Модернизация и сервис трансформаторов. Сервисное обслуживание АББ

1
Модернизация и сервис трансформаторов. Сервисное обслуживание АББ
Сучков Р. В., канд. тех. наук, АББ Электроизолит Бушинг Лтд.
В настоящее время в связи c непростым финансовым положением многие
энергоструктуры не способны сразу заменить устревшее оборудование (в том числе и
трансформаторное). Поэтому для поддержания систем в исправном состоянии им требуется
осуществлять модернизацию и техобслуживание имеющихся трансфроматоров. Случается,
что даже для относительно новых трансформаторов требовуется оценить их состояние. В
таких ситуациях цель АББ – максимально увеличить отдачу в области силовых
трансформаторов для предприятий и промышленных потребителей.
Для достижения данной цели АББ предоставляет полный пакет сервисных решений,
позволяющих:
Обеспечить высокую надежность и готовность оборудования
Снизить затраты на эксплуатацию и техобслуживание и увеличить срок службы
Оптимизировать показатели работы и капиталовложения
Подход АББ к сервисному обслуживанию заключается в оптимальной организации всех
этапов жизненного цикла трансформатора от транспортировки до утилизации. Остановимся
подробнее на тех основных преимуществах сервиса АББ, которые выгодно отличают нас от
конкурентов (табл. 1).
Таблица 1
Основные Сервисные решения АББ
Первый этап жизни трансформатора («Здоровое рождение») включает в себя
транспортировку, установку, ввод в эксплуатацию и обучение. При вводе в эксплуатацию
трансформатора при необходимости проводится следующая диагностика:
Смещение обмоток/сердечника
Влага в изоляции
Электрический статус
На рис. 1 показан способ проверки
механических свойств активной части с
помощью частотного анализа. Один вывод
испытуемой обмотки трансформатора с
помощью экранированных коаксиальных
кабелей подключается к источнику
напряжения и к одному измерительному
входу (R) анализатора. Источник
напряжения анализатора: низковольтные синусоидальные сигналы (1…2 В) различной
частоты. Диапазоны частот при измерениях: 50 Гц…500 кГц и 200 кГц…2 МГц с целью
увеличиения точности и помехоустойчивости метода. Другой вывод обмотки (например,
нулевой вывод) подключается ко второму измерительному входу (А) анализатора через
трансформатор тока СТ. В общем случае неиспытуемые обмотки заземляются. Частотная
характеристика обмотки определяется посредством измерения отношения сигналов входов
А/R, то есть на двух стандартных диапазонах частот (50 Гц…500 кГц и 200 кГц…2 МГц)
определяются амплитудные и фазовые характеристики обмотки. Производится измерение
отношений векторов выходного напряжения (Uвых) к входному (Uвх) с учетом амплитуд и
угла сдвига и их сравнение с базовыми показателями. Показателями, используемыми для
оценки результатов, могут являться заводские данные, результаты измерения каждой из
обмоток трехфазного трансформатора, результаты измерения однотипных трансформаторов.
По результатам частотного анализа определяются смещение и деформация активной части.
Время измерений – 4…5 часов. Основное преимущество – высокая чувствительность:
испытание можно проводить и на ремонтном предприятии, и на месте установки. Изменение
частоты увеличивает точность и помехоустойчивость метода. На рис. 2 приведены 2 примера
проверки механических свойств активной части с помощью частотного анализа. В первом
случае изменение частоты при измерениях (от 50 Гц до 500 кГц) и достоверная
интерпретация помогли установить у старого трансформатора, подвергавшегося
асинхронным включениям, неисправность обмотки низкого напряжения (фото и графики). Во
втором случае после трех к.з. и аварийном отключении нового трансформатора по вине
оператора частотный анализ на месте установки показал отсутствие неисправностей. Удалось
избежать вскрытия бака и осмотра активной части, нет потерь производства, заказчик
сэкономил 150000$.
На рис. 3 показана проверка термических свойств изоляции с помощью спектроскопии
частотного интервала. С источника напряжения, встроенного в испытательное оборудование,
на трансформаторный ввод высокого напряжения подается синусоидальный сигнал (5…120
В), со стороны низкого напряжения измеряется ток. Бак и сердечник трансформатора
заземлены.
Диапазон частот при измерениях 0,0001…1000 Гц с целью увеличения точности и
помехоустойчивости метода. По комплексному сопротивлению трансформатора Z
устанавливаются комплексы емкостей масла и бумаги. По емкостям определяются
диэлектрические свойства и старение изоляции. Данный метод также позволяет определить
tan д изоляции. Основное преимущество измерения емкостей в том, что оно более точно и
надежно, чем отбор пробы масла и измерение tgд. Испытание можно проводить и на
ремонтном предприятии, и на месте установки. Время измерений – 4 часа.
