Monitoraggio del Gas del Trasformatore in Tempo Reale per Supportare la Manutenzione Basata sulle Condizioni

Un trasformatore di potenza può essere il più grande investimento singolo effettuato in qualsiasi sistema elettrico, eppure fallisce in un modo prevedibile e prevenibile. Anche prima che un trasformatore si disattivi, bruci o fallisca catastroficamente, la decomposizione del suo olio isolante a causa di stress termici ed elettrici è già iniziata, producendo gas specifici che si dissolvono nell'olio. Questi gas includono idrogeno da scariche parziali, etilene prodotto a causa del surriscaldamento e acetilene da arco, tra gli altri. Tradizionalmente, l'analisi dei gas disciolti è lo studio dei gas prodotti in un fluido isolante simile all'esecuzione di esami del sangue. Tuttavia, con l'analisi dei gas disciolti in tempo reale, il processo passa da una semplice visita annuale in laboratorio a un monitoraggio continuo della salute, in cui il trasformatore mostrerà se c'è o meno un guasto in fase di sviluppo, quanto velocemente sta crescendo e quando è necessaria un'azione.

Questa guida evidenzia il processo di monitoraggio dei gas del trasformatore in tempo reale, quali gas cercare e la loro importanza, le tecnologie utilizzate nei sistemi di monitoraggio in tempo reale, i benefici per i proprietari di beni e come stabilire sistemi di monitoraggio che offrano un buon ritorno sugli investimenti.

Risposta: Il servizio di monitoraggio dei gas del trasformatore in tempo reale è in grado di analizzare continuamente le concentrazioni di gas tipicamente presenti nell'olio del trasformatore (come idrogeno, metano, etano, etilene, acetilene, monossido di carbonio e anidride carbonica) utilizzando sistemi di monitoraggio dei gas online (sia sotto forma di cromatografia dei gas che tramite spettroscopia fotoacustica/infrarossa, o attraverso l'uso di sensori specifici per l'idrogeno). Ognuno di questi gas è indicativo di uno dei guasti di cui il trasformatore sta soffrendo. Per i trasformatori critici, l'uso di monitor online può comportare un risparmio significativo poiché la necessità di effettuare manutenzione si basa sulla necessità piuttosto che semplicemente sul calendario, evitando così del tutto le interruzioni non programmate.

Cos'è il monitoraggio dei gas del trasformatore in tempo reale?

Il monitoraggio dei gas del trasformatore in tempo reale è un processo di misurazione continua della concentrazione di gas disciolti nell'olio isolante di un trasformatore in funzione senza doverlo disattivare. La connessione avviene attraverso il sistema dell'olio del trasformatore — generalmente tramite la valvola di drenaggio o una valvola di campionamento dedicata — per estrarre continuamente olio o gas a intervalli prestabiliti all'interno di un intervallo di tempo che va da minuti a ore. L'olio o il gas viene analizzato e le letture vengono visualizzate e/o trasmesse a un sistema SCADA o di gestione degli asset.

Il metodo online di DGA è il metodo diagnostico più applicato nel settore energetico per trasformatori riempiti d'olio. Le aziende di servizi pubblici sono abituate al metodo offline, che prevede il prelievo di campioni d'olio a intervalli definiti (di solito ogni anno) e la spedizione a un laboratorio per ricevere un cromatogramma dei gas una settimana dopo. Il metodo online offre tutte le funzionalità del DGA basato su software mentre elabora continuamente i dati di processo, eliminando molti passaggi dispendiosi in termini di tempo e fornendo il tasso di cambiamento dei gas disciolti rilasciati come uno dei primi segnali di allerta che un trasformatore può fornire.

I Gas: Cosa Ti Dice Ognuno

Gli oli e la carta dei trasformatori rilasciano un intervallo limitato di gas diagnostici chiave mentre si degradano sotto stress elettrico. La “firma” del gas è determinata identificando sia i gas presenti sia le loro concentrazioni relative l'uno all'altro.

Gas	Causa Tipica	Firma di Guasto
Idrogeno (H2)	Scarica parziale, corona, guasti a bassa energia	Indicatore precoce principale; spesso il primo gas a salire
Metano (CH4)	Guasti termici a bassa temperatura	Sale con il surriscaldamento sotto ~300°C
Etano (C2H6)	Stress termico moderato	Si abbina al metano nelle firme termiche
Etilene (C2H4)	Guasti termici ad alta temperatura (300-700°C)	Domina nei punti caldi severi
Acetilene (C2H2)	Arcing, scarica ad alta energia	La firma più pericolosa; indica arcing
Monossido di carbonio (CO)	Degradazione della cellulosa (carta)	L'aumento di CO segnala isolamento surriscaldato
Anidride carbonica (CO2)	Invecchiamento normale più stress della cellulosa	Il rapporto CO2/CO aiuta a invecchiare il guasto

