Łączenie możliwości monitorowania na potrzeby DGA w trybie online
Podsumowanie
Wczesne wykrywanie usterek i przejrzysta ocena ich powagi to niezbędne elementy podejścia nadającego priorytet konserwacji i zapobieganiu usterkom transformatorów. Mimo że preferowaną metodą wykrywania i diagnostyki usterek jest analiza gazów rozpuszczonych (DGA), rozwiązania do monitorowania online są często zbyt drogie lub przynoszą zbyt mało informacji diagnostycznych, ograniczając tym samym możliwości wykorzystania zalet podejścia Smart Grid, zakładającego monitorowanie wszystkich kluczowych transformatorów w sieci w czasie rzeczywistym przy użyciu oprogramowania centralnego.
W tym artykule przedstawiono ekonomiczną strategię monitorowania w trybie online z wykorzystaniem wodoru (H₂), acetylenu (C₂) i rozpuszczonej wilgoci. Takie możliwości otwiera zastosowanie spektroskopii absorpcyjnej z przestrajalnym laserem diodowym do precyzyjnego pomiaru acetylenu w procesie monitorowania transformatora. Wodór zapewnia szerokie możliwości wczesnego wykrywania, lecz to acetylen jest wskaźnikiem wyładowań wysokoenergetycznych, a wilgoć sygnalizuje zagrożenia związane z izolacją i dielektrykami. Dzięki wykorzystaniu termodynamicznych zasad tworzenia gazu i danych terenowych takie podejście pozwala obsługiwać szeroki zakres diagnostyki, niemożliwy do osiągnięcia przy stosowaniu metod wykrywania usterek opartych na monitorach samego wodoru, wodoru i tlenku węgla lub wielogazowych.
1. Wstęp
Nieoczekiwane usterki transformatora mogą prowadzić do zaniku napięcia, uszkodzenia elementów infrastruktury i kosztownych napraw. Mimo że analiza gazów rozpuszczonych w laboratorium zewnętrznym pozostaje ostatecznym narzędziem do oceny stanu aktywnych części transformatorów zanurzonych w oleju i diagnozowania usterek, monitorowanie na potrzeby DGA w trybie online jest już uznawane przez operatorów transformatorów — i coraz częściej przez ubezpieczycieli — za niezbędny element utrzymywania niezawodności instalacji elektrycznych wysokiego napięcia. Wynika to z faktu, że w środowisku systemu zasilania sterowanego cyfrowo analiza gazów rozpuszczonych (DGA) w trybie online przynosi korzyści uzupełniające tradycyjne pomiary laboratoryjne, szczególnie przy wykrywaniu usterek, które szybko rozwijają się w czasie między okresowym pobraniem kolejnych próbek oleju do badania w trybie offline.
Już wczesne systemy do pracy w trybie online z lat 90. XX wieku wykazywały wartość ciągłego monitorowania transformatorów, lecz zwykle opierały się na wykorzystaniu wodoru jako wskaźnika alarmowego do wykrywania anomalii.
W celu poprawy możliwości diagnostycznych, w tym zdolności do wykrywania i pomiaru trendu acetylenu jako gazu o najwyższym współczynniku ryzyka, opracowano później przyrządy do monitorowania wielu gazów w trybie online, aby zapewnić szczegółowy wgląd w rodzaje i powagę usterek. Chociaż są one uważane za złoty standard, ich koszt i złożoność utrudniają powszechne wdrożenie, zwłaszcza w dużych i złożonych flotach lub instalacjach położonych w odległych miejscach.
Aby uzyskać szerszy zakres i zredukować ryzyka na poziomie całej floty, wielu operatorów transformatorów przyjęło prostsze monitory, wykrywające jeden gaz, dwa gazy lub wiele gazów. Takie podejście wiąże się jednak z kilkoma wyzwaniami:
- Fałszywe alarmy, powodowane przez generowanie wodoru bez związku z usterką (uwalnianie niepożądanych gazów, starzenie się oleju lub błędy pobierania próbek) [3].