Оценка электрической целостности изоляции: определение, подсчет и локализация
источника частичных разрядов (ЧР) при номинальном напряжении. Используя пофазные
электрические измерения ЧР (рис.4) и, при необходимости, акустические, определяется
картина ЧР трансформатора. ФазаВнешняя корона(шум)Металлические частицыпКл
Рис. 4
При использовании библиотек и экспертов АББ картина ЧР позволяет определить места и
характер возможных повреждений. Основное преимущество – измерение как на ремонтном
предприятии, так и на месте установки.
Данные методы диагностики ипользуются как при запуске трансформатора, так и в
процессе эксплуатации.
На втором этапе жизни трансформатора («Здоровая жизнь») основные решения АББ:
диагностика: общее состояние (масло, бумага, газы), механические, термические и
электрические параметры (вышеприведенные методы диагностики)
on-line мониторинг (T-monitor)
оценка состояния трансформатора
инженерная поддержка
Ухудшение характеристик масла зависит от условий эксплуатации трансформатора. В
условиях контакта с воздухом оно подвержено окислению и, соответственно, старению. В
условиях высоких температур или контакта с металлами (медью) данный процесс ускоряется.
Меняется цвет, химическая структура, происходит загрязнение. Другие воздействия, такие
как вода и мелкие частицы (например, частицы краски, уплотнений и т.п.) также ухудшают
характеристики масла. В течение многих лет особое внимание уделялось ухудшению
характеристик целюлозосодержащих частей трансформатора, так как их термическое
разрушение ведет к внезапным отказам. К сожалению прямой доступ к бумажной изоляции и
ее проверка труднодостижимы. Поэтому в 80-х годах было начато исследование состояния
твердой изоляции с помощью использования соединений фурана, растворенных в масле, так
как эти соединения образуются в масле при разрушении целюлозосодержащих частей.
Диагностика масла, бумаги и газов, основанная на опыте экспертов АББ, позволяет точно
определить их состояние. Анализ масла и растворенных газов, используя интерпретацию
АББ, а также анализ старения бумажной изоляции (фуран) помогает оценить общее
состояние трансформатора и изоляции и отследить медленно развивающиеся в изоляции
газообразующие дефекты (перегрев, разряды и т.п.).
Правильно организованный on-line мониторинг в процессе эксплуатации должен
заблаговременно информировать пользователя о состоянии трансформатора, обеспечить
снижение риска отказов, позволить осуществлять обслуживание трансформатора в
зависимости от фактического состояния, а не от времени эксплуатации, оптимизировать
использование трансформатора по мощности, снизить затраты на техобслуживание и
увеличить срок службы. Для удовлетворения данных требований разработаны системы online мониторинга: АВВ ТЕС для новых трансформаторов АББ (встраивается при
изготовлении трансформатора) и АВВ T-monitor для уже находящихся в эксплуатации
силовых трансформаторов не только производства АББ, но и других компаний. На рис. 5
приведены измерения базовой комплектации АВВ T-monitor (температуры, токи, влага, газы,
параметры РПН, ЧР и др.), основные датчики для снятия параметров (выбор из них каждого
зависит от типа и условий работы трансформатора и от требуемых измерений) и пример
меню при отображении состояния трансформатора.
Рис. 5
Полученные данные с приборов измерения необходимо правильно интерпретировать. В
традиционных системах мониторинга для каждого параметра используются пороговые
значения для определения уставок защиты. При срабатывании защитной сигнализации
трансформатор отключается и подвергается диагностике. Это – наиболее часто используемый
метод из-за простоты реализации и автоматического срабатывания. Однако установка
пороговых значений неоднозначна. С одной стороны при уровне срабатывания, близком к
критическому, невозможно определить тенденцию к отказу заранее. С другой стороны при
слишком частом срабатывании защиты ее эффективность будет под вопросом.
ABB T-Monitor интерпретирует результаты измерения с промощью моделей. Основное
отличие – использование пороговых значений, которые изменяются в зависимости от
условий эксплуатации трансформатора. В данном случае модель – это специальный алгоритм
расчета, позволяющий установить реальные условия эксплуатации и состояние
трансформатора. Модель обрабатывает сигналы с датчиков и вырабатывает прогноз развития
событий и возможные решения. Основные модели:
Потребляемая мощность: Постоянный расчет тока нагрузки, напряжения и мощности
Места перегрева обмотки: Постоянный расчет точек перегрева обмотки по данным температуры масла
сверху и тока нагрузки используя стандарты МЭК и IEEE
Содержание влаги в изоляции (масло и бумага): Преобразование данных относительной влажности в
абсолютное содержание влаги в масле. Расчет содержания влаги в бумаге в точках перегрева по данным влаги в
масле
Старение изоляции: Расчет старения изоляции по температуре перегрева, содержанию влаги в изоляции и
содержанию кислорода в масле (зависит от системы циркуляции масла). Расчет по МЭК и IEEE. Расчет
тенденции к старению на будущее и общий износ.
