Simpozionul NaŃional de Informatică, Automatizări şi TelecomunicaŃii

în Energetică

Sinaia, 20-22 Octombrie 2010

1

2010

CONSIDERATII PRIVIND IMPORTANTA ANALIZEI

CROMATOGRAFICE PENTRU DETECTIA SI DIAGNOSTICAREA DEFECTELOR DE NATURA ELECTRICA IN

TRANSFORMATOARELE DE PUTERE

In. Florenta Turcanu Ing. Catalin Sufletel Ing. Mircea Turcanu E-ON MOLDOVA Distributie S.A.Iasi, str. Uzinei nr. 38, tel.0232.205.756, fax.0232.405.433,

e-mail:florenta.turcanu@eon-romania.ro; e-mail:catalin.sufletel@eon-romania.ro

Summary: The following presentation contains informations about detection, estimation and diagnosis for all

power transformers of E-ON Moldova, the oldest but the most expensive equipements.Dissolved gas

analisys(DGA) for the new and capital repair power transformers , can tell us if there are deficiencies in the

manufacturing or repair. DGA can provide us informations about operating conditions during operation

power transformers.Analysis of dissolved gases in electrical insulating oil and gas free, is still considered one

of the most sensitive diagnostic methods and more often used for fault detection and assessment of electric

insulating oil-filled electrical transformers. While remains the fastest and economical method of diagnosing

power transformers

1. GENERALITATI

Identificarea, evaluarea şi controlul starii de

functionare a transformatoarelor de putere din statiile de transformare ale E-ON Moldova SA, cele mai vechi , dar si cele mai scumpe echipamente, implica stabilirea celor mai eficiente procedee, tehnici si modalitati care sa aiba in vedere atit prelungirea duratei de viata cit si reducerea costurilor privind intretinerea acestora.

In perioada receptiei transformatoarelor noi si a celor supuse reparatiei capitale, compararea analizelor gazelor dizolvate in ulei, inainte, in timpul si dupa punerea in functiune, poate releva deficienta unei probleme de fabricatie sau reparatie, iar in timpul vietii acestora ne poate furniza informatii privind starea de functionare. Printre cele mai noi metode cum ar fi, analiza gazelor dizolvate(DGA), analiza descarcarilor partiale(PD)si analiza raspunsului in frecventa(FRA) [1] , analiza gazelor dizolvate , ramine inca, cea mai rapida si economica metoda de identificare, masurare si diagnosticare a transformatoarelor de putere . 2.NOTIUNI PRIVIND ANALIZA CROMATOGRAFICA

Interesul acordat analizei gazelor dizolvate la transformatoarele de putere, este datorat caracteristicilor incomparabile ale analizei cromatografice, care permite rezolvarea unor probleme analitice complexe, de inalta rezolutie, inabordabile pe alta cale. Astfel analiza cromatografica, datorita capacitatii sale de eliminare a interferentelor, opereaza simultan

separarea, identificarea si dozarea cantitativa a componentilor probei supuse analizei. [2] Metoda de separare cromatografica se bazeaza pe repartitia diferentiata a componentelor unui amestec intr-un sistem bifazic, o faza stationara si o faza mobila. Din aceasta cauza, separarea cromatografica este determinata atit de distributia substantelor intre doua faze, cit si de transferul de masa prin difuziune . Coloana cromatografica constituie sediul procesului de separare cromatografica. Se poate reprezenta printr-o coloana capilara de diferite forme, lungimi si diametre, umpluta cu un material cu proprietati adsorbante, numit faza stationara .

Proba de analizat este introdusa intr-un gaz purtator numit faza mobila care traverseaza coloana cromatografica cu o viteza constanta. Componentele probei de analizat , antrenate de gazul purtator, vor suferi o adsorbtie selectiva pe faza stationara, deplasindu-se de-a lungul coloanei cu viteze diferite si tinzind sa se separe in benzi distincte la iesirea din coloana. Aici vor fi recunoscute de un detector care va semnala prezenta si proportia componentilor separati, in functie de timp sau de volumul de efluent. Rezultatul analizei este reprezentat printr-o cromatograma care este constituita dintr-o serie de picuri in general de forma gaussiana. Fiecare pic corespunde unei concentratii a unui component analizat.(fig. 1). Principalele date furnizate de cromatograma sunt, pe de o parte timpul de retentie si pe de alta parte suprafata (aria) picului care este proportionala cu masa gazului care traverseaza detectorul. Timpul de retentie permite identificarea componentei in timp ce masurarea ariei picului proportionala cu masa gazului care

Simpozionul NaŃional de Informatică, Automatizări şi TelecomunicaŃii

în Energetică

Sinaia, 20-22 Octombrie 2010

2

2010

traverseaza detectorul, permite dozarea sa dupa o etalonare prealabila cu un gaz de calibrare .

fig .1

Mecanismul unei analize cromatografice se poate reprezenta printr-un proces dinamic de sorbtii, desorbtii si resorbtii ca o consecinta a repetarii echilibrului interfazic, in timpul evolutiei de-a lungul coloanei cromatografice. In masura in care componentii au afinitati diferentiate, pentru cele doua faze, vor rezulta intirzieri selective care se traduc prin migrari diferentiate. Fiecare component progreseaza prin secvente de opriri si deplasari repetate. Cind un component este retinut pe faza stationara, migrarea sa este temporar stagnata, deplasindu-se doar cind se afla in faza mobila. Fiecare molecula de solut, alterneaza rapid si reversibil din stare sorbita in stare nesorbita, urmind un drum intimplator prin coloana, ceea ce are drept consecinta o dispersie statistica a moleculelor in zona fenomen deosebit de important in cromatografie. Raportul dintre zona de concentratie a solutului Vz si viteza developantului V se noteaza cu R

R=Vz/V R-este numit factor de intirziere selective sau timp de retentie si este un parametru fundamental de mobilitate cromatografica .

