Диагностика шунтирующих реакторов по содержанию растворенных газов в масле

15 ноября 2011 в 10:00

М. Е. Алпатов, И. П. Куликов, ОАО «ПК ХК ЭЛЕКТРОЗАВОД»

1. Общие положения

1.1. В течение многих лет метод АРГ в масле используется для диагностики трансформаторного оборудования [3-5], в том числе и мощных шунтирующих реакторов. Данный метод применяется для обнаружения зарождающихся дефектов, контроля развивающих дефектов и объяснения возможных причин уже произошедших аварий или нарушений.

Важнейшим показателем при оценке растворенных газов в масле реактора является скорость их нарастания, которая определяет временной интервал работоспособности реактора.

Использование АРГ основывается на том, что в масле маслонаполненного реактора, в котором имеется и целлюлозная изоляция, как при нормальном старении изоляции, так и при возникновении или наличии дефекта выделяются газы, указанные в табл. 1.

Таблица 1

Наиболее достоверные оценки дает диагностика путем сравнительной оценки значений контролируемых параметров для выделения реакторов с отклоняющимся поведением параметров.

Для реакторов с отклоняющимся поведением параметров оценка степени опасности и принятия рекомендаций по дальнейшей эксплуатации (повторный контроль через определенный период или выполнение ревизии) проводится на основании сравнительных оценок, учитывающих как абсолютные значения, так и скорости нарастания растворенных в масле газов.

1.2. Хроматографический анализ растворенных газов (ХАРГ) в масле выполняется в соответствии с Методическими указаниями по подготовке и проведению хроматографического анализа газов, растворенных в масле силовых трансформаторов (РД 34.46.303-98) (устройство для отбора проб масла в реакторе идентично устройству в силовых трансформаторах), обеспечивающий:

1. Определение концентраций газов, указанных в табл. 1.
2. Предел обнаружения, применяемая аппаратура и появление газов в масле в соответствии с пп. 1.1.2, 1.1.3 и 1.2 РД 153-34.0-46.302-00.

2. Особенности газовыделения в масле шунтирующих реакторов

Шунтирующие реакторы значительно отличаются от трансформаторов по конструкции и условиям эксплуатации. Основными особенностями конструкции реакторов производства ОАО «ПК ХК Электрозавод», в частности, являются:

1. пространственная бронестержневая магнитная система;
2. наличие немагнитных вставок и, как следствие, наличие зон касания разнородных материалов (металла и фарфора);
3. большое число проводящих активных (электротехническая стать магнитопровода, медь обмотки, магнитные и электростатические экраны) и неактивных (детали стяжки и прессовки) элементов конструкции, находящихся в области сильного электромагнитного поля;
4. система амортизации колебаний активной части и др. Указанные особенности приводят к повышенным, по сравнению с трансформаторами, вибрациям активной части и бака реактора, образованию мест локальных потерь и нагревов, появлению точек вероятных низкоэнергетических разрядов.

Условия эксплуатации реакторов, как правило, более тяжелые, чем у трансформаторов, вследствие:

1. частых коммутаций;
2. частых перенапряжений;
3. постоянства полной нагрузки (реактор всегда работает в режиме максимальной мощности).

Все сказанное приводит к иным по интенсивности, чем в трансформаторах, физическим и химическим процессам, которые иначе воздействуют на масло и соответственно приводят к другому характеру газообразования в реакторах.

3. Ключевые газы, наиболее характерные для определенного вида дефекта

1. Дефекты электрического характера:
   • водород - частичные разряды, искровые и дуговые разряды;
   • ацетилен - электрическая дуга, искрение.
2. Дефекты термического характера:
   • этилен - нагрев масла и бумажно-масляной изоляции выше 600 °С;
   • метан - нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур 400-600 °С или нагрев масла и бумажно-масляной изоляции, сопровождающийся разрядами;
   • этан - нагрев масла и бумажно-масляной изоляции в диапазоне температур 300-400 °С;
   • оксид и диоксид углерода - старение и увлажнение масла и/или твердой изоляции;
   • диоксид углерода - нагрев твердой изоляции.

Определение ключевого и характерных газов.

1. Ключевой и характерные газы определяются из газов H2, СH4, C2H2,C2H4, C2H6.
2. За ключевой газ принимается газ, имеющий наибольшую величину по абсолютному значению. При делении абсолютного значения самого на себя ключевой газ принимается за единицу.
3. Характерные газы определяются в долях делением абсолютного значения каждого газа на абсолютное значение ключевого газа.

Вид дефекта и возможные последствия.

Выше было указано, что каждый ключевой газ может быть идентифицирован по определенному виду дефекта. Существуют четыре основных вида дефекта, которые приведены в табл. 2. Все остальные дефекты являются производными от них.