Температура закипания: Расчет по содержанию влаги в изоляции
Суммарнные токи вводов: Расчет векторов токов и сравнение с заданными
Состояние и эффективность системы охлаждения: Расчет теоретической температуры масла сверху и
сравнение с фактической (IEEE). Отображение работы системы охлаждения. Сравнение потерь в обмотках
трансформатора и в системе охлаждения
Анализ растворенных газов (off-line): Анализ полученных лабораторных результатов проб масла и
рекомендации о дальнейшем использовании
Симуляция нагрузки (off-line): Симуляция температуры и нагрузки во времени и прогноз перегрева и
старения.
Температурная модель (РПН): Сравнение температуры бака РПН с температурой бака трансформатора
Момент двигателя (РПН): Сравнение фактического графика момента двигателя РПН с базовым
Положение и износ контактов (РПН): Измерение и расчет положения и количества проходов каждой
позиции. Расчет износа, вызванного током нагрузки
ЧР: Постоянное определение и контроль ЧР тр-ра.
Также с помощью ABB T-Monitor возможна организация управляющих сигналов
(например управление двигателем охладителя). Дополнительно предоставляется оценка
окупаемости системы мониторинга и экономической оптимизации использования
трансформатора.
Что касается РПН моделей, то в данном виде они подходят только для РПН производства
АББ. При необходимости использования этих моделей для РПН других компаний требуется
произвести адаптацию моделей, а именно: дополнительные исследования устройства РПН,
материала контактов и т.п.
Отображаемая информация: состояние трансформатора + ежедневный отчет, дисплей
пользователя, конфигурация предупреждающих и аварийных сигналов по требованию
заказчика.
Данные модели способны дать ценную информацию о состоянии и дальнейшем
использовании трансформатора. В качестве примера рис. 7 иллюстрирует модели содержания
влаги в изоляции и температуры закипания при использовании результатов измерения с
датчика влажности и температуры (AQUAOIL) и температуры в точке перегрева. По данным
с датчика влажности и температуры определяется модель содержания влаги в масле,
позволяющая определить относительную влажность и температуру конденсации влаги – рис.
7, а. Приведенная зависимость меняется с изменением состояния масла и подходит только
для установившихся температурных условий работы трансформатора, что на практике не
достигается на 100%. Поэтому модели T-monitor ежесекундно учитывают состояния
трансформатора за период расчета. Затем, используя полученную модель, по температуре в
точке перегрева определяется относительная влажность обмотки в точке перегрева. По
модели содержания влаги в бумаге и полученной относительной влажности определяется
процентное содержание воды в бумаге (соотношение масс) – рис. 7, б. Наконец по
процентному содержанию воды и определяется температура закипания – рис. 7, в.
При поставке устройства заказчик может сам принимать решения, используя результаты,
предоставленные T-monitor, а если у него нет такой возможности (мало ресурсов, опыта,…),
мы можем обеспечить контракт на дистанционное наблюдение и отслеживать результаты
вместе с ним.
T-monitor позволяет оценивать состояние трансформатора. Мы также предлагаем
независимую более детальную оценку состояния с учетом важности трансформатора в
системе.
На рис. 9 представлена оценка состояния с учетом приоритета. Такая оценка позволяет
индивидуально подойти к затратам на каждый трансформатор и оптимизировать их
использование в системе. Приоритет складывается из стоимости тансформатора, стоимости
производимой энергии и продукции с помощью данного тр-ра, стоимости обслуживания и
ремонта, стоимости ущерба окружающей среде при неполадках.
Основные модули:
общее состояние
механические свойства
термические свойства
электрические свойства
вспомогательное оборудование
В процессе оценки осуществляется пересмотр оригинальной конструкции и оценка
старения (вычисление, измерение) с учетом использования в системе. Из представленного
графика видно, что к трансформатору Х, находящемуся в красной зоне, следует отнестись с
повышенным вниманием, т.к. его приоритет и критичность состояния высоки. Высокий
приоритетСредний приоритетНизкий приоритетОтсутствиепроблемприоритет риск
Рис. 9
Используется 3-х этапный подход:
Этап 1: Сортировка парка (обычно 20 – 200 и более трансформаторов)
Сортировка большого числа трансформаторов для определения критичной группы,
подлежащей дальнейшему исследованию
Ценность для заказчика: входные данные для формирования стратегии обслуживания
(бюджет, политика обслуживания)
Этап 2:
Дальнейшее исследование выбранной группы трансформаторов (обычно 10 – 20 тр-ров)
пересмотр конструкции, диагностика выбранных тр-ров для оценки механических,
термических и электрических свойств
Ценность для заказчика: планирование ремонтов для каждого тр-ра и рекомендации по
эксплуатации и инвестициям
Этап 3: Экспертиза на отдельных трансформаторах (обычно 1 – 10 трансформаторов)
глубокий анализ отдельных тр-ров для определения специфичных проблем и надежности
Ценность для заказчика: входные данные для анализа степени риска и решений по ремонту,
модернизации и устранению проблем
Результат: достоверная оценка состояния, надежности, степени риска в зависимости от
приоритета и условий эксплуатации, планирование ремонтов и рекомендации по
эксплуатации и инвестициям. Становится возможным не только индивидуально
корректировать параметры трансформатора, но при необходимости и перегруппировывать
трансформаторы внутри энергосистемы в соответствии с состоянием и приоритетом.
