ABB AB. Regenerering av transformatorolja För ett hållbart samhälle

Transkript

1 ABB AB Regenerering av transformatorolja För ett hållbart samhälle

2 Inledning Många material som ingår i elektrisk utrustning har en begränsad livstid, eftersom de genomgår åldringsprocesser av olika slag. När det gäller krafttransformatorer gäller detta i särskilt hög grad för isolationsmaterialen, d.v.s. oljan och den fasta isolationen. Den senare består huvudsakligen av papper och med papper närbesläktade material, framförallt presspan. Oljans åldring beror främst på oxidation. Denna process innebär att oljemolekylerna reagerar med syre och bildar olika oxidationsprodukter. Detta sker i flera steg, och att beskriva processen i detalj skulle kräva sida upp och sida ner med kemiska reaktionsformler. Förenklat kan man säga att det handlar om ungefär samma saker som händer när matolja eller smör härsknar med tiden. Oxidation påverkas framför allt av syretillgång och värme, men kan också påskyndas av metaller såsom koppar och järn. De oxidationsprodukter som är till störst bekymmer är vatten, syror och slam. Papperets nedbrytning är än mer komplex än oljans. Även här finns ett inslag av oxidation, men även av hydrolys (sönderdelning under inverkan av vatten), samt även rent termisk nedbrytning. Sedan är det givetvis så att papper och olja även påverkar varandra t.ex. genom att oxidationsprodukter från oljan tas upp av pappersisolationen och påskyndar dess åldring. 2 ABB Power transformers Regenerering av transformatorolja

3 Kan man bromsa åldring av olja och papper? Många olika åtgärder för att förlänga livslängden på olja och papper har föreslagits och även tillämpats. Eftersom flera av de faktorer som påverkar åldringen är väl kända, är det en självklar strategi att direkt angripa dessa faktorer. Att sänka arbetstemperaturen för utrustningen är åtminstone i teorin den mest verkningsfulla åtgärden, men kan i praktiken kosta mer än det smakar. Att stänga ute syre och fukt från omgivningen bidrar också till att sänka åldringstakten, liksom att använda oljetillsatser såsom antioxidanter (som direkt ingriper i och hämmar oxidationsprocessen) eller metallpassivatorer (som binder och oskadliggör de metaller som verkar som katalysatorer). Efter ett antal år finner man dock ibland att oljan trots allt blivit sur och kanske rentav börjat bilda slam. Hur lång tid det tar innan detta sker beror på tex om driften varit hård med förhöjd temperatur eller underhållet bristfälligt. Är det då för sent att göra något? Svaret är oftast nej. Det är här oljeregenerering kommer in. Denna underhållsåtgärd är unik på så sätt att den vrider klockan tillbaka vad gäller oljans åldringsförlopp. Vad innebär regenerering av isolerolja? Enligt IEC är regenerering en process som eliminerar eller minskar lösliga och icke lösliga polära föroreningar från oljan genom kemiska och fysiska processer. Regenerering skall inte förväxlas med rekonditionering av olja. En viss förvirring tycks råda vad gäller detta närbesläktade begrepp, och det händer att man nämner det ena när man egentligen avser det andra. IECs definition lyder Rekonditionering är en process som eliminerar eller minskar fysiska föroreningar genom fysiska processer (filtrering, torkning, avgasning etc.). I praktiken innebär denna åtgärd oftast en filtrering och avgasning av oljan. Det finns många fall då detta är en lämplig åtgärd, men det innebär alltså inget alternativ till regenerering eftersom man endast i ringa grad påverkar oljelösliga oxidationsprodukter. Det bör dock nämnas att regenerering så som den oftast utförs idag även innefattar allt det som ingår i rekonditionering. Den grundläggande tekniken bakom regenerering är inte ny. Rening av olja med blekjord av olika slag är känt sedan länge, och även för rening av isolerolja har den använts i många år. Framförallt har blekjordsbehandling haft användning som ett steg vid raffinering av olja. Den klassiska blekjorden står sig fortfarande ganska väl, åtminstone om man enbart ser till slutresultatet. För on-line regenerering är det dock helst andra material som används. ABB använder sedan 1998 en teknik som nyttjar sig av s.k. reaktiverbar sorbent. Detta medför mycket stora fördelar ur både teknisk och miljösynpunkt, då den minskar spill och avfallsmängder högst avsevärt, samtidigt som den medger att processen körs tills man uppnått nyskick hos oljan. Denna metod används fortfarande idag och ca 200 enheter har regenererats t.o.m Bild på regenereringstrailer ABB Power transformers Regenerering av transformatorolja 3

4 Hur går regenerering till? Regenerering innebär alltid att oljan bringas i kontakt med blekjorden, samt att den efter en lämplig kontakttid avskiljs från denna. Det kan utföras traditionellt satsvis, d.v.s. blekjorden blandas in i oljan, och efter behandlingen filtreras den av. Det kan också ske mer eller mindre kontinuerligt i kolonner, där oljan får rinna genom en bädd av blekjord. Båda dessa metoder kan utförda på rätt sätt ge bra resultat. Problemet med traditionell teknik är att blekjorden endast kan användas en gång, sedan är den förbrukad. Detta ger upphov till stora avfallsmängder i form av oljebemängd blekjord. Det stora genombrott som skett inom oljeregenerering är att man funnit andra blekjordsmaterial, samt sätt att reaktivera dessa efter användning, så att det går att återanvända många gånger, upp till 500 gånger. Detta medför flera stora fördelar. Avfallsproblemet är löst, eftersom mängden förbrukad blekjord per behandlad transformator är försvinnande liten jämfört med tidigare. Det kostar alltså mycket lite i form av miljöbelastning att köra behandlingen under lång tid, så att ett riktigt bra resultat går att uppnå även om oljan är i mycket dåligt skick. Processen går också att automatisera så att den endast kräver ett visst mått av övervakning. Behandlingen består av en kontinuerlig process med omväxlande behandlingsfas och reaktiveringsfas. Behandlingsfasen har följande steg (se även bilden): 1. oljan pumpas från transformatortanken (vanligen bottenkranen) 2. värms till lämplig temperatur 3. leds genom blekjordskolonnerna 4. passerar ett filter med avgasare 5. leds tillbaka till transformatorn (vanligen expansionskärlet) När effektiviten hos kolonnerna börjar avta, växlar man över till reaktiveringsfasen. Reaktivering innebär att blekjorden i kolonnerna renas genom kraftig förhöjd temperatur som bränner bort alla föroreningar som fastnat under den aktiva behandlingsfasen. Kolonnerna är förbikopplade under det att de reaktiveras. Oljeflödet till och från transformatorn är helt stängt under reaktiveringen. Normalt kör man behandlingsfasen under dagtid, och reaktivering över natt. Fig 1. Förenklad bild av regenereringsprocessen b 4 4 ABB Power transformers Regenerering av transformatorolja

5 Vad händer med oljan under behandlingen? När oljan passerar kolonnerna fastnar de mest polära komponenterna på blekjorden. De komponenter som avskiljs är framförallt sura oxidationsprodukter (men även vatten). Dessa ämnen är också till stor del desamma som ger den åldrade oljan dess färg, varför även färgtalet sjunker. Diagrammet nedan visar hur några parametrar förändras under behandlingens gång. Vattenhalt (mg/kg) Fig. 2. Hur vattenhalt, syratal och färgtal förändras under regenerering av oljan i en svensk krafttransformator med ca 28 ton olja. Antal omsättningar är hur många tankvolymer som passerat genom kolonnerna Före regenerering Antal omsättningar Syratal (mg KOH/g) 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0 Före regenerering Antal omsättningar Färgtal Före regenerering Antal omsättningar ABB Power transformers Regenerering av transformatorolja 5

6 När är regenerering rätt åtgärd? Kort uttryckt är det när oljan inte längre uppfyller kriterierna för fortsatt användning, och rekonditionering inte är en tillräcklig åtgärd. Framförallt är det när oxidationsprocessen nått så långt att syratal, gränsytspänning mot vatten och dielektriska förlustfaktorn ( tan δ ) nått oacceptabla värden. Vad är då acceptabla värden? Tabell I visar de gränsvärden som återfinns i IEC s underhållsguide för isolerolja (IEC 60422). Tabell I Parameter\spänningsklass < 72,5 kv 72,5-170 kv > 170 kv Syratal (mg KOH/g) 0,30 0,20 0,15 Genomlagshållfasthet (kv/2.5 mm) Gränsytspänning mot vatten (mn/m) Dielektisk förlustfaktor ( tan δ ) 0,500 0,500 0,200 Det bör påpekas att det inte finns någon anledning att låta oljan ens i transformatorer av lägsta spänningsklass att nå så höga syratal som 0,30 mg KOH/g. Motsvarande gäller även för förlustfaktorn. Hur kritisk eller viktig en transformator är för användaren behöver inte alls vara beroende på spänningsnivå eller storlek. Dessutom bör inte enskilda gränsvärden ges för stor vikt. Det är av större intresse att väga samman alla mätvärden, så att beslut om underhållsåtgärder tas på ett så brett underlag som möjligt. Ett exempel på hur IEC hanterar detta är dess rekommendation för ursprungligen inhiberad olja, där man säger att om 40-60% av den ursprungliga inhibitorn förbrukats och syratalet överstiger 0,07 mg KOH/g samt gränsytspänningen understiger 29mN/m, så är regenerering förstahandsrekommendation. Resultatet av en oljeregenerering blir som regel bättre ju tidigare den utförs. Därmed står sig också oljans skick bättre, och den sura oljans negativa påverkan på den fasta isolationen minskar än mer. Detta väcker förstås frågan om när det är för sent att regenerera oljan. Helt kort kan sägas att nästan hur dålig oljan än är, kan den återställas i gott skick. Dock verkar det som att långtidshållbarheten kan bli sämre då oljan hunnit bli starkt nedbruten innan den regenereras. Några fasta rekommendationer finns dock inte för detta. Det bör dock påpekas att det åtminstone i Sverige är en mycket liten andel transformatorer där oljan är i så dåligt skick att denna fråga är aktuell. Den suraste olja ABB hittills behandlat var i en transformator tillverkad 1963, med ett syratal direkt före regenerering på 0,55 mg KOH/g och ett färgtal på 5,5. I ett uppföljningsprov 8 år senare uppmättes fortfarande inte högre syratal än 0,04 mg KOH/g, och ett färgtal på 2,0. Den amerikanska synen skiljer sig något från IECs. Överlag förordar man där striktare gränsvärden för att oljan skall anses vara lämplig för fortsatt användning. T.ex. i IEEE s underhållsguide är gränsvärdet för syratal 0.10 mg KOH/g för den högsta spänningsklassen. Självklart bör man ej följa några av ovanstående rekommendationer slaviskt. Man måste alltid ta med i beräkningen sådant som t.ex. huruvida man tänkt sig långvarig fortsatt drift av en viss transformator. Skall den kanske ändå bytas inom några år pga. ändrade behov? Den typen av överväganden måste alltid finnas med. En annan sida av saken är att om det står klart att oljeunderhållsåtgärder är nödvändiga och meningsfulla, kan det vara klokt att göra dem innan de är akut nödvändiga. Vialer med olja före och efter regenerering. 6 ABB Power transformers Regenerering av transformatorolja

7 Hur bra blir oljan? Oljan kan vanligen återställas till så gott som nyskick. Vissa parametrar, framförallt färgtal och förlustfaktor kan dock ibland vara svåra att få ner till så låga värden som man finner i dagens nya oljor. Men det är inte riktigt rättvist att jämföra de oljor som är föremål för regenerering med de bästa oljorna av idag, då de förra vanligen är 30 till 50 år äldre. Nedanstående tabell visar vilka analysvärden som erhållits före och efter regenerering, samt vid uppföljningsprovet. Tabellen omfattar samtliga regenereringar utförda med ABB s aggregat i Sverige fram till och med Uppföljningsprovet har tagits efter i genomsnitt 4 månader. Genomsnittligt tillverkningsår för behandlade transformatorer var 1972, och genomsnittlig oljemängd var kg. Tabell III. Data från uppföljning av 176 transformatorer. Omfattar alla enheter där vi haft tillgång till ett uppföljningsprov från intervallet 2 till 12 månader efter slutförd behandling. Vattenhalt (mg/kg) Syratal (mg KOH/g) Genomslagshållfasthet Färgtal Gränsytspänning mot Dielektrisk förlustfaktor Inhibitorhalt (%) (kv/2,5mm) vatten (mn/m) (x10-3 ) Direkt före 15 0, , ,05 Direkt efter 5 <0, , ,34 Uppföljningsprov 8 0, , ,32 IEC (krav på ny olja) max 30 max 0,01 min 70 inget krav min 40 max 5 0,15-0,40 Analyserna visar att den regenererade oljan i medeltal uppfyller IECs krav på ny olja fylld i krafttransformatorer. Resultatet står sig också väl under uppföljningsperioden. En viss liten tillbakagång sker, framförallt för gränsytspänning och förlustfaktor. Det vore dock anmärkningsvärt om så inte skedde, med tanke på att urlakningen av oxidationsprodukter i papper och presspan inte kan förväntas bli fullständig under den relativt korta tid behandlingen pågår. Det handlar normalt om tider från några dagar upp till som mest några veckor för de största transformatorerna. Står sig resultaten över åren? Att oljans egenskaper verkligen återställs vid en korrekt utförd regenerering står utom allt tvivel. När man tittar på utfallet från ett bredare underlag framgår tydligt att en bestående förbättring erhålls. I tabellen nedan sammanfattas resultaten för alla enheter där ABB har tillgång till uppföljningsprov efter 10 år. Tabell IV. Data från långtidsuppföljning för 62 transformatorer. Vattenhalt (mg/kg) Syratal (mg KOH/g) Genomslagshållfasthet Färgtal Gränsytspänning mot Dielektrisk förlustfaktor Inhibitorhalt (%) (kv/2,5mm) vatten (mn/m) (x10-3 ) Direkt före 17 0, , ,02 Direkt efter 5 0, , ,34 Efter 10 år 9 0, , ,29 ABBs analyser visar att även vattenhalten i oljan påverkas. Att vattenhalten direkt efter behandlingen är mycket lägre än före är självklart, men även 10-årsvärdena visar avsevärt lägre halter. Minskningen är större än vad som rimligen låter sig förklaras enbart med att den renade oljan är ett sämre lösningsmedel för vatten. Även om regenerering inte gör anspråk på att utgöra någon genomgripande torkning av aktiva delen, så finner vi alltså onekligen en bestående effekt på ytfukthalten i den fasta isolationen. ABB Power transformers Regenerering av transformatorolja 7

8 Jämförelse med byte av oljan En signifikant kostnadsbesparing finns att göra, särskilt för stora transformatorer På grund av stora variationer i olika transformatorägares sätt att uppskatta kostnaderna för ett oljebyte är det svårt att ge en rättvisande generell jämförelse mellan byte och regenerering. Tillgång på utrustning och kompetent personal, hantering av gammal och ny olja och framförallt värderingen av driftavbrott vid ett oljebyte, är några faktorer som påverkar jämförelsen. Baserad på ett reellt förfaringssätt visar nedanstående tabell en beräkning med generellt gällande priser december Observera att kostnader för driftavbrott inte har tagits med i priset för byte. Transformator Kostnad Besparing Oljemängd Spänningsnivå Oljebyte Regenerering 10 m kv kr kr kr 20 m kv kr kr kr 30 m kv kr kr kr 40 m kv kr kr kr 50 m kv kr kr kr Det finns också en rent teknisk aspekt som kan vara väl så viktig som rent ekonomiska överväganden, nämligen att ett utbyte av oljan i praktiken aldrig innebär att all olja byts ut. Betydande mängder gammal olja (2-10%) finns kvar i den fasta isolationen och smittar ner den nya oljan med olika slag av nedbrytningsprodukter. Dessutom sker ett utbyte mellan olja och pappersisolation så att en del av de i papperet absorberade nedbrytningsprodukterna åter kan lösa sig i oljan. Möjligheten finns visserligen att innan ny olja fylls på, så gör man ren hela aktiva delen grundligt genom t.ex. Vapour Phase -processning, men detta kräver att transformatorn tas till verkstad, och totalkostnaderna blir genast av en annan storleksordning, vida överstigande den för en regenerering av spänningsatt transformator på plats. Vad som är svårare att värdera i kronor och ören är miljöaspekterna. Mineralolja är en ändlig resurs, i särskilt hög grad gäller detta den nafteniska oljan som är det vanligaste utgångsmaterialet för bra isoleroljor. Att regenerera och återanvända transformatorolja är både miljövänligt och ett steg närmare ett hållbart samhälle. ABB väljer steg för ett hållbart samhälle 8 ABB Power transformers Regenerering av transformatorolja

9 Varför inte bara tillsätta antioxidant? Många ställer sig frågan varför det inte räcker med att bara återställa inhibitorhalten i oljan till den ursprungliga nivån. En inhibitortillsats förefaller ju så mycket enklare, och skulle inte detta vara tillräckligt? Svaret är: ja, det finns många tillfällen då en tillsats av inhibitor är den korrekta åtgärden, men det gäller endast då oljan ännu inte nått det stadium då den börjat försämras. Inhibitorn bromsar oxidationsprocessen, men den kan inte vända på den. De oxidationsprodukter som redan bildats finns kvar. Framförallt får man en stor skillnad med avseende på oxidationsstabiliteten efter åtgärd. En inhibitortillsats till en redan åldrad olja ger inte alls samma utbyte som samma tillsats till ny olja. I den åldrade oljan förbrukas inhibitorn mycket snabbare än i ny eller regenererad olja. Det är möjligt att inhibitortillsatsen har en direkt inverkan på pappersåldringen, även om publicerade forskningsresultat på denna punkt hittills ej är entydiga. Dock gör den inte något åt syrornas skadliga inverkan på papperet. Nybildningen av syror hämmas, men de som redan finns i oljan och papperet försvinner inte. CH 3 OH CH 3 Fig 3. Molekyrstruktur på inhibitor DBPC (ditertbutylparacresol) H 3 C CH 3 H 3 C CH 3 CH 3 ABB Power transformers Regenerering av transformatorolja 9

10 Regenerering och korrosivt svavel Kopparkorrosivitet Under senare år har man blivit medveten om ett tidigare nästan okänt problem: bildning av kopparsulfid (Cu 2 S) i isolationen. Denna förening är ledande och när den fasta isolationen förorenas av detta minskar den elektriska hållfastheten. Transformatorer världen runt har havererat på grund av detta fenomen, som beror på förekomsten av flera olika reaktiva svavelföreningar i oljan. I de fall där en riskanalys indikerar att oljan bör åtgärdas väljer man vanligen att tillsätta metallpassivator, något som i många fall är en tillräcklig åtgärd. Dock finns fall där en sådan tillsats inte är lämplig, framförallt därför att passivatorn snabbt förbrukas i en del oljor som börjat uppvisa tecken på åldring. I sådana fall bör man byta oljan alternativt avlägsna det reaktiva svavlet ur oljan. Detta kan göras med hjälp av regenerering. Samma utrustning som används för att ta bort oxidationsprodukter kan också ta bort korrosiva svavelföreningar ur oljan. T.ex. kan den mycket aggressiva föreningen DBDS (dibensyldisulfid) tas bort fullständigt. Även andra kopparsulfidbildande föreningar kan effektivt tas bort med samma teknik. ABB kallar detta för regenerering med avsvavling och det är idag en etablerad teknik som tillämpas i allt större utsträckning. Fig. 4. Exempel på resultat i CCD - testet (IEC 62535) före och efter regenerering. Detta visar tydligt hur behandlingen tar bort svavel som kan bilda kopparsulfid. I en del fall har man tyvärr funnit att olja blivit mer korrosiv efter regenerering än före, särskilt mot silver. I dessa fall hittar man som regel elementärt ( fritt ) svavel i oljan. Detta fenomen beror på en kombination av olika faktorer, och påverkas av oljans åldringsgrad och svavelinnehåll, utrustningens design, typ av blekjord, och inte minst av körsätt och underhållsrutiner. Känner man till detta potentiella problem så går det att undvika, och man bör inte acceptera att oljan blir smittad av fritt svavel som en konsekvens av regenerering. 10 ABB Power transformers Regenerering av transformatorolja

