Překlenutí mezery v online monitorování DGA
Souhrn
Včasné odhalení závad a jasné posouzení jejich závažnosti jsou zásadní pro stanovení priorit údržby a prevenci poruch transformátorů. Přestože je analýza rozpuštěných plynů (DGA) preferovanou metodou detekce poruch a diagnostiky, řešení pro online monitorování jsou často buď příliš nákladná, nebo mají příliš omezenou diagnostickou hodnotu, což brzdí rozvoj konceptu inteligentních sítí, v rámci kterého lze všechny klíčové transformátory v síti monitorovat v reálném čase pomocí centrálního softwaru.
Tento článek představuje nákladově efektivní strategii online monitorování využívající vodík (H₂), acetylen (C₂H₂) a rozpuštěnou vlhkost. Tato strategie je podložena zavedením spektroskopie s laditelným diodovým laserem pro přesné měření acetylenu při monitorování transformátorů. Zatímco vodík umožňuje včasnou detekci v širokém rozsahu, acetylen signalizuje poruchy s vysokou energií a vlhkost odráží rizika související s izolací a dielektrikem. Uvedená strategie, podložená termodynamickými principy tvorby plynů a daty z terénu, dosahuje silného diagnostického pokrytí, které není možné u metod založených pouze na vodíku, kombinaci vodíku a oxidu uhelnatého nebo monitorování směsi plynů.
1. Úvod
Neočekávané poruchy transformátorů mohou vést k výpadkům proudu, poškození zařízení a nákladným opravám. Laboratorní analýza plynů rozpuštěných v oleji (DGA) prováděná offline sice zůstává u transformátorů v provozu standardní metodou pro posuzování stavu aktivních částí v oleji a pro diagnostiku poruch, online monitorování DGA je již provozovateli transformátorů – a stále častěji i pojišťovnami – považováno za nezbytné pro zachování spolehlivosti vysokonapěťových elektrických soustav. Důvodem je skutečnost, že v prostředí digitálních energetických soustav nabízí online analýza DGA výhody, které doplňují tradiční laboratorní testování, zejména pokud jde o detekci rychle se rozvíjejících poruch, k nimž dochází v období mezi pravidelným odběrem vzorků oleje při odstávkách.
Již první online systémy z 90. let 20. století prokázaly hodnotu nepřetržitého monitorování, jejich konstrukce se však obecně soustředila na využití vodíku jako hlavního indikátoru pro detekci anomálií.
Za účelem rozšíření rozsahu diagnostiky, včetně možnosti detekce a sledování vývoje koncentrace acetylenu jako plynu s nejvyšším rizikem, byly později vyvinuty online monitorovací systémy pro více plynů, které poskytují podrobný přehled o typech a závažnosti poruch. Ačkoli jsou považovány za zlatý standard, jejich cena a složitost ztěžují jejich široké nasazení, zejména v případě rozsáhlých skupin nebo vzdálených zařízení.
Pro dosažení širšího pokrytí a snížení rizik na úrovni celé skupiny zařízení nasadilo mnoho provozovatelů jednodušší monitory (jednoplynové, dvouplynové nebo pro více plynů). Tento přístup však přináší několik výzev:
- Falešné alarmy způsobené tvorbou vodíku bez poruchy (náhodné úniky plynu, stárnutí oleje nebo chyby při odběru vzorků) [3].
- Nejednoznačná interpretace oxidu uhelnatého (CO), jelikož CO může vznikat jak při neškodné oxidaci oleje, tak při kritickém rozkladu celulózy [4].
- Pozdní nebo zcela opomenuté odhalení závažných elektrických poruch v případě, že nejsou monitorovány plyny způsobující elektrický oblouk, jako je například acetylen.
Kromě toho směs plynů zakrývá chování jednotlivých plynů, což brání jasné diagnostice poruchy.
