Överbrygga gapet vid onlineövervakning av analys av lösta gaser
Sammanfattning
Tidig feldetektering och tydlig bedömning av allvarlighetsgrad är avgörande för att prioritera underhåll och förebygga transformatorfel. Trots att analys av lösta gaser är den föredragna feldetekterings- och diagnostikmetoden är onlineövervakningslösningar ofta antingen för dyra eller för begränsade i diagnostiskt värde. Det begränsar metoden med smarta elnät, där alla kritiska transformatorer i ett nät kan övervakas i realtid med central programvara.
I den här artikeln beskriver vi en kostnadseffektiv onlineövervakningsstrategi med väte (H₂), acetylen (C₂H₂) och löst fukt. Detta har möjliggjorts genom användning av justerbar diodlaserspektroskopi för exakt acetylen-mätning vid transformatorövervakning. Väte ger omfattande tidig detektering men acetylen är en markör för högenergifel, och fukt återspeglar isolation och dielektrisk risk. Med stöd av termodynamiska gasformningsprinciper och fältdata uppnår metoden stark diagnostisk täckning som inte är möjlig med feldetekteringsmetoder baserade på övervakning av endast väte, väte och kolmonoxid eller kompositgas.
1. Inledning
Oväntade transformatorfel kan leda till avbrott, skador på utrustning och kostsamma reparationer. Offline-laboratoriet för lösta gaser är den definitiva metoden för att bedöma tillståndet hos de aktiva delarna i olja i drifttransformatorerna och utföra feldiagnostik, men övervakningen av lösta gaser online är redan erkänd av transformatoranvändare och allt oftare av försäkringsbolag, som en nödvändighet för att upprätthålla tillförlitligheten hos elektriska system med hög spänning. Det beror på att onlineanalysen för löst gas i en digital kraftsystemmiljö erbjuder fördelar som kompletterar traditionell laboratorietestning, särskilt för att upptäcka snabbutvecklade fel som uppstår mellan periodisk oljeprovtagning offline.
Faktum är att tidiga onlinesystem från 1990-talet har visat värdet av kontinuerlig övervakning av transformatorer, men deras konstruktion är i allmänhet centrerad över att använda väte för att upptäcka avvikelser.
För att förbättra diagnostikkapaciteten, till exempel möjligheten att upptäcka och mäta trenden för acetylen som gas med högst risk utvecklades onlinemonitorerna med flera gaser senare och ger detaljerad information om feltyper och allvarlighetsgrader. Även om de anses vara guldstandard försvåras en omfattande distribution av kostnader och komplexitet, särskilt för stora maskinparker eller fjärrinstallationer.
För en mer omfattande täckning och riskminskning på maskinparksnivå har många transformatoranvändare infört enklare övervakning med engas-, tvågas- eller kompositgasmonitorer. Det finns dock flera utmaningar med det tillvägagångssättet:
- Falska larm orsakade av icke-felande vätegenerering (läckgas, åldrande olja eller provtagningsfel) [3].
- Tvetydig tolkning av kolmonoxid (CO), eftersom det kan bero på både godartad oljeoxidering och kritisk nedbrytning av cellulosa [4].
- Fördröjd eller missad detektering av allvarliga elektriska fel när ljusbågsbildande gaser som acetylen inte övervakas.
Dessutom maskerar sammansatt gasövervakning individuellt gasbeteende, vilket förhindrar en tydlig feldiagnos.
Därför finns det ett växande behov bland transformatoranvändare av:
- Tidig varning om utvecklingsförhållanden som kan leda till katastrofala fel, så att användare kan avgöra om utrednings- och underhållspersonal ska skickas i nödläge eller inte.
- Prisvärdhet och enkelhet, för att möjliggöra övervakning av ett större antal transformatorer.
Med andra ord behöver transformatoranvändare effektivitet, tillförlitlighet och prisvärdhet i en övervakningslösning för analys av lösta gaser.