- Niejednoznaczna interpretacja obecności tlenku węgla (CO), ponieważ tlenek węgla może pojawiać się zarówno w wyniku nieszkodliwego utleniania się oleju, jak i mającego bardzo duże znaczenie pogarszania się stanu celulozy [4].
- Opóźnienia lub nawet brak wykrywania poważnych usterek elektrycznych, gdy nie są monitorowane gazy łukowe, takie jak acetylen.
Ponadto monitory wielogazowe nie informują o zachowaniu poszczególnych gazów, co uniemożliwia jasną diagnozę usterek.
Dlatego operatorzy transformatorów coraz bardziej podkreślają następujące potrzeby:
- Wczesne ostrzeżenie o stanach, które mogą prowadzić do bardzo poważnej usterki, aby operatorzy mogli decydować, czy należy wysłać zespoły badawcze lub konserwacyjne w trybie awaryjnym, czy nie.
- Przystępność cenowa i prostota użytkowania, aby możliwe było monitorowanie większej liczby transformatorów.
Innymi słowy, potrzeby operatorów transformatorów to: Skuteczność, niezawodność i przystępność cenowa rozwiązania do monitorowania na potrzeby DGA.
2. DGA — kontekst i zasady diagnostyki
Analiza DGA oleju transformatorowego opiera się na założeniu, że obciążenia elektryczne i termiczne powodują rozkład materiałów izolacyjnych w transformatorach — zarówno w przypadku izolacji olejowej, jak i stałej — w wyniku czego wytwarzają gazy charakterystyczne dla rodzaju i stopnia uszkodzenia.
2.1 Początki i znaczenie analizy gazów rozpuszczonych
Każdy gaz ma wartość diagnostyczną opisaną w tabeli 1.
| Gaz | Źródło gazu | Wartość diagnostyczna |
|---|---|---|
| Wodór (H₂) | Nagrzewanie o niskiej wartości energetycznej, wyładowania niezupełne, wyładowania łukowe, niepożądane gazy itp. | Wczesne ostrzeganie, ale bez dokładniejszych informacji |
| Acetylen (C₂H₂) | Wyładowania łukowe, wyładowania wysokoenergetyczne | Wyraźny wskaźnik poważnych usterek elektrycznych/wysokotemperaturowych |
| Metan (CH₄) | Niskoenergetyczne usterki termiczne | Należy szukać usterek termicznych |
| Etan (C₂H₆) | Umiarkowane przegrzewanie | Należy szukać usterek termicznych |
| Etylen (C₂H₄) | Usterki termiczne wysokotemperaturowe | Należy szukać poważnego przegrzewania |
| Tlenek węgla (CO) | Pogorszenie właściwości papieru, utlenianie oleju | Wskaźnik starzenia izolacji, lecz podatny na generowanie fałszywych alarmów |
| Dwutlenek węgla (CO₂) | Pogorszenie właściwości oleju/papieru, utlenianie | Wskaźnik starzenia się izolacji |
| Tlen (O₂) / azot (N₂) | Wnikanie powietrza | Wykrywanie nieszczelności i zanieczyszczenie atmosferyczne |
2.2 Termodynamiczne podstawy wytwarzania gazu w wyniku usterki
Wytwarzanie gazu w transformatorach jest następstwem termodynamicznego rozkładu materiałów izolacyjnych przy różnych poziomach obciążeń. Rysunek 1 wyjaśnia podstawowe mechanizmy powstawania określonych gazów przy różnych poziomach doprowadzanej energii.
Uproszczony model termodynamiczny wytwarzania gazu, przedstawiony na rysunku 1, potwierdza, że:
- H₂ i CH₄ powstają przy stosunkowo niskich poziomach energii aktywacji termicznej.
- C₂H₆ i C₂H₄ wymagają wyższej energii, charakterystycznej dla umiarkowanego przegrzewania.