Provozovatelé transformátorů proto stále častěji vyžadují:
- Včasné varování před vznikajícími situacemi, které by mohly vést k fatálnímu selhání, aby provozovatelé mohli rozhodnout, zda je třeba vyslat vyšetřovací a údržbářské týmy v nouzovém režimu, či nikoli; a
- Cenovou dostupnost a jednoduchost, které umožňují monitorování většího počtu transformátorů.
Jinými slovy, provozovatelé transformátorů potřebují: Účinnost, spolehlivost a cenovou dostupnost řešení pro monitorování pomocí analýzy rozpuštěných plynů.
2. DGA – souvislosti a diagnostické zásady
Analýza plynů v transformátorovém oleji (DGA) vychází z principu, že elektrické a tepelné namáhání uvnitř transformátorů způsobuje rozklad izolačních materiálů – jak olejové, tak pevné izolace – a vede k uvolňování plynů, které jsou charakteristické pro daný typ a závažnost poruchy.
2.1 Původ a význam rozpuštěných plynů
Každý plyn má svou diagnostickou hodnotu, jak je uvedeno v tabulce 1.
| Plyn | Zdroj plynu | Diagnostický význam |
|---|---|---|
| Vodík (H₂) | Nízkoenergetické zahřívání, částečné výboje, obloukové výboje, plyny vznikající přirozeným stárnutím (parazitní tvorba plynů) atd. | Včasné varování, ale málo specifické |
| Acetylen (C₂H₂) | Oblouky, vysokoenergetické výboje | Jasný indikátor závažných elektrických poruch / vysokých teplot |
| Metan (CH₄) | Nízkoenergetické tepelné poruchy | Kontext pro tepelné poruchy |
| Etan (C₂H₆) | Střední přehřívání | Kontext pro tepelné poruchy |
| Etylen (C₂H₄) | Vysokoteplotní tepelné poruchy | Kontext pro závažné přehřívání |
| Oxid uhelnatý (CO) | Degradace papíru, oxidace oleje | Indikátor stárnutí izolace (náchylný k falešně pozitivním výsledkům) |
| Oxid uhličitý (CO₂) | Degradace oleje/papíru, oxidace | Indikátor stárnutí izolace |
| Kyslík (O₂) / Dusík (N₂) | Vniknutí vzduchu | Detekce netěsností a atmosférická kontaminace |
2.2 Termodynamické základy tvorby poruchových plynů
Vznik plynů v transformátorech souvisí s termodynamickým rozkladem izolačních materiálů při různých úrovních namáhání. Obrázek 1 vysvětluje základní mechanismy, jejichž prostřednictvím různé množství energie vede ke vzniku konkrétních plynů.
Zjednodušený termodynamický model tvorby plynů popsaný na obrázku 1 potvrzuje, že:
- H₂ a CH₄ vznikají při relativně nízkých teplotách aktivace.
- C₂H₆ a C₂H₄ vyžadují vyšší energii, což je typické pro mírné přehřívání.
- Tvorba C₂H₂ vyžaduje nejvyšší energetický vklad, což přímo souvisí s obloukovým výbojem a poruchami s vysokou energií.
| Energetická úroveň | Tvorba plynů | Typický druh poruchy |
|---|---|---|
| Nízká (Korona, ČV) | H₂, CH₄ | Částečné výboje, parazitní plyny |
|
Střední (přehřívání, horká místa) |
C₂H₆, C₂H₄, CH₄ | Tepelné poruchy (T1, T2) |
|
Vysoká (oblouky, závažné přehřívání) |
C₂H₂ |
Oblouky, vysokoenergetické výboje a tepelné poruchy (T3) |
Ačkoli všechny plyny a poměry mezi některými z nich poskytují diagnostické informace, pro včasné odhalení závažných poruch jsou nejdůležitější H₂ a C₂H₂. Z obrázku 1 a tabulky 2 je patrné, že vodík a acetylen jsou dva hlavní plyny, které se vyskytují v souvislosti s elektrickými poruchami a vysokými teplotami.
Vlhkost, ačkoli se nejedná o plyn, hraje významnou roli při posuzování stavu izolace a při předpovídání rizika selhání dielektrika.