2. Analys av lösta gaser – bakgrund och diagnostiska principer
Analys av lösta gaser för transformatorolja baseras på principen att elektriska och termiska påfrestningar i transformatorer sönderdelar isolationsmaterial, dvs. gaser som genereras från både olja och fast isolation, som är karaktäristiska för felets typ och allvarlighetsgrad.
2.1 Lösta gasers ursprung och innebörd
Varje gas har ett diagnostiskt värde som beskrivs i Tabell 1.
| Gas | Gaskälla | Diagnostiskt värde |
|---|---|---|
| Väte (H₂) | Lågenergivärme, partiella urladdningar, ljusbågsbildning, läckgas osv. | Tidig varning, men inte särskilt specifik |
| Acetylen (C₂H₂) | Ljusbågsbildning, hög energiurladdning | En definitiv indikator på allvarliga elektriska fel/hög temperatur |
| Metan (CH₄) | Termiska fel med låg energi | Sammanhang för termiska fel |
| Etan (C₂H₆) | Måttlig överhettning | Sammanhang för termiska fel |
| Etylen (C₂H₄) | Termiska fel vid hög temperatur | Sammanhang för allvarlig överhettning |
| Kolmonoxid (CO) | Nedbrytning av papper, oljeoxidering | Indikator för åldrande isolation, men benägen att ge falskt positiva resultat |
| Koldioxid (CO₂) | Nedbrytning av olja/papper, oxidering | Indikator för åldrande isolation |
| Syre (O₂)/kväve (N₂) | Luftintag | Läckagedetektering och atmosfärisk kontaminering |
2.2 Termodynamisk bas för felgasgenerering
Gasgenerering i transformatorer följer den termodynamiska sönderdelningen av isolationsmaterial under olika påfrestningsnivåer. Bild 1 förklarar de grundläggande mekanismer genom vilka varierande mängder energi leder till bildningen av specifika gaser.
Den enkla termodynamiska modellen för gasbildning som beskrivs i bild 1 bekräftar att
- H₂ och CH₄ genereras vid relativt låg värmeaktiveringsenergi
- C₂H₆ och C₂H₄ kräver högre energi, vilket är typiskt för måttlig överhettning
- CH₂H₂-bildningen kräver den högsta energiinsatsen och korrelerar direkt med ljusbågs- och högenergifel.
| Energinivå | Gasgenerering | Normal feltyp |
|---|---|---|
| Låg (koronaurladdning, partiell urladdning) | H₂, CH₄ | Partiell urladdning, läckgas |
|
Medel (överhettning, varma punkter) |
C₂H₆, C₂H₄, CH₄ | Termiska fel (T1, T2) |
|
Hög (ljusbågsbildning, kraftig överhettning) |
C₂H₂ |
Ljusbågsbildning, hög energiurladdning och termiska fel (T3) |
Även om alla gaser och förhållanden mellan vissa av dem ger diagnostisk information är H₂ och C₂H₂ viktigast för tidig upptäckt av allvarliga fel. Bild 1 och tabell 2 visar att väte och acetylen är de två huvudsakliga gaser som är förknippade med elektriska fel och tillstånd med hög temperatur.
Fukt, även om det inte är en gas, spelar en betydande roll för att bedöma isolationens hälsa och förutsäga risken för dielektriskt fel.
2.3 Fallet för H₂, C₂H₂ och fuktövervakning
Fokus på H₂ and C₂H₂ och löst fukt tillgodoser användarens behov av en övervakningsstrategi som möjliggör riskminskning på maskinparksnivå och prioritering av undersökning/underhåll. Detta kan uppnås genom att upptäcka avvikelser och klargöra felets allvarlighetsgrad, enligt följande:
- Väte (H₂) – en universell tidig indikator på många fel, inklusive partiell urladdning, lågenergivärme och godartad gasutveckling.
- Acetylen (C₂H₂) – bekräftar förekomsten av ljusbågsbildning eller energiurladdning med överhettning över ~700 °C. C₂H₂ genereras sällan vid gynnsamma förhållanden, vilket gör den till en avgörande diagnostisk parameter, till skillnad från andra gaser.
