Экспертное руководство по ТО, диагностике и мониторингу силового трансформатора

Техническое обслуживание силового трансформатора — Диагностика и мониторинг

Введение

Трансформаторы — статические машины без движущихся частей, очень надежные: при правильном обслуживании служат 40 лет и более. Они не отключаются при перегрузках (кроме экстремальных случаев), поэтому часто работают далеко за пределами номинальной мощности.

Однако эксплуатация и старение, как и у любого оборудования, вызывают естественный износ, ускоряемый враждебной средой, перегрузками или тяжелыми режимами.

Другие причины ухудшения: изменение нагрузок/схем, неправильно подобранные/настроенные защитные устройства, изменение напряжения.

Но аварии не неизбежны, если внедрена программа планового профилактического осмотра и ТО.

Регулярная программа профилактического ТО минимизирует риск аварий и их последствия, выявляет скрытые дефекты и является первым шагом к устранению неисправностей.

Визуальный осмотр силового трансформатора

Наиболее частый вид внимания — визуальный осмотр, включающий проверку общего внешнего состояния и системы охлаждения.

Силовые трансформаторы должны осматриваться регулярно для раннего обнаружения и устранения проблем до капитального ремонта.

Осмотры проводятся регулярно, обычно раз в неделю, частота может варьироваться. Если есть подозрение на развивающийся дефект — осматривают чаще.

Таблица 1 показывает виды визуальных осмотров для контроля состояния и охлаждения.

Нажмите на изображение для увеличения

Таблица 1 — Визуальный осмотр трансформаторов

Диагностика и мониторинг трансформатора

Мониторинг — это онлайн-измерения, акцент на сборе данных о состоянии, а не на их интерпретации.

Методы различаются по датчикам, измеряемым параметрам и технологиям. Оборудование постоянно установлено на трансформаторе, поэтому должно быть надежным и недорогим.

Отказы обмоток и ПНР (OLTC) доминируют; фокус мониторинга — сбор данных для оценки состояния обмоток и ПНР.

Разгазованные газы в масле и частичные разряды (PD) — общие параметры для контроля состояния обмоток и изоляции.

Температура и вибрация — для оценки состояния ПНР.

Рис. 1 показывает статистику отказов масляного трансформатора.

Рис. 1 — Статистика отказов масляного трансформатора

Для контроля обмоток и изоляции используются ЧР и растворенные газы; для ПНР — температура и вибрация.

Основные блоки мониторинга:

• Блок мониторинга температуры масла
• Датчик уровня масла
• Блок мониторинга газов в масле
• Датчик операций ПНР
• Блок мониторинга перегрузок

Данные с датчиков преобразуются в цифровые и аналоговые сигналы и обеспечивают коммуникацию в реальном времени с интерфейсом оператора и регистрацией данных.

Анализ газов, растворенных в масле (DGA) — эффективный диагностический инструмент для выявления проблем в работе трансформатора.

Обычно анализ выполняется в лаборатории на дорогом оборудовании. Для снижения риска пропуска начальных дефектов из-за редких отборов проб развиваются методы непрерывного мониторинга газов для раннего предупреждения об изменении состава/концентрации. Лабораторный DGA проводится после предупреждения. Таблица 2 — основные газы и их источники.

Нажмите для увеличения

Таблица 2 — Газы трансформатора и источники

Извлекая газы из изоляционного масла и измеряя концентрации шести компонентов на низком уровне, можно обнаружить локальный перегрев или частичные разряды в блоке по данным анализатора и предотвратить аварии.

График профилактического ТО и осмотра трансформатора

Частота ТО устанавливается с учетом требований надежности и рекомендаций производителя.

Деятельность планируется по сегментам в разные периоды, но крупные предприятия обычно делают 1–2 глобальных остановки в год для ТО.

Стандарт NETA^[1] MTS-2007 Приложение B представляет график ТО по времени и матрицу (Таблица 3). Матрица — только руководство.

Конкретное состояние, критичность и надежность должны определяться для правильного применения матрицы. Применение матрицы с историческими данными и трендами дает качественную программу профилактического ТО.

Нажмите для увеличения

Таблица 3 — Матрица частоты ТО

Для трансформаторов минимальная частота испытаний определена тем же стандартом (Таблица 4).

Нажмите для увеличения

Таблица 4 — Частота испытаний трансформаторов (мес.)

Виды работ ТО (визуальный/механический осмотр; электроиспытания; значения испытаний) для каждого оборудования определены в Стандарте NETA ATS-2009, для трансформаторов см. Таблицу 5.

Нажмите для увеличения

Таблица 5 — Частота испытаний и осмотров для ТО трансформаторов

Действия профилактического ТО трансформаторов можно свести к:

• Регулярные осмотры
• Отбор проб
• Испытания
• Ремонт

• Мелкий ремонт
• Средний ремонт
• Капитальный ремонт и переделка^[2]

• Документирование и учет данных

Таблица 6 — типичные работы для каждого вида ТО.

