آنالیز روغن عایقی جهت تشخیص عیب داخلی ترانسفورماتور قدرت فشارقوي پست بوي ینزهرا 1 علیرضا الماسی 1 محسن حسین خانلو 2 دکتر منصور اوجاقی 3 گروه مهندسی برق واحد زنجان دانشگاه آزاد اسلامی زنجان ایران 2 شرکت برق منطقهاي زنجان 3 دانشکده مهندسی دانشگاه زنجان چکیده ترانسفورماتورها یکی از مهمترین و پیچیدهترین اجزا شبکه انتقال هستند. جهت دستیابی به انرژي پایدار و مطمي ن توجه بیشتر به نگهداري ترانسفورماتور ضروري است از طرفی جهت افزایش طول عمر و کارایی ترانسفورماتور بایستی نسبت به روشهاي شناسایی عیوب ترانسفورماتور و نحوه جلوگیري از آنها اطلاع کافی وجود داشته باشد. عیوبی که در داخل ترانسفورماتور رخ میدهد باعث تخریب عایق و تولید محصولاتی ازقبیل رطوبت اسید لجن و سایر ترکیبات میشود. از طرفی این خطاها موجب تشکیل گازهاي مختلف در روغن میشود که ترکیب و میزان گازهاي تولید شده به نوع و شدت عیب بستگی دارد. درچنین شرایطی پایش وضعیت ترانسفورماتور می تواند از بروز حوادث ناخواسته جلوگیري کند. در این مقاله روشهاي مختلف تحلیل وضعیت روغن عایقی بررسی شده و با توجه به روشهاي مطرح شده چگونگی عیبیابی ترانسفورماتور 230/63 کیلوولت پست بوي ینزهرا تشریح شده است. واژههاي کلیدي گازهاي محلول در روغن گازکروماتوگرافی یکی از تجهیزات مهم کلیدي و ترانسفورماتور روغنعایقی تستهاي شیمیایی مقدمه گرانقیمت در شبکههاي الکتریکی ترانسفورماتور میباشد که به منظور انتقال انرژي از محل تولید تا مصرف کاهش تلفات شبکه و تغییر ولتاژ در حد مجاز مصرفکنندهها مورد استفاده قرار میگیرند. یک ترانسفورماتور از اجزاي مختلفی همچون سیمپیچهاي مسی هسته آهنی و انواع عایقهاي الکتریکی تشکیل شده است. با توجه به آمارهاي موجود بیشترین خطاهاي ترانسفورماتورها که منجر به خروج آنها از شبکه شده است ریشه در مشکلات و ضعف مواد عایقی داشته است. لذا انتخاب نوع و شناخت ویژگی و خواص عایقهاي الکتریکی و به طور کلی طراحی عایقی از ارکان اصلی طراحی ترانسفورماتورها و حتی دیگر تجهیزات فشارقوي محسوب میشود. باتوجه به نقش بسیار مهم ترانسفورماتور در شبکه جهت تامین انرژي پایدار براي مصرف کنندهها لازم است این تجهیز همواره مورد پایش وضعیت قرارگیرند تا از وقوع حوادث ناخواسته جلوگیري شود. جهت در آن جلوگیري از حوادث می توان با بررسی وضعیت روغن عایقی به عوامل ایجاد کننده عیب در ترانسفورماتور پی برده و این عوامل را رفع نمود.عیوبی که در ترانسفورماتور بوجود می آیند باعث تغییر در خواص و ایجاد گازهاي مختلف در روغن ترانسفورماتور می شود که میتوان با انجام تست هاي مختلف به تغییرات ایجاد شده در ترانسفورماتور پی برد. شایان ذکر است که گاهی انجام یک نوع تست نمی تواند منجر به تشخیص عیب شود و بایستی تست هاي مختلفی بر روي روغن و ترانسفورماتور انجام شود تا محل عیب شناسایی گردد. بدین منظور از روش مبتنی بر تست مشخصات الکتریکی فیزیکی و شیمیایی روغن و روش مبتنی بر گازهاي محلول در روغن استفاده خواهد شد..١ تحلیل وضعیت ترانسفورماتورمبتنی بر تست مشخصات الکتریکی فیزیکی و شیمیایی روغن : تست هاي مختلفی بر روي روغن هاي عایقی انجام می شود که می- توان آنرا در سه دسته کلی زیر تقسیم بندي کرد:
تست مشخصات الکتریکی روغن از قبیل ولتاژ شکست مقاومت عایقی ضریب تلفات عایقی تست مشخصات شیمیایی روغن از قبیل اسیدیته سولفورخورنده PCB تست مشخصات فیزیکی روغن ازقبیل ویسکوزیته دانسیته نقطه اشتعال کشش سطحی میزان رطوبت آلودگی ها در کنار محصولات ناشی از تخریب روغن باعث تغییر یک یا تعداد بیشتري از خصوصیات روغن میشود. همچنین سایر خرابیه يا داخل ترانسفورماتور را میتوان بواسطه تغییرات در خصوصیات روغن پایش نمود. با توجه به مقادیر بدست آمده در تست هاي روغن عایقی و شدت آن و بررسی روند تغییرات آن پارامتر بایستی تصمیم مناسب را براي بهبود وضعیت روغن از قبیل تصفیه فیزیکی شیمیایی و در موارد حاد تعویض روغن اتخاذ نمود. تست هاي مختلف مورد نیاز براي پایش وضعیت روغن و جهت اطمینان از اینکه روغن براي استفاده مداوم مناسب است بطور کامل در استاندارد IEC 60422 بیان شده است. عملکرد قابل اطمینان روغن عایقی معدنی در یک سیستم عایقی وابسته به ویژگیهاي اساسی روغن می باشد. به منظور انجام نقش هاي چند گانه عایقی خنک کنندگی و خاموش کردن قوس بایستی روغن خصوصیات ویژهاي را داشته باشد از آن جمله به : قدرت عایقی بالا به منظور مقاومت در برابر تنش هاي الکتریکی در حین کار. ویسکوزیته به اندازه کافی کم جهت جلوگیري از آسیب دیدن توانایی گردش و انتقال حرارت. خصوصیات مناسب براي دماي پایین مطابق با پایین ترین دماي مورد انتظار در محل نصب. مقاومت در برابر اکسیداسیون جهت افزایش طول عمر کارکرد دستگاه. میتوان اشاره کرد. روغن هاي معدنی در حال کار بدلیل شرایط بهره برداري دچار کاهش کیفیت می شوند. در بسیاري از کاربردها روغن عایقی در تماس مستقیم با هوا قرار دارد لذا در معرض اکسیداسیون قرار می گیرد. دماي بالا کاهش کیفیت روغن را سرعت می بخشد. حضور فلزات یا ترکیبات فلزي ارگانیک یا هر دوي آنها به عنوان کاتالیستی براي اکسیداسیون عمل میکند. اکسیداسیون باعث تغییر در رنگ تشکیل ترکیبات اسیدي و در مراحل پیشرفته باعث تشکیل لجن می شود. خصوصیات عایقی و در موارد حاد خصوصیات حرارتی ممکن است آسیب ببیند. علاوه بر محصولات اکسیداسیون بسیاري از آلودگی هاي نا مطلوب دیگر از قبیل آب ذرات جامد و ترکیبات قطبی محلول در روغن ممکن است حین کار در روغن انباشته شوند و بر ویژگیهاي الکتریکی آن تا ثیر بگذارند. وجود اینگونه 3. تحلیل وضعیت ترانسفورماتور مبتنی بر گازهاي محلول در روغن آنالیز گازهاي حل شده در روغن بعنوان یکی از روش هاي آشارسازي خطا در ترانسفورماتور پذیرفته شده است. گازهاي ناشی از خطا بواسطه تخریب روغن و مواد عایقی جامد ایجاد می شوند. نرخ تخریب روغن و سلولز بطور قابل توجهی با وجود خطا در داخل ترانسفورماتور افزایش می- یابد که گازهاي مهم تولید شده عبارتند از: هیدروژن( H2 ) مونوکسیدکربن( CO ) دياکسیدکربن( CO2 ) متان( CH4 ) اتان( C2H6 ) اتیلن( C2H4 ) استیلن( C2H2 ). این گازها با دستگاه گازکروماگرافی قابل اندازهگیري هستند. روش کاري این دستگاه بدین صورت است که جسم مورد آزمایش به گاز تبدیل شده و بصورت گازي از ستون جداسازي عبور میکند و با توجه به مکانیزم داخلی مواد مختلف در آن شناسایی میشوند. بر طبق آزمایشات صورت گرفته می توان گفت که تولید هر یک از این گازها در روغن نشاندهنده چه پدیده اي است. بطور متعارف پذیرفته شده است که گاز هیدروژن در نتیجه کرونا روي روغن یا سلولز تولید می شود. تخلیه جزي ی باعث تولید هیدروژن و متان با مقدار کمی اتیلن و اتان میشود. متان و اتان از گرمایش حرارتی دماي پایین روغن تولید می شود و گرمایش حرارتی دما بالا اتیلن هیدروژن متان و اتان تولید می کند. استیلن فقط در دماي خیلی بالا و در حضور قوس تولید می شود. تخریب حرارتی دماي پایین سلولز تولیدCO2 و تخریب دماي بالاي سلولز تولیدCO می- کند. قوس الکتریکی مقدار زیادي هیدروژن و استیلن با مقدار کمتري متان و اتیلن تولید می کند.
به منظور شناسایی عیب هاي موجود در ترانسفورماتور با استفاده از گازهاي محلول در روغن چندین روش وجود دارد که از آن جمله میتوان به روشهاي زیر اشاره کرد : جدول شماره 1 : مقادیرگازهاي محلول در روغن ترانسفورماتور روش گازهاي کلیدي روش استاندارد IEC 60599 روش استاندارد C57.104-2008 IEEE-Std روش راجرز روش دورنبرگ روش مثلث دوال مقدارگازهاي C2H2 C2H6 C2H4 CH4 اشتعال پذیر CO2 C0 N2 O2 H2 تاریخ نمونه برداري 627 0 186 7 64 716 285 70216 9863 85 88/7/4 576 0 209 9 63 830 254 83331 9530 41 89/3/3 452 0 213 10 67 383 179 50204 3747 34 89/4/1 640 0 217 8 78 1203 286 75104 2361 51 89/5/12 722 0 239 8 95 1451 341 86077 967 39 89/7/1 13 0 10 0 22 21 19 15-59 -24 درصد رشد 4. مطالعه موردي: عیبیابی ترانسفورماتور 230/63 کیلوولت پست بوي ینزهرا در این بخش روش انجام شده براي عیبیابی یک دستگاه ترانسفورماتور 230/63 کیلوولت ( 160MVA )پست بوي ینزهرا(تحت مدیریت شرکت برق منطقهاي زنجان) تشریح شده است. در این ترانسفورماتور نتایج تست هاي گاز کروماتو گرافی براي چندین دوره در «جدول 1» آورده شده است. بر اساس روشهاي اراي ه شده جهت تحلیل گازهاي محلول در روغن وضعیت نشانگر وقوع خطاي حرارتی با دماي کمتر از 300c بود. نتایج گازکروماتوگرافی نشان از مصرف شدید اکسیژن داشت که روند کاهش آن در «شکل 1» رسم شده است. همچنین تستهاي کیفی انجام شده بیانگر افزایش اسیدیته روغن نمودار که بود تغییرات اسیدیته روغن در«شکل 2» آورده شده است. بایستی ذکر کرد که یکی از عوامل کاهش اکسیژن و افزایش اسیدیته روغن وقوع پوسیدگی در ترانسفورماتور میباشد. از طرفی گاز اتان در ترانسفوماتور افزایش داشت که روند افزایش این گاز نیز در «شکل 3» رسم گردیده است. گاز اتان جزء گازهاي فلز داغ است که در مجاورت قسمتهاي فلزي تولید میشود. جهت اطمینان از عدم بروز عیب از ناحیه تپ چنجر که از قسمتهاي فلزي ترانسفورماتور میباشد ابتدا تست مقاومت DC سیم پیچی ترانسفورماتور بصورت رفت و برگشت انجام شد که منحنی آن در «شکل 4» آورده شده است. این منحنی نیز نشانگر عدم وجود تغییرات غبرنرمال در مقادیر مقاومت میباشد. شکل 1 : نمودار کاهش اکسیژن قبل از رفع عیب شکل 2 : نمودار افزایش میزان اسیدیته روغن قبل از رفع عیب
شکل 3 : نمودار افزایش اتان قبل از رفع عیب شکل 5 : تست FRA جدول 2 : مقادیر تست مقاومت عایقی Curve Phase 1U+1V+1W system1 system2 Meas. KV Resistance(GΩ) 15sec. 1min. 2min. 3min. 4min. 5min. 6min. 7min. 8min. 9min. 10min. HV LV 5 0.56 2.74 3.74 4.24 4.62 4.86 5.05 5.25 5.4 5.55 5.65 HV Ground 5 0.136 0.232 0.29 0.33 0.36 0.386 0.406 0.428 0.444 0.458 0.472 LV Ground 5 0.95 2.78 3.96 4.54 4.9 5.15 5.3 5.45 5.55 5.56 5.75 core Ground 0.5 0.304 0.348 _ DC Resistance (m ohm) 500 400 300 200 100 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 A UP B UP C UP DOW A DOW B HV output V test (KV) Taps شکل 4 : نمودار مقادیر مقاومت سیم پیچی در تپ هاي 1 تا 19 سپس براي اطمینان از عدم وقوع اتصالی حلقه به حلقه تست FRA بر روي ترانسفورماتور انجام شد که نمودار آن در«شکل 5» آورده شده است که نتیجه این تست نیز نرمال بود. در ادامه جهت بررسی وضعیت عایقی ترانسفورماتور تست مقاومت عایقی و تست ضریب تلفات عایقی یا تانژانت دلتا delta) (Tan انجام شد که نتایج آنها بترتیب در«جدول 2» و «جدول 3» اراي ه شده است. مقادیر بدست آمده در تست مقاومت عایقی داراي مقادیر کمتري نسبت به مقادیر نرمال است. از طرفی نتایج تست Tan delta نیز غیرنرمال است. غیرنرمال بودن مقادیر در تست مقاومت عایقی و Tan delta میتواند ناشی از وجود آلودگی در روغن باشد. جدول 3 : مقادیر تست Tan delta C(pf) T=46 c Tan delat (%) measured mode connection HV 10 9202.3 1.598 C2 USTA HV 10 6227.3 1.493 C3 GSTg-A HV 10 15430.9 1.555 C2+C3 GST LV 10 18747.1 1.494 C1 GSTg-A H to HV OUT L to IN A H to HV OUT H to IN A
در ادامهي کار با توجه به نتایج تستهاي انجام شده خصوصا روند اسیدیته افزایش روغن ترانسفورماتور در جلسهاي با حضور کارشناسان شرکت سازنده گزارشی مبنی بر تشخیص پوسیدگی ترانسفورماتور به این شرکت اعلام گردید. پس از چندین جلسه عوامل شرکت سازنده بازدید داخلی از ترانسفورماتور را پذیرفتند. پس از تخلیه ي روغن و بازدید داخلی معلوم شد که کلکتور رادیاتور ترانسفورماتور مطابق» شکل 6» پوسیده و لاك آن در کف ترانسفورماتور جمع و باعث تخلیه و گسترش عیب شده بود. پس از انجام پروسه رفع عیب بازهم تست DGA ترانسفورماتور انجام شد که نتایج آن همانطور که در«جدول 4» و قابل مشاهده است کاملا نرمال و بیانگر رفع عیب است. اسیدیته نیز نرمال ترانسفورماتور گردید. شایان ذکر است که بر روي «شکل 7» همچنین مقدار براي رفع عیب این 450 میلیون تومان(درسال 1389 ) هزینه گردید و چون تشخیص عیب در زمان گارانتی ترانسفورماتور شرکت سازنده پرداخت گردید. هزینه توسط بود تمامی شکل 7 : نمودار روند کاهش مقدار گازها پس از رفع عیب نتیجهگیري در این مقاله با توجه به اهمیت تداوم پیوستگی برق و جایگاه ترانسفورماتور در این مسي له ضرورت بررسی وضعیت روغنهاي عایقی بحث شد. در این راستا انواع مختلف تست هاي روغن ذکر گردیده وجایگاه هر کدام در بحث عیبیابی ترانسفورماتور بررسی شد. از طرفی روش تحلیل بر پایه تست مشخصات الکتریکی فیزیکی و شیمیایی و گازهاي محلول در روغن تشریح شده و انواع روشهاي مختلف عیب یابی مبتنی برآن ذکرشد. شکل 6 : کلکتور سالم(سمت راست)وکلکتورمعیوب(سمت چپ) جدول 4 : مقادیر گازها پس از رفع عیب در انتها نیز روش هاي انجام شده در جهت عیبیابی ترانسفورماتور 230/63 کیلوولت پست بوي ینزهرا بررسی شده و نحوه استفاده از تست هاي مختلف و نتایج آنها در جهت عیبیابی ترانسفورماتور تشریح گردید. تاریخ نمونه برداري مقدارگازهاي C2H2 C2H6 C2H4 CH4 اشتعال پذیر CO2 C0 N2 O2 H2 0 0 0 0 41 5 14735 3688 0 89/08/18 0 1 0 1 66 11 26100 6418 0 89/08/23 0 2 1 2 203 33 13291 3063 7 89/09/15 0 4 1 6 276 68 26615 6001 2 89/11/17 درصد رشد قدردانی بدینوسیله از کلیه همکارانی که در این پروژه همکاري داشتهاند خصوصا همکاران تعمیرات پست قزوین آقایان مهندسین پرویزي و مهدوي وکارشناس آرشیو فنی آقاي مهندس آقایاري به پاس زحمات کشیده شده تقدیر به عمل میآید. 5 13 45 81 80 0 100 0 200 36 106 100 96-71
منابع [1]-IEC 60422: Mineral insulating oils in electrical equipment Supervision and maintenance guidance [2]-IEC 60599:Guide to interpretation of dissolved and free gases analysis [3]-IEEE Std C57.104-2008: IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil- -Immersed transformers