- Fukt – ger insikt i åldrande isolation och risken för dielektrisk nedbrytning eller bubbelbildning under termisk påfrestning.
Genom att kombinera tidig feldetektering, enkel diagnostik och prisvärdhet erbjuder den här metoden en praktisk och skalbar lösning för att skydda transformatorns maskinparker i dagens snabbt föränderliga kraftsystem.
3. Kombinerar teori och praktisk erfarenhet
Förutom att utveckla de väletablerade geometriska modellerna för diagnos vid analys av lösta gaser formulerade dr. Michel Duval en termodynamisk modell som karakteriserar gasutveckling i olika temperaturer och de tillhörande spänningar som hör till dessa gaser. Modellen beskrivs i [5] och illustreras i bild 2.
I en separat undersökning fastställde en koreansk forskargrupp [6] en korrelation mellan olika påfrestningsförhållanden och sannolikheten för fel.
Tabell 3 integrerar den koreanska studien, tabell C.3 Förekomst av typer av fel eller påfrestningar som identifieras av analys av lösta gaser [8] och nyckelgasmetoden.
|
|
| Gaser jämfört med fel/påfrestning | H₂ (%) | C₂H₆ (%) | CH₄ (%) | C₂H₄ (%) | C₂H₂ (%) | Sannolikhet för fel (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PD | 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 |
Den primära slutsatsen från tabellen är att två gaser, nämligen acetylen och väte konsekvent förknippas med alla dokumenterade felfall. I de flesta fall där fel inträffade fungerade acetylen som huvudföregångare, vilket tillförlitligt indikerar förekomsten av högrisktillstånd, potentiellt katastrofala feltillstånd. Väte gav kompletterande diagnostiskt värde genom att registrera ytterligare fellägen som inte enbart identifierats av acetylen.
Denna observation stöder utvecklingen av den diagnostiska strategi som beskrivs i avsnittet Diagnostikflödeslogik.
4. Diagnostikflödeslogik
Den föreslagna beslutslogiken för onlineövervakning integrerar H₂, C₂H₂ och fuktmätningar för att ge tydlig och konkret vägledning. Föreslagna tröskelvärden och åtgärder beskrivs i tabell 4.
| Skick | Väte (miljondelar) | Acetylen (miljondelar) | Rekommendation |
|---|---|---|---|
| Inget larm | <50 och <0,5 | Fortsätt övervakningen | |
| Icke-kritiskt larm | >50 och <0,5 | Schemalägg analys av lösta gaser för laboratoriet | |
| Kritiskt larm – möjligen begynnande fel vid elektrisk urladdning | <50 och >0,5 | Schemalägg laboratoriets analys av lösta gaser inom högst 24 timmar | |
| Kritiskt larm – fast fel* | >50 och >15 | Schemalägg brådskande inspektion och analys av lösta gaser för laboratorier – förbered för påfrestningsminskning eller driftavbrott | |
| Kritiskt larm – snabb ökning | > 10 miljondelar/timme | > 1 miljondelar/timme |
Omedelbar respons och undersökning – överväg ett nödavbrott |
|
Förhöjd fukthalt i isolationssystemet utgör risk för felbildning (eller eskalering om felet redan finns). |
|||
* Om väte > 25 miljondelar OCH acetylen > 5 miljondelar under transformatorns första år rekommenderar vi att du schemalägger brådskande inspektion och analys av lösta gaser för laboratorier. Förbered för påfrestningsminskning eller driftavbrott.
Rutinförhållanden kräver ingen åtgärd, medan förhöjt väte leder till att offlineanalys av lösta gaser undersöker potentiella lågenergifel. Samtidiga ökningar av väte och acetylen, eller snabba ökningar av båda, utlöser omedelbara underhållsåtgärder för att förhindra allvarliga fel. Den här metoden möjliggör snabba åtgärder samtidigt som onödiga avbrott minimeras.
När det kombineras med övervakning av väte och acetylen ger fuktmätning en viktig inblick i dielektrisk marginal och isolationspåfrestning, vilket ger en komplett bild som behövs för att bedöma både sannolikheten och den potentiella svårighetsgraden för transformatorfel.