Нажмите для увеличения

Таблица 6 — Обычные действия по видам ТО

Кроме специального оборудования, часто используют переносные приборы:

• Мультиметры
• Токовые клещи
• Индикаторы напряжения
• Оборудование для испытаний ТТ/ТН
• Оборудование для испытаний реле и счетчиков
• Измерители изоляции (MEGGER^[3])
• Оборудование для испытаний заземления
• Тепловизор^[4] (см. Инфракрасная термография)

Также читайте: Как определить номинальную мощность трансформатора в кВА (однофазный и трехфазный)?

Анализ масла и отбор проб

Во время ТО или после капитального ремонта необходимо взять пробу масла для испытаний по МЭК^[5] Стандарту 60296 для заводских испытаний (FAT).

Испытания:

• Межфазное натяжение (IFT)
• Кислотность
• Вязкость
• Плотность
• Температура вспышки
• Температура возгорания
• Температура застывания
• Влажность
• Диэлектрическая прочность
• Коэффициент потерь (тангенс δ)
• Цвет

Необходимы меры предосторожности при отборе, чтобы избежать загрязнения пробы.

• 1 — Использовать вспомогательный клапан отбора, не использовать малый сливной кран (Рис. 2).
  

Рис. 2 — Вспомогательный клапан отбора пробы

• 2 — Промыть сливной кран
  Рис. 3 — Промывка сливного крана

• 3 — Промыть трубку и шприц, не оттягивать поршень — создавать небольшое сопротивление, позволяя давлению масла наполнить шприц (Рис. 4).

Рис. 4 — Промывка трубки и шприца

• 4 — Наполненный шприц не должен иметь пузырьков, но они могут появиться позже — не удалять их.

Также читайте: Трансформаторы — тестовые вопросы с ответами.

Анализ растворенных газов в масле (DGA)

DGA — один из самых ценных диагностических инструментов, процедура оценки состояния масляного трансформатора по анализу газов, растворенных в охлаждающем/изолирующем масле.

Устоявшаяся, стоимоэффективная техника, дающая важную информацию простым, неразрушающим тестом на основе отбора пробы масла.

Анализ обычно в лаборатории, но есть и онлайн-устройства.

Результаты раскрывают много о здоровье масла и его свойствах как изолятора: текущее состояние, изменения, деградацию от перегрузок, старения, зарождение мелких дефектов и вероятные причины крупных аварий.

Серьезная неисправность может выделять свободные газы, собирающиеся в реле Бухольца.

Испытания трансформатора для ТО и диагностики

Таблица 7 — общая методология оценки состояния, связывающая плановое ТО и диагностику.

Нажмите для увеличения

Таблица 7 — Испытания трансформатора для ТО и диагностики

Испытание вводов (Bushing Test)

Для вводов с потенциальным отводом измеряют обе емкости: между верхом ввода и отводом (C1) и между отводом и землей (C2).

Для определения потерь ввода проводят испытания на тангенс дельты. C2 гораздо больше C1.

Вводы без отвода испытывают от верхнего проводника к земле.

Результаты сравнивают с заводскими и/или предыдущими для определения деградации.

Около 90% отказов вводов вызваны проникновением влаги, проявляющимся ростом тангенса дельты.

Испытание частотным сканированием (SFRA)

Частотный анализ (SFRA)^[6] — измерение импеданса обмоток в широком диапазоне частот и сравнение с эталонным набором.

Различия могут указывать на повреждение трансформатора, требующее дополнительного расследования другими методами или внутреннего осмотра. Метод требует анализатора сетей для генерации сигнала, измерений и обработки результатов.

Ультразвуковой и звуковой дефектолокация

Применяется, когда водород резко возрастает в DGA.

Высокое поколение водорода указывает на частичные разряды внутри трансформатора. Также могут расти метан, этан, этилен. Ацетилен присутствует при дуговых разрядах.

Вибрационный анализ

Вибрационный анализ сам по себе не предсказывает многие дефекты трансформаторов, но полезен как дополнительный инструмент оценки состояния.

Вибрация может быть от ослабленных сегментов сердечника, ослабленных обмоток, проблем с экранами, свободных деталях, неисправных подшипников насосов/вентиляторов охлаждения. Требуется осторожность при определении источника. Часто ослабленные панели, двери, болты в щитах или снаружи ошибочно диагностируют как внутренние проблемы.

Изоляционное сопротивление сердечника

Для испытания намеренное заземление сердечника должно быть отключено.

Может быть сложно, иногда нужно слить масло. На некоторых трансформаторах заземления сердечника выведены наружу через изолированные вводы — легкий доступ.

Ожидаемые значения изоляционного сопротивления:

• Новые трансформаторы: > 1000 МОм
• Эксплуатируемые: > 100 МОм

Значения 10–100 МОм — возможен износ изоляции между сердечником и землей. Значения < 10 МОм могут вызывать разрушительные циркуляционные токи и требуют детального расследования.

