Измерение частичных разрядов в трансформаторе или АРГ: что лучше?
Силовой трансформатор — важная и дорогостоящая часть любой электрической системы. Его отказ чреват крупными авариями с широкомасштабными последствиями. В нашей стране огромное число силовых трансформаторов, находящихся в эксплуатации, практически исчерпало свой срок службы и требует немедленного принятия мер по его продлению или предотвращению аварий.
Как связаны частичные разряды в трансформаторе и концентрация газов в масле
Причиной выхода из строя силовых трансформаторов, в большинстве случаев, являются частичные разряды (ЧР), представляющие собой утечки тока, происходящие, в первую очередь, в области обмоток, а затем и на вводах трансформатора. Разряд также может происходить в масле вводов и по поверхностям изоляторов, которые со временем покрываются слоем осажденного металла, испаренного при искрении. Причина аварии заключается в том, что частичные разряды повышают температуру обмоток, изоляции и масла. Повышенная температура ухудшает электрические свойства бумажно-масляной и другой изоляции. Процесс полимеризации целлюлозы сопровождается выделением различных газов. Кроме этого, разряды в масле разрушают его молекулы, что приводит к выделению некоторых характерных газов. Таким образом, частичные разряды являются причиной появления растворенных в масле газов. На практике для обнаружения ЧР и детального анализа характеристик трансформаторного масла применяют соответствующие приборы и методы.
Прежде чем говорить о достоверности результатов и их трактовке, следует решить, какой из методов предпочтителен: распространенный в России и проверенный в течение более 40 лет анализ растворенных газов или относительно молодой, но активно развивающийся метод диагностики ЧР. Может быть не стоит устанавливать на трансформатор множество датчиков ЧР, а положиться на проверенный временем лабораторный анализ масла для максимально точной интерпретации полученной информации или следует использовать оба метода, предполагая возможную противоречивость получаемой информации? Есть ли необходимость в параллельном использовании обоих методов? Чтобы прийти к определенному выводу следует сопоставить преимущества и недостатки каждого метода диагностики, с учетом возможностей современных приборов.
Возможности и ограничения метода измерения концентрации растворенных газов
Анализ растворенных газов (АРГ, газоанализ) — самый простой и распространенный метод диагностики трансформаторов в России. Скорость роста концентрации определенных газов, комбинация их концентраций в трансформаторном масле позволяют сделать однозначные выводы о состоянии трансформатора, но у метода есть некоторые существенные недостатки. Различные производители предлагают анализаторы, определяющие концентрацию от 1 до 9 газов. Приборы для исследования одного газа не внесены в реестр измерительных приборов и являются маркерными (за исключением приборов Qualitrol). Можно считать, что анализаторы 3-9 газов — многогазовые приборы. В настоящее время растет предложение приборов, обеспечивающих непрерывный онлайн анализ. На сегодняшний день в мире насчитывается более 30 тыс. трансформаторов уже оборудованных системами непрерывного многогазовового мониторинга. Большинство отраслевых сообществ признает результаты онлайн и офлайн анализа растворенных газов соответствующими стандартам РФ и МЭК.
На практике применяют два способа газоанализа масла. Первый, которым пользуются чаще — отбор масла в специальную емкость и последующий анализ образцов в лабораторных условиях.
Определение содержания газов в трансформаторном масле в лаборатории
Одновременный анализ сразу нескольких проб масла при помощи портативных приборов значительно сокращает общее время измерений
Второй способ — онлайн мониторинг. Принцип такой же, как и у лабораторного анализа, но пробы изучаются на объекте с помощью мобильных приборов и все данные могут сразу передаваться в SCADA-систему. Все, что происходит с трансформатором, видно онлайн.
Зачем нужно исследование максимального числа газов? При различных дефектах образуются разные газы и если прибор анализирует только один газ, то результат анализа покажет, что в трансформаторе что-то происходит, но не покажет, что именно. При использовании девятигазового прибора можно практически точно понять, что именно происходит, где происходит, как с этим бороться и сколько это будет стоить.
В масле нового трансформатора растворенные газы отсутствуют, но со временем они появляются из-за определенных дефектов или старения. Если сопоставить данные о концентрации газов с граничными их значениями и учесть уникальное сочетание, то можно сделать однозначные и ценные выводы о состоянии трансформатора. Предельно допустимое содержание газов в трансформаторном масле было установлено в результате многолетнего сопоставления численных значений и выявленных позже причин аварий. Кроме этого, наблюдение за скоростью роста концентрации определенного газа служит важным инструментом, позволяющим обнаружить дефекты заблаговременно.
Чтобы оценить принципиальные сложности и преимущества АРГ и учитывать их при принятии решений следует обратить внимание на примеры некоторых закономерностей в таблице соответствия различных дефектов с повышенной концентрацией определенных газов.