Imparare solo due regole è più importante della memorizzazione di un grafico di gas di guasto campione. Prima, comprendere che i modelli di gas sono più importanti di qualsiasi singolo gas è fondamentale. Ad esempio, avere un trasformatore con bassi livelli di idrogeno e metano non è un guasto grave come un trasformatore che sta sperimentando un aumento della presenza di acetilene. Secondo, la tendenza è più importante del numero specifico di qualsiasi concentrazione di gas. Un trasformatore può avere gas in concentrazioni accettabili secondo IEEE C57.104, ma se le concentrazioni stanno raddoppiando ogni mese, rappresenta una situazione molto più urgente rispetto a una con concentrazioni di gas stabili più elevate negli ultimi due o tre anni.

Come Funziona il DGA Online: Tecnologie di Sensori

I compromessi tra prezzo e prestazioni tra le diverse tecniche comprovate utilizzate nei monitor DGA online includono:

• Cromatografia dei gas (GC): uno standard d'oro di laboratorio noto per la sua adattabilità online. Utilizza un gas di trasporto che muove il gas estratto attraverso colonne cromatografiche dove i gas vengono separati in base a caratteristiche molecolari e rilevati in sequenza. I GC online multi-gas ti offrono il pacchetto completo di gas chiave (H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CO e CO2) rendendolo la varietà di monitor online più accurata.
• Spettroscopia fotoacustica e infrarossa (PAS/IR): le molecole di gas assorbono frequenze infrarosse con assorbimento specifico che fornisce misurazioni del gas e identificazione. La tecnologia PAS offre alta affidabilità su periodi più lunghi con minore manutenzione, utile per periodi prolungati. Attualmente, i sistemi multi-gas offrono un'ampia gamma di gas chiave.
• Sensori specifici per l'idrogeno: considerati una delle varietà più economiche con il potenziale per l'idrogeno di essere rilasciato per primo tra diversi metodi di rilevamento dei guasti (scarica parziale, arco, surriscaldamento producono tutti H2). C'è un grande valore nei monitor dell'idrogeno che producono dati di allerta precoce significativi e con costi inferiori rispetto all'attrezzatura multi-gas.

Il campionamento è vitale quanto il rilevamento: il dispositivo deve essere in grado di estrarre un campione di gas rappresentativo dall'olio (le tecniche di campionamento in testa o sottovuoto sono le più utilizzate) e il monitor deve essere calibrato, installato e funzionante per catturare dati affidabili — un monitor non calibrato è peggiore di nessun monitor poiché fornisce ai produttori una falsa fiducia. La nostra guida a nozioni di base sul test dell'olio del trasformatore copre i fondamenti del campionamento dietro ogni programma di monitoraggio.

Interpretazione dei dati: standard e metodi

Il processo di determinazione della causa delle concentrazioni di gas grezzo implica la determinazione dei parametri necessari utilizzando vari metodi invece di uno solo come stabilito dalla IEEE C57.104 e dal Triangolo di Duval.

• Lo standard IEEE C57 è la base su cui si basano tali metodi, ovvero i limiti di gas ammissibili per natura dei trasformatori immersi nell'olio per quattro condizioni (Condizione 1 = normale; Condizione 4 = azione urgente) che hanno con la loro assemblaggio di linee guida richieste per il campionamento effettuato per ciascuna condizione, e ciò che ci si aspetta dagli operatori. La versione 2019 dello standard prevede che la Condizione 1 debba avere un tasso di campionamento fissato a un anno mentre quattro mesi sono prescritti per la Condizione 2, e la Condizione 3 avrà una frequenza di campionamento di un mese mentre il campionamento settimanale deve avvenire per la Condizione 4.
• Il metodo del Triangolo di Duval utilizza un metodo di rappresentazione visiva (IEC 60599) che prevede i tipi di guasto basati sulla percentuale relativa di tre tipi di gas – metano, etilene e acetilene – che rientrano nelle categorie di scarica parziale, scarica a bassa/alta energia e errore termico,
• Il metodo del rapporto utilizza le metodologie di Doernenburg, Rogers e IEC 60599 per l'identificazione dei guasti basata sul rapporto di coppie di gas secondo le tabelle.
• Il metodo del gas chiave tiene conto dei possibili flussi basati sul gas dominante; ad esempio, quale dei quattro gas H2, C2H4 e CO è prevalente con la conclusione raggiunta sul particolare tipo di difetto.
• Il metodo di analisi delle tendenze del monitoraggio in tempo reale misura il tasso di generazione di gas come un determinante critico per una decisione efficace.