3.IDENTIFICARE ,MONITORIZARE SI

DIAGNOSTICARE

3.1. Formarea gazelor de defect Cimpul electromagnetic, variaŃiile de temperatura datorate variatiei regimului de sarcina, umiditatea, creeaza conditii pentru descompunerea chimica a izolatiei de celuloza si a uleiului electroizolant. In functie de energia si temperatura generata in transformator prin descompunerea chimica a celulozei sau uleiului electroizolant, materiale cu structura chimica complexa, vor rezulta gaze cu structura moleculara simpla, cum sunt hidrogenul, metanul,

etanul, etena, acetilena, oxidul si dioxidul de carbon, oxigenul.

[3] Hidrogenul şi metanul încep să se formeze in cantităŃi mici in jurul temperaturii de150°C. La 250°C începe să se formeze etanul iar pe la 350°C începe formarea etilenei. Acetilena începe să se formeze intre 500° C şi 700° C .Între 200-300° C, cantitatea de metan, depăşeşte cantitatea de hidrogen. Pornind de la 275 °C etanul depăşeşte metanul. La 450 °C hidrogenul depăşeşte toate celelalte cantităŃi, până la 750 –800°C, când este produsă acetilena in cantitate mare.

Exceptând CO şi O2 toate celelalte gaze sunt formate prin degradarea uleiului însuşi. CO , CO2 şi O2 sunt formate prin degradarea izolaŃiei de celuloză . CO, CO2 , N2 şi apa pot fi absorbite din exterior atunci când există o fisură a tancului. ConcentraŃia acestor gaze ,va creşte cu durata de funcŃionare a transformatorului si va varia in funcŃie de vârstă, parametri de exploatare şi tipul constructiv al acestuia.

Cresterea excesiva a CO fara modificarea continutului de CO2, ne va da indicii asupra descompunerii iremediabile a izolatiei si in acelasi timp probabilitatea initierii unui defect. Aparitia acestor gaze dizolvate, ne ajuta sa stabilim ce se intimpla in interiorul transformatorului, daca acesta functioneaza in conditii normale, daca este initiat un defect si care este natura acelui defect, sau daca a fost identificat un defect grav care ar periclita siguranta in exploatare a transformatorului si impune retragerea acestuia din exploatare.

Fig.2[4] .

3.2. Identificarea gazelor dizolvate si diagnosticarea starii de functionare dupa DGA Aparitia unor cromatografe performante, mici, usoare, accesibile de utilizat(fig 3.) ne ajuta sa identificam cit

Simpozionul NaŃional de Informatică, Automatizări şi TelecomunicaŃii

în Energetică

Sinaia, 20-22 Octombrie 2010

3

2010

mai rapede posibil, ce se petrece in interiorul unui transformator ‘The inside view’[5]. Doar heliu si un gaz de calibrare ne sunt suficiente pentru a determina continutul gazelor dizolvate in uleiul de transformator. [4]Metodele de interpretare specificate in SR EN 60599[3] si IEEE Standard C57.104-1992 [5], evalueaza starea transformatoarelor in functie de caracteristicile gazelor dizolvate si rata de crestere a acestora si le asociaza cu principalele tipuri de defecte. Aceste metode de diagnosticare sunt rezultatul analizei a sute de transformatoare care au fost urmarite in exploatare si a caror defecte au fost analizate si inspectate de numerosi experti.

Un astfel de program pentru interpretare este Transformer Oil Analyst (TOA) elaborate de Delta-X –Research Victoria, BC. Canada , utilizat de catre E-ON MOLDOVA .Pe lângă posibilitatea de interpretare a rezultatelor analizelor cromatografice, pe baza de date formata, acest program ne-a furnizat informaŃii despre toate transformatoarele de putere şi ne-a oferit posibilitatea de a analiza si caracteriza starea de functionare a acestora. Din cele peste 200 transformatoare de putere existente in patrimoniul E-ON MOLDOVA DISTRIBUTIE S.A., 70% sunt fabricate pina in anul 1980, 20%, in perioada1980- 1990 si doar 10% sunt fabricate dupa anul 1990 sau au fost supuse reparatiei capitale. Observind continutul de gaze dizolvate la transformatoarele aflate in exploatare, constatam ca, acestea functioneaza normal, etanseitatea transformatoarelor fiind perfecta iar calitatea uleiului electroizolant fiind in limite normale(tab1)chiar si la transformatoarele fabricate pina in anul 1970. Efectuarea periodica a analizelor cromatografice ne-a ajutat la depistarea unor transformatoare cu defecte incipiente care au fost puse sub observatie sau au fost retrase din exploatare. Rezultatele analizelor cromatografice , completate cu celelalte masuratori profilactice, ne-a condus la stabilirea deciziei de retragere din exploatