Motrenje energetskih transformatora

1. Motrenje energetskih transformatora Andreja Ćurković R3251

2. MOTRENJE (engl. on-line monitoring) transformatora je kontinuirani nadzor stanja transformatora, koji u svojoj osnovi obuhvaća: • mjerenje određenih fizikalnih veličina transformatora, • praćenje stanja opreme transformatora (stanje rashladnog sustava, stanja senzora itd.), • estimaciju određenih parametara na temelju mjerenja i matematičkih modela, • arhiviranje mjerenih i estimiranih parametara, • određenu dijagnostiku stanja pojedinih dijelova transformatora, • korisničko sučelje za pristup rezultatima motrenja

3. Ugradnjom sustava motrenja na transformator mogu se postići sljedeći ciljevi: • otkrivanje grešaka u nastanku i sprječavanje ili smanjenje posljedica kvara (uštede), • stalni uvid u uvjete pogona i stanje transformatora, • održavanje na osnovi stanja (uštede), • povećanje raspoloživosti (pouzdaniji pogon, tj. manje neplaniranih ispada i bolje planiranje namjenskih isključivanja), • optimiranje gospodarenja transformatorom kao što su kontrolirano preopterećivanje, procjena preostalog vijeka trajanja, produljenje vijeka trajanja, odgađanje zamjene, itd., • detaljniju analizu uzroka kvara, • povećanje sigurnosti ljudi i bolju zaštitu okoliša.

4. PRIMJENA SUSTAVA MOTRENJA Kvarovi • Jedan od osnovnih ciljeva ugradnje sustava motrenja na transformator jest otkrivanje grešaka u nastanku i sprečavanje kvarova. Kvarovi se pojavljuju na svim dijelovima transformatora s određenom učestalošću (Slika 1.) • U međunarodnoj analizi [4] statistički su obrađeni podaci kvarova na uzorku od 47000 transformator godina. • Kvarovi su sistematizirani po dijelovima transformatora za koje se pretpostavlja da su inicijalno potaknuli kvar.

5. Slika 1. Raspodjela kvarova po dijelovima energetskih transformatora koji imaju regulacijsku sklopku Vodiči

6. Održavanje temeljeno na stanju • Kvarovi transformatora mogu se u određenoj mjeri smanjiti adekvatnim održavanjem. Održavanjem se ne može: • u potpunosti ukloniti mogućnost nastanka kvara • (npr. kvar uzrokovan nevremenom ili ljudskom • pogreškom). Sustavom motrenja omogućava se bolji uvid u stanje pojedinih dijelova transformatora te je kao rezultat moguće koristiti drugačiju strategiju održavanja – održavanje prema stanju (engl. condition based maintenance).

7. MOTRENE VELIČINE I MEHANIZMI NASTANKA KVARA • Kako bi se sustavom motrenja mogli otkriti kvarovi u nastanku, potrebno je poznavati mehanizme koji dovode do kvara pojedinog dijela transformatora. • Svaki se mehanizam manifestira na specifičan način koji se može detektirati promjenom određenih parametara koji se mjere pomoću senzora ili se estimiraju upotrebom određenog matematičkog modela. • Uslijed povećanih toplinskih ili električnih naprezanja u blizini izolacijskog materijala, dolazi do degradacije njegovih izolacijskih svojstava, raspadanja celuloze i ulja pri čemu dolazi do formiranja raznih plinova u ulju, vlage i drugih produkata. • Povećanje temperature ulja i namota, pojava parcijalnih izbijanja, promjena kapaciteta i faktora dielektričnih gubitaka su također vrlo pouzdani indikatori u dijagnosticiranju mehanizama koji mogu dovesti do kvara transformatora.

8. Analiza plinova otopljenih u ulju • Najčešće se provodi periodičkim uzimanjem uzoraka ulja iz transformatora, te se u laboratorijskim uvjetima kromatografskom analizom utvrđuju koncentracije plinova otopljenih u ulju (najčešće: vodik, ugljični monoksid, ugljični dioksid, etilen, etan,metan, acetilen i kisik). • Plinovi otopljeni u ulju mogu se mjeriti pomoću senzora za on-line mjerenje. • Trenutno je na tržištu dostupno više različitih uređaja Hydran proizvođača General Electric omogućuje mjerenje smjese plinova otopljenih u ulju. Tim se uređajem ne mogu odrediti koncentracije određenih plinova pojedinačno, pa se uglavnom koristi za upozoravanje na pojačano generiranje plinova u ulju.

