ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина IX, брой 3, 2017

Онлайн системи за силови трансформатори

Онлайн системи за силови трансформатори

Светът е изправен пред сериозни предизвикателства по отношение на нарастващата електропреносна инфраструктура и непрекъснато повишаващите се изисквания за подобряване на надеждността й. Прекъсванията на силовите трансформатори имат големи социални последствия в публичните и частните енергийни мрежи, но също така и негативно влияние върху промишленото производство.
Сигурната доставка на електроенергия никога не е била по-критичена за икономическо и социално развитие в световен мащаб. Основната конструкция на силовите трансформатори не се е променила значително през последните 100 години. Въпреки това, въздействието и стойността на загубата на натоварване поради недостатъчност на трансформатори се е увеличил с много порядъци.


Повреда в трансформатора на захранващата система, генераторна подтанция или промишлено предприятие може да струва много милиони, в зависимост от времетраенето на прекъсването. Системите за онлайн контрол и диагностика са полезен инструмент, който помага на операторите да управляват своите обекти и да вземат решения за продължаване на експлоатацията, необходимост от поддръжка или замяна. Изводите на трансформатора се определят като основна причина за голям брой трансформаторни повреди. Системите за онлайн мониторинг на изводите следят изолацията на самите изводи и откриват частични разряди (Partial Discharge - PD) в рамките на изводите и казана на трансформатора. Използват се сензори за измерване на нискочестотни и високочестотни компоненти на тока на утечка в изолаторите, за да се открият промени в изолационните свойства и да се определи количеството на частични разряди в рамките на извода и на трансформатора.

Днес глобалните услуги и индустрии са критично зависими от надеждността на електрозахранването. Ключовите параметри на трансформатора и неговире 5 основни компоненти- активна част (магнитопровод и намотки), малко, изводи, стъпален регулатор и охладителната система - могат да предоставят полезна информация за състоянието на трансформатора, която да позволи да се направят по-добри технически, операционни и съответно бизнес решения. Групирането на най-честите трансформаторни повреди в 5 основни категории показва, че изводите и превключвателите (регулаторите) са най-критични по отношение на основните причини за повреда.

В стремежа да се подобри надеждността, да се намали броят на непланираните прекъсвания и да се избегнат катастрофални повреди клиентите залагат на данните за състояние на трансформатора. По този начин се анализират причините за повредата и какво мониторинг оборудване е необходимо, за да бъде активно защитен обектът.

Повреди на изводите
Неправилната или нарушена изолация е основната причина за повреди в изводите. Влажността и стареенето на маслото са сред основните фактори в изолационното износване. Типичните дефекти и неизправности са причинени главно от остатъчна влага, лошо импрегниране, претоварване, проникване на влага, проникване на въздух, пренасищане с газове, стареене на маслото и хартиената изолация, прегряване на маслото, диелектрично претоварване или зареждаща йонизация. Пробивът в изолацията води допоява на електрическа дъга във вътрешбостта на извода и често има катастрофални последствия ( например при счупване на порцелана, което застрашава персонала и друго оборудване в близост). Също така може да доведе до експлозия и/илипожар, който да унищожи трансформатора и околното оборудване.

Изолаторите и наблюдение на частични разряди
Традиционната система за проверка на състоянието на изолаторите се основава на измерване на диелектричните загуби на изолацията, известно също като фактор на разсейване, при напрежение от 10kV с честотата на електроенергийната система. Използва се мост на Шеринг за измерване на капацитета на изолатора и коефициента на разсейване. Това налага извеждане на трансформатора от експлоатация, за да се приложи съответното напрежение и измерванията се извършват при режим без товар. Устройствата за мониторинг на изолаторите под напрежение са разработени да измерват тока към земя през измервателния пин, заменяйки заземяването в тази точка с токов сензор. Тези токови сензори също са вградени в защитата, за да се гарантира, че повърхността на изолатора е заземена ефективно в случай на отворена верига на измервателния кабел или някаква друга повреда в измервателната апаратура. Предимството на мониторинга под напрежение е, че може да се следи състоянието на трансформатора в работно състояние и не изисква прекъсване на натоварването. Недостатъкът е, че без референтно напрежение, действителното капацитивно съпротивление и диелектричните загуби не могат да бъдат определени. Измерената стойност е относителна, но всички промени с течение на времето могат да бъдат наблюдавани. Едно друго предимство на онлайн измерванията е, че частичните разряди в трансформатора могат да бъдат открити чрез измерване на високочестотната компонента на капацитивния ток на извода. Частичните разряди в трансформатора, както и в околната среда, пропълзяват през капацитивните отвори на извода и могат да бъдат открити като високочестотна съставяща в сигнала на тока на извода. Различни прочити на тези данни могат да бъдат използвани за разграничаване на вътрешни и външни частични разряди.

Методи за измерване на частични разряди
Метод чрез „събиране на токове”, който измерва сумата от капацитивните токове на изводите на трите фази, и следи всяка промяна в големината и фазовия ъгъл на тока. Смята се, че изолационните параметри на изводите на трите фази на трансформатора, не могат да се променят едновременно и в еднаква степен. Несиметричният ток винаги се изменя с появата на изолационни дефекти в един или два извода. Този метод използва големината на несиметричния ток за характеризиране на степента на развитие на дефекти в изолацията на извода. На базата на тази стойност могат да бъдат настроени сигнали за внимание и алармени граници. Посоката на вектора на несиметричния ток в трифазната система показва в извода на коя от фазите параметрите на изолация са променени.

Вторият метод измерва отделно токовете на трите фази. Големината на тока е мярка за капацитет на извода и промяна на текущата величина показва промяна на капацитета и следователно е индикатор за неизправност в изолацията. В допълнение, изводът се използва като отправна точка и фазовият ъгъл между другите два извода се измерват спрямо този ъгъл. Промени във фазовите ъгли дават информация за промени в отделните изводи на трансформатора. Всички параметри могат да покажат промените в изолацията на извода с течение на времето.

И двата метода изискват основните параметри на изводите да бъдат въведени в системата по време на пускането й в експлоатация, обикновено от скорошни офлайн тестове за фактора на мощността и капацитета, или от табелката с номинални стойности на извода и първоначалният инструктаж за пускане в експлоатация.

Наблюдение на частични разряди
Частичните разряди се появяват като високочестотен сигнал наслагващ се върху честотата на мрежовия сигнал от пина на извода. Има няколко начина за анализиране на този сигнал и премахне на външния шум, за да се предостави информация за количеството, вида и местоположението на частичните разряди в трансформатора. Решение е тази система да включва GPS приемник, който може да записва точно във времето всички измервания и да синхронизира измерванията от трифазни изводи и с високочестотен токов трансформатор, намиращ се на неутралата.

Температурни датчици за горна температура на трансформаторното масло, температура на околната среда и влажност на околната среда също са включени, за да бъдат коректно получени резултатите. „Светлинното“ време за преминаване на сигнала от изводите на фазата до неутралата се калибрира по време на инсталацията на системата, така че са възможни различия между вътрешно генерираните сигнали и външния шум.

Диагностика на частичните разряди и тълкуване
Има три нива на диагностика и интерпретация на частичните разряди. Първото ниво е амплитудата на PD пулсациите, което може да задейства и аларма в софтуера. Второто ниво е активност на частичните разряди (Partial Discharge Activity - PDI), което съчетава броя на разрядите и амплитудата им, за да се даде представа за сериозността на частичните разряди в трансформатора. Стойността на PDI се определя като една от стойностите, които могат да се използват за задействане на аларма, и също така може да се счита за показател в софтуерите заедно със стойностите от анализ на разтворените газове в трансформаторното масло (Dissolved Gas Analysis – DGA). Третото диагностично ниво, което все още не се прилага, е да се характеризират частичните разряди съгласно фазово разрешен PD (Phase Resolved PD) анализ. Това е често срещан подход за характеризиране на PD. Определя се вида на частичните разряди чрез амплитудата, положението и затихването на високочестотните импулси спрямо формата на вълната на мрежовата честота.

Фирмени решения
GE Intellix BMT 300 е онлайн система, която непрекъснато следи не само състоянието на изводите (капацитет и фактор на мощността), но също така и наличието на частични разряди в казана на трансформатора. Тази система уведомява оперативния персонал за повреди на ранен етап и предоставя жизненоважна информация за изводите и трансформатора като цяло.

Intellix BMT 300 може да се използва като самостоятелно устройство или заедно с мулти-газови анализатори Kelman TRANSFIX на GE за анализ на разтворените газове. Комбинацията на Intellix BMT 300 и Kelman TRANSFIX предлага на потребителите интегрирана, единна система, която осигурява по-задълбочен оглед на състоянието на трансформатора и следи за първопричините за повечето повреди в трансформатора. Intellix BMT 300 следи състоянието на изводите в реално време и осигурява информация на крайните потребителите. Именно това са промените в капацитета и фактора на мощността, които спомагат за оценка на диелектричната ефективност на изводите и изолационна цялост. Intellix BMT 300 измерва промяната в тока на извода и сравнява измерената стойност с първоначалната, посочена на информационната табела на извода.

Системата съчетава непрекъснат онлайн мониторинг на изводите и главния резервоар за откриване на частични разряди през изводите. Създаден е и диагностичен софтуер, Perception на GE, използван за получаване на информация за състоянието на извода, PD дейност и DGA анализ на данни, в резултат на което потребителя да се запознае лесно с получената информация. Системата може да наблюдава 3 извода високо напрежение (HV) или 6 извода високо и средно напрежение (HV + LV) като осигурява по-цялостна представа за състоянието на трансформатора. Като допълнително предимство корпусът на Intellix BMT 300 е от алуминий, за да издържа на екстремни условия на околната среда. Намалени до минимум са възможностите за фалшиви аларми чрез дискриминиране на факторите, влияещи и причиняващи същия ефекта на частичните разряди върху изводите.

Интуитивният софтуер Perception предлага изтегляне и визуализиране на получените данни. Лесен е за използване и може да бъде обновен до едновременно наблюдение на няколко трансформатора.

QUALITROL преносима система за мониторинг на частични разряди за трансформатори и GIS е система за точна оценка на частични разряди по време на изпитване, въвеждане в експлоатация и периодични проверки. Системата е създадена за работа „на терен“, разполага със сензорен екран и предоставя необходимите инженерни инструменти за диагностика на частични разряди при ограничен или никакъв достъп до основната инфраструктура за мониторинг. Позволява много бързо и лесно внедряване и максимално кратко време за оценка на състоянието на изследвания обект. Разполага със здрав и солиден дизайн, за да се максимизира животът на уреда и за подпомагане на инспекциите и тестовете за продължителен период от време (от 24 часа до 12 месеца). Гарантира се точно отчитане на неизправности и подобряване на надеждността на тестовете при високо напрежение, осигурявайки безопасна и стабилна работа на апаратите ВН, монтирани в подстанциите. Апаратът спестява разходи за закупуване на различни оборудвания за анализ на частични разряди и допълнително оборудване за високочестотни апарати. Предлага се в два варианта - 3 канала и 6 канала.

Апаратурата дава възможност за висока производителност при периодични онлайн и офлайн тестове за наличие на частични разряди на изолационната система на силовите трансформатори в електроцентрали и големи промишлени предприятия. Информацията получена от системата може да се използва за вземане на решения за профилактика или замяна на тествания обект. Уствойството осъществява изпитвания и анализ за наличие на частични разряди и тестване на устойчивостта на системата след отчитане на частични разряди. В основата си има заложени лабораторни измервания на PD за всеки изолационен материал от сертифицарани научни и изследователски лаборатории.

Предложенията на Emerson за мониторинг и тестване за частични разряди включват онлайн и офлайн периодично и/или постоянно следене, в зависимост от изискванията и нуждите на клиента. Онлайн тестове се извършват, докато оборудването е под напрежение при нормални работни напрежения. Тестването се провежда по време на реални работни условия, при нормални работни температура, напрежение и вибрации. Това е безопасен тест, който не използва пренапрежения, които биха могли да повлияят неблагоприятно върху оборудването. Системата на Emerson за онлайн мониторинг и тестване на частични разряди е сравнително евтина в сравнение с онлайн тестове, които изискват прекъсване на напрежението и производство. За критични съоръжения, които работят 24x7, като производителя определя системата си като много добро решение за определяне на състоянието на изолацията в подобни случаи.

Emerson Surveyor е първото многофункционално преносимо устройство, способно да извършва първоначалното предварително наблюдение, за да идентифицира критичното оборудване за изпитване. Обикновено само 5 до 10% от средно и високо напреженовото оборудване има значителни нива на активност на частични разряди. Това предварително проучване предоставя необходимите данни, за да се разработи цялостен план за тест, за да се гарантира фокус върху правилните елементи, като по този начин се свеждат до минимум ненужните разходи.

След като активите са с различен приоритет, тестовите инженери на Emerson провеждат периодични измервания на частичните разряди, използвайки сензори за индуктивно, капацитивно, или акустично свързване с оборудването за осигуряване на онлайн PD тестове, докато оборудването остава под напрежение. Всяка точка на присъединяване се тества само за няколко минути, което дава възможност на голям брой изпитания, които се осъществяват бързо и лесно. Технологията може да осигури и конвенционална офлайн частични измервания за частични разряди в съответствие с изискванията на Международната електротехническа комисия (IEC).

За "трудно достъпни райони" или области, които представляват заплаха за безопасността, може да се използват перманентно монтирани сензори за периодично онлайн откриване на частични разряди. Тези сензори се монтират от инженерите на Emerson и остават на оборудването за онлайн достъп и диагностична информация. Често обяче тези датчици трябва да се монтират по време на прекъсване на работата на системата. След като се инсталират, не се изискват допълнителни прекъсвания или смущения за осъшествяване на онлайн тестването.