie byla velkoryse poskytnuta skupinou Hitachi Energy Service ve Švédsku. Pecní transformátor Diii s výkonem 22 MVA, napětím 10,5 kV / 276 V (regulace napětí od 336 do 216 V), který byl po mnoho let intenzivně používán v tavírně oceli v Evropě, byl po náhlé závadě během provozu podroben kompletní sérii zkoušek. Dodavatel servisních služeb posoudil jeho elektrický a dielektrický stav. Tento typ transformátoru má během provozu sekundární vinutí připojeno externě do trojúhelníku přes vysokoproudý můstek. Pro objasnění označení vektorů je na obrázku 1 uvedeno jednoduché schéma znázorňující jeho svorky. 

Šetření 

Výpadek pecního transformátoru je pro provozovatele zničující. Ztráta energie má za následek ztrátu výroby. V tomto případě byl naštěstí na místě k dispozici náhradní transformátor. To poskytlo dodavateli servisních služeb příležitost provést několik zkoušek na vadné jednotce, včetně transformačního poměru, odporu vinutí, izolačního odporu a analýzy frekvenční odezvy (SFRA). Kromě toho byly odebrány vzorky oleje pro laboratorní analýzu rozpuštěných plynů v oleji (DGA).  

„Zkoušky transformačního poměru byly provedeny s NN buzením z VN strany. Pro měření bylo použito připojení vinutí Dd0. Zkoušky transformačního poměru byly provedeny na všech odbočkách a pro dvě fáze byly získány přijatelné hodnoty. Zkušební přístroj nebyl schopen provést měření poměru na fázi C. To mohlo být způsobeno stavem, kdy byla impedance tak nízká, že zkušební přístroj nebyl schopen vygenerovat budicí napětí nastavené pro zkoušku.  

„Výsledky transformačního poměru jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Výsledky transformačního poměru na všech pozicích odboček 

Poté byly na transformátoru provedeny zkoušky odporu vinutí. V tabulce 2 jsou uvedena měření odporu vinutí na VN straně provedená ve výrobním závodě (průměr RFAT) a v provozu.  

Tabulka 2: Měření odporu vinutí provedená ve výrobním závodě a v provozu (VN vinutí) 

Výsledky měření odporu vinutí se obvykle interpretují na základě porovnání měření provedených samostatně na každé fázi vinutí zapojeného do trojúhelníku nebo mezi dvojicemi svorek vinutí zapojeného do trojúhelníku. Porovnání lze provést také s původními údaji naměřenými ve výrobním závodě. Měření je považováno za přijatelné a není třeba dalšího šetření, pokud jsou hodnoty jednotlivých fází v rozmezí 2 % od hodnot ostatních fází u třífázových transformátorů nebo v rozmezí 2 % od udávaných továrních hodnot. Pokud jsou naměřené hodnoty mimo 2% rozsah, doporučuje se další zkoumání nebo konzultace s výrobcem transformátoru, aby se určila přijatelnost výsledků. V případě velmi nízkých hodnot odporu se však nezřídka stává, že i u zcela normálního transformátoru je naměřená hodnota mimo limit 2 %. V takových případech nemusí být tolerance měření zkušebního zařízení dostatečná k rozlišení přijatelného 2% limitu mezi měřeními [1].  

Podle normy IEEE C57.152 [2] by hodnoty nad 5 % měly být prověřeny ve srovnání s výrobními záznamy.  

„V tomto případě byly tovární hodnoty získány při teplotě 24,7 °C a měření v terénu byla provedena při teplotě 28 °C. Korekce na tovární hodnoty se provádí pomocí rovnice (1), jak je navrženo v normě [2].  

Rs = Rm ((Ts+Tk)/(Tm+Tk)) (1)  

Rs – Odpor při referenční teplotě Ts  

Rm – Odpor při měřené teplotě Tm  

Tk – 234,5 °C (měď) a 225 °C (hliník)   

Výsledky odhalují nesrovnalosti. Odpor vinutí u fáze C je problémem na pozici odbočky 1 a při změně pozice odbočky a přidání dalších částí odbočkového (nebo regulačního) vinutí se výsledky dále podstatně zhoršují. Výsledky zkoušek fáze A a fáze B jsou nepřijatelné i při vyšších pozicích odboček. Významné rozdíly pozorované u tohoto transformátoru jsou lépe patrné z grafu měření odporu (obrázek 2) a z graficky znázorněné chyby vyjádřené v % (obrázek 3). 

Diagram na obrázku 2 sice ukazuje zvýšenou hodnotu výsledků testu odporu vinutí ve srovnání s hodnotami FAT, ale nejvýznamnější je odchylka u fáze C.  

Obrázek 3: Procentuální odchylka s ohledem na měření FAT  

Obrázek 2 ukazuje, že fáze A a B se chovají podobně s rostoucí odchylkou vzhledem k měření FAT při změně pozice odbočky. Odbočky 9, 10, 11, 12 a 13 by jednoznačně měly být zváženy pro šetření, protože rozdíl je > 5 %.  

Fáze C se chová zcela odlišně a překračuje přijatelnou odchylku na všech pozicích odboček.  

Fáze A a B byly ovlivněny závadou ve fázi C, protože vinutí v provozu byla zapojena do trojúhelníku.  

Výsledky zkoušek odporu vinutí na NN straně jsou uvedeny v tabulce 3. V tabulce jsou uvedeny výsledky zkoušek pro jeden úsek NN vinutí. Ostatní úseky NN vinutí vykázaly podobné výsledky.  

Tabulka 3: Měření odporu vinutí provedená ve výrobním závodě a v provozu (NN vinutí) 

Dále se zkušební tým pokusil provést zkoušku izolačního odporu při 500 V DC; tyto výsledky jsou uvedeny v tabulce 4.  

Tabulka 4: Výsledky měření izolace získané při 28 °C  

Z transformátoru byl odebrán vzorek oleje a odeslán do laboratoře k provedení zkoušky DGA. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 5.  

Tabulka 5: Koncentrace plynu ze vzorku transformátorového oleje

Výsledky zkoušky DGA „poslední před závadou“ nejsou reprezentativní pro problém s plynem, zejména u pecního transformátoru. Čísla spadají pod podmínku 1, jak je uvedeno ve stávajících normách. Jedná se o případ, kdy pouze on-line monitor plynu nebo náhodně odebraný vzorek oleje mohl před poruchou odhalit vznikající obloukový výboj před závadou. 

Analýza DGA po závadě ukazuje na pozici D2 v Duvalově trojúhelníku 1 a také v pětiúhelníku 1. D2 je známkou „vysokoenergetického výboje včetně oblouku“. Očekávaná kovová fúze a přítomnost uhlíkových částic v oleji.“ Tyto výsledky jsou uvedeny na obrázku 4. 

cs6-image 4.png

cs6-image 5.png

Všechny důkazy jasně ukazovaly na závadu uvnitř transformátoru. Zbývala otázka, kde? Pro lokalizaci poruchy v celkové aktivní části transformátoru byly provedeny zkoušky SFRA pomocí přístroje FRAX 101 společnosti Megger.  

Obrázek 5: Vysokonapěťový rozepnutý obvod – pozice odbočky 1 

Obrázek 6: Vysokonapěťový rozepnutý obvod – pozice odbočky 13  

Výsledky zkoušky SFRA při rozepnutém obvodu (obrázky 5 a 6) ukazují zkrat ve fázi C (modré křivky). Závada ovlivnila i další dvě fáze, což vedlo k úplné asymetrické odezvě. 

Obrázek 7: Vysokonapěťová zkratová zkouška

Výsledky VN zkratové zkoušky SFRA potvrzují, že v tomto transformátoru je ovlivněna fáze C, ale také že tato poškozená fáze ovlivňuje odezvu fází A a B.  

„Nebylo pochyb o tom, že před uvedením transformátoru do provozu je třeba provést rozsáhlé práce. Za účelem vyhodnocení rozsahu poškození zjištěného touto sérií zkoušek nařídil vlastník zařízení interní kontrolu.  

„Při kontrole byla zjištěna závada na regulačním vinutí fáze C, jak je znázorněno na obrázku 8.  

„Vinutí fází A a B ani jádro nebyly poškozeny. 

Obrázek 8: Regulační vinutí fáze C podle nálezu při vizuální kontrole  

Vlastník zařízení se rozhodl nechat jednotku opravit. Jednotka byla odvezena do opravny výrobce k úplné renovaci. Opravená jednotka byla opět uvedena do provozu.  

Hlavní příčina selhání není stoprocentně jasná. Tento pecní transformátor byl po mnoho let intenzivně používán a často se zapínal na plný výkon a znovu vypínal. Stav transformátoru nebyl před vznikem závady nikdy důkladně prozkoumán. 

Poznatky 

Během životnosti výkonového nebo distribučního transformátoru je téměř nemožné zabránit přechodným jevům a poruchám, které mohou vážně poškodit aktivní část transformátoru.  

„Po mnoha letech provozu, zejména u pecních transformátorů, je výhodné důkladně zhodnotit jejich provozní stav. U transformátorů, které jsou delší dobu v provozu, může být nutné upravit provozní profil tak, aby byl transformátor stále schopen odolávat provoznímu namáhání.  

1. „Po závadě je třeba zvážit několik opatření. Pokud byla porucha způsobena mimo transformátor, izolujte ho od systému a demagnetizujte ho. Odstraňte zbytkovou magnetizaci v jádře, abyste umožnili smysluplnou interpretaci výsledků zkoušek střídavého proudu, zejména zkoušek SFRA, buzení a transformačního poměru.  
2. Pokud je závada interní, použijte postupy nízkoenergetických zkoušek. Ujistěte se, že jsou z transformátoru odstraněny hořlavé plyny.  
3.  
4. „Elektrické a dielektrické zkoušky v této případové studii potvrdily, že vinutí fáze C kriticky selhalo a že jednotka nemohla být znovu uvedena do provozu bez opravy. Během zkoušek a opravy vadné jednotky byla nasazena náhradní jednotka, aby se minimalizovaly prostoje.  
5. „Poškození tohoto transformátoru mohlo být identifikováno pouze pomocí SFRA. Další zkoušky nálezy podporují a pomáhají určit možnou příčinu závady. 

Přínosy 

Po závadě je vždy nutné provést kombinaci nízkoenergetických zkušebních postupů. Dostupnost vybavení pro zkoušky SFRA na místě a záznamy měření ze zkoušek SFRA umožňují rychlé určení poruchy a jejího umístění. Další postupy pomáhají ověřit a vyhodnotit rozsah poškození.  

„Odběr vzorků oleje je vhodné provádět v případě, když aktivní poruchový stav trvale ovlivňuje běžný provoz transformátoru. Poruchy však mohou být rychlé a intenzivní, takže obsluha nemá čas zabránit poškození transformátoru. Průběžný odběr vzorků pro zkoušku DGA se doporučuje zejména u vysoce zatížených transformátorů, jako je tomu v případě tohoto pecního transformátoru.  

„Pro vlastníka průmyslového majetku je ztráta dodávky elektrické energie přímo úměrná finančním ztrátám a neobnovitelné produkci. V tomto případě byla k dispozici náhradní jednotka a prostoje byly minimalizovány.  

„Buďte proaktivní, ne reaktivní. Uchovávejte si základní záznamy o výsledcích továrních a běžných zkoušek vašeho zařízení a ujistěte se, že je vaše sada nástrojů pro testování elektrických zařízení vybavena správnými nástroji, zejména přenosným přístrojem pro zkoušky SFRA, jako je FRAX 101 od společnosti Megger.  

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY  

[1] „Servisní příručka k transformátoru – 4. vydání“ (ABB, 2018, strana 189)  

[2] IEEE C57.152-2013 „Příručka pro diagnostické provozní zkoušky výkonových transformátorů, regulátorů a reaktorů s kapalinovou náplní“. 

Odkazy na produkty 

TTRU3

TRAX

FRAX