В precisely 2:47 a.m., сигнализация в контрольной комнате сработала – анализ растворенных газов (DGA) для трансформатора мощностью 10 МВА, 33/11 кВ прыгнул с нормальных 60 ppm горючих газов до 340 ppm за шесть часов. Оператор завода имеет три варианта: очистить весь блок и закончить смену с потерей в производстве, продолжить нормальную работу с надеждой не отключить реле Бухгольца или начать проводить диагностику. Диагностика неисправностей силовых трансформаторов – это именно та область изучения, которая позволяет различать запланированные простои на техническое обслуживание и вынужденные отключения, которые отнимают у компании $50,000 или более в виде упущенной выручки, транспортных расходов и экстренной покупки электроэнергии. В этой статье можно найти информацию о самых распространенных типах неисправностей, методах их обнаружения и пошаговые инструкции по проведению диагностики неисправностей на практике.
Мы объясняем физическую причину каждой категории неисправностей, диагностические устройства, ответственные за их обнаружение, приблизительные средства, необходимые для тестирования оборудования и сторонней диагностики, а также работы по техническому обслуживанию, которые позволяют избежать большинства неисправностей задолго до того, как они достигнут автоматического выключателя.
Проще говоря, устранение неисправностей силового трансформатора означает следование четко определенной процедуре, основанной на знаниях, направленной на выявление, измерение и исправление неисправностей трансформаторов мощностью более 1 МВА с помощью таких тестов, как DGA (анализ растворенных газов), тестирование сопротивления изоляции, тестирование сопротивления обмоток и тесты трансформаторного масла. Около 80% неисправных трансформаторов выходят из строя из-за электрических неисправностей, вызванных пробоем изоляции, частичным разрядом или импульсным воздействием, при этом термические и механические неисправности составляют подавляющее большинство остальных. Что мы должны помнить, так это то, что мы не должны снимать крышку трансформатора, пока результаты DGA и электрических тестов не покажут, какая подсистема выходит из строя.
Каковы самые распространенные неисправности силовых трансформаторов?
Трансформаторы — это зрелые устройства, которые известны своей высокой надежностью и могут прослужить около 30-40 лет, если они правильно сконструированы и охлаждаются. Отказ трансформаторов обычно попадает в одну из пяти категорий, первая из которых — это пробой изоляции обмотки, который вызывает около 35-40% отказов такого оборудования. Это связано с короткими замыканиями между витками, короткими замыканиями между различными слоями, а также с земляными замыканиями, которые происходят из-за ухудшения состояния бумажной изоляции. Кроме того, слабости в вводах также ответственны за 10-15% отказов, и это особенно опасно из-за возможности распыления высоковоспламеняющегося горячего масла из вводов при возникновении отказа. Отказы переключателей под нагрузкой сопоставимы с вводами, так как они составляют аналогичный процент отказов, при этом проблемы с кузнечным производством являются одной из основных причин — будь то износ контактов, загрязнение масла в отсеке переключателя или поломки привода. Дефекты сердечника и магнитной цепи могут проявляться в виде ослабленных болтов или циркуляции тока, вызванной повреждением изоляции между ламелями, что приводит к локальному перегреву и чрезмерным потерям в режиме холостого хода. Кроме того, проблемы, связанные с маслом в системе охлаждения, такие как забитые радиаторы, неисправные насосы и вентиляторы, низкий уровень масла или высокий уровень влаги, приводят к термическому разрушению, которое начинает разрушение частей внутри трансформатора.
Как развиваются отказы трансформаторов: режимы и механизмы отказов
Наличие отказов требует длительного процесса деградации, который происходит со временем, чтобы отказ проявился. Большинство отказов обмоток и изоляции возникает из-за температурных напряжений. Согласно правилу старения, применяемому в отрасли, срок службы изоляции сокращается вдвое, когда ее температура превышает на 6°C до 10°C ее номинальную температуру 98 °C при использовании термически улучшенной бумаги. Например, работа трансформатора мощностью 10 МВА под нагрузкой не менее 20% в течение лета сократит срок службы изоляции, даже если трансформатор не отключится.
Электрические напряжения приводят к собственному процессу отказа. Частичные разряды, которые проявляются как микророзряды через пузырьки, пустоты и поврежденные изоляционные материалы, могут привести к медленному разрушению изоляции. В случае обмотки 33 кВ следует отметить, что активность частичного разряда в 100 пК является уже предупреждающим знаком. И если в трансформаторе наблюдаются частичные разряды в 1000 пК, трансформатор столкнется с отказом, который мы можем наблюдать через несколько недель. Наличие влаги может усугубить оба процесса. В случае трансформатора с уровнем влаги 2 1ТП3Т в его бумажной изоляции, бумага может стареть примерно в два раза быстрее, чем в трансформаторе без влияния влаги, что приводит к разрушению изоляции. Из-за присутствия влаги в масле диэлектрическая прочность может снизиться с 40 кВ (минимальный рейтинг согласно IEC 60156) до менее 20 кВ, что достаточно для возникновения отказа. Механическая сила, связанная с токами короткого замыкания на обмотке, может изменять и ослаблять ее, так что даже если трансформатор переживет первый случай, второй черезфазный отказ может в конечном итоге повредить его, если он произойдет через шесть месяцев между отказами. Обратите внимание, что распознавание этих механизмов дает очень хорошую основу для диагностики отказов трансформатора.
Типы отказов, предупреждающие знаки и коренные причины
| Тип неисправности | Типичная доля отказов | Ранние предупреждающие знаки | Наиболее распространенные коренные причины |
|---|---|---|---|
| Отказ обмотки / изоляции | 35–40% | Повышение DGA ацетилена/этилена, отклонение соотношения, горячее масло | Перегрев, влага, PD, повреждение от перенапряжения, ослабленное зажимание |
| Отказ вводов | 10–15% | Видимые трещины, утечки масла, изменение емкости, PD на вводе | Повреждение фарфора, проникновение влаги, загрязнение |
| Отказ OLTC / переключателя отводов | 10–15% | Необычный шум при переключении отводов, повышение сопротивления контакта, потемнение масла | Износ контактов, карбонизированное масло, механический износ |
| Отказ сердечника | 8–12% | Увеличенные потери в холостом режиме, локальные горячие точки, необычный гул | Ослабленные ламинации, поврежденная изоляция сердечника, циркулирующие токи |
| Отказ системы охлаждения / масла | 10–15% | Высокая температура верхнего масла, низкий уровень масла, отключения насосов/вентиляторов | Забитые радиаторы, вышедшие из строя насосы, утечки, проникновение влаги |
| Перегрузка / событие внешней системы | 5–10% | Длительная высокая нагрузка, гармоническое нагревание, защитное отключение | Длительная перегрузка, гармоники, дисбаланс напряжения |
Таблица содержит две важные информации относительно процесса устранения неполадок. Стоит отметить, что данные, показывающие “долю отказов”, собраны из совместных исследований различных отказов в отрасли, проведенных CIGRÉ и IEEE, которые выявили изменения в этих цифрах в зависимости от классов напряжения трансформаторов. Например, трансформаторы класса распределения страдают от гораздо большего количества перегрузок, чем трансформаторы, передающие более 110 кВ, страдают от диэлектрических и OLTC отказов. Более того, изоляционное масло трансформатора является скрытым сообщением, так как оно указывает на тип происходящего отказа.
Симптомы отказа против вероятных причин
| Наблюдаемый симптом | Наиболее вероятный отказ | Подтвердить с помощью | Вторичные подозреваемые |
|---|---|---|---|
| Внезапное срабатывание реле Бухгольца | Серьезный внутренний отказ (обмотка к обмотке, сердечник) | DGA + сопротивление обмотки + тест соотношения | Быстрое выделение влаги, накопление газа |
| Постепенное повышение температуры при постоянной нагрузке | Ухудшение системы охлаждения | Проверка потока масла, ток насоса/вентилятора, DGA | Ухудшение масла, более высокая температура окружающей среды, засоры |
| Высокие потери на холостом ходу и громкий гул | Повреждение сердечника или плохая изоляция ламинации | Испытание потерь на холостом ходу, ток заземления сердечника | Механическая неплотность, постоянная магнитизация |
| Уменьшение сопротивления изоляции | Проникновение влаги или загрязнение | Испытание сопротивления изоляции, напряжение пробоя масла | Старение бумаги, масляный шлам |
| Соотношение напряжения вне допустимых пределов | Короткие витки обмотки или повреждение OLTC | Испытание соотношения витков (TTR), сопротивление обмотки | Неправильное выравнивание переключателя отводов |
| Потемнение масла и шлам | Термальное разложение масла | Кислотное число (IEC 62021), межфазное натяжение | Перегрев, окисление, контакт с воздухом |
Эта таблица симптомов намеренно консервативна: каждый симптом указывает на ключевого подозреваемого, но опытные специалисты по устранению неполадок не будут спешить с выводами. Например, срабатывание Бухгольца может возникнуть так же легко из-за сломанной охлаждающей трубы, которая вводит воздух в контейнер, но не связано с электрическим сбоем. Таким образом, следующая последовательность диагностики всегда должна подтверждаться измерениями заранее, прежде чем будет принято какое-либо решение об открытии контейнера.
Ключевые диагностические испытания и допустимые пределы
| Испытание | Стандартная ссылка | Типичный допустимый диапазон | Когда проводить |
|---|---|---|---|
| Анализ растворенных газов (DGA) | IEC 60599 / IEEE C57.104 | Общий объем горючих газов < 720 ppm; ключевые соотношения газов в норме | Ежегодно; сразу после любого срабатывания или аномального события |
| Сопротивление изоляции (IR) / PI | IEEE 43 | Индекс поляризации ≥ 2.0 для сухой бумаги; IR на кВ номинала | Ежегодно; перед подачей напряжения после обслуживания |
| Сопротивление обмотки | IEC 60076-1 | Непропорциональность фаз ≤ 2% между фазами | После срабатываний, проверок OLTC, подозреваемых коротких витков |
| Испытание соотношения витков (TTR) | IEC 60076-1 | Отклонение ≤ 0.5% от заводской таблички | Ежегодно; после повторного подключения или работы OLTC |
| Напряжение пробоя масла (BDV) | IEC 60156 | ≥ 40 кВ для нового масла; ≥ 30 кВ допустимо в эксплуатации | Каждый образец масла; перед рекуперацией масла |
| Влажность в масле / бумаге | IEC 60814 / Карл Фишер | < 2% влажности в бумаге; < 10 ppm воды в масле (типично) | Ежегодно; после подозреваемого проникновения влаги |
| Измерение частичных разрядов | IEC 60270 | Уровень PD ниже приемлемого для производителя (часто < 100 pC при ВН) | Заводские испытания; после значительного нарушения изоляции |
| Частотный отклик (SFRA) | IEC 60076-18 | Низкий индекс отклонения по диапазону частот | После коротких замыканий или транспортировки; базовое сравнение |
Эти пределы являются рабочими числами, а не неизбежными, поскольку трансформатор, который всегда работал при 5% влажности, может все равно работать правильно — однако, тренд важнее любого отдельного числа. Таким образом, вам нужно хранить все результаты тестирования для сравнения из года в год, потому что увеличение содержания водорода на 40% в двух случаях гораздо важнее, чем нормальное абсолютное значение.
Где неисправности наносят наибольший удар: Применения и критические активы
Приоритеты в устранении неполадок различаются в зависимости от приложений, так как затраты на сбои отличаются от одного приложения к другому. В производстве и передаче электроэнергии один трансформатор с номиналом 110 кВ/50 МВА может стоить до $ 400,000 и даже миллион долларов, и его замена может занять до 1 сезона. В промышленной среде тот же 10 МВА устройство обычно имеет резервный блок, и, следовательно, цель будет заключаться в оценке сбоя, выяснении, можно ли его отремонтировать на месте или требуется обслуживание вне площадки. Для устройств возобновляемой энергии, таких как ветряные электростанции, трансформаторы подвергаются уличным циклам и сталкиваются с различными проблемами, связанными с повреждением OLTC, пробоями и отказами изоляции, не вызванными отдельными авариями. Места, такие как центры обработки данных и больницы, будут сосредоточены на том, чтобы сделать проблемы доступности приоритетом, и именно поэтому они будут готовы платить гораздо больше, чем обычно, за ремонты.
Что касается сетей, компании, работающие в них, выберут стратегию управления рисками и будут сталкиваться с высокими рисками сбоев каждые 6-12 месяцев и низкими рисками сбоев каждые 2-3 года. Таким образом, один и тот же трансформатор или одна и та же неисправность могут получать совершенно разное обращение в зависимости от контекста использования технологии.
Диагностические инструменты, бренды и ценовые диапазоны
| Инструмент / Услуга | Представительные бренды | Типичный диапазон цен | Примечания |
|---|---|---|---|
| Набор для отбора проб DGA и лабораторный тест (за образец) | Doble, SGS, местные лаборатории коммунальных служб | $80–$250 на образец | Полная панель газовой хроматографии |
| Портативный монитор DGA (онлайн) | Келман (GE), Серверон, Квалитрол | $15,000–$45,000 | Непрерывный мониторинг ключевых газов |
| Испытатель сопротивления изоляции (5–10 кВ) | Меггер, Флук, Добл | $1,500–$6,000 | Для измерений IR, PI, DAR |
| Метр сопротивления обмотки (микроомметр) | Меггер, Вангард, DV Пауэр | $4,000–$12,000 | Измерение низкого сопротивления до 0.1 µΩ |
| Испытатель коэффициента трансформации (TTR) | Меггер, Вангард, Добл | $5,000–$15,000 | Полный 3-фазный TTR с тестом OLTC |
| Набор для тестирования SFRA | Добл, ОМИКРОН, Меггер | $20,000–$60,000 | Анализ деформации обмотки |
| Услуга диагностики третьей стороны (полная проверка на месте) | Doble, Intertek, местные сертифицированные лаборатории | $5,000–$25,000 за визит | DGA + электрические + масляные тесты на одном устройстве |
В зависимости от таких факторов, как местоположение, производитель и уникальность, цены могут различаться, поэтому может быть безопаснее рассматривать их как плановые значения, а не фактические цены. Например, одной из действительных идей для бюджетирования небольшого промышленного парка является сначала покупка испытателя сопротивления изоляции среднего диапазона и метра сопротивления обмотки, которые стоят от $6,000 до $18,000 вместе; образцы DGA затем могут быть отправлены в лабораторию, а инспекция третьей стороны для SFRA и PD может быть проведена только при появлении каких-либо неисправностей. На рынке много глобальных игроков, таких как Doble, OMICRON, Megger, Fluke и Qualitrol, поэтому можно быть уверенным, что они могут служить эталоном. Тем не менее, следует отметить, что Jiangsu Subian Electric Power и другие китайские компании уже начали производить трансформаторы, которые оценивают эти диагностические устройства, тем самым вводя на рынок распределительные и силовые трансформаторы, соответствующие IEC 60076, от 10 кВА до 100 МВА по разумным ценам и срокам поставки. Для сравнения диагностической методологии, используемой различными компаниями, необходимо сказать, что компания, производящая трансформаторы, также может предоставить своим клиентам интерпретацию результатов тестирования.
Построение рабочего процесса по устранению неполадок: 8 шагов
Любая серьезная деятельность по устранению неполадок должна следовать одной и той же структурированной последовательности, так как именно так опытные техники попадают в затруднительное положение.
- Установите место и получите данные; подтвердите срабатывание или сигнал тревоги, изолируйте трансформатор и обратите внимание на любые цели реле, журналы SCADA, историю нагрузки и температуру окружающей среды за последние два дня, прежде чем предпринимать какие-либо действия по сбросу защиты.
- Выполните DGA немедленно; если масло доступно, возьмите образец для тестирования растворенных газов; отпечатки (IEC 60599) обычно указывают на перегрев, PD или дугу, прежде чем будет проведен какой-либо электрический тест.
- Выполняйте электрические проверки в определенном порядке: сначала сопротивление изоляции и индексы поляризации (просто и быстро); затем сопротивление обмоток, затем коэффициент трансформации; сравните все показания с базовыми значениями или значениями с таблички.
- Оцените состояние масла; напряжение пробоя, влажность, кислотность и диэлектрическая прочность подскажут, является ли масло виновником или жертвой.
- Анализируйте газы на основе ключевых соотношений; водород указывает на PD, этилен и метан сигнализируют о термическом повреждении, ацетилен в количестве более 5 ppm указывает на дугу или перегрев.
- Примите решение о том, является ли это незначительным, умеренным или серьезным; ссылаясь на состояние IEEE C57.104 или IEC 60599.
- Проверьте сначала перед открытием; открывайте бак только после того, как будет определено, где находится неисправность, с помощью физической инспекции — вход в бак стоит от $5,000 до $20,000.
- Убедитесь, что все задокументировано; в каждом файле истории актива записывайте каждый результат, каждое принятое решение, а также каждое действие, предпринятое в ходе ремонта.
Профилактические и предсказательные практики обслуживания
Лучшее устранение неполадок — это то, что не нужно делать. Существует четыре уровня, которые делают обслуживание трансформатора эффективным. Первый уровень — это плановая проверка трансформатора, которая включает визуальный осмотр, считывание индикатора нагрева, проверку уровня масла и утечек, а также мониторинг функциональности звука на ежемесячной или ежеквартальной основе. Второй уровень — это периодическое тестирование, которое включает ежегодный DGA, тестирование сопротивления изоляции, тестирование сопротивления обмоток и тестирование пробивного напряжения масла (BDV), которое должно проводиться дважды в год для трансформаторов старше 20 лет или подвергавшихся перегрузке. Третий уровень — это предсказательное мониторинг, который включает установку DGA монитора, установку датчика температуры обмоток и установку некоторых датчиков влажности для очень дорогих трансформаторов, которые могут стоить около $15000-$50000, но деньги быстро окупаются. Последний уровень — это обслуживание масла, которое позволяет поддерживать пробивное напряжение (BDV) выше 30 кВ и кислотное число ниже, что в результате увеличивает срок службы масла.
Также важно упомянуть две правила обслуживания, которые следует запомнить и соблюдать. Первое правило — это то, что необходимо делать записи, так как тенденции развития имеют большее значение, чем пороговые значения при принятии решений. Второе правило — это то, что целевой DGA должен проводиться для трансформаторов с аварийным событием, даже если трансформатор функционирует, так как могут быть повреждения, которые не определяются сигналом тревоги.
| Деятельность по обслуживанию | Типичная частота | Ключевые проверки | Типичная стоимость за визит |
|---|---|---|---|
| Плановый визуальный осмотр | Ежемесячно / ежеквартально | Утечки масла, уровень масла, температурные датчики, звук, цвет осушителя | $100–$300 (внутренние) |
| Ежегодный DGA + отбор образцов масла | Ежегодно (каждые 6 месяцев для стареющих единиц) | Ключевые газовые соотношения, BDV, влажность, кислотное число | $80–$250 на образец |
| Ежегодное электрическое тестирование | Ежегодно | IR/PI, сопротивление обмоток, соотношение витков, потери без нагрузки/нагрузки, если это необходимо | $1,000–$4,000 в производстве |
| Обслуживание системы охлаждения | Каждые 6–12 месяцев | Работа вентилятора/насоса, очистка радиатора, заблокированные ребра | $500–$2,000 |
| Обслуживание воздухоотводчика / осушителя | Каждые 6 месяцев | Состояние силикагеля, уровень масла в сальнике | $100–$500 |
| Проверка OLTC (масляный отсек) | Каждые 2–5 лет или по количеству переключений | Износ контактов, карбонизация масла, синхронизация механизма | 1ТП4Т1,500–1ТП4Т5,000 |
Часто задаваемые вопросы
Как часто следует проводить DGA на силовом трансформаторе?
Для здорового трансформатора DGA следует проводить как минимум раз в год, как указано в IEEE C57.104. Однако эта частота должна быть изменена на каждые 6 месяцев в случае единиц, которые старше 20 лет, единиц, которые были перегружены, или единиц, в которых уже присутствуют газы в умеренных уровнях. В случае активов, которые имеют высокую ценность, следует рассмотреть установку системы мониторинга DGA, которая постоянно отбирает образцы газов (это оборудование стоит 15,000-$45,000). Очень вероятно, что такая установка оправдает себя, если хотя бы одна неисправность будет обнаружена вовремя.
Что означает ацетилен в DGA и сколько его слишком много?