5. Ekonomisk analys
Baserat på CIGRE:s tekniska broschyr 783 [7] ger tabell 5 en indikation om kostnadsintäkter för olika typer av övervakningsmetoder.
| Övervakningstyp | Beräknad kostnad (relativa priser) | Täckning av allvarliga fel | Kommentar |
|---|---|---|---|
| 9-gas | $$$$ | ~95–98 % | Bästa diagnostik, hög kostnad |
| Komposit 4-gas | $$ | ~80–90 % | God kompromiss men dålig specificitet |
| H₂ + CO | $–$$ | ~60–75 %* | Används ofta, men har dålig specificitet |
| H₂ | $ | ~60–75 %*,** | Begär en offlineanalys av lösta gaser före en diagnos |
| H₂ + C₂H₂ (föreslagen) | $$ | ~80–90 % | Högt värde och specificitet detekterar ljusbågsbildning med samma prestanda som diagnostisk felövervakningsteknik. |
* Täckning efter offlinetester. ** Vissa anläggningar rapporterar så lågt som 50–60 % feltäckning.
Tabell 5 jämför den diagnostiska täckningen och den relativa kostnaden för olika onlinekonfigurationer för analys av lösta gaser.
Procentandelarna för täckning representerar uppskattad detektionskapacitet för allvarliga feltillstånd, baserat på publicerade data och branscherfarenhet. Kostnadsnivåerna är relativa och återspeglar typiska marknadspriser för varje övervakningstyp.
Trots att lösningar med endast H₂ + CO erbjuder grundläggande feldetektering med begränsad specificitet, förbättrar tillägget av acetylen möjligheten att identifiera högriskutsläppsfel utan komplexiteten och kostnaden för kompletta system med flera gaser.
Tabell 5 visar att utökning av antalet och typen av övervakade gaser förbättrar felavkänningskapaciteten med H₂ + C₂H₂ för en balanserad metod för feldetektering, diagnostisk prestanda och systemprisvärdhet.
Användningsfall av väte-, acetylen- och fukthaltsövervakning
Eftersom onlineutrustning för analys av lösta gaser används både för att övervaka enskilda ohälsosamma transformatorer och för att minska maskinparksriskerna genom att driftsätta på alla kritiska transformatorer oavsett aktuell hälsa kan metoden för övervakning av väte, acetylen och fukt övervägas i följande fall:
- Kritiska, hälsosamma distributionstransformatorer – riskreducering på maskinparksnivå
- Hälsosamma genererings- och transmissionstransformatorer – riskreducering på maskinparksnivå
- Hälsosamma industriella och andra uppdragskritiska transformatorer – riskreducering på maskinparksnivå
- Kritiska, hälsosamma förnybara energikällor – riskreducering på maskinparksnivå
- Gasande transformatorer där fullständig diagnostik för analys av lösta gaser i realtid inte krävs – övervakning där budgeten är begränsad
6. Slutsats
I takt med att ledande anläggningar börjar implementera riskreduceringsstrategier på maskinparksnivå för transformatorer med medelhög effekt blir behovet av en välbalanserad övervakningsmetod för kostnadsfördelar allt tydligare.
Strategin för H₂ + C₂H₂ + fuktövervakning som presenteras i den här artikeln innehåller feldetektering och diagnostisk täckning som är viktig för att förhindra kritiska transformatorfel, till en kostnadsnivå som slutligen möjliggör maskinparksomfattande driftsättning och verklig riskminskning. Används tillsammans med branschens riktmärke för slutgiltiga tester för beslutsfattande/laboratorietester av olja – metoden kan stödja det som sannolikt är den mest effektiva transformatorns övervakningsstrategi som finns idag.
Tillförlitlig övervakning, smartare skydd
Skydda dina transformatorer med InsuLogix G2 från Megger. Upplev exakt feldetektering, konkret diagnostik och prisvärd övervakning av hela maskinparken med vår H₂ + C₂H₂ + fuktlösning.
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