9. Koncentraciju vodika u ulju moguće je motriti uređajem Calisto proizvođača Morgan Schaffer. Vodik je plin koji se u najvećoj mjeri generira pri pojavi parcijalnih izbijanja, ali i prilikom raznih drugih pojava kao što su pregrijavanje jezgre i namota, iskrenje u ulju itd. • Od nedavno su komercijalno dostupni i senzori koji omogućavaju mjerenje koncentracije više različitih plinova pojedinačno. Transfix proizvođača Kelman mjeri koncentraciju 8 ključnih plinova korištenjem metode akustičke spektroskopije [8].

10. Motrenje temperatura • Motrenjem temperatura moguće je ustanoviti pojave pregrijavanja u transformatoru, procjenjivati učinkovitost rashladnog sustava transformatora, te procjenjivati stanje izolacije transformatora. Najznačajnija temperatura, o kojoj izravno ovisi starenje izolacije, jest temperatura najtoplije točke namota. • Ona se izravno može mjeriti ugradnjom posebnih svjetlovodnih termometara koji mjere temperaturu u jednoj točci ili duž cijelog namota. Ugradnja ovakvih termometara moguća je samo kod novih transformatora. Osim tog nedostatka, radi se o relativno skupoj opremi pa se mnogo češće temperatura najtoplije točke namota procjenjuje nekim od matematičkih modela, najčešće propisanih standardom (IEC ili IEEE). Modeli uzimaju u obzir temperaturu ulja, faktor opterećenja transformatora, te uključenost pumpi i ventilatora.

11. Motrenje napona i struja • Motrenje napona se najčešće provodi mjerenjem napona na mjernom priključku provodnika. • Struja se najčešće mjeri pomoću strujnih mjernih transformatora. Ona je izrazito važan parametar motrenja, jer u kombinaciji s motrenjem temperatura omogućava procjenu temperature najtoplije točke namota iz čega proizlazi brzina starenja papirne izolacije i procjena preostalog životnog vijeka, te omogućava planiranje preopterećivanja transformatora.

12. Motrenje parcijalnih izbijanja • Parcijalna izbijanja se pojavljuju kao posljedica povišenja napona, oštećenja izolacije, vlage u izolaciji, šupljina u čvrstoj izolaciji, slobodnih metalnih dijelova, i mjehurića plinova u ulju. • Za detekciju parcijalnih izbijanja postoje električke i akustičke metode. • Akustički senzori se ugrađuju u transformator ili se prigrađuju izvana na kotao transformatora. • Potonji su osjetljiviji na vanjske smetnje (kiša, vjetar, olabavljeni dijelovi koji vibriraju, buka jezgre, ventilatori), ali ih je lakše ugraditi na stari transformator. • Kod obje metode najveći problem predstavlja smanjivanje smetnji.

13. Motrenje regulacijske sklopke • Najveći broj kvarova kod transformatora uzrokuje regulacijska sklopka. Kvarovi regulacijske sklopke su uglavnom mehaničke, te električke prirode. • Za dijagnosticiranje mehaničkih kvarova najčešće se motri moment ili snaga motora pogona sklopke. Pri svakom se preklapanju između položaja regulacijske sklopke, nakon čega se određuje energija prilikom preklapanja, vršna snaga, trajanje preklapanja. • Kontakti regulacijske sklopke se troše svakim preklapanjem, te s vremenom zbog povećanja kontaktnog otpora dolazi do povećanog zagrijavanja ulja u kotlu regulacijske sklopke.

14. Motrenje rashladnog sustava • Najčešće se motre stanja uključenosti pumpi i ventilatora. Ukoliko neki ventilatori ili pumpe nisu uključeni, kada bi to trebali biti, doći će do povećanog zagrijavanja transformatora. • Do povećanog zagrijavanja može doći, općenito zbog smanjenja učinkovitosti pojedinog hladnjaka pa se ponekad mjere temperature ulja na ulazima i izlazima iz hladnjaka.

15. SUSTAV MOTRENJA TRANSFORMATORA KONČAR TMS Hardver • Server sustava motrenja je industrijsko računalo sa Windows XP operacijskim sustavom, programima sustava motrenja te bazom podataka. Rezultati motrenja mogu biti informacije, upozorenja i preporuke. • Podsustav na transformatoru sastoji se od mjernih pretvornika i kontrolera. Kontroler ima realtime operacijski sustav i aplikaciju za motrenje koja prikuplja podatke od pretvornika, obrađuje ih i prosljeđuje serveru sustava motrenja, gdje se arhiviraju i dodatno obrađuju te prezentiraju korisniku. • Senzori su ugrađeni na odgovarajuća mjesta na transformatoru, a kontroler je smješten u ormarić sustava motrenja. U ormariću su smješteni i drugi uređaji sustava: nadstrujna zaštita, uređaj za neprekidno napajanje kontrolera, grijači, termostati, higrostat za reguliranje mikroklime ormarića, uređaji za prenaponsku i nadstrujnu zaštitu ulaznih modula kontrolera, pretvornik za povezivanje bakrenog i optičkog kabela i drugi uređaji (Slika 2).

16. Mjerni pretvornici (senzori) prikupljaju i obrađuju podatke pojedinih mjernih veličina, ili veličina koje karakteriziraju određeni sklop transformatora ili njegove opreme. Mjerni pretvornici, osim senzorom za mjerenje, mogu biti opremljeni i procesorom, te obrađivati podatke na razini funkcije (sklopa) ili opreme te mogu imati i sučelje za komunikaciju sa računalom. • Slika 2.

17. Softver • Programska podrška sustava motrenja transformatora razvijena je u LabVIEW razvojnom okruženju i čine je tri glavne aplikacije: •e-Trafo Origin – aplikacija za motrenje koja se izvodi na kontroleru sustava motrenja i provodi prikupljanje i obradu signala. •e-Trafo Spot – aplikacija za motrenje na računalu serveru (PC). Ova aplikacija provodi dodatnu obradu signala i dugoročno arhiviranje rezultata motrenja, te posluživanje klijenata. •e-Trafo Anywhere – aplikacija za pristup rezultatima motrenja s udaljenog ili s lokalnog računala-servera (smještenog u samom postrojenju).

18. Slika 3 Arhitektura klijent i server aplikacija e-Trafo Anywhere i e-Trafo Spot

19. DALJNJI RAZVOJ • Začetak razvoja sustava motrenja transformatora seže u 80-te godine prošlog stoljeća. Danas su sustavi motrenja prepoznati kao važan „alat“ za učinkovitije upravljanje transformatorom kao važnom komponentom svakog elektroenergetskog postrojenja. • Dva pravca daljnjeg razvoja sustava motrenja: • Prvi obuhvaća daljnji razvoj senzora i mjernih metoda u svrhu poboljšanja postojećih. • Od novih metoda najviše obećavaju motrenje vibracija regulacijske sklopke kao alat za detekciju mehaničkih i električkih poremećaja u radu iste, zatim razvoj senzora za mjerenje sadržaja furfurala u ulju i dr.

20. ZAKLJUČAK • Sustavi motrenja transformatora pronašli su svoju primjenu u elektroenergetskim postrojenjima diljem svijeta i dokazali svoju važnost u smislu sprečavanja kvara transformatora, zaštiti osoblja i okoliša, te boljeg gospodarenja transformatorom što je naročito došlo do izražaja nakon liberalizacije tržišta električnom energijom. U radu su predstavljene osnovne metode motrenja uz koje je dan prikaz sustava motrenja transformatora Končar TMS u čijem je razvoju sudjelovao i sam autor. Nastavak razvoja se očekuje na području novih mjernih metoda i senzora, kao i poboljšanju postojećih, te nadogradnji sustava funkcijom automatizirane dijagnostike stanja transformatora.