Analiza oleju transformatorowego — napięcie przebicia (BDV), analiza gazów (DGA) i granice eksploatacyjne (IEC 60422)

Poradnik o przekaźniku Buchholza dla transformatorów olejowych krótko wspomina analizę gazów (DGA) jako badanie następcze po tym, jak przekaźnik Buchholza zaalarmował o gromadzeniu się gazu. Badanie oleju jest jednak samo w sobie znacznie szerszą, okresową dyscypliną konserwacyjną, która nie czeka na alarm przekaźnika, lecz jest specjalnie przeznaczona do sygnalizowania początkowej degradacji lub uszkodzenia na wczesnym etapie. Ten artykuł omawia trzy główne elementy: próbę napięcia przebicia (BDV), analizę gazów (DGA) oraz granice eksploatacyjne dla właściwości oleju.

Napięcie przebicia (BDV) według IEC 60156

Próba napięcia przebicia (BDV) mierzy napięcie, przy którym następuje przebicie elektryczne między dwiema elektrodami o znormalizowanym odstępie, w znormalizowanych warunkach, w próbce oleju. IEC 60156 opisuje układ i procedurę badania (kształt elektrod, odstęp między elektrodami, szybkość narastania przykładanego napięcia, liczbę powtórzeń oraz sposób uśredniania wyników).

Napięcie przebicia jest zasadniczo miarą obecności wilgoci, cząstek stałych i włókien w oleju: olej wolny od tych zanieczyszczeń ma znacznie wyższe napięcie przebicia niż olej zanieczyszczony, nawet jeśli skład chemiczny samego oleju pozostaje niezmieniony. Niska wartość BDV wskazuje więc przede wszystkim na potrzebę filtrowania, suszenia lub odgazowania oleju, a dopiero w drugiej kolejności na problem z samym olejem.

Uwaga: BDV jest wrażliwe na błędy pobierania próbek. Próbka, która podczas pobierania nabrała wilgoci lub powietrza (na przykład z powodu niedostatecznie wysuszonej butelki na próbki lub pobierania próbek podczas deszczowej pogody bez odpowiedniej osłony), daje nieuzasadnienie niską wartość BDV, która nie odzwierciedla rzeczywistego stanu oleju w transformatorze.

Analiza gazów (DGA) według IEC 60599: trójkąt Duvala i współczynniki Rogersa

Przy uszkodzeniach termicznych lub elektrycznych w transformatorze olejowym powstają specyficzne gazy rozpuszczające się w oleju: między innymi wodór (H2), metan (CH4), etan (C2H6), etylen (C2H4), acetylen (C2H2), tlenek węgla (CO) i dwutlenek węgla (CO2). Analiza gazów rozpuszczonych (DGA) mierzy stężenie każdego z tych gazów, a stosunki między stężeniami wskazują na rodzaj i wagę ewentualnego uszkodzenia. IEC 60599 opisuje metody interpretacji, z których dwie najbardziej znane to:

• Metoda współczynników Rogersa, obliczająca trzy stosunki między konkretnymi parami gazów (na przykład CH4/H2, C2H4/C2H6, C2H2/C2H4) i łącząca tę kombinację stosunków z rodzajem uszkodzenia: lokalne przegrzanie niskotemperaturowe, przegrzanie wysokotemperaturowe, wyładowanie niezupełne lub wyładowanie łukowe (uszkodzenie elektryczne o wysokiej energii).
• Trójkąt Duvala, metoda graficzna nanosząca względne udziały metanu, etylenu i acetylenu na diagram trójkątny, gdzie różne strefy odpowiadają różnym rodzajom uszkodzeń. Trójkąt Duvala jest w praktyce często stosowany jako narzędzie uzupełniające lub alternatywne wobec współczynników Rogersa, ponieważ jest mniej wrażliwy na przypadki graniczne, w których metoda Rogersa nie daje jednoznacznej klasyfikacji.

Obie metody mają na celu rozróżnienie, na podstawie jednej analizy oleju, między normalnym, powolnym starzeniem się oleju (przy którym powstają niskie stężenia głównie tlenku węgla i dwutlenku węgla wskutek normalnego starzenia się celulozy izolacji stałej) a aktywnie rozwijającym się uszkodzeniem, które wymaga dalszego badania lub interwencji.