Ацетилен (C₂H₂) образуется только в экстремальных условиях, связанных с дуговыми разрядами и очень высокой температурой (выше 700 °C). IEEE C57.104 указывает, что содержание ацетилена в жидкости не должно превышать уровень 5 ppm, в противном случае это должно рассматриваться как умеренное или высокое состояние и требует расследования. Измерения выше предела 20 ppm могут привести к отключению трансформатора для дополнительных электрических испытаний, так как серьезные повреждения, такие как разрыв бака, могут произойти после любого типа дугового короткого замыкания, которое развивается в течение нескольких дней.
Могу ли я диагностировать трансформатор, не открывая бак?
Да. Обычно DGA, измерение сопротивления изоляции, измерение сопротивления обмотки, измерения коэффициента трансформации и тесты масла правильно определяют местоположение проблемы в устройстве без входа в бак. Открытие трансформатора для внутренней проверки стоит $5,000-20,000. Поэтому необходимо провести все доступные тесты перед проверкой бака.
В чем разница между индексом поляризации 1.5 и 3.0?
Индекс поляризации (PI) показывает соотношение между показаниями сопротивления изоляции, которые были получены через 10 минут и 1 минуту после первоначального приложения напряжения. Значение ниже 1.5 указывает на то, что изоляция влажная или грязная и требует дальнейшей сушки. Диапазон PI от 1.5 до 2.0 является предельным, в то время как диапазон от 2.0 до 3.0 является приемлемым. Любое значение выше 3.0 указывает на то, что изоляция сухая и чистая.
Сколько обычно стоит расследование неисправности силового трансформатора?
Если проводится диагностика третьей стороной, DGA плюс электрические тесты плюс анализ масла плюс SFRA будут стоить от 5,000 до 25,000 за трансформатор, в зависимости от его мощности, доступности на месте и объема работ. Проще провести тесты с помощью собственных приборов, так как в этом случае единственными инвестициями будут знания, а не деньги.
Ссылки
- IEC 60076-1: Трансформаторы мощностью – Часть 1: Общие сведения — основополагающий международный стандарт для оценки, испытаний и характеристик силовых трансформаторов.
- IEC 60599: Электрическое оборудование с минеральным маслом в эксплуатации – Интерпретация анализа растворенных и свободных газов — справочник для интерпретации соотношений газов DGA и типов неисправностей.
- IEEE C57.104: Руководство по интерпретации газов, образующихся в масляных трансформаторах — стандартная категория условий, используемая в интерпретации газов.
- IEEE 43: Рекомендуемая практика для испытания сопротивления изоляции вращающегося оборудования — широко используется для пределов сопротивления изоляции и индекса поляризации.
- CIGRÉ — международный совет, чьи исследования надежности предоставляют статистическую основу для данных о распределении отказов трансформаторов.
- Electrical4U – Анализ растворенных газов трансформаторного масла — практическое вводное руководство по интерпретации DGA.
- Jiangsu Subian Electric Power – Производитель силовых трансформаторов — производитель трансформаторов, соответствующий IEC 60076, предлагающий проектные данные и поддержку для расследования неисправностей.
Заключение
Это не просто удача или возраст специалиста, а правильная последовательность действий, которая поможет устранить неисправности в силовых трансформаторах. Начните с процесса DGA, затем проведите испытания сопротивления изоляции и обмоток и суммируйте результаты с установленными нормами, чтобы принять обоснованные решения о ваших дальнейших действиях по проблеме. На самом деле многие неисправности можно устранить на ранней стадии, что сэкономит много времени и средств в долгосрочной перспективе.
- Проводите DGA регулярно; как минимум раз в год; если устройство старое или под нагрузкой, как минимум каждые шесть месяцев.
- Обязательно ведите учет результатов испытаний, так как динамика процесса является наиболее важным показателем, а не абсолютное число.
- Никогда не начинайте осмотр трансформатора, пока не станет известно, в чем причина проблемы.
- Выделите от $1500 до $6000 на испытание одного трансформатора, так как одна предотвращенная авария покроет эту сумму за определенный период времени.
- Сотрудничайте с производителем, который может помочь вам с данными, которые вы получаете по проблемам; например, Jiangsu Subian Electric Power, который производит трансформаторы, соответствующие стандартам IEC 60076.