Ключевой газ преобладает в составе газов, но иногда и другой газ может иметь высокую концентрацию. Это связано с тем, что в широком диапазоне температур каждый газ при определенной температуре достигает максимального уровня выделения [6].

Необходимо отметить, такие газы, как H2, СH4; CO2 и СО выделяются и при естественном старении изоляции.

Таблица 2

4. Допустимые уровни концентраций газов, растворенных в масле реакторов

4.1. Критерий граничных концентраций позволяет выявлять реакторы с развивающимися дефектами. Такие реакторы обязательно берутся под контроль, соответственно производится учащенный отбор проб масла с выполнением АРГ, пока не будет ясно его техническое состояние.

4.2. Значения граничных концентраций газов определены по результатам статистической обработки ХАРГ масла из более чем 70 реакторов со сроком наработки от 1 года до 5 лет с последующим пересчетом на 25 лет эксплуатации, исходя из скорости износа изоляции [7-9].

4.3. На базе полученных результатов была разработана трехуровневая классификация граничных концентраций газов:

• уровень 1 - средние значения плюс среднеквадратичное отклонение (ст)
• индивидуальных газов и НОРГГ;
• уровень 2 - средние значения плюс 2 ст индивидуальных газов и НОРГГ;
• уровень 3 - средние значения плюс 3 ст индивидуальных газов и НОРГГ.

4.4 Введение уровневой методики основывается на комбинациях индивидуальных газов и НОРГГ.

• уровень 1: если НОРГГ не превышает первый уровень, то реактор работает в нормальном режиме, а его техническое состояние удовлетворительное.
• уровень 2: НОРГГ в пределах этого уровня указывает на то, что он выше нормального. В реакторе проявляется какая-то неисправность или зарождается дефект. Требуется взять реактор под наблюдение, определить ключевой и характерные газы, а также определить скорость роста концентраций газов. Частота отбора проб масла - в табл. 4.
• Уровень 3: НОРГГ в этих пределах указывает на то, что в реакторе, возможно, имеются один иди несколько развивающихся дефектов, как правило первоначально на периферии (вне обмоток) в масле, но возможно затронута и твердая изоляция. Это определяется по составу растущих газов (если наблюдается). В этих случаях необходимо производить отбор проб масла на АРГ в соответствии с табл. 4 с целью определения скорости роста концентраций индивидуальных газов и НОРГГ, а также ключевого и характерных газов.

Таблица 3

Таблица 4

Примечания:

1. Уровень состояния реактора определяется либо по НОРГГ, либо по индивидуальному газу. Например, если НОРГГ между 666-1380 ррт, это указывает на уровень 2. Если метан выше 800 ррт, то состояние реактора соответствует уровню 3.
2. Зависимость от режимов работы определяется в том случае, если имеются частые и нечастые отключения и включения по режимам сети.

При достижении уровня 3 важнее определить скорости ключевого и характерных газов, чем их количество. На основании роста газов и их количества определяется техническое состояние реактора. Единственное исключение составляет появление в масле ацетилена (C2H2), который (как правило) всегда связан с дуговым разрядом в реакторе. Небольшое количество ацетилена в масле может быть вызвано разовым дуговым разрядом в реакторе, который мог произойти от воздействия волны от близкого грозового разряда или других перенапряжений. Однако если при проведении АРГ роста ацетилена не наблюдается и его величина не превышает уровня 3, эксплуатацию реактора можно продолжать. Если наблюдается интенсивный рост C2H2, то это указывает на наличие в реакторе дугового разряда и соответственно на то, что дальше использовать его в работе нельзя.

4.5. Возникновение в масле реактора только одного газа - водорода.

1. В ряде случаев причиной интенсивного газообразования в масле марки ГК могут быть не внутренние дефекты, а особенности химических реакций между различными материалами. Так, возрастание концентрации только одного водорода без заметного роста других газов (СH4, C2H2, C2Hi и C2H6) является показателем именно его химического генерирования. В этом случае диагностика реактора только по содержанию водорода неверна. Лишь комплексный хромато- графический анализ дает объективную картину состояния изоляции реактора.
2. Водород, возникший в результате указанной химической реакции, имеет тенденцию к медленному снижению (от одного года до нескольких лет). Диагностику состояния реактора по газосодержанию в этих обстоятельствах необходимо осуществлять с учетом данного факта.

5. Определение вида и характера развивающегося дефекта по критериям отношений концентраций пар газов

Для определения вида и характера повреждений в реакторе повреждений используются отношения концентраций следующих газов: водорода (H2), предельных углеводородов - метана (СH4) и этана (C2H6) и непредельных - ацетилена (C2H2) и этилена (C2H4).

Рекомендуется использовать отношения концентраций газов с уровня 2 (табл. 3) состояния масла в реакторе.

1. Вид развивающихся в реакторах дефектов (тепловой или электрический) ориентировочно определяется по отношению концентраций пар из четырех газов: H2, СH4, C2H2 и C2H4.
2. Условия нагревных процессов в реакторе:
   C2H2/C2H4 < 0,1 и СH4/H2 > 0,5.
3. Условия электрических процессов в реакторе:
   C2H2/C2H4>0,1 и СH4/H2 > 0,5.
4. Условия нагревных и электрических процессов в реакторе:
   C2H2/C2H4>0,1 и СH4/H2 > 0,5.
   или
   C2H2/C2H4<0,1 и СH4/H2 < 0,5.
5. Характер развивающихся дефектов в реакторах определяется графически (прил. 1).
6. Оксид углерода (СО) и диоксид углерода (CO2) в основном выделяются из перегретой целлюлозы в соотношении CO/CO2 ~ 0,3.

6. Критерии скорости нарастания газов в масле реакторов

6.1. При оценке состояния реактора по скорости газовыделения необходимо иметь в виду, что вследствие режимных особенностей работы шунтирующих реакторов (большое число коммутаций) скорость нарастания газов достаточно сильно изменяется с течением времени. Поэтому для осуществления данной оценки целесообразно выбирать более длинные промежутки времени (0,5 года и более).

1. Критерий скорости нарастания газов в масле определяет степень опасности развивающегося дефекта для работающих реакторов и разработаны на базе статистической обработки ХАРГ масла из более чем 70 реакторов.
2. Изменение во времени концентрации газов в масле бездефектных реакторов происходит как вследствие естественного старения, так и под воздействием различных факторов, связанных с внештатными ситуациями (близкие грозовые удары, короткие замыкания и др.).
3. Наличие развивающегося дефекта, как правило, приводит к росту НОРГГ, ключевого и характерных газов в зависимости от вида дефекта.
4. Абсолютная и относительная скорости нарастания концентрации НОРГГ или любого конкретного газа определяются соответственно по формулам 1 и 2:

(мкл/л/мес. или ppm/мес.), (1)
(%/мес.), (2)

где ,1, |, ,1, - два последовательных измерения концентрации газов, мкл/л/мес. или ppm/мес.; AT - промежуток времени между последовательными измерениями, мес.

Относительную скорость нарастания газов/газа в масле реактора необходимо определять через 9-12 месяцев эксплуатации по отношению к концентрациям газов, полученных не ранее чем через 6 месяцев включительно (см. пример). Данное условие необходимо соблюдать, если в масле реактора не наблюдается резкого роста индивидуальных газов, особенно C2H2.

Пример
Реактор типа РОМБСМ-60000/500. Концентрация газов, ррт

Наработка на 30.06.2009 составила 55,5 месяца.
Определим абсолютную и относительную скорости роста НОРГГ в масле реактора за периоды с 15.12.2004 по 30.06.2009 (а) и с 06.04.2005 по 30.06.2009 (б):

Как следует из примера, в реакторе идет стабилизация процессов примерно 0,5-1,0 год, в том числе и относительной скорости роста газов.

6.7. Относительные скорости нарастания НОРГГ и индивидуальных газов.

1. По одной относительной скорости роста газов выполнять диагностику состояния реактора не рекомендуется. Только комплексный подход, а именно анализ абсолютных величин, ключевого и характерных газов и скоростей их нарастания может дать оценку технического состояния реактора.
2. Были определены следующие критерии относительных скоростей нарастания НОРГГ и индивидуальных газов в масле реакторов:

Vtrm < 10,0 ppm/мес. - бездефектный реактор;
10,0 ppm/мес. < Vtrm < 30,0 ppm/мес. - подозрение на дефект в реакторе;
Vtrm > 30,0 ppm/мес. - предполагается наличие дефекта в реакторе.

7. Периодичность контроля

1. Хроматографический анализ газов, растворенных в масле реактора, должен осуществляться перед включением в работу и далее после включения:
2. в течение первой недели;
3. через 1 месяц;
4. через 3 месяца;
5. через 6 месяцев;
6. далее после 6 месяцев наработки в соответствии с табл. 4.

Отсчет срока выполнения ХАРГ ведется от даты включения реактора в постоянную эксплуатацию.

1. Периодичность АРГ для реакторов с развивающимися дефектами определяется динамикой изменения концентраций газов.

Все дефекты можно подразделить

1. на мгновенно развивающиеся (от долей секунды до нескольких часов);
2. быстро развивающиеся (от недель до месяцев);
3. медленно развивающиеся (годы).

Как правило, в реакторах шла РОМБСМ-60000/500 случаи стремительного развития дефектов и соответственно аварийных процессов не наблюдаются, что связано с конструкцией данного реактора. Поэтому методом ХАРГ в масле обнаруживаются медленно и быстро развивающиеся дефекты.

1. В случае выявления факта роста концентрации газов в масле реактора выше уровня 1 табл. 3 периодичность отбора проб производится в соответствии с табл. 4.

8. Эксплуатационные факторы, влияющие на результаты анализа растворенных газов в масле реактора

8.1. На результаты АРГ в масле реакторов влияют следующие эксплуатационные факторы:

1. сроки наработки;
2. постоянство или работа с отключениями и включениями в зависимости от режима сети (режим работы реактора);
3. воздействие близких токов короткого замыкания;
4. воздействие грозовых импульсов от близких ударов молний в линию электропередач;
5. перегревы из-за дефектов системы охлаждения;
6. проведение сварочных работ на баке;
7. повреждение маслонасосов;
8. замена силикагеля;
9. слив и долив масла;
10. дегазация масла;
11. время, температура и нагрузка реактора при отборе пробы масла;
12. ошибки при взятии проб масла;
13. сезонные колебания.

8.2. Техническое состояние реактора в ряде случаев может влиять на результаты АРГ масла. В частности, при эксплуатации могут произойти нарушение прессовки обмоток и магнитопровода, изменение состояния подшипников маслонасосов, повышение вибрации локального места стенки или всего бака в целом. Это приводит, как правило, к повышенным нагревным процессам. Поэтому в процессе осмотра реакторов во время эксплуатации надо определять на слух акустический уровень шума конкретного реактора относительно остальных. Если имеются изменения, то необходимо выполнить вибрационное обследование реактора с целью подтверждения изменений и определить уровень вибрации и ХАРГ.

Нормально допустимый уровень виброперемещения стенки бака реактора в эксплуатации должен быть не более 60 мкм, а системы охлаждения - 85 мкм.

9. Основы диагностики технического состояния реактора в эксплуатации по результатам хроматографического анализа растворенных газов в масле

1. При обследовании группы реакторов, эксплуатирующихся в одинаковых условиях, на ХАРГ масла необходимо определить, имеется ли в данной группе реактор с отклоняющимися параметрами, если да, то ему должно быть уделено повышенное внимание.
2. Признаки удовлетворительного состояния реакторов:
3. Концентрация НОРГГ не превышает уровня 1 табл. 3.
4. Один из всех индивидуальных газов не более абсолютных величин уровня 3.
5. Относительная скорость увеличения концентрации НОРГГ не более 10 %/мес.
6. При превышении относительной скорости 10 %/мес. (с учетом п. 6.6) руководствоваться требованиями табл. 4, уровень 1.
7. При превышении концентрации НОРГГ, уровень 1, руководствоваться требованиями табл. 4, уровни 2 и 3. Провести анализ индивидуальных газов и определить ключевые и характерные газы.
8. При CO2 > 2500 ррт провести контроль общего газосодержания масла из реактора.
9. При превышении концентрации НОРГГ и индивидуальных газов уровня 3 и величины относительной скорости более 30 ppm/мес. провести консультации с заводом-изготовителем и запланировать отключение.

9.6. В данной диагностике соотношения CO2/CO не рассматриваются, поэтому при диагностике состояния реактора надо ориентироваться на абсолютные величины, указанные в табл. 3.

1. Исследование электрических характеристик масел различной химической структуры, в том числе при низких температурах. Разработка предложений по пересмотру РТМ для реакторов, заполненных маслом ГК: техн. отчет//Арх. № 5786-3100. М.: ВЭИ, 1988.
2. Сравнение уровня концентраций растворенных газов в реакторах, запитых маслами марок ГК и Т-750: техн. отчет // Арх. № ТО-87-Ю4. М. : Моск. Электрозавод, 1987.
3. Методические указания по диагностике развивающихся дефектов трансформаторного оборудования по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле.

РД 153-34.0-46.302-00. М., 2001.

1. IEEE Standart С57.104-1991 - Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed Transformers.
2. International Electrotechnical Commission (IEC 60599 Edition 2), Mineral Oil-Impregnated Electrical Equipment in Service Interpretation of Dissolved and Free Gas Analysis. 1999.
3. Поведение газов, образующихся в результате разложения изоляционных масел в процессе их локального нагревания: пер. с яп. яз. // Дэнки гаккай ромбунси. 1978. Т. 98-А, № 7. С. 381-388.
4. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М., 1958.
5. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы обработки данных. М.: Изд-во «МИР», 1980.
6. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика : учеб. пособие. 12-е изд., перераб. Москва: Высш. образование, 2008.
7. Методические указания (временные) по диагностике развивающихся дефектов по результатам хроматографического анализа газов, растворенных в масле шунтирующих реакторов напряжением 500 кВ производства ОАО «Электрозавод», 2009.
8. Протоколы хроматографического анализа масла ГК из шунтирующих реакторов напряжением 500 кВ.