2.3 Důvody pro monitorování H₂, C₂H₂ a vlhkosti
Zaměření na H₂, C₂H₂ a rozpuštěnou vlhkost reaguje na potřebu provozovatelů mít k dispozici monitorovací strategii, která umožňuje snižovat rizika na úrovni celé skupiny zařízení a stanovovat priority při vyšetřování a údržbě. Toho lze dosáhnout detekcí anomálií a vyhodnocením závažnosti poruchy, a to následujícím způsobem:
- Vodík (H₂) – univerzální včasný indikátor mnoha poruch, včetně částečných výbojů, nízkoteplotního zahřívání a méně závažné parazitní tvorby plynů (stray gassing).
- Acetylen (C₂H₂) – potvrzuje výskyt elektrického oblouku nebo vysokoenergetických výbojů s přehřátím nad ~700 °C. C₂H₂ vzniká za běžných podmínek jen zřídka, což z něj na rozdíl od jiných plynů činí rozhodující diagnostický parametr.
- Vlhkost – poskytuje informace o stárnutí izolace a riziku dielektrického průrazu nebo tvorby bublin při teplotním namáhání.
Díky kombinaci včasné detekce poruch, jednoduché diagnostiky a cenové dostupnosti představuje tato metoda praktické a škálovatelné řešení pro zajištění bezpečnosti skupin transformátorů v dnešních rychle se vyvíjejících energetických soustavách.
3. Spojení teorie a praktických zkušeností
Kromě vývoje osvědčených geometrických modelů pro diagnostiku DGA vypracoval Dr. Michel Duval termodynamický model charakterizující vývoj plynů při různých teplotách a s nimi spojená namáhání. Tento model je popsán v [5] a znázorněn na obrázku 2.
V rámci samostatného výzkumu zjistila korejská výzkumná skupina [6] souvislost mezi různými stavy namáhání a pravděpodobností poruchy.
Tabulka 3 shrnuje výsledky korejské studie, tabulku C.3 „Výskyt typů poruch nebo namáhání identifikovaných pomocí DGA“ [8] a metody analýzy klíčových plynů.
|
|
| Plyny vs. porucha/namáhání | H₂ (%) | C₂H₆ (%) | CH₄ (%) | C₂H₄ (%) | C₂H₂ (%) | Pravděpodobnost poruchy (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ČV | 95 | 2 | 2 | 1 | 0 | 1 |
| S | 85 | 10 | 5 | 0 | 0 | 0 |
| T1 | 46,7 | 23,3 | 23,3 | 6,7 | 0 | 4 |
| O | 40 | 20 | 24 | 16 | 0 | 0 |
| C | 33,3 | 16,7 | 20,8 | 25 | 4,2 | 0 |
| T2 | 29,2 | 12,5 | 16,7 | 33,3 | 8,3 | 6 |
| T3 | 25 | 8,3 | 12,5 | 41,7 | 12,5 | 30 |
| D2 | 40 | 4 | 8 | 16 | 32 | 40 |
| D1 | 50,7 | 2,2 | 3,6 | 7,2 | 36,2 | 13 |
Primárním závěrem vyplývajícím z tabulky je, že dva plyny – acetylen a vodík – jsou konzistentně spojeny se všemi dokumentovanými případy poruch. Ve většině případů, kdy došlo k poruchám, sloužil acetylen jako hlavní indikátor, který spolehlivě signalizoval výskyt vysoce rizikových, potenciálně fatálních poruchových stavů. Vodík poskytl doplňkovou diagnostickou hodnotu tím, že odhalil další způsoby selhání, které acetylen sám o sobě nedokázal identifikovat.
Tento poznatek podporuje vypracování diagnostické strategie popsané v části „Logika diagnostického postupu“.
4. Logika diagnostického postupu
Navrhovaná logika rozhodování pro online monitorování integruje měření H₂, C₂H₂ a vlhkosti, aby poskytovala jasné a prakticky využitelné pokyny. Navrhované prahové hodnoty a opatření jsou popsány v tabulce 4.
| Stav | Vodík (ppm) | Acetylen (ppm) | Doporučené opatření |
|---|---|---|---|
| Bez alarmu | <50 A <0,5 | Pokračovat v monitorování | |
| Nekritický alarm | >50 A <0,5 | Naplánovat laboratorní DGA | |
| Kritický alarm – možná počínající porucha způsobená elektrickým výbojem | <50 A >0,5 | Naplánovat laboratorní DGA maximálně do 24 hodin | |
| Kritický alarm – trvalá porucha* | >50 A >15 | Naplánovat naléhavou kontrolu a laboratorní analýzu DGA; připravit se na snížení zatížení nebo odstávku | |
| Kritický alarm – rychlý nárůst | >10 ppm/hod | >1 ppm/hod |
Okamžitá reakce a vyšetření; zvážit nouzové odstavení |
|
Zvýšená vlhkost v izolačním systému představuje riziko vzniku poruchy (nebo zhoršení stávající poruchy). |
|||
* Pokud v prvních letech životnosti transformátoru překročí obsah vodíku 25 ppm A SOUČASNĚ obsah acetylenu 5 ppm, doporučuje se naplánovat okamžitou prohlídku a laboratorní analýzu plynů z transformátoru (DGA); je třeba se připravit na snížení zátěže nebo odstávku.
Za běžných podmínek není třeba podnikat žádné kroky, zatímco zvýšená hladina vodíku je podnětem k provedení offline analýzy DGA pro vyšetření potenciálních nízkoenergetických poruch. Souběžný nárůst hladiny vodíku a acetylenu nebo prudký nárůst obou těchto plynů vyžaduje okamžitý zásah údržby, aby se předešlo závažným haváriím. Tento přístup umožňuje včasnou intervenci a zároveň minimalizuje zbytečné odstávky.
V kombinaci s monitorováním obsahu vodíku a acetylenu poskytuje měření vlhkosti zásadní informace o dielektrické rezervě a namáhání izolace, čímž doplňuje obraz potřebný k posouzení jak pravděpodobnosti, tak potenciální závažnosti poruch transformátorů.
5. Ekonomická analýza
Na základě technické brožury CIGRE 783 [7] poskytuje tabulka 5 přehled poměru nákladů a přínosů pro různé typy monitorovacích přístupů.
| Typ monitorování | Odhadované náklady (relativní ceny) | Pokrytí závažných poruch | Komentář |
|---|---|---|---|
| 9 plynů | $$$$ | ~95–98 % | Nejlepší diagnostika, vysoké náklady |
| Směs 4 plynů | $$ | ~80–90 % | Dobrý kompromis, ale nízká specifičnost |
| H₂ + CO | $-$$ | ~60–75 %* | Běžně používané, ale nízká specifičnost |
| H₂ | $ | ~60–75 %*,** | Před stanovením diagnózy vyžaduje offline DGA |
| H₂ + C₂H₂ (navrhováno) | $$ | ~80–90 % | Vysoký přínos a specifičnost; detekuje oblouky se stejným výkonem jako plnohodnotné diagnostické systémy. |
* Pokrytí po provedení offline testů; ** Některé energetické společnosti uvádějí pokrytí poruch pouze na úrovni 50–60 %
Tabulka 5 porovnává diagnostický rozsah a relativní náklady různých konfigurací online DGA.
Uvedené procentuální hodnoty pokrytí představují odhadovanou schopnost detekce závažných poruchových stavů na základě zveřejněných údajů a zkušeností z oboru. Úrovně nákladů jsou relativní a odrážejí běžné tržní ceny pro jednotlivé typy monitorování.
Zatímco řešení využívající pouze vodík a směs H₂ + CO umožňují základní detekci poruch s omezenou specifičností, přidání acetylenu výrazně zvyšuje schopnost identifikovat vysoce rizikové výbojové poruchy, a to bez složitosti a nákladů kompletních víceplynových systémů.