Инфракрасная термография

Инфракрасная термография (ИК) — бесконтактный и неразрушающий метод выявления проблем в электросистемах.

Всё электро- и механическое оборудование излучает тепло как электромагнитное излучение. ИК-камеры, чувствительные к тепловому излучению, фиксируют температурные различия поверхностей.

Аномальные или неожиданные тепловые картины могут указывать на проблемы, ведущие к поломке, отказу или пожару.

ИК-анализ обычно делают каждые 2–3 года под нагрузкой (если возможно), но специфические условия могут требовать ежегодного контроля.

ИК-анализ также проводят после ТО/испытаний для проверки качества восстановленных контактов. Если ИК сделан при заводских тепловых испытаниях, результаты служат базой для сравнения.

Обычно подвергаются ИК-анализу:

• Бак
• Радиаторы и система охлаждения
• Вводы
• ПНР

Также читайте: ТРЕБОВАНИЯ К ЗАВОДСКОЙ МАРКИРОВКЕ ТРАНСФОРМАТОРА.

Бак

Чрезмерно высокие внешние температуры или аномальные тепловые картины бака указывают на внутренние проблемы: низкий уровень масла, паразитные циркуляционные токи, забитое охлаждение, ослабленные экраны, проблемы ПНР и т.д.

Аномально высокие температуры повреждают/уничтожают изоляцию, сокращая срок службы.

ИК-осмотр находит перегрев или неверные тепловые картины. Сканирование и анализ требуют подготовленного персонала с опытом.

Радиаторы и система охлаждения

Радиаторы осматривают ИК-камерой и сравнивают между собой.

Холодный радиатор или секция означает, что клапан закрыт или радиатор/секция заблокирована.

Если визуальный осмотр показывает клапаны открытыми, радиатор/секцию нужно изолировать, слить, демонтировать и устранить закупорку.

Трансформатор с ухудшенным охлаждением имеет кратко сокращенный ресурс (повышение температуры всего на 8–10 °C уменьшает срок службы в 2 раза).

Вводы и изоляторы

а) Уровень масла

ИК-сканирование вводов показывает низкий уровень масла — требует немедленного отключения и замены.

Причина: прокладка внизу ввода протекает, масло уходит в трансформатор. Верхняя прокладка тоже, скорее всего, негерметична, пропуская воздух и влагу.

Слишком высокий уровень масла в вводах — нижняя прокладка протекает, и масляная голова от экспандатора или азотное давление подталкивают масло вверх по вводу.

Другая причина высокого уровня — течь верхней прокладки, вода проникает, смещая масло вверх.

Более 90% отказов вводов из-за попадания воды через верхнюю прокладку. Предыдущие ИК-снимки того же ввода нужно сравнивать с текущим.

б) Соединения вводов

Вводы имеют два внутренних соединения: в голове и глубже — к обмоткам.

Оба видны снаружи: головное — в верхней части, обмоточное — у основания.

Обнаружены трещины в отдельных изоляторах, снижающие электрическую и механическую прочность.

При поверхностной влаге малый ток утечки по поверхности повышает температуру на 1–2 °C. При трещине ток течет по трещине, а не по поверхности, и изолятор выглядит слегка холоднее.

Когда трещина становится достаточно глубокой, может появиться повышение температуры.

ПНР (On-Load Tap Changers)

Температура крышки ПНР должна совпадать с температурой самого трансформатора.

Источник тепла внутри корпуса ПНР — существенно горячее показанной температуры.

Внешний отсек ПНР не должен быть теплее корпуса трансформатора. Если теплее — указывает на вероятный перегрев внутренних контактов переключения.

Сложность: не все отводы подключены во время осмотра, результаты могут быть неконклюзивными.

---

^[1] NETA: Международная ассоциация электроиспытаний (США).

^[2] После тяжелой внутренней неисправности или каждые 8–10 лет непрерывной работы, особенно при тяжелых циклах перегрузки или внешних КЗ. Работы выполняют специализированные кадры.

^[3] MEGGER — торговая марка, но прибор известен под этим именем.

^[4] См. Главу 7: Инфракрасная термография.

^[5] МЭК: Международная электротехническая комиссия.

^[6] Только если испытание проводилось во время FAT — заводских приемо-сдаточных испытаний.

Об авторе: Мануэль Болотинья

• Диплом инженера электротехники — Энергетика и системы электроснабжения (1974, Instituto Superior Técnico/Университет Лиссабона)
• Магистр электротехники и компьютерной инженерии (2017, Faculdade de Ciências e Tecnologia/Новый университет Лиссабона)
• Старший консультант по подстанциям и системам электроснабжения; профессиональный инструктор

Полное руководство по системам электрозащиты: устройства, реле и координация Системы аварийных генераторов: конструкция, монтаж, обслуживание и проводка для надежного питания