Analiza trendu: rozwój w czasie jest ważniejszy niż pojedynczy pomiar

Pojedynczy pomiar DGA ze stężeniami poniżej zwykłych poziomów alarmowych niewiele mówi o tym, czy występuje aktywnie rozwijające się uszkodzenie. Ważniejszy niż bezwzględny poziom każdego gazu jest trend: stopniowo, stale rosnące stężenie konkretnego gazu (lub pary gazów) między kolejnymi pomiarami wskazuje na aktywny proces, podczas gdy stabilny poziom w wielu pomiarach wskazuje raczej na już zakończone, historyczne zdarzenie lub normalne, powolne starzenie się. Z tego powodu DGA jest zwykle wykonywana okresowo (na przykład co roku dla większych transformatorów mocy, częściej dla jednostek krytycznych), aby można było zbudować linię trendu zamiast polegać na jednorazowym migawkowym odczycie.

Granice eksploatacyjne dla właściwości oleju według IEC 60422

Oprócz BDV i DGA, przy okresowej analizie oleju zwykle mierzone są również inne właściwości: zawartość wilgoci, liczba kwasowa (liczba zobojętnienia, miara produktów utleniania), współczynnik strat dielektrycznych (tan δ, miara strat dielektrycznych) oraz napięcie międzyfazowe (miara obecności polarnych produktów utleniania). IEC 60422 podaje wartości orientacyjne i granice eksploatacyjne dla każdej z tych właściwości, w zależności od klasy napięcia transformatora oraz funkcji danego oleju (olej nowy, olej w eksploatacji). Gdy zmierzona wartość przekracza granicę z IEC 60422, daje to podstawę do konkretnego działania konserwacyjnego: filtrowania i suszenia przy nadmiernej wilgotności, regeneracji lub wymiany przy nadmiernej liczbie kwasowej itd.

Znaczenie praktyczne

Dla transformatorów mocy objętych okresowym programem konserwacji (jak również omówiono w poradniku o przekaźniku Buchholza oraz w poradniku o wskaźniku temperatury oleju/uzwojenia (OTI/WTI)), połączona analiza oleju (BDV + DGA + właściwości według IEC 60422) daje znacznie pełniejszy obraz stanu transformatora niż każda z tych prób z osobna. Niskie BDV przy normalnych wartościach DGA wskazuje na możliwy do usunięcia problem z wilgocią; normalne BDV przy rosnącym stężeniu acetylenu wskazuje natomiast na rozwijające się uszkodzenie elektryczne, którego samo BDV by nie zasygnalizowało.

Częste błędy

1. Poleganie na pojedynczym pomiarze DGA bez analizy trendu — migawkowy odczyt poniżej poziomów alarmowych nie wyklucza aktywnie rozwijającego się uszkodzenia, jeśli trend nie jest śledzony.
2. Interpretowanie BDV jako bezpośredniej miary jakości chemicznej oleju, podczas gdy w praktyce niska wartość BDV często najpierw wskazuje na zanieczyszczenie wilgocią lub cząstkami stałymi, a dopiero po filtracji staje się widoczne ewentualne leżące u podstaw pogorszenie chemiczne.
3. Nieuwzględnianie błędów pobierania próbek jako możliwej przyczyny nieprawidłowej wartości BDV, co skutkuje niepotrzebnym zaleceniem dotyczącym obróbki oleju lub przeoczeniem rzeczywistego uszkodzenia.
4. Stosowanie wyłącznie metody współczynników Rogersa lub wyłącznie trójkąta Duvala bez użycia drugiej metody jako kontroli krzyżowej w przypadkach granicznych, gdy jedna metoda nie daje jednoznacznego wyniku.

Powiązane

• Przekaźnik Buchholza (przekaźnik gazowy) dla transformatorów olejowych
• Wskaźnik temperatury oleju/uzwojenia (OTI/WTI) transformatora mocy
• Porównawczy wskaźnik odporności na prądy pełzające (CTI) i stopień zabrudzenia materiału izolacyjnego