Из представленного материала видно, что технически возможно оптимизировать любой
трансформатор или группу. Однако необходимо уделить внимание и экономическому
вопросу таких преобразований. На рис. 10 представлены фрагменты анализа
капиталовложений и окупаемости ремонтов, позволяющего определить стратегию
инвестиций (оптимизация капитала: замены, модернизации, изменение условий работы тр-ра
и т.п.), рассчитать окупаемость ремонта в случае его проведения, использовать
вычислительные модели для группы или единицы, глубоко исследовать все параметры
каждого
трансформатора
(механические,
электрические,...)
с
точки
зрения
капиталовложений. На графике расчета инвестиций представлены требуемые инвестиции для
группы трансформаторов и индивидуальные инвестиции для одного тр-ра. При
необходимости можно рассмотреть варианты с различным характером инвестиций (например
увеличение инвестиций в модернизацию вместо замены) и найти оптимальное решение.
Примеры:
Групповой обзор (генераторные и сетевые тр-ры)
700 трансформаторов / Sydkraft / Швеция
170 трансформаторов / TVA / США
32 трансформаторов / Бразилия
50 трансформаторов / SEL / Швейцария
Результат:
получены общие условия группы
принято решение о стратегии сервисного обслуживания
разработан план инвестиций
выделена целевая группа трансформаторов в системе
Глубокое исследование (экспертиза)
18 трансформаторов GSU / RWE / Германия
12 трансформаторов Grid Tfo. / Vattenfall / Швеция
2 Реактора / Edelca / Венесуэла
12 печных трансформаторов / SwissRe / Венесуэла
Результат: разработан детальный план ремонтов и получены исходные данные для
модернизации (увеличение мощности).
Оценка состояния с учетом приоритета и анализ капиталовложений используются также
на третьем этапе жизни трансформатора («Второе рождение»), включающим обеспечение
запчастями, улучшение условий эксплуатации, модернизацию и ремонт и завершение
жизненного цикла. На третьем этапе особый интерес представляют улучшение условий и
модернизация и ремонт.
Улучшение условий: сушка (рис. 11). При общепринятом процессе сушки используется
циркуляция горячего масла с вакуумированием. Под вакуумом температура изоляции резко
падает, что увеличивает время и ухудшает качество сушки. Если же эти процессы совместить
с низкочастотным нагревом, то качество процесса возрастает. Время сушки снижено за счет
прогрева обмотки токами низкой частоты (нч) изнутри, прогрева изоляционного барьера за
счет теплообмена и за счет достижения высоких температур 110 – 120 0С. Здесь также
приведен принцип нагрева. Реактивное сопротивление требуется поддерживать низким для
обеспечения максисально возможного тока в обмотках при минимально возможном
напряжении. Это достигается путем снижения частоты тока. Существующие установки
обработки масла и вакуумирования легко могут использоваться в составе данной системы.
Рис. 11
Преимущества:
содержание влаги в изоляции после сушки <0.5% – увеличение срока службы,
увеличение интервалов между сушками
меньшее время обработки (400МВА – 1 неделя)
меньшие затраты энергии
обслуживание на месте установки
На графике рис. 11 для трансформатора 150-200 МВА показана разница в потреблении
энегрии при общепринятом способе и при НЧ нагреве. Потребление энегрии на НЧ нагрев в
1,5 раза ниже.
Разрабатываемая в настоящее время передвижная испытательная станция позволит
проводить высоковольтные испытания на месте установки (рис.12). У установки те же
возможности, что и в лаборатории (кроме импульсных испытаний). Предыдущий опыт
показал, что заказчикам не требовались испытания импульсным напряжением.
Возможные измерения:
- Коэффициент трансформации
Рис. 14
Итак, на сегодняшний день АББ обладает опытом и возможностями для предоставления
услуг сервиса и модернизации трансформаторов для российских заказчиков.