Produktinformation Gasanalys och kontroll av oljekonditionen i transformatorer och reaktorer

Transkript

1 Produktinformation Gasanalys och kontroll av oljekonditionen i transformatorer och reaktorer ABB AB Transformers Diagnostikgrupp utför gasanalys och kontroll av oljekonditionen i krafttransformatorer, reaktorer, mättransformatorer, brytare och oljeisolerade kablar. Denna produktinformation är uppdelad i följande delar: 1. Gasanalys (DGA) 2. Kontroll av oljekonditionen 3. Provtagning och analysfrekvens 4. Beställning av analyser 1. GASANALYS (IEC 60599) Gasanalys har använts i många år för att mäta lösta gaser i olja och som ett verktyg inom tillståndsbedömning för att upptäcka begynnande fel, övervaka misstänkta enheter, för att testa en hypotes eller förklaring för troliga orsaker till fel eller störningar som redan har skett och att säkerställa att nya enheter är friska. Gasanalys kan också användas som underlag i en strategisk rangordning i en transformatorpopulation som används inom tillståndsbedömningar av transformatorer. Gasanalys är i dessa avseenden ansedd som en mogen teknik och används inom flera av ABB:s transformatortillverkande enheter antingen som en del av fabriken eller i samarbete med ett oberoende laboratorium. Gasanalys baseras på det faktum att transformatorn producerar nedbrytningsgaser under sin livstid som härstammar från, i huvudsak, den organiska isolationen på grund av olika påkänningar som antingen är normal eller onormala. Följande gaser analyseras med gasanalys: Väte C Metan Eten Etan Acetylen C 3 Propen C 3 H 8 Propan CO Kolmonoxid CO 2 Koldioxid O 2 Syre Kväve N 2 Figur 1. Provtagningskärl. TCG (total combustible gas content) - total mängd brännbar gas. (, C,,,, CO, C 3, C 3 H 8 ) Alla dessa gaser, förutom syre och kväve, produceras av att isolationsmaterialen i någon omfattning bryts ned. Mängden och den relativa fördelningen av dessa gaser beror på både typ och omfattning av nedbrytningen och påkänningen. 1.1 Tillvägagångssätt Gasanalys omfattas huvudsakligen av fyra steg: provtagning av olja från transformatorn extraktion av gaser lösta i oljan analys av de extraherade gaserna med en gaskromatograf, GC utvärdering och tolkning av analyserna med hjälp av ett utvärderingsschema Provtagning av olja utförs företrädesvis i den rörliga delen av olja som cirkulerar runt så att den gas som producerats på någon plats snabbt och enkelt transporteras från produktionspunkt till plats för provtagning. Lämpliga ställen att utföra provtagning på är vid ventiler i kylarna/radiatorerna. Det är inte alltid möjligt att ta prov på detta ställe på grund av designen. Andra ställen att ta prov från kan vara locket, bottenventilen, expansionskärlet och från Buchholzrelät. Det är dessutom viktigt att provtagning görs på rätt sätt så att kontamination av provtagningskärl minimeras och att lösta gaser i oljan inte förloras under provtagning eller under transporten av provet till laboratoriet.

2 Extraktion av gaser ur oljan kan göras med flera olika metoder: partiell avgasning (enstegs vakuumextraktion) total avgasning (multi-cyklisk vakuumextraktion) stripping genom sköljning av oljan med en annan gas än de lösta i oljan genom headspace-tekniken där gaserna är jämviktade mellan en fri gasvolym (headspace) och oljevolymen. ABB Transformers Diagnostikgruppen i Ludvika använder headspace-tekniken (figur 2). De extraherade gaserna matas in i gaskromatografens adsorptionskolonner där de olika gaserna i olika grad fördelas mellan rörlig fas (ett bärgasflöde) och fast fas (kolonnen), och därmed separeras och når detektorn vid olika tider. På detta vis separeras gasblandningen och de olika kemiska föreningarna kan identifieras och kvantifieras. Koncentrationen bestäms till volym gas STP/volym olja och uttrycks i ppm. (STP=standard temperature and pressure). Det är värt att poängtera att denna extraktion kan innehålla analytiska felkällor vilket betyder att det kan vara svårt att direkt jämföra resultaten från två olika laboratorium. Det är således bra att hålla sig till ett och samma erfarna laboratorium. 1.2 Tolkning Det finns flera tillvägagångssätt för att förklara och tolka den analyserade gasfördelningen och att diagnostisera tillståndet på transformatorn. I huvudsak finns följande metoder att tillgå. Identifiering av nyckelgasen. Nyckelgasen identifierar ett särskilt problem t. ex. kan (Väte) indikera partiella urladdningar (PD, partial discharge). Bestämning av förhållandet mellan gaser, normalt mellan gasnivåer. Bestämning av gasnivån, antingen bestämd som ppm eller ml gas. Bestämning av gasproduktionstakten som ppm/dag eller ml gas/dag. Runtom i världen har olika utvärderingsscheman blivit föreslagna i och med att gasanalys som teknik utvecklats. De mest kända är schemat föreslaget av Rogers vilken utgör basen för ANSI-metoden och schemat beskrivet i IEC-publikationen Båda metoderna använder förhållandet mellan gaskoncentrationer. För att få en känsla för gasanalystolkning så är nyckelgasmetoden lämplig att använda. (figur 3). Man studerar den mest framträdande gasen den gas som skiljer sig mest från en förväntad normal nivå (eller förändring). Till exempel, vid överhettning av cellulosa är huvudgaserna för nedbrytningen CO och CO 2. Vid partiella urladdningar (PD) av måttlig energi bildas vätgas,, (PD i cellulosa producerar koloxider). Vid mer häftiga elektriska urladdningar som närvaron av ljusbågar bildas acetylen,, (normalt också och mindre mängder metan och etan. Om CO har bildats är cellulosa inblandat). Slutligen så produceras kolväten vid överhettad olja normalt de mättade kolvätena som vid lägre temperaturer och omättade kolväten som vid högre temperaturer. Acetylen indikerar mycket höga temperaturer. Detta schema kan också användas för att förstå utvärderingsscheman baserade på förhållanden mellan gaser. IEC-metoden använder till exempel tre förhållanden. C C / används för att särskilja termiska från elektriska fel. / indikerar närvaron av kraftiga urladdningar eller väldigt häftiga elektriska problem och / är en indikation på oljetemperaturen. 1. Överhettning av cellulosa CO, CO 2 2. Partiella urladdningar Ökande temperatur C C C 3. Partial discharges (PD) Ökande intensitet 4. Urladdningar, Figur 2. headspace-gaskromatografiinstrument för analys av gaser i isolerolja. Figur 3. Karakteristiska nyckelgaser, principiell layout. 2 Gasanalys och kontroll av oljekonditionen i transformatorer och reaktorer

3 1.3 Applikation Hur ofta gasanalys ska göras beror på hur betydelsefull transformatorn är. Följande orsaker vägs in: Vid ett misstänkt fel (t ex onormala ljud). Utslag från gas- och tryckvakter. Direkt efter och några veckor efter en kortslutning. När en transformator som är betydelsefull för energinätet tas i bruk och efter några månaders användning. Efter en uppenbar överlast hos en transformator. Analysresultaten dokumenteras i rapporter som skickas till kunden. Alla aktuella och historiska resultat är även tillgängliga via en web-baserad tjänst (itrafo). 2. KONTROLL AV OLJEKONDITIONEN Fastän gasanalys är generellt accepterat för att normalt vara det kraftfullaste verktyget för diagnostiska ändamål och upptäckandet av begynnande fel i en transformator så är det också mycket viktigt att övervaka den allmänna statusen hos isoleroljan. Oljan kan med tiden bli förorenad med vatten, partiklar och andra främmande substanser. Det pågår också kontinuerligt en åldringsprocess av oljan och den fasta isolationen som resulterar i bildandet av vatten, syror och slam. Förutom att försämra de isolerande egenskaperna bidrar oxidationsprodukterna till en accelererad nedbrytning av pappersisolationen. Det finns ett antal olika tester utarbetade för att mäta förändringar i elektriska egenskaper och kemisk sammansättning av oljan. En del av dessa tester utförs för att få statusinformation om oljan i sig medan andra utförs för att göra en bedömning av pappersisolationen. Endast de mest använda och viktiga mätningarna diskuteras i denna produktinformation. 2.1 Elektriska egenskaper Elektrisk genomslagshållfasthet (IEC 60156) Oljans förmåga att motstå elektrisk påkänning är uppenbarligen en viktig parameter att kontrollera. En försämring av genomslaget (den elektriska genomslagshållfastheten) beror vanligtvis på närvaro av partiklar i isoleroljan, särskilt i kombination med en hög fukthalt i oljan (figur 4) Dielektrisk förlustfaktor, tan δ (IEC 60247) Denna metod ger ett mått på de dielektriska förlusterna hos isoleroljan (figur 5). Förlusterna beror i huvudsak på konduktiviteten hos oljan. Mätningen är inte så viktig för transformatorns funktion (om inte värdet är anmärkningsvärt högt) men det är en bra indikation på närvaron av metalljoner och syror. Figur 4.Mätcell för elektrisk genomslagshållfasthet. Figur 5. Instrument för mätning av dielektrisk förlustfaktor (tan δ). Gasanalys och kontroll av oljekonditionen i transformatorer och reaktorer 3

4 2.2 Chemical properties Fukthalt (IEC 60814) På grund av åldringsprocessen som sker i transformatorn så är ökningen av fukthalten i transformatorns isolationsmaterial oundvikbar. En förhöjd fukthalt kan också uppstå på grund av läckage av vatten in i transformatorn genom olika mekanismer. Mätning av fukthalten i oljan möjliggör uppskattandet av halten fukt i den fasta isolationen i vilken den största andel bundet vatten finns (figur 6). En hög fukthalt i oljan kan försämra den elektriska genomslagshållfastheten medan huvudproblemet med en hög fukthalt i den fasta isolationen är att den ökar åldringshastigheten hos isolationspapperet. Noteras bör att fukthalten i oljan är starkt korrelerad till fukthalten i den fasta isolationen samt i och med att temperaturen förändras, så omfördelas fukten mellan dessa två isolationsmaterial Syratal (IEC 62021) Syror bildas när oljan oxideras. Denna process innehåller reaktioner liknande de som gör att vin omvandlas till vinäger eller smör och vegetabilisk olja blir härskna. Syratalet utgörs av mängden kaliumhydroxid som krävs för att neutralisera syrorna i ett gram oljan, och är en viktig markör för graden av åldring hos oljan Inhibitorhalt (IEC 60666) Inhibitorer tillsätts till oljan för att sakta in oxidationen av oljan. Inhibitorn reagerar med särskilda intermediat i oxidationsprocessen vilket förhindrar en kedjereaktion där bildade oxidationsprodukter gynnar fortsatt oxidation. Inhiberade oljor av bra kvalité åldras normalt mycket långsamt så länge någon inhibitor fortfarande finns närvarande. Emellertid, när inhibitorn är förbrukad kommer oxidationen att fortskrida relativt snabbt. Det är av detta skäl viktigt att kontrollera inhibitorhalten så att förebyggande underhållsåtgärder kan inledas innan den snabba oxidationen startar (figur 7) Gränsytspänning (ASTM D971-99) Gränsytspänningen mellan olja och vatten är ett mått på mängden polära föroreningar och nedbrytningsprodukter i oljan. Den är en användbar markör på åldring och ett bra komplement till syratalet då det i motsats till det senare också påverkas av ickesura (neutrala) oxidationsprodukter (figur 8) Korrosivt svavel (IEC 62535) Under de senaste åren har det förekommit ett antal haverier i olika typer av utrustningar på grund av bildandet av kopparsulfid i pappersisolationen. Det har också rapporterats om andra problem som uppstått som en konsekvens av att korrosiva svavelföreningar finns i oljan. Med tiden insåg man att de tillgängliga metoderna för att testa oljor för korrosivt svavel inte var fullgoda (ASTM D1275, kopparbleck; DIN 51353, silverbleck). Flera oljor som blev godkända med dessa test orsakade kopparsulfidbildning i de verkliga enheterna med, i vissa fall, konsekvensen haveri. Figur 7. Gaskromatograf kopplad till masspektrometer (GC-MS) för analys av inhibitorhalt i olja 2.3 Fysikaliska egenskaper Färg (ASTM D1500) Färg är i sig inte en särskilt viktig egenskap hos isoleroljan. Färgen kan emellertid användas som en markör för åldringsgraden hos isoleroljan och tillsammans med resultat från andra kemiska analyser har denna parameter en viss diagnostisk betydelse. Figur 6. Instrument för bestämning av fukthalt i olja Figur 8. Instrument för mätning av gränsytspänning (olja mot vatten). 4 Gasanalys och kontroll av oljekonditionen i transformatorer och reaktorer

5 Nya test har dock blivit utvecklade som är känsligare eller mer relevanta för de mekanismer som resulterar i haveri. Ett nytt skarpare kopparblecktest har introducerats (ASTM D1275 method B), och ett annat test CCD (covered conductor deposition test) utvecklades för att identifiera oljor som kan orsaka utfällningar av kopparsulfid i pappersisolationen. En förenklad version av det senare testet finns beskrivet i normen IEC Fastän fenomenet med bildning av kopparsulfid har fått den största uppmärksamheten de senaste åren bör risken med möjligheten att få sulfidbildning på silverbelagda väljarkontakter inte falla i glömska. Metoden beskriven i DIN (silverbleck test) kan vara användbar för att kontrollera om detta kan vara ett problem. 3. PROVTAGNING OCH ANALYSFREKVENS (IEC 60567, IEC 60475) Vi rekommenderar att utföra provtagning av oljan i enlighet med IEC I IEC beskrivs också provtagningsproceduren för kontroll av oljekonditionen. ABB tillhandahåller lämpliga provtagningskärl och provtagningsbeskrivningar (figur 1). Provtagningsfrekvens för gasanalys rekommenderas till varje år eller som rekommenderat av laboratoriet. Provtagninsfrekvens för kontroll av oljekonditionen rekommenderas till vart femte år för transformatorer upp till 15 års ålder och sen vart tredje år eller som rekommenderat av laboratoriet. 4. BESTÄLLNING AV ANALYSER Kontakta laboratoriet på diagnostics@se.abb.com eller tel Vi skickar på begäran de erfordrade provtagningskärlen. Följ sedan noga instruktionerna i 1ZSE och 1ZSE , vilka bifogas provtagningskärlen. Det är väldigt viktigt att ange om beställningen avser ett normalt rutintest eller ifall något speciellt har hänt i enheten. Var god uppge också kontaktperson och telefonnummmer. Gasanalys och kontroll av oljekonditionen i transformatorer och reaktorer 5

6 Anteckningar 6 Gasanalys och kontroll av oljekonditionen i transformatorer och reaktorer

7

8 För mer information vänligen kontakta: ABB AB Power Transformers, avd. AED, Transformatordiagnostik SE LUDVIKA, Sweden Phone: This document must not be copied without our written permission, and the contents thereof must not be imparted to a third party nor be used for any unauthorized purpose. Contravention will be prosecuted. ABB AB 1ZSE