11 Silverkorrosivitet Fritt svavel är mycket korrosivt mot silver. Detta kan vara ett stort problem om t.ex. lindningskopplaren har försilvrade väljarkontakter. ABB känner till flera fall där silverskiktet i sin helhet reagerat med fritt svavel och bildat silversulfid, vilket lett till höga kontaktresistanser och därmed varmgång och kraftig gasning. Skulle oljan ha förorenats av fritt svavel, så går det att avlägsna genom en ny korrekt utförd regenerering. ABB har exempel på framgångsrika behandlingar av detta, se Fig. 6 nedan. 1) 2) 3) Fig. 5. Exempel på väljarkontakter där silverskiktet förstörts av fritt svavel. Fig. 6. Regenerering använd för att avlägsna fritt svavel ur olja som tidigare regenererats med en en utrustning av felaktig design. Från vänster till höger; 1) före regenerering, 2) efter en regenerering utförd med en felaktig utrustning, 3) Efter en ny regenerering utförd på korrekt sätt. Garantier ABB garanterar följande värden vid uppföljningsprovet efter 3 månader: Syratal 0,02 mg KOH/g olja Färgtal < 2 Inhibitorhalt ca. 0,3 % Gränsytspänning > 40 mn/m Förlustfaktor < 0,010 Korrosivt svavel icke korrosiv i silverbleckstest enligt DIN Vid avsvavling garanteras dessutom att oljan är icke korrosiv i ett s.k. CCD -test enligt IEC Acceptera aldrig att oljan blir mer korrosiv som en följd av regenerering! Att alltid göra silverbleckstestet efter behandlingen är det enklaste sättet att försäkra sig om det. Sammanfattning Regenerering är det enda sättet att återställa isoleroljans egenskaper till nyskick. ABBs erfarenhet visar att behandlingen har avsedd effekt, och att effekten är bestående. Regenerering kan utföras på oljan i spänningsatta transformatorer vilket är en stor fördel, och bidrar till att det i många fall är starkt ekonomiskt fördelaktigt jämfört med oljebyte. Utförd på modernt vis, med reaktivering av samma sorbentmaterial många gånger innan det byts ut, är de tekniska såväl som miljömässiga fördelarna jämfört med oljebyte uppenbara. Att syror och slam, och i viss mån även intermediat i oxidationsprodukten, avlägsnas helt ur oljan, och delvis ur papper och presspan, verkar för att förlänga den fasta isolationens livslängd. Även korrosiva svavelföreningar kan tas bort, vilket eliminerar behovet av metallpassivatortillsats eller oljebyte för att komma tillrätta med kopparsulfid- eller silversulfidbildning. ABB Power transformers Regenerering av transformatorolja 11

12 Kontakt ABB AB Service Västerås tel: We reserve the right to make technical changes or modify the contents of this document without prior notice. With regard to purchase orders, the agreed particulars shall prevail. ABB does not accept any responsibility whatsoever for potential errors or possible lack of information in this document. We reserve all rights in this document and in the subject matter and illustrations contained therein. Any reproduction, disclosure to third parties or utilization of its contents - in whole or in parts is forbidden without prior written consent of ABB. Copyright 2013 ABB. All rights reserved. 1ZSE