Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Issue: 2012 14 1 Komplexní přístup k řízení životnosti výkonových olejových transformátorů 1. část: Úvod do problematiky A Comprehensive Approach to Managing the Life of Power Oil Transformers - 1. Part: Introduction Miloš Hammer 1, Pavel Cvešpr 2 hammer@fme.vutbr.vutbr.cz, pcvespr@ic-energo.eu 1 Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně. 2 I & C Energo a.s., Brno Abstrakt: Článek uvádí základní pojmy z oblasti diagnostiky, monitoringu provozních veličin, hodnocení míry působení degradačních mechanismů na provozované zařízení a dává je do kontextu s problematikou řízení životnosti. Abstract: The article presents the basic concepts of diagnosis, monitoring of operating parameters, assessment of the degree of the degradation mechanisms effect on operated facilities and places them in context with the problems of life management.
Komplexní přístup k řízení životnosti výkonových olejových transformátorů 1. část: Úvod do problematiky Miloš Hammer 1, Pavel Cvešpr 2 1 Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Email: hammer@fme.vutbr.vutbr.cz 2 I & C Energo a.s., Brno Email: pcvespr@ic-energo.eu Abstrakt Článek uvádí základní pojmy z oblasti diagnostiky, monitoringu provozních veličin, hodnocení míry působení degradačních mechanismů na provozované zařízení a dává je do kontextu s problematikou řízení životnosti. Oblast řízení životnosti je ze své podstaty značně rozsáhlá a tudíž bez následné podpory v procesní a datové rovině jen stěží realizovatelná. 1 Úvod Udržování a opravy výrobních energetických zařízení kladou vysoké nároky nejen na kvalifikační a materiálové zajištění, ale vyžadují také kvalitní a včasné informace o chování zařízení, získávané během jeho provozu. Úspěšně řídit údržbu znamená využít těchto informací pro optimální plánování a řízení oprav a stanovit nápravná opatření na snížení údržby nahodilé. V procesu bezporuchové výroby, přenosu a využívání elektrické energie plní výkonové olejové transformátory nezastupitelnou roli. V případě vývodových transformátorů elektrárenských bloků lze přímo hovořit o kritické cestě, na které tento druh zařízení v procesu technologie výroby leží. Náhlá ztráta jejich funkčnosti totiž má za následek výpadek celého výrobního bloku a tedy přerušení dodávky elektrické energie do sítě. Obnova tohoto zařízení po poruše je investičně náročná, neboť případná výměna jeho jednotlivých částí je komplikovaná, ne-li zcela nemožná. To jsou hlavní důvody, proč je třeba výkonovým olejovým transformátorům obecně věnovat náležitou pozornost, a to jak po stránce údržby a provozování, tak z pohledu diagnostiky a predikce možných poruch. 2 Technická diagnostika Významným doplňujícím údajem pro řízení údržby výrobního energetického zařízení je informace o jeho okamžitém technickém stavu v případě provozu a zjištění příčiny poruchy v případě náhlé ztráty nebo snížení jeho požadovaných provozních vlastností. Tyto potřeby provozovatelům zajišťuje právě technická diagnostika. Její metody jsou zaměřeny na jednotlivé části konkrétního funkčního systému transformátoru. Diagnostické metody se obecně dělí na: Off-line: provádí se periodicky a většinou jen na odstaveném stroji On-line: provádí se dlouhodobě nebo trvale na stroji za provozu 2.1 Diagnostika Off-line Off-line diagnostických metod je celá řada. Protože izolační systém je zdrojem největšího množství poruch, je většina diagnostických metod zaměřena právě tímto směrem. Jedná se např. o měření izolačního odporu, určení polarizačního indexu a časové konstanty, měření ztrátového činitele a kapacity vinutí, napěťové zkoušky, měření hladin částečných výbojů, diagnostiku oleje: zjišťování hustoty, viskozity, obsahu vody v oleji, čísla kyselosti, elektrické pevnosti, vnitřní rezistivity, analýzu plynů plynovou chromatografií, apod. Jako doplňkové diagnostické metody je možno uvést vizuální kontrolu, hlukovou analýzu, termickou analýzu, apod. 2.2 Diagnostika On-line On-line diagnostika se v České republice v diagnostice výkonových olejových transformátorů používá méně často. Je nasazována např. k měření základních veličin (napětí, proud), měření teplot oleje nebo vinutí, obsahu plynů a vody v oleji, apod. Ojediněle bývá také využívána pro počáteční sledování rozvíjející se poruchy nebo k bližší identifikaci možného místa poruchy. V české energetice je vize provádět on-line diagnostiku efektivně pomocí tzv. centrálního on-line monitoringu, který vychází z koncepce vybudování výkonného centrálního monitorovacího systému. On-line monitoring je tedy: Základní stavební kámen pro on-line diagnostický systém Prostředek k detekci prvních příznaků rozvíjející se poruchy Prostředek k vizualizaci aktuálních provozních stavů a rizik Prostředek k zacílení off-line diagnostik 17 1 VOL.14, NO.1, FEBRUARY 2012
Komplexní monitorovací systém 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2012/17 27. 2. 2012 On-line monitoring není: Náhrada souboru elektrických ochran transformátoru Náhrada off-line diagnostiky Cílem monitoringu je: Vizualizace aktuálních provozních stavů a rizik Snížení závažnosti dopadu poruchy na provozované zařízení Poskytnout informace pro řízení prediktivní údržby Poskytnout podklady pro řízení životnosti transformátoru V současné době se na trhu každoročně objevuje stále více systémů, které lze úspěšně využít pro monitorovací systémy. Z pohledu centrálního monitorovacího systému lze tyto izolované lokální systémy nazvat polní instrumentací, tedy jednotlivými čidly nebo senzory. Nevýhody lokálního monitoringu: Při větším počtu on-line monitoringem osazených strojů vyšší pořizovací náklady na jeden stroj Redundance hodnot již měřených v řídicím systému technologie výroby elektrické energie Výhody centrálního monitoringu: Možnost využití hodnot veličin v řídicím systému technologie již zavedených Centralizovaná správa dat a vizualizačního rozhraní Centrální využití informací pro skupinu diagnostikovaných zařízení Nižší investiční náklady na stroj při hromadném nasazení Nevýhody centrálního monitoringu: Vyšší počáteční investice do centralizace Monitorováním provozních vlastností on-line lze výkonový olejový transformátor správně řídit a tím ovlivnit/prodloužit jeho životnost, jak je znázorněno na obr. 2. C Legenda: 9 - Teplota okolí 8 - Rozpuštěná vlhkost 7 - Teplota horní vrstvy oleje 6 - Rozpuštěné plyny 5 - Teplota vnitřní části 4 - Pozice přepínače odboček 3 - Stav stupně chlazení 2 - Alarmy 1 - Teplota dolní vrstvy oleje Obrázek 1: Osazení transformátoru čidly On-line monitorovací systém z pohledu zpracování a vizualizace dat lze provozovat lokálně pro každý transformátor zvlášť nebo centrálně pro skupinu transformátorů. Výhody lokálního monitoringu: Záloha dat přímo na stanovišti transformátoru Přímý přístup k datům a vypočteným výsledkům, žádné bezpečnostní bariéry z hlediska ochrany dat Lokální generování alarmů i na vypočtené hodnoty Obrázek 2: Vývoj intenzity poruch po celou dobu provozování transformátoru Včasná detekce počátečního stavu vznikající poruchy v transformátorech zcela jistě přináší ekonomické výhody pro splnění náročných požadavků trhu s elektřinou. Z letitých zkušeností a závěrečných zpráv CIGRÉ plyne, že život transformátoru je z 90% bezporuchový, v 10% může znamenat problém, ale pouze ve 2% se skutečně jedná o poruchový stav, který vyžaduje zásah provozovatele stroje, jak ukazuje obr. 3. Monitoring transformátoru tedy zvyšuje spolehlivost a je zásadní podmínkou řízení životnosti stroje. 3 Řízení životnosti zařízení Řídit životnost zařízení znamená porozumět procesu stárnutí materiálu jednotlivých komponent zařízení, včas rozpo- 17 2 VOL.14, NO.1, FEBRUARY 2012
znat dopady tohoto procesu na provoz zařízení a jeho následky mírnit použitím vhodného typu údržby [1]. V procesu řízení životnosti transformátoru se tedy sledují/uplatňují tyto základní funkce: Start Integrita izolačního systému papír/ olej Integrita systému kondenzátorového řízení pole transformátorové průchodky, vybavené měřícím vývodem 3.3 Degradační mechanismy Provoz/ diagnostika transformátoru Je provoz v definovaných mezích? Bez zásahu údržby Konec ano 90% ne 10% ne 8% Zásah údržby nutný Provoz mimo stanovené meze Je tento stav závažný? Obrázek 3: Rozhodovací proces řízení údržby transformátoru 3.1 Základní členění zařízení pro potřeby řízení životnosti Blokové výkonové olejové transformátory se pro potřeby řízení životnosti dělí na následující části: ano Izolační systém vinutí transformátoru (papír/olej) Kondenzátorová průchodka s měřícím vývodem Magnetický obvod transformátoru Magnetický obvod není do procesu řízení životnosti zařazen jako limitující prvek, ale pouze jako možný nositel teplotní vady, která může omezit životnost izolačního systému vinutí transformátoru (papír/olej) [5]. 3.2 Základní funkce zařízení 2% Degradační mechanismy ovlivňují sledované funkce zařízení. Na izolační systém každého blokového výkonového olejového transformátoru působí následující degradační mechanismy: Teplotní a elektrické namáhání izolačního systému a kondenzátorové průchodky Vlhkost (obsah vody v pevné izolaci - voda přechází mezi pevnou izolací a olejovou náplní podle teplotního spádu) Kyslík (vzdušný, uvolněný) Mechanické vlivy (vibrace transformátoru při provozu) Pro blokové výkonové olejové transformátory nejsou definované kvantifikovatelné vzájemné vztahy mezi degradačními mechanizmy a aktuálním stavem izolačního systému transformátoru. Z tohoto důvodu se pro potřebu řízení životnosti blokového výkonového olejového transformátoru nepracuje při provozu transformátoru s degradačními mechanizmy přímo, ale zástupně s tzv. rizikovými faktory, kterými jsou: Degradace izolačního oleje jako nedílné součásti izolačního systému papír/olej fyzikálně-chemické změny oleje, obsah vody v oleji a pevné izolaci, elektrická pevnost oleje, obsah plynů rozpuštěných v oleji Teplotní vady v transformátoru teplotní závady zasahující / nezasahující pevnou izolaci se indikují pomocí plynové chromatografie oleje Porušení integrity systému řízení elektrického pole kondenzátorových průchodek s měřícím vývodem. Sleduje se elektrickým měřením na průchodkách s měřícím vývodem Periodická diagnostika blokových výkonových olejových transformátorů se zaměřuje na sledování výše uvedených rizikových faktorů, zejména na monitorování změn v projevech těchto faktorů, které vypovídají o postupné degradaci izolačního systému papír/olej. V případě zjištění porušení integrity oleje periodickou diagnostikou se provede korektivní zásah do olejové náplně transformátoru (obnova jejích fyzikálně-chemických vlastností). V případě zjištění rizika teplotní vady z výsledků plynové chromatografie izolačního oleje jsou sledovány teplotní děje v transformátoru a je přistupováno k identifikaci a případné korekci rozvíjejících se závad. Každý takový zjištěný stav se řeší individuálním způsobem. V případě zjištění rizika vady průchodky (ztráta integrity řízení elektrického pole) se po konzultaci s výrobcem přistoupí k výměně průchodky. 17 3 VOL.14, NO.1, FEBRUARY 2012
4 Hodnocení životnosti Hodnocení životnosti blokových olejových transformátorů se provádí pro každý stroj, jeho komponenty a jeho sledované parametry zvlášť. Tyto jsou členěny na parametry základní, jejichž hodnoty poskytuje příslušná diagnostika, a parametry doplňkové, které přímo s diagnostikou nesouvisí, ale dokreslují obraz o chování zařízení jako součásti výrobní technologie. Pro hodnocení životnosti výrobního zařízení se v české energetice zavádí jednotná klasifikace. Účelem je umožnit srovnání hodnocení zařízení stejných výrobních typů a sestavit z dílčích hodnocení jednotlivých zařízení celkové hodnocení výrobního bloku [2]. Stupeň hodnocení Tabulka 1: Jednotlivé stupně hodnocení Stav Akce Interval pro plánovanou diagnostiku A Výborný Ponechat/prodloužit B Vyhovující Ponechat C Vyhovující s komentářem Námět na zkrácení D Neuspokojivý Zkrátit E Nepřípustný Okamžitě odstavit 4.1 Základní parametry Základní parametry pro řízení životnosti jsou takové, u nichž překročení mezních hodnot může přímo ohrozit izolační systém vinutí transformátoru průrazem. Důsledkem je ztráta schopnosti transformátoru plnit projektový účel a je možná destrukce transformátoru. Pro blokový výkonový olejový transformátor je základním parametrem fyzické stárnutí, které je sledováno prostřednictvím: Měření elektrických veličin na komponentách: izolační systém papír/olej, kondenzátorová průchodka s měřícím vývodem Plynová chromatografie izolačního oleje na komponentě izolační systém papír/olej Objem vlhkosti v pevné izolaci na komponentě izolační systém papír/olej Komplexní fyzikálně-chemický rozbor oleje na komponentě izolační systém papír/olej Parametry fyzického stárnutí komponent jsou uvedeny níže v kapitolách 4.1.1 až 4.1.4. Stav zařízení je hodnocen v samostatném protokolu dle použité diagnostické metody klasifikačním stupněm A až E. Účelem řízení životnosti blokových výkonových olejových transformátorů dle výsledků použité metody, případně jiných informačních zdrojů poskytujících informace pro hodnocení, je: identifikace rizik provozu transformátoru při zjištěném stavu doporučení optimálního způsobu korekčního zásahu a jeho termínu příprava podkladů pro zprávy o bezpečnosti provozu technických zařízení příprava výstupů do zpětné vazby pro korekci nastavení použité diagnostiky nebo změnu její metody Cílem řízení životnosti s využitím navazujících diagnostických metod je zabránit stavu, kdy nastalé a zároveň neřešené riziko provozu transformátoru přeroste do stavu náhlého nevratného dožití izolačního systému nebo průchodky, tedy havárie transformátoru. 4.1.1 Měření elektrických veličin Měření parametru elektrické veličiny se používá ke zjištění stavu izolačního systému papír/olej a kondenzátorové průchodky s měřícím vývodem. Pro izolační systém papír/olej se měří tyto veličiny [4]: Izolační stav je základním parametrem, u kombinovaného izolačního systému papír/olej významně souvisí s kvalitou izolačního oleje. Posuzuje se na základě měření izolačního odporu Ztrátový činitel tg δ - u kombinovaného izolačního systému papír/olej je ztrátový činitel pomocným parametrem, jeho hodnota je závislá na kvalitě izolačního oleje. Je definován jako tangens úhlu, o který se liší fázový posun proudu zkoušeného izolantu od fázového posunu proudu ideálního bezeztrátového dielektrika. Ztrátový činitel charakterizuje činné ztráty polarizací dielektrika Kapacita vinutí je pomocným parametrem, jedinečným pro každou konstrukci transformátoru. V průběhu provozu stroje by se tento parametr neměl příliš lišit Frekvenční analýza (FRA) metoda, která se používá pro ověření stálosti geometrické stavby vinutí. Provádí se u nového transformátoru ve výrobě a po montáži na pozici. Další opakování se provádí ve výjimečném případě při zásahu transformátoru dynamickou poruchou v síti Pro kondenzátorovou průchodku se sledují tyto veličiny [3]: Kapacity C1 a C2 - Používá se pro stanovení stavu průchodek. Porucha kondenzátorového systému řízení elektrického pole průchodky se projevuje změnou kapacity. Vývoj změn hodnot kapacity v průběhu provozu se porovnává s výsledky před montáží, případně po instalaci průchodky na transformátor Ztrátový činitel tg δ 1 a 2 - Měření ztrátového činitele průchodek se používá pro vyhodnocení integrity kondenzátorového systému řízení elektrického pole průchodky 4.1.2 Plynová chromatografie izolačního oleje 17 4 VOL.14, NO.1, FEBRUARY 2012
Hodnotí se stav transformátoru z hlediska výskytu vnitřních teplotních vad. Určuje se tzv. obvyklé chování v oblasti vývoje plynů v transformátoru a sleduje se vývoj v trendu. Vyhodnocení nálezů, které se vymykají tomuto tzv. obvyklému chování a indikují vývoj teplotní vady v transformátoru, se provádí podle návodů v ČSN EN 60599. Pro každý jednotlivý případ se aplikuje vlastní hodnocení rizika, které odpovídá konkrétnímu typu transformátoru, provozovanému konkrétním způsobem na konkrétní provozní pozici. Plynová chromatografie izolačního oleje se používá k hodnocení komponenty izolační systém papír/olej ve smyslu, zda se projevuje teplotní vada v transformátoru a zda zasahuje/nezasahuje pevnou izolaci. 4.1.3 Objem vlhkosti v pevné izolaci V podstatě veškerá vlhkost v izolačním systému papír/olej je obsažena v pevné izolaci. Posuzuje se množství vlhkosti v pevné izolaci, zda při nárůstu provozní teploty transformátoru nebude do oleje migrující vlhkost ohrožovat elektrickou pevnost izolačního systému. Určuje se podle Nielsenova diagramu z diagnostiky oleje nebo podle výsledku elektrického měření - dielektrické spektroskopie ve frekvenční doméně. 4.1.4 Komplexní fyzikálně-chemický rozbor oleje Fyzikálně-chemických vlastností izolačního oleje určují schopnost izolačního oleje zastávat funkci chladícího media v transformátoru a zároveň jeho izolační schopnost. Sleduje se integrita fyzikálně-chemických vlastností izolačního oleje v transformátoru. Sleduje se vývoj v trendu a při dosažení určených limit se u sledovaných parametrů provádí korektivní zásah do olejové náplně a obnovení její integrity. Komplexní fyzikálně-chemický rozbor oleje se používá k hodnocení komponenty izolační systém papír/olej. 4.2 Doplňkové parametry K aktuálním hodnotám doplňkových parametrů se přihlíží při uceleném hodnocení a vypracování doporučení pro další provoz transformátoru. Hodnocení se provádí pro každý parametr zvlášť. Doplňkové parametry nabývají hodnoty 0, pokud z analýzy nevyplývají dopady na zhoršení technického stavu nebo nemají vliv na životnost zařízení. Pokud ovlivňují životnost, pak nabývají hodnoty 1. Jedná se o tyto parametry: Limity a podmínky (LaP) - Obecně se jedná o sledování plnění/neplnění všech LaP daných výrobcem zařízení a místními provozními předpisy, které by mohly mít vliv na zhoršení technického stavu. V oblasti jaderné energetiky tvoří LaP soubor jednoznačně definovaných podmínek, pro které je prokázáno, že provoz jaderného zařízení je bezpečný Plnění plánu preventivní údržby - cílem preventivní údržby je realizovat ve stanoveném rozsahu a stanovených periodách preventivní činnosti nutné k ověření odpovídajícího fyzického stavu zařízení a k monitorování degradačních mechanismů/dopadů stárnutí specifikovaných v kapitole 3.3 Koncepční stárnutí - nastává z důvodu změn v požadavcích na bezpečnost, změn v požadavcích na provoz zařízení a změn v mezinárodních standardech na základě nových výsledků v oblasti vědy a techniky Technické stárnutí - nastává z důvodu získání nových poznatků ohledně možných degradačních mechanismů během provozu zařízení, poznatků ohledně změn vlastností materiálů za provozu, nových dostupných technik a postupů provádění zkoušek a testů, využití nových výpočtových algoritmů a metod Udržovatelnost - je dána dostupností náhradních dílů, servisní a technicko-konzultační podpory. Určení mezních hodnot a způsob hodnocení parametru jsou prováděny v souladu s příslušnými pracovními postupy. Parametr pro řízení životnosti nabývá hodnoty 0 nebo 1 dle informací poskytovaných správcem /provozovatelem zařízení. Hodnota 0 je přiřazena, pokud náhradní díly, servisní podpora, technickokonzultační podpora, jsou dostupné na požadovanou dobu provozu zařízení (doba projektová nebo prodloužená na základě výsledků dosažených při řízení životnosti). Hodnota 1 je přiřazena, pokud uvedené informace na požadovanou dobu dostupné nejsou. Tento nepříznivý stav může být řešen vystavením technického podnětu Poruchovost - je hodnocena v návaznosti na kořenové příčiny poruch s cílem vyloučit poruchy za provozu. Hodnota 0 je přiřazena, pokud zaznamenaná porucha není spojena se ztrátou monitorovaných funkcí. Pokud dojde při signalizované poruše ke ztrátě požadované funkce, pak je parametru přiřazena hodnota 1. Pro vyloučení/snížení výskytu těchto poruch v dalším provozu transformátoru je provedena analýza kořenové příčiny a vypracováno doporučení pro provoz a údržbu 4.3 Ucelené hodnocení životnosti V rámci uceleného hodnocení je pro konkrétní transformátor na dané projektové neboli technologické pozici proveden výčet parametrů s překročenými mezními hodnotami. Pokud aktuální hodnoty parametrů pro dané šetření stavu nepřekročí mezní hodnoty, je ucelené hodnocení životnosti zařízení prováděno konzervativně. Znamená to, že životnost je určována na základě nejméně příznivých dílčích výsledků hodnocení konkrétního parametru ze skupiny základních parametrů. Součástí uceleného hodnocení životnosti je výrok o aktuálním / predikovaném stavu zařízení a případné doporučení na realizaci opatření k zajištění požadované úrovně technické bezpečnosti zařízení. Ucelené hodnocení životnosti je prováděno obvykle 1x ročně. V případě, že nedošlo k podstatné změně hodnoty žádného ze sledovaných parametrů, může být toto hodnocení provedeno s delší periodou. 17 5 VOL.14, NO.1, FEBRUARY 2012
5 Závěr Abychom stárnutí transformátorů omezili a snížili tím i riziko poruch a havárie, je vhodné dopady působících degradačních ovlivňovat a nejlépe řídit. Obecně se hovoří o řízeném stárnutí (Life Cycle Management). Jeho úkolem na základě dlouhodobého sledování vývoje hodnot definovaných provozních veličin je nejen včasná identifikace problémů, které by mohly vést až k vážným poruchám, ale také prodloužení doby provozu za projektovanou mez a tím určení okamžiku výměny staré jednotky za novou. Je zřejmé, že úspěšné řešení tak složité problematiky, kterou řízení životnosti jakéhokoliv zařízení beze sporu je, se neobejde bez zavedení jednotného systému sběru, ukládání a vyhodnocování údajů budovaném organizovaně nejlépe na procesní bázi. Literatura [1] Standard ST006r01, Řízení životnosti elektráren ČEZ. Praha: ČEZ, květen 2010. [2] Pracovní postup PP 330r02, Evidence, vyhodnocování stavu a řízení životnosti majetku. Praha: ČEZ, květen 2010. [3] Podniková norma ČEZ, a.s. ev. č. 00/05: Profylaktika elektrických strojů netočivých výkonové transformátory. Praha: ČEZ, a.s., 2006, 30 s. [4] ČSN EN 60 422: Minerální izolační oleje v elektrických zařízení Návod pro kontrolu a údržbu. Praha: Český normalizační institut, 2007. 15 s. [5] ČSN EN 60 076: Výkonové transformátory Část 7: Směrnice pro zatěžování olejových výkonových transformátorů. Praha: Český normalizační institut, 2007. 12 s. Poděkování Předkládaný článek je publikován za finančního přispění VUT v Brně v rámci programu specifického výzkumu č. FSI-S- 11-5 Enviromentální a bezpečnostní aspekty vývoje, výroby a provozu strojů a dále za podpory Divize mechatroniky NETME centra, jehož budování je finančně podporováno z Evropského fondu regionálního rozvoje prostřednictvím Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace v rámci projektu CZ.1.05/2.1.00/01.0002 s názvem "NETME centre - nové technologie pro strojírenství". 17 6 VOL.14, NO.1, FEBRUARY 2012