Tabulka 5 ukazuje, že rozšíření počtu a druhů monitorovaných plynů zlepšuje schopnost detekce poruch, přičemž kombinace H₂ + C₂H₂ představuje vyvážený přístup mezi detekcí poruch, diagnostickou výkonností a cenovou dostupností systému.
Příklady využití strategie monitorování vodíku, acetylenu a vlhkosti
Vzhledem k tomu, že zařízení DGA pro online monitorování se používá jak ke sledování jednotlivých transformátorů ve špatném technickém stavu, tak ke snížení rizika na úrovni celé skupiny transformátorů prostřednictvím instalace na všech kritických transformátorech bez ohledu na jejich aktuální technický stav, lze přístup založený na monitorování vodíku, acetylenu a vlhkosti zvážit v následujících případech:
- Kritické a funkční distribuční transformátory v rozvodnách – snižování rizik na úrovni celé skupiny zařízení
- Bezchybné blokové a přenosové transformátory – snižování rizik na úrovni skupiny zařízení
- Bezchybné průmyslové a jiné strategicky důležité transformátory – snižování rizik na úrovni skupiny zařízení
- Kritické, bezchybné instalace v obnovitelných zdrojích – snižování rizik na úrovni skupiny zařízení
- Transformátory vykazující tvorbu plynů, kde není vyžadována kompletní diagnostika v reálném čase – monitorování tam, kde je omezený rozpočet
6. Závěr
S tím, jak přední energetické společnosti začínají zavádět strategie snižování rizik na úrovni celých skupin zařízení u transformátorů středního výkonu, stává se stále zřetelnější potřeba vyváženého přístupu k monitorování s ohledem na poměr nákladů a přínosů.
Strategie monitorování H₂ + C₂H₂ + vlhkosti představená v tomto článku zajišťuje detekci poruch a diagnostické pokrytí, které jsou klíčové pro prevenci kritických poruch transformátorů, a to za cenu, která v konečném důsledku umožňuje nasazení v celé skupině zařízení a skutečné snížení rizik. V kombinaci s laboratorními testy oleje, které představují v oboru měřítko pro konečné rozhodování, může tento přístup přispět k zavádění pravděpodobně nejúčinnější strategie monitorování transformátorů, která je dnes k dispozici.
Spolehlivé monitorování, chytřejší ochrana
Chraňte své transformátory pomocí systému InsuLogix G2 od společnosti Megger. Využijte přesnou detekci poruch, praktickou diagnostiku a cenově dostupné monitorování celé skupiny zařízení díky našemu řešení pro monitorování H₂ + C₂H₂ + vlhkosti.
Acknowledgement
This article benefited substantially from the input and expertise of Mr. Marius Grisaru, consultant and electric oil diagnostics expert.
Bibliography
[1] Wagner HH. Pennsylvania TCG Transformer Fault-Gas Continuous Monitor. Doble Conference Index of Minutes. Sec. 6-701; 1967.
[2] Duval M. Dissolved Gas Analysis, It Can Save Your Transformer. IEEE Electric Insulation Magazine 1989; 5:22-27.
[3] Grisaru M. Transformer maintenance: Hydrogen–the most measured and monitored transformer parameter. Transformers Magazine. 2018; 5(4):42-49.
[4] Höhlein-Atanasova I, Frotscher R. Carbon oxides in the interpretation of dissolved gas analysis in transformers and tap changers. IEEE Electr Insul Mag. 2010; 26(6):22-26.
[5] Ongoing Activities at IEEE, IEC and CIGRE on DGA. EPRI-TSUG Conference, St. Louis; 2013.
[6] Jung JR, et al. Advanced Dissolved Gas Analysis (DGA) diagnostic methods with estimation of fault location for power transformer based on field database; 2016
[7] CIGRE Technical Brochure 783. DGA Monitoring Systems; 2019
[8] CIGRE Technical Brochure 771. Advances in DGA interpretation. 2019