Приборы, анализирующие 9 газов, дают наиболее точную картину причин неисправности трансформатора, так как комбинация присутствующих в масле газов уникальна для каждого вида неисправности
Присутствие в трансформаторном масле углекислого и угарного газов свидетельствует о деградации изоляции, вызванной разложением целлюлозы
Присутствие в масле молекул углекислого газа, кислорода и воды указывает на утечки масла, которые не обнаруживаются при исследовании на наличие частичных разрядов. Этот факт подтверждается отсутствием среди растворенных газов метана и водорода, которых нет только при старении целлюлозы
Ниже приведены примеры некоторых сложностей, возникающих при интерпретации показаний приборов для АРГ:
Одновременное преобладание метана и водорода указывает на почти все проблемы в трансформаторе, но в данном случае, именно этот факт позволяет исключить из перечня проблем старение целлюлозы и утечки масла, в том числе, в баке-расширителе, но не более того
Температура, при которой произошли термические повреждения масла, определяет среднюю молекулярную массу углеводородов растворенных газов, но их соотношение указывает лишь на температуру, при которой происходило газообразование, однако однозначная трактовка причин неполадок затрудняется различной степенью их развития.
Наличие в масле метана и водорода указывает на их образование по причине частичных разрядов. Термические повреждения масла при сравнительно низких температурах могут вызываться как частичными разрядами, так и другими причинами, поэтому даже небольшое процентное содержание этана (С2 Н6) может вызвать проблемы в указании точных причин деградации масла.
Почти полное совпадение присутствия в трансформаторном масле газов, указывающих на дугообразование и декомпозицию масла можно объяснить тем, что именно высокая температура дуги вызывает декомпозицию. При декомпозиции масла появляются и другие молекулы, а их появление значительно усложняет понимание результатов анализа.
Приведенные в качестве примеров трактовки результатов АРГ в значительной степени устраняются применением специализированного программного обеспечения, которое имеется на современных приборах для анализа трансформаторного масла.
«Треугольник Дюваля», который строится программным обеспечением современных приборов, дает наглядное представление об их содержании и позволяет сделать важные выводы о причинах неполадок в трансформаторах
Расположение соотношений пар газов «в объеме» при помощи специализированных программ значительно облегчает диагностику состояния трансформаторов
Анализ частичных разрядов в трансформаторе: сильные и слабые стороны
Развитие системы исследования частичных разрядов идет сравнительно медленно. Долгое время исследование частичных разрядов применялось исключительно как офлайн-испытания на заводе и при вводе трансформаторов в эксплуатацию. Это традиционный электрический метод, который обнаруживал ухудшение свойств изоляции.
Последние 10 лет наблюдается активный рост интереса к исследованию частичных разрядов и другими методами. Наиболее распространены три метода: электрический, акустический и электромагнитный. Каждый производитель диагностического оборудования по-своему относится к этим методам и производит свой «ассортимент» приборов. Например, компания Qualitrol не предлагает приборы для акустического метода, так как считают, что он дает много ложной информации. Каковы сильные стороны исследования частичных разрядов и почему надо использовать этот метод? Во-первых, метод отлично подходит для необслуживаемого оборудования. После установки датчиков на протяжении всего срока службы трансформатора никакие подготовительные действия и вывод трансформатора в ремонт для проведения диагностики не требуются. Срок службы датчиков - более 30 лет.
Установка датчиков частичных разрядов на трансформатор позволит производить измерение параметров разрядов, как минимум, в течение трех десятилетий и позволит обрабатывать их при помощи любого специализированного программного обеспечения.
Датчики частичных разрядов на высоковольтных вводах трансформатора
Современные приборы для измерения частичных разрядов в трансформаторах оснащены мощным программным обеспечением, максимально учитывающем влияние электромагнитных помех и других факторов. Информация о разрядах отображается в самых различных видах, весьма наглядных и точных, сохраняется в так называемом «тренде» и автоматически сопоставляется с базой данных. Примером такого оборудования служит переносной прибор HVPD Kronos Spot Tester.
Приборы для диагностики частичных разрядов трансформаторов могут быть автономными, но из-за своей сложности, при необходимости, перемещаются на совмещенных с прибором тележках.
Портативные приборы для анализа частичных разрядов имеют хорошую точность и удобны для измерений
Информация, предоставляемая приборами для анализа ЧР, может отображаться максимально удобными для интерпретации способами. К примеру, отличие диаграмм ЧР для различных фаз переменного тока свидетельствует о том, что имеется причина, вызывающая это отличие, а именно — частичный разряд:
Наглядное преставление внешней активности короны (черные метки), интерфейсного ЧР (красные метки) и спорадических ЧР в пузырьках (синие метки) позволяет сделать важные выводы. Каждая причина появления ЧР может отображаться отдельно.