Nessun metodo può funzionare in isolamento, pertanto, ispettori esperti utilizzano la loro esperienza per combinare gli approcci e fornire un contesto per una migliore presa di decisioni. Per una guida pratica alla lettura dei rapporti DGA, il nostro Guida all'interpretazione DGA passa attraverso un rapporto gas reale dall'inizio alla fine.

Da Monitoraggio a Manutenzione Basata sulle Condizioni

La manutenzione basata sulle condizioni non si basa sul calendario per i programmi di manutenzione, ma si concentra su ciò che accade all'interno del singolo pezzo di attrezzatura. In termini semplici, non si dice di “ispezionare ogni trasformatore ogni anno e testare l'olio ogni anno indipendentemente dalle condizioni in cui si trova”. Invece, si dice di “monitorare tutto continuamente, fare qualcosa quando i dati indicano che è il momento di farlo e regolare la frequenza dei campionamenti in base alle condizioni. Più specificamente:

• I trasformatori non vengono toccati e i budget e le ore di lavoro vengono dirottati su pezzi di attrezzatura che richiedono attenzione
• L'attrezzatura genera monitoraggio dei gas e vengono condotte indagini speciali in cui vengono effettuati campionamenti rapidi insieme a imaging termico, test della qualità dell'olio (inclusa l'umidità tramite il metodo Karl Fischer, tensione di rottura, analisi del furan della carta, ecc.) e diagnosi acustiche (controlli di scarica parziale) per individuare le aree problematiche sui trasformatori.
• L'attrezzatura avvisa i sistemi di determinate azioni che devono essere intraprese – il carico viene ridistribuito, i ricambi sono in attesa, le interruzioni sono pianificate e l'attrezzatura viene disattivata (se i prodotti iniziano a indicare un aumento significativo nella generazione di acetilene).

Essenzialmente, il programma di manutenzione si è trasformato in un albero decisionale basato sul monitoraggio del sistema dell'asset, che è ciò che i gestori degli asset intendono per manutenzione “predittiva” rispetto alla manutenzione “reattiva”. Poiché sono i tassi di generazione di gas il parametro più informativo, sono i dati online continui che rendono possibile l'albero decisionale, poiché un campione annuale non può indicare se la generazione di gas sta accelerando. Per indicazioni sul programma di ispezione più ampio che circonda il monitoraggio, vedere il nostro lista di controllo per la manutenzione del trasformatore.

Il Caso Aziendale: Vantaggi e Ritorno

I vantaggi dei sistemi di monitoraggio dei gas in tempo reale sono specifici e economicamente cruciali dove vengono utilizzati gli asset critici.

• Rilevamento dei guasti in una fase precoce – difetti come scariche parziali, punti caldi o connessioni allentate possono essere rilevati mesi prima del guasto in modo che le riparazioni possano essere effettuate a quasi nessun costo.
• Evitare interruzioni forzate – il guasto imprevisto dei trasformatori può portare a perdite di produzione. Il costo di un'interruzione forzata è molto più alto del semplice prezzo del sistema di monitoraggio. Secondo la ricerca condotta dall'EPRI (Electric Power Research Institute), si può affermare che anche una sola interruzione forzata evitata potrebbe coprire il costo del programma di monitoraggio.
• Utilizzo delle risorse in modo migliore - la manutenzione e il campionamento dovrebbero essere focalizzati solo sugli asset che necessitano di aiuto per utilizzare le risorse in modo efficiente.
• Maggiore durata degli asset - se il surriscaldamento del trasformatore viene rilevato prima che causi danni all'isolamento, il trasformatore durerà per diversi anni.
• Sicurezza - il rilevamento della firma del gas indica l'insorgere di un guasto ad arco, consentendo agli operatori di intraprendere azioni preventive.
• Prendere decisioni basate su fatti - le modifiche nel carico o l'acquisto e la sostituzione dei trasformatori dovrebbero essere effettuate sulla base dei dati storici sulle condizioni piuttosto che semplicemente indovinare.

È considerato sicuro e una buona pratica dotare tutti i trasformatori importanti di sistemi di monitoraggio in tempo reale e non utilizzare questa tecnologia su unità meno critiche e fare affidamento solo su test annuali. Il nostro soluzioni di monitoraggio dei trasformatori pagina mostra come l'hardware e i servizi di monitoraggio siano tipicamente confezionati per tali flotte.

Soluzioni e Programmi del Settore

Un sistema completo di monitoraggio in tempo reale consiste di quattro strati. Nel settore, ogni strato può essere implementato in varie scale.