- Tworzenie C₂ wymaga najwyższego poziomu doprowadzanej energii, skorelowanej bezpośrednio z wyładowaniami łukowymi i wysokoenergetycznymi.
| Poziom energii | Wytwarzanie gazu | Typowy rodzaj usterki |
|---|---|---|
| Niski (wyładowania koronowe, wyładowania niezupełne) | H₂, CH₄ | Wyładowania niezupełne, uwalnianie niepożądanych gazów |
|
Średni (przegrzanie, gorące punkty) |
C₂H₆, C₂H₄, CH₄ | Usterki termiczne (T1, T2) |
|
Wysoki (wyładowanie łukowe, poważne przegrzewanie) |
C₂H₂ |
Wyładowania łukowe, wyładowania wysokoenergetyczne i usterki termiczne (T3) |
Mimo że wszystkie gazy oraz proporcje między niektórymi z nich dostarczają informacje diagnostyczne, H₂ i C₂ mają największe znaczenie dla wczesnego wykrywania poważnych usterek. Na rysunku 1 i w tabeli 2 można zauważyć, że wodór i acetylen to dwa najważniejsze gazy powiązane z usterkami elektrycznymi i wysokimi temperaturami.
Wilgoć, choć nie jest gazem, odgrywa znaczącą rolę w ocenie stanu izolacji i przewidywaniu ryzyka przebicia dielektrycznego.
2.3 Argumenty za monitorowaniem H₂, C₂H₂ i wilgotności
Skoncentrowanie się na H₂, C₂ i wilgotności rozpuszczonej to strategia monitorowania dostosowana do potrzeb operatorów, która umożliwia zmniejszenie ryzyka na poziomie całej floty oraz nadawanie priorytetów określonym badaniom i czynnościom konserwacyjnym. Można to osiągnąć poprzez wykrywanie anomalii i określanie powagi usterki w następujący sposób:
- Wodór (H₂) — uniwersalny wczesny wskaźnik wielu usterek, w tym wyładowań niezupełnych, nagrzewania o niskiej wartości energetycznej i uwalniania niepożądanych gazów.
- Acetylen (C₂H₂) — potwierdza obecność wyładowań łukowych lub wyładowań wysokoenergetycznych i przegrzewania powyżej 700°C. C₂H₂ rzadko powstaje przy stanach łagodnych, co sprawia, że w przeciwieństwie do innych gazów jest decydującym parametrem diagnostycznym.
- Wilgoć — zapewnia wgląd w starzenie się izolacji i ryzyko przebicia dielektrycznego lub powstawania pęcherzyków przy obciążeniach termicznych.
Dzięki połączeniu wczesnego wykrywania usterek, prostej diagnostyki i przystępności cenowej ta metodologia jest praktycznym i skalowalnym rozwiązaniem do ochrony całej floty transformatorów w szybko ewoluujących systemach zasilania.
3. Połączenie teorii i praktycznego doświadczenia
Oprócz opracowania dobrze ugruntowanych modeli geometrycznych do diagnostyki z wykorzystaniem DGA, dr Michel Duval opracował model termodynamiczny, który charakteryzuje ewolucję gazów w różnych temperaturach i powiązane obciążenia związane z tymi gazami. Model jest opisany w [5] i zilustrowany na rysunku 2.
W odrębnym badaniu koreańska grupa badawcza [6] określiła korelację między różnymi stanami obciążenia i prawdopodobieństwem wystąpienia usterki.
Tabela 3 integruje wyniki badań koreańskich, tabelę C.3 „Występowanie różnych rodzajów usterek lub obciążeń wykrywanych dzięki DGA” [8] oraz metodę kluczowego gazu.
|
|
| Gazy w odniesieniu do usterki/obciążenia | H₂ (%) | C₂H₆ (%) | CH₄ (%) | C₂H₄ (%) | C₂H₂ (%) | Prawdopodobieństwo usterki (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| WNZ | 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 |
Głównym wnioskiem wynikającym z tabeli jest to, że te dwa gazy — acetylen i wodór — są konsekwentnie powiązane ze wszystkimi udokumentowanymi przypadkami usterek. W większości przypadków, w których wystąpiły usterki, acetylen pełnił rolę głównego prekursora, niezawodnie sygnalizującego wysokie ryzyko wystąpienia potencjalnie bardzo poważnych usterek. Wodór przynosił uzupełniającą wartość diagnostyczną, sygnalizując dodatkowe rodzaje usterek, których nie można było wykryć wyłącznie na podstawie pomiaru acetylenu.