Диаграммы зависимости длительности различных видов разрядов (нс) от частоты (МГц) для трех фаз
Амплитудно-фазовое распределение частичных разрядов может представляться как в «двумерном», так и «трехмерном» виде
Теперь рассмотрим слабые стороны измерения частичных разрядов в трансформаторах
- Наличие ЧР только на среднем и высоком напряжении. Общепринятый нижний предел — 4 кВ. Можно провести измерения и при более низком напряжении, но их достоверность будет под сомнением, так как физика возникновения разрядных процессов и их развитие при низком напряжении несколько иные.
- Оценка степени развития дефектов проводится по оценке суммарного воздействия множества импульсов.
- Повторяющиеся частичные разряды методично разрушают изоляцию в течение так называемого «скрытого периода», который ведет к дуговому пробою. Этот период может длится достаточно долго — месяцы и даже годы. Для учета этого необходима CBM-концепция обслуживания, которая выглядит более выигрышно, по сравнению с плановой.
- Высокая чувствительность метода обеспечивается только при качественной отстройке от сторонних электромагнитных помех.
- Стационарные системы измерений эффективны, но дороги, так как каждая электрическая машина требует установки полного комплекта оборудования.
- Главной проблемой регистрации ЧР электрическим методом является высокий уровень помех. Это часто не дает возможности обнаруживать дефекты не только сразу после их появления, но и в предаварийном состоянии. Аппаратные средства позволяют в значительной степени отстроиться от внешних помех при помощи подбора частотного диапазона измерений, но, все же, не полностью.
Сравнение методов диагностики ЧР и АРГ
Сравнивая методы диагностики состояния оборудования, следует обратить внимание на время между предупреждающим сигналом об ухудшении состояния оборудования и аварией. Величина этого интервала играет исключительную роль в обеспечении безаварийной работы. Практически мгновенное обнаружение зарождающихся ЧР и срабатывание аварийной сигнализации дает именно метод анализа частичных разрядов. Для АРГ требуется много времени на то, чтобы газы попали в масло, и система их распознала.
При наличии в системе исследования частичных разрядов четырех и более датчиков есть возможность осуществить локализацию места дефекта. Мониторинг ЧР имеет более высокую чувствительность. Существенным плюсом является возможность диагностики в любом рабочем режиме.
Проведение диагностики трансформаторов по ЧР предпочтительно для стратегии CBM, желательно, в онлайн-режиме (OLPD), в сочетании с предварительным хроматографическим анализом трансформаторного масла. Эта методика диагностики является весьма эффективной и позволяет заблаговременно предупреждать аварии на высоковольтных силовых трансформаторах. У офлайн-метода тоже имеются преимущества — лучшее соотношение сигнал/шум, чем при тестировании онлайн, однако, коронный разряд и поверхностное искрение могут помешать точному анализу.
Таблица 1. Сравнение возможностей анализа ЧР и АРГ:
| Предполагаемая проблема | АРГ | Анализ ЧР |
| Перегрев | Задержка идентификации | Не обнаруживается |
| Дуговой разряд | Задержка идентификации | Мгновенная идентификация |
| Частичный разряд | Задержка идентификации (применяется только для ЧР в масле) | Мгновенная идентификация не только в масле, но и в твердой изоляции |
| Межвитковый частичный разряд | Вероятна большая задержка идентификации, обусловленная циркуляцией масла | Мгновенная идентификация |
| Утечки масла из бака | Задержка идентификации | Не обнаруживается |
| Определение места разряда | Невозможно | Возможно |
Из таблицы видно, что перегрев может быть показан только системой анализа растворенных газов. То же самое касается и утечек масла из бака. Система обнаружения частичных разрядов их также никогда не покажет. Очевидно, что метод частичных разрядов — это инструмент оперативной диагностики трансформаторов.
Заключение
У каждого из рассмотренных методов есть свои достоинства и недостатки. При использовании только одного можно упустить важные признаки или параметры состояния оборудования. Следует помнить, что мониторинг, какой бы он ни был по виду, позволяет только собирать данные.
Несмотря на то, что современное ПО и внушительные базы данных сводят человеческие ошибки к минимуму, однако, решающую роль играет оператор, который интерпретирует полученные данные. Именно на основе его заключения принимается решение о том, надо ли выводить трансформатор из работы, ремонтировать или следует проигнорировать изменения в состоянии трансформатора в настоящий момент.
Производители оборудования рекомендуют использовать комплексный подход к диагностике трансформаторов и устанавливать на трансформаторе обе системы- и для анализа ЧР, и АРГ. Это позволит получить исчерпывающую диагностическую информацию о состоянии оборудования.
Заполните форму, и мы подберем для вашего трансформатора решение по АРГ от компании Qualitrol:
