Expert Onderhoud, Diagnostiek & Monitoring Van Energie Transformatoren – Verleng Levensduur

Onderhoud Van Energie Transformator – Transformator Diagnostiek En Monitoring

Inleiding

Omdat transformatoren statische machines zijn zonder bewegende en draaiende delen, zijn ze zeer betrouwbare machines, en als ze correct worden onderhouden, kunnen ze 40 jaar of langer duren. Ook trippen of smelten ze niet bij overbelasting (behalve onder extreme omstandigheden), transformatoren worden vaak overbelast en mogen werken ver boven hun capaciteit.

Echter, gebruik en veroudering van elektrische installaties, vergelijkbaar met andere installaties, is een oorsprong van normale achteruitgang in elektrische toestellen die versneld kan worden door factoren zoals een vijandige omgeving, overbelasting, of zware duty cycle.

Andere oorzaken van achteruitgang kunnen zijn: belasting wijzigingen/toevoegingen, circuitwijzigingen, onjuist ingestelde/gekozen beveiligingsapparaten en veranderende spanningscondities.

Echter, toestelfout is niet onvermijdelijk als een controle- en preventief onderhoudsprogramma wordt ingesteld.

Het instellen van een regelmatig preventief onderhoudsprogramma kan het risico op toestelfouten en de resulterende problemen van die fout, de detectie van latente fouten en de eerste stap voor probleemoplossing minimaliseren.

Visuele Inspectie Van Energie Transformator

De meest frequente aandacht die aan energie transformatoren wordt gegeven, is visuele inspectie, die voornamelijk inhoudt het controleren van de algemene uiterlijke toestand van de transformator en het koelsysteem.

Energie transformatoren moeten regelmatig geïnspecteerd worden zodat problemen vroegtijdig gedetecteerd en gecorrigeerd kunnen worden voordat grote reparaties nodig zijn.

Inspecties worden routinematig uitgevoerd, meestal een keer per week, hoewel de frequentie kan variëren van bedrijf tot bedrijf en tussen transformatoren. Bijvoorbeeld, een transformator kan vaker gecontroleerd worden als er reden is om te geloven dat een probleem zich ontwikkelt.

Tabel 1 toont de typen visuele inspecties die vereist zijn om de algemene uiterlijke toestand en het koelsysteem te controleren.

Klik op afbeelding om te vergroten

Tabel 1 – Visuele inspectie van transformatoren

Transformator Diagnostiek En Monitoring

Transformator monitoring verwijst naar online meettechnieken, waarbij de nadruk ligt op het verzamelen van relevante gegevens over de integriteit van de transformator en niet op de interpretatie van gegevens.

Transformator monitoring technieken variëren ten aanzien van de gebruikte sensor, gemeten transformatorparameters en toegepaste meettechnieken. Omdat monitoringapparatuur meestal permanent op een transformator gemonteerd is, moet deze ook betrouwbaar en goedkoop zijn.

Winding en On-Load Tap Changers (OLTC) fouten domineren; daardoor is de focus van de meeste monitoringtechnieken om gegevens te verzamelen van parameters die gebruikt kunnen worden om de toestand van winding en tap changers te beoordelen.

Opgeloste gassen in olie en gedeeltelijke ontladingen (PD) zijn veelvoorkomende parameters die worden gemonitord in relatie tot winding en isolatietoestand.

Temperatuur en trilling monitoring worden algemeen gebruikt voor het beoordelen van OLTC toestand.

Afbeelding 1 toont de statistische verdeling van fouten in een olie-geïmmerserde transformator.

Afbeelding 1 – Statistische verdeling van fouten in een olie-geïmmerserde transformator

Gebruikte parameters om de status van windingen en isolatie te monitoren zijn PD en opgeloste gassen in de olie; wat betreft monitoring van OLTC worden temperatuur en trilling gebruikt.

Hoofd monitoringseenheden die voor transformatordiagnostiek worden gebruikt zijn:

• Olietemperatuur monitoringseenheid.
• Olieniveau monitoringssensor.
• Gas-in-olie monitoringseenheid.
• OLTC bediening monitoringssensor.
• Overbelasting monitoringseenheid.

Gegevens van monitoringsensoren en -eenheden worden getransformeerd in digitale en analoge signalen en stellen een real-time basis communicatie tot stand met een man-machine interface en dataregistratie.

Opgeloste gas-in-olie analyse is een effectief diagnostisch hulpmiddel voor het bepalen van problemen in de transformatorbedrijf.

Echter, deze analyse wordt meestal off-site uitgevoerd, waar gesofisticeerde (en meestal dure) apparatuur wordt gebruikt om de gasinhoud te bepalen.

Om het risico te verminderen op het missen van aanvangende fouten door lange bemonsteringsintervallen, worden monitoringtechnieken ontwikkeld om waarschuwingen te geven met betrekking tot veranderingen in gastypen en concentraties die binnen een transformator worden waargenomen. Conventionele opgeloste gas-in-olie analyse wordt uitgevoerd na het uitgeven van een waarschuwing. Verschillende transformator gassen en de overeenkomstige bronnen zijn in Tabel 2 vermeld.

Klik op afbeelding om te vergroten

Tabel 2 – Transformator gassen en bronnen

Door de in de isolatieolie opgeloste gas te extraheren van de hooftransformator en de hoeveelheden van de zes gascomponenten te meten op hun lage niveau, is het mogelijk om lokale oververhitting of gedeeltelijke elektrische ontlading in de eenheid te detecteren, afhankelijk van de analysatorgegevens en om elke ongelukken te voorkomen voordat ze zich voordoen.

Schema Van Preventieve Onderhoudsacties En Inspectie Van Transformator

Frequentie van onderhoud moet worden vastgesteld rekening houdend met de toestelbetrouwbaarheidseisen en de handleidingen en aanbevelingen van de fabrikanten.

Onderhoudsactiviteiten kunnen voor elk segment van de installatie op verschillende periodes worden gepland, maar grote industrieën hebben meestal een of twee keer per jaar een globale shutdown voor onderhoudsdoeleinden.

NETA^[1] Standaard MTS-2007 Bijlage B presenteert het tijdsgebaseerde onderhoudsschema en de matrix getoond in Tabel 3. De toepassing van de matrix wordt erkend als een leidraad alleen.

Specifieke toestand, kritikaliteit en betrouwbaarheid moeten worden bepaald om de matrix correct toe te passen. Toepassing van de matrix, samen met de culminatie van historische testgegevens en trendanalyse, zou een kwalitatief elektrisch preventief onderhoudsprogramma moeten opleveren.

Klik op afbeelding om te vergroten

Tabel 3 – Onderhoudsfrequentie Matrix

Voor transformatoren zijn de minimale frequentie onderhoudstesten gedefinieerd in dezelfde standaard en getoond in Tabel 4.

Klik op afbeelding om te vergroten

Tabel 4 – Transformatoren Frequentie Van Onderhoudstesten (maanden)

Onderhoudsactiviteiten (visuele en mechanische inspectie; elektrische testen; testwaarden) voor elk toestel zijn gedefinieerd onder NETA Standaard ATS-2009 en voor transformatoren samengevat zoals getoond in Tabel 5.

Klik op afbeelding om te vergroten

Tabel 5 – Frequentie van testen en inspecties voor transformator onderhoudsacties

De acties van preventief onderhoud van transformatoren kunnen als volgt worden gesynthetiseerd:

• Routine inspecties
• Monstername
• Testen
• Reparatie

• Kleine reparaties
• Middelgrote reparaties
• Grote reparaties en overhalen^[2]

• Documentatie en dataregistratie

Tabel 6 toont de gebruikelijke activiteiten voor elk type onderhoudsacties.

Klik op afbeelding om te vergroten

Tabel 6 – Gebruikelijke acties van elk type onderhoudsactiviteiten

Naast speciale testapparatuur, is de meest comune draagbare testapparatuur die gebruikt wordt in transformator onderhoudsactiviteiten:

• Multimeters
• Stroomtangen
• Spanningstesters
• Instrumenttransformator testapparatuur
• Relais en meter testapparatuur
• Isolatietesters (MEGGER^[3])
• Aardingstest apparatuur
• Infraroodcamera^[4] (Zie Infrarood Thermografie)

Lees ook: Hoe De Waardering Van Transformator In kVA Te Vinden (Enkelvoudige Fase En Drie Fase)?

Olieanalyse En Monsterneming

Tijdens onderhoudsperiode of na een grote reparatieoperatie, is het nodig om een monster van de olie te verzamelen om de testen uit te voeren gedefinieerd door IEC^[5] Standaard 60296 voor FAT.

Deze testen zijn:

• Interfaciale spanning (IFT)
• Zuurtegraad
• Viscositeit
• Dichtheid
• Vlam punt
• Brand punt
• Stort punt
• Vochtigheid
• Dielectric sterkte
• Vermogensfactor (dielektrische verliezen – tan ∂)
• Kleur

Het is nodig om bepaalde voorzorgsmaatregelen bij het nemen van een monster te nemen, om de monster te besmetten te voorkomen.

• 1 – Gebruik de auxiliëre bemonsteringsklep en niet de kleine bemonsteringspoort aan de kant van de afvoerklep (Afbeelding 2).

Afbeelding 2 – Auxiliëre bemonsteringsklep

• 2 – Spoel afvoerklep

Afbeelding 3 – Spoelen afvoerklep

• 3 – Spoel buis en spuit en niet terugtrekken op de spuitcilinder – oefen lichte weerstand uit en laat vloeistofdruk de spuit vullen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4 – Spoelen buis en spuit

• 4 – Gevulde spuit moet geen bellen hebben, maar sommige kunnen later vormen – laat deze niet los.

Lees ook: Transformatoren MCQ's Met Verklarende Antwoorden

Opgeloste Gas-in-olie Analyse (DGA)

DGA, een van de meest waardevolle diagnostische hulpmiddelen, is een procedure die gebruikt wordt om de toestand van een met olie gevulde transformator te beoordelen vanuit een analyse van de in de koel-/isoliërende medium opgeloste gassen.

Het is een welbevestigde techniek die kosteneffectief is en essentiële informatie levert van een relatief eenvoudige, non-destructieve test gebaseerd op oliemonsterneming.

Hoewel de analyse normaal in een laboratorium wordt uitgevoerd, zijn online apparaten ook beschikbaar.

De resultaten onthullen veel over de gezondheid van de olie en zijn eigenschappen als isolerend medium, inclusief de huidige toestand, eventuele veranderingen die plaatsvinden, de degradatie-effecten van overbelasting, veroudering, het ontstaan van kleine fouten en de meest waarschijnlijke oorzaak van grote fouten.

Het moet worden opgemerkt dat een zware fout ook vrije gassen kan produceren die kunnen worden verzameld in de Buchholz relais.

Transformator Testen Voor Onderhoud & Diagnostiek Doeleinden

Tabel 7 toont de algehele transformator toestandsbeoordelingsmethodologie, die routineonderhoud en diagnostiek koppelt.

Klik op afbeelding om te vergroten

Tabel 7 – Transformator Testen Te Uitvoeren Voor Onderhoud En Diagnostiek Doeleinden

Bushing Test

Voor bushings die een potentiaal tappen hebben, worden zowel de capaciteit tussen de top van de bushing en de bodemtap (normaal C1 genoemd) en de capaciteit tussen de tap en aarde (normaal C2 genoemd) gemeten.

Om bushing verliezen te bepalen, worden ook vermogensfactortesten uitgevoerd. C2 capaciteit is veel groter dan C1 capaciteit.

Bushingen zonder een potentiaal tap worden normaal getest van de bushing top geleider naar aarde.

Deze testresultaten worden vergeleken met fabriekstesten en/of eerdere testen om achteruitgang te bepalen.

Ongeveer 90% van de bushing fouten kunnen worden toegeschreven aan vochtintrede bewijs door een stijgende vermogensfactor.

Sweep Frequency Response Analysis Test

Frequency Response Analysis (SFRA)^[6] bestaat uit het meten van de impedantie van transformatorwindingen over een wijd bereik van frequenties en het vergelijken van de resultaten van deze metingen met een referentieset.

Verschillen kunnen schade aan de transformator aangeven, wat verder kan worden onderzocht met andere technieken of door een interne inspectie. De gegolfde frequentiemethode voor SFRA vereist het gebruik van een netwerkanalyzer om het signaal te genereren, de metingen te nemen en de resultaten te manipuleren.

Ultrasoon En Geluid Foutdetectie

Deze test moet worden toegepast wanneer waterstof merkbaar toeneemt in de DGA.

Hoge waterstof generatie wijst op gedeeltelijke ontlading die plaatsvindt binnen de transformator. Andere gassen zoals methaan, ethane, en ethyleen kunnen ook toenemen. Acetyleen kan ook aanwezig zijn als brandbogen optreden en kan ook toenemen.

Trillingsanalyse

Trillingsanalyse op zich kan niet veel fouten voorspellen die geassocieerd zijn met transformatoren, maar het is een ander nuttig hulpmiddel om de transformator toestand te bepalen.

Trillingen kunnen voortkomen uit losse transformatorkernsegmenten, losse windingen, schildproblemen, losse onderdelen, of slechte lagers op oliekoelpompen of ventilatoren. Extreem voorzichtigheid moet worden betracht bij het evalueren van de bron van trilling. Veel keren is een los paneeldeksel, deur, of bouten/schroeven liggend in bedieningspanelen, of los aan de buitenkant verkeerd gediagnosticeerd als problemen binnen de tank.

Kern Isolatieweerstand

Om deze test uit te voeren, moet de intentionele kernground ontkoppeld worden.

Dit kan moeilijk zijn, en er moet misschien olie afgevoerd worden om dit te bereiken.

Op sommige transformatoren worden kerngrounds naar buiten gebracht via geïsoleerde bushings en zijn gemakkelijk toegankelijk.

Verwachte waarden van isolatiewerstand zijn:

• Nieuwe transformatoren: > 1000 MΩ
• Gediende transformatoren: > 100 MΩ

Waarden tussen 10 en 100 MΩ onthullen mogelijke schade aan isolatie tussen de kern en de aarding en waarden lager dan 10 MΩ kunnen destructieve circulerende stromen veroorzaken en moeten verder worden onderzocht.

Infrarood Thermografie

Infrarood thermografie (IR) is een contactloze en non-destructieve manier om problemen in elektrische systemen te detecteren.

Alle elektrische en mechanische toestellen geven warmte af in de vorm van elektromagnetische straling. Infraroodcamera's, die gevoelig zijn voor thermische straling, kunnen temperatuurverschillen tussen oppervlakken detecteren en meten.

Afwijkende of onverwachte thermische patronen kunnen wijzen op een probleem met de toestellen dat kan leiden tot een uitval of fout, of een brand veroorzaken.

Algemeen wordt Infrarood Analyse elke 2 of 3 jaar uitgevoerd, terwijl de apparatuur onder spanning staat en onder volle belasting, indien mogelijk, maar speciale functionele en omgevingsomstandigheden kunnen vereisen om IR jaarlijks uit te voeren.

IR analyse moet ook worden uitgevoerd na elk onderhoud of testen om te zien of verbindingen die verbroken waren, correct opnieuw gemaakt zijn. Ook, als IR wordt uitgevoerd tijdens fabrieks hitteproef, kunnen de resultaten worden gebruikt als basislijn voor latere vergelijking.

De volgende componenten van transformatoren worden meestal aan IR analyse onderworpen:

• Tank
• Radiatoren en koelsysteem
• Bushingen
• OLTC

Lees ook: TRANSFORMATOR NAAMPLAAT (ALGEMENE VEREISTEN).

Tank

Ongebruikelijk hoge externe temperaturen of ongebruikelijke thermische patronen van transformatortanks wijzen op problemen binnen de transformator zoals laag olieniveau, circulerende streustromen, geblokkeerde koeling, losse schilden, tap changer problemen, enz.

Afwijkend hoge temperaturen kunnen de transformatorisolatie beschadigen of vernietigen en dus de levensverwachting verminderen.

Een IR inspectie kan oververhittingscondities of onjuiste thermische patronen vinden. IR scannen en analyseren vereist getraind personeel ervaren in deze technieken.

Radiatoren En Koelsysteem

Radiatoren moeten worden onderzocht met een IR camera en met elkaar vergeleken.

Een koude radiator of segment geeft aan dat een klep gesloten is of de radiator of segment verstopt is.

Als visuele inspectie toont dat de kleppen open zijn, moet de radiator of segment geïsoleerd, afgevoerd, verwijderd en de verstoppingen opgeruimd worden.

Een transformator die werkt met verminderde koeling zal een gebruikslevensduur hebben die drastisch verkort is (een verhoogde bedrijfstemperatuur van slechts 8 tot 10°C zal de transformatorlevensduur halveren).

Bushingen En Isolatoren

a) Olieniveau

IR scans van bushingen kunnen lage olieniveaus tonen, wat directe uitschakeling en vervanging zou vereisen.

In het algemeen is de reden hiervoor dat de afdichting in de bodem van de bushing misukt is, olie lekt in de transformator. De bovenafdichting is waarschijnlijk ook mislukt, wat lucht en vocht toelaat om de top binnen te dringen.

Te hoog olieniveau in bushingen betekent over het algemeen dat de afdichting in de bodem van de bushing misukt is en oliedruk van de expansietank, of stikstofdruk, transformatorolie omhoog de bushing heeft geduwd.

Een andere reden dat een bushing hoog olieniveau kan vertonen is de bovenafdichting lekt, wat water toelaat om binnen te dringen. Het water migreert naar de bodem van de bushing, wat de olie omhoog verplaatst.

Meer dan 90% van de bushing fouten worden toegeschreven aan waterintrusie door de bovenafdichting.

Bushingen falen vaak catastrofaal, vaak de gastheertransformator en nabijgelegen toestellen vernietigend en gevaren voor werknemers verursakend. Eerdere IR scans van dezelfde bushing moeten vergeleken worden met de huidige scan.

b) Bushing Verbindingen

Bushingen hebben twee interne verbindingen, één in de kop en een andere veel dieper binnen verbonden met de transformatorspolen.

Beide zullen extern zichtbaar zijn, maar de kopverbinding zal aan de bovenste deel van de bushing zijn terwijl de spoelverbinding aan de basis van de bushing zal zijn.

Problemen met krakken zijn gevonden in bepaalde isolatoren die de elektrische en mechanische sterkte van de isolator beïnvloeden.

Wanneer oppervlaktevocht aanwezig is, vloeit een heel kleine ontladingsstroom over het oppervlak van de isolator, wat de temperatuur met één of twee graden verhoogt. Wanneer een isolator gekraakt is, vloeit de ontladingsstroom door de kraak en niet over het oppervlak en de isolator toont zich iets kouder.

Wanneer de kraak ernstig genoeg wordt, kan een temperatuurstijging zichtbaar worden.

OLTC (On-Load Tap Changers)

De temperatuur van de OLTC deksel moet dezelfde temperatuur zijn als de transformator zelf.

De bron van de hitte is binnen de OLTC behuizing en is aanzienlijk heter dan de aangegeven temperatuur.

Een externe OLTC compartiment moet niet warmer zijn dan de romp van de transformator. Als het warmer is, duidt dit op waarschijnlijke verwarming van de interne tap verbindingen.

Eén moeilijkheid bij tapinspecties is dat niet alle tappen op het moment van de inspectie zijn aangesloten, dus resultaten kunnen niet concluderend zijn.

^[1]NETA: InterNational Electrical Testing Association (VS).

^[2]Te worden uitgevoerd na een ernstige interne fout of elke 8-10 jaar van continu functioneren, namelijk wanneer de transformator onderworpen is aan zware overbelasting cycli of externe kortsluiting. Deze activiteiten moeten worden uitgevoerd door gespecialiseerd personeel.

^[3] MEGGER is een handelsmerk, maar deze apparatuur is onder deze naam bekend.

^[4] Zie Hoofdstuk 7 nl. Infrarood Thermografie.

^[5] IEC: Internationale Elektrotechnische Commissie.

^[6] Alleen als deze test werd uitgevoerd tijdens FAT – Fabrieksacceptatietesten.

Over De Auteur: Manuel Bolotinha

-Licentiaat in Elektrotechniek – Energie en Energiesystemen (1974 – Instituto Superior Técnico/Universiteit van Lissabon)
– Master in Elektrotechniek en Computer Engineering (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova Universiteit van Lissabon)
– Senior Consultant in Substaties en Energiesystemen; Professionele Instructeur