To spostrzeżenie pomaga rozwijać strategie diagnostyczne przedstawione w sekcji Logika procesów diagnostycznych.
4. Logika procesów diagnostycznych
Proponowana logika podejmowania decyzji w oparciu o monitorowanie w trybie online integruje pomiary H₂, C₂ i wilgotności, aby zapewnić przejrzyste i praktyczne wskazówki. Sugerowane wartości progowe i działania opisano w tabeli 4.
| Stan | Wodór (ppm) | Acetylen (ppm) | Zalecane |
|---|---|---|---|
| Nie jest generowany alarm | < 50 i < 0,5 | Kontynuować monitorowanie | |
| Alarm niskiego poziomu | > 50 i < 0,5 | Zaplanować badanie laboratoryjne z wykorzystaniem DGA | |
| Alarm najwyższego poziomu — prawdopodobnie początkowa faza wyładowania elektrycznego | < 50 i > 0,5 | Zaplanować badanie laboratoryjne z wykorzystaniem DGA w ciągu maksymalnie 24 godzin | |
| Alarm najwyższego poziomu — usterka stała* | > 50 i > 15 | Zaplanować pilną kontrolę i badanie laboratoryjne z wykorzystaniem DGA; przygotować się do zmniejszenia obciążenia lub wystąpienia usterki | |
| Alarm najwyższego poziomu — gwałtowny rozwój | > 10 ppm/godz. | > 1 ppm/godz. | Konieczne natychmiastowe zareagowanie i badanie; należy rozważyć wyłączenie awaryjne |
| Podwyższona wilgotność w układzie izolacji stwarza ryzyko powstania usterek (lub rozwoju, jeśli usterka już występuje). | |||
* W pierwszych latach eksploatacji transformatora, jeśli poziom wodoru przekracza 25 ppm i poziom acetylenu przekracza 5 ppm, zaleca się zaplanować pilną kontrolę i badanie laboratoryjne z wykorzystaniem DGA; przygotować się do zmniejszenia obciążenia lub wystąpienia usterki.
W rutynowych warunkach nie trzeba podejmować żadnych działań, lecz podwyższony poziom wodoru sugeruje konieczność wykonania DGA w celu wykrycia potencjalnych wyładowań niskoenergetycznych. Równoczesny wzrost poziomu wodoru i acetylenu albo szybki wzrost poziomu obu tych gazów sygnalizuje konieczność natychmiastowego przystąpienia do prac konserwacyjnych, aby zapobiec poważnym usterkom. Takie podejście umożliwia szybką interwencję przy jednoczesnym zminimalizowaniu czasu i kosztów niepotrzebnych przestojów.
Pomiar wilgotności, wykonywany w połączeniu z monitorowaniem wodoru i acetylenu, zapewnia kluczowy wgląd w stan dielektryka i obciążenia izolacji, uzupełniając obraz potrzebny do oceny prawdopodobieństwa i potencjalnej powagi usterki transformatora.
5. Analiza ekonomiczna
W oparciu o broszurę techniczną CIGRE 783 [7], tabela 5 zawiera wskazanie dotyczące kosztów i przychodów powiązanych z różnymi rodzajami metod monitorowania.
| Rodzaj monitora | Szacunkowy koszt (ceny względne) | Pokrycie zakresu poważnych usterek | Uwagi |
|---|---|---|---|
| 9 gazów | $$$$ | 95–98% | Najlepsza diagnostyka, wysoki koszt |
| Wersja 4-gazowa | $$ | 80–90% | Dobry kompromis, ale niska precyzja |
| H₂ + CO | $–$$ | 60–75%* | Powszechne zastosowanie, ale niska precyzja |
| H₂ | $ | 60–75%*,** | Przed diagnozą należy zlecić wykonanie DGA w trybie offline |
| H₂ + C₂H₂ (proponowane) | $$ | 80–90% | Wysoka wartość i precyzja; wykrywanie wyładowań łukowych z taką samą wydajnością, jak przy zastosowaniu technologii diagnostycznych do wykrywania usterek. |
* Zakres po badaniach w trybie offline; ** Niektóre przedsiębiorstwa energetyczne raportują zaledwie 50–60% usterek.
W tabeli 5 porównano zakres diagnostyki i względne koszty różnych konfiguracji do wykonywania DGA w trybie online.
Wartości procentowe zakresu przedstawiają szacowane możliwości wykrywania poważnych usterek w oparciu o publikowane dane i doświadczenie branżowe. Poziomy kosztów są względne i odzwierciedlają typowe ceny rynkowe przy każdym rodzaju monitorowania.
Rozwiązania obejmujące wyłącznie wodór lub kombinację H₂ + CO umożliwiają wykrywanie usterek w podstawowym zakresie z niską precyzją, lecz dodanie acetylenu znacznie zwiększa możliwości wykrywania usterek powiązanych z wyładowaniami wysokiego ryzyka bez złożoności i kosztów kompletnych systemów wielogazowych.
Tabela 5 pokazuje, że zwiększenie liczby i rodzaju monitorowanych gazów poszerza możliwości wykrywania usterek, przy czym kombinacja H₂ + C₂H₂ zapewnia zrównoważone proporcje między skutecznością wykrywania usterek, wydajnością diagnostyczną i opłacalnością systemu.
Zastosowania metody monitorowania wodoru, acetylenu i wilgotności
Ponieważ przyrządy do analizy gazów rozpuszczonych (DGA) w trybie online służą zarówno do monitorowania poszczególnych transformatorów, w których występują nieprawidłowości, jak i do ograniczania ryzyka na poziomie całej floty poprzez objęcie wszystkich kluczowych transformatorów, niezależnie od bieżącego stanu technicznego, podejście obejmujące monitorowanie wodoru, acetylenu i wilgotności można rozważyć w następujących przypadkach:
- Kluczowe transformatory rozdzielcze w podstacjach, w których nie występują nieprawidłowości — ograniczanie ryzyka na poziomie całej floty
- Transformatory energetyczne i przesyłowe, w których nie występują nieprawidłowości — ograniczanie ryzyka na poziomie całej floty
- Transformatory przemysłowe i inne transformatory o kluczowym znaczeniu, w których nie występują nieprawidłowości — ograniczanie ryzyka na poziomie całej floty
- Kluczowe zastosowania w instalacjach energii odnawialnej, w których nie występują nieprawidłowości — ograniczanie ryzyka na poziomie całej floty
- Transformatory gazowe, w których nie jest wymagana pełna diagnostyka na potrzeby DGA w czasie rzeczywistym — monitorowanie stanu dostosowane do przewidzianego budżetu
6. Podsumowanie
W miarę wdrażania przez wiodące przedsiębiorstwa energetyczne strategii redukcji ryzyka na poziomie całej floty transformatorów średniego napięcia, coraz bardziej oczywista staje się potrzeba stosowania odpowiednio zbilansowanego podejścia do monitorowania kosztów i korzyści.
Strategia monitorowania H₂ + C₂ + wilgotności, przedstawiona w tym artykule, obejmuje wykrywanie usterek i zakres diagnostyki, które pozwalają zapobiegać usterkom kluczowych transformatorów przy poziomie kosztów w końcu umożliwiającym wdrożenie na poziomie całej floty i zmniejszenie rzeczywistego ryzyka. W połączeniu z branżowym punktem odniesienia do podejmowania ostatecznych decyzji — pomiarami laboratoryjnymi oleju — podejście to może wspierać prawdopodobnie najbardziej efektywną strategię monitorowania transformatorów wśród obecnie dostępnych.
Niezawodne monitorowanie, inteligentniejsza ochrona
Chroń swoje transformatory przy użyciu InsuLogix G2 firmy Megger. Wykorzystuj możliwości precyzyjnego wykrywania usterek, praktycznych przyrządów diagnostycznych i przystępnego monitorowania całej floty dzięki naszemu rozwiązaniu H₂ + C₂H₂ + wilgoć.
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