• Analizzatori DGA in tempo reale - analizzatori di idrogeno a gas singolo per flotte di budget e tecniche GC/PAS a gas multiplo per strutture critiche. I produttori prevalenti sono Qualitrol e i suoi concorrenti come Vaisala e Serveron/TM8, Morgan Schaffer e Camlin.
• Sistemi integrati di monitoraggio dei trasformatori - accumulo di DGA in un'unica piattaforma insieme al monitoraggio della temperatura dell'olio e della temperatura dell'avvolgimento del trasformatore, ecc. (ad es., Cambridge e Siemens).
• L'interfaccia con i sistemi SCADA/gestione degli asset, dove i risultati sono integrati nei sistemi di controllo della gestione dell'impianto rispetto ad avvisi e dashboard, dove vengono prese le decisioni CBM.
• Servizio che include l'interpretazione DGA e test di laboratorio come base per future implementazioni.

Nelle stazioni di energia solare e eolica, il primo pacchetto include trasformatori principali e trasformatori di sollevamento del generatore, mentre, nelle industrie, il pacchetto potrebbe utilizzare trasformatori di alimentazione e di produzione. La sostanza è “monitora ciò di cui hai assolutamente bisogno di dati affidabili e monitora ciò che puoi permetterti di perdere.” Per assistenza nella dimensione di un programma per la tua flotta, contatta il nostro team - e inizia con la nostra pagina informativa per vedere come supportiamo la selezione e il monitoraggio dei trasformatori per i proprietari in vari settori.

Domande frequenti

Quali gas rileva il DGA e cosa significano?

Un programma completo di DGAs misura sette gas essenziali, vale a dire idrogeno - che indica una scarica parziale, metano ed etano per un lieve collasso termico, etilene per surriscaldamento a temperature elevate, acetilene per arco e monossido di carbonio / anidride carbonica per degradazione del dielettrico cartaceo. A seconda della presenza e delle tendenze di questi gas, si può determinare la ragione e il grado di guasto, piuttosto che utilizzare solo il numero di concentrazione individuale di uno di questi gas.

Con quale frequenza dovrebbe essere campionato l'olio del trasformatore?

Secondo l'IEEE C57.104-2019, lo standard stabilisce che gli oli dei trasformatori dovrebbero essere campionati annualmente in caso di Condizione 1 (condizione normale), trimestralmente per la Condizione 2, mensilmente per la Condizione 3 e settimanalmente per la Condizione 4. I trasformatori appena commissionati possono essere chiamati per campionamento mensile per il primo trimestre.

Il monitoraggio DGA online vale il costo?

Per i trasformatori critici, vale la pena investire. Perché la produzione persa, oltre al costo per le sostituzioni, in caso di interruzioni forzate supererebbe facilmente il costo dell'investimento sul monitor. Per i trasformatori ausiliari, il campionamento in laboratorio almeno una volta all'anno o trimestralmente sarà la migliore pratica.

Qual è la differenza tra manutenzione basata sulle condizioni e manutenzione preventiva?

La manutenzione preventiva funziona su un programma predefinito, indipendentemente da qualsiasi stato misurato dell'attrezzatura. Pertanto, la MBM utilizza misurazioni effettive (le attuali tendenze dei gas, i carichi e/o i risultati dei test) per intraprendere azioni in modo che l'attrezzatura sana rimanga intatta e si sviluppi. Pertanto, la CBM fa risparmiare denaro per qualsiasi lavoro svolto. L'introduzione del monitoraggio dei gas in tempo reale è il livello informativo che consente di utilizzare la CBM.

Riferimenti

• IEEE Technology Navigator — Panoramica dell'analisi dei gas disciolti
• Power Prognosis — Interpretazione DGA integrata basata su IEEE C57.104
• REIG — Guida sul campo DGA per trasformatori di impianti solari (cadenza di campionamento, Duval, ritorno dell'investimento)
• Springer — Analisi online dei gas disciolti: possibilità, esperienze, limitazioni
• Megger — Come interpretare i risultati DGA per la salute del trasformatore

Conclusione

Con il rilevamento dei gas del trasformatore in tempo reale, la preziosa merce dell'installazione elettrica cambia da una scatola nera senza informazioni a un paziente con un elettrocardiogramma cablato. I gas disciolti che si trovano nell'olio del trasformatore, che includono idrogeno, metano, etano, etilene, acetilene e ossidi di carbonio, sono segnali di allerta precoce che sono stati dimostrati nel corso degli anni nell'uso della DGA e negli standard e nell'uso di strumenti per l'interpretazione nella conversione dei segnali in decisioni di manutenzione. Passare dall'uso di campionamenti di laboratorio periodici al monitoraggio online in tempo reale porta un vantaggio chiave, che è il tasso di cambiamento, e quindi, in questo caso, un vantaggio chiave è ciò che si trova tra il raggiungimento della rilevazione di un problema a costo di routine o ci si renderà conto che esisteva attraverso un'interruzione forzata. È essenziale prendere nota del caso aziendale, che si completa e si chiude con il primo guasto evitato per il proprietario di un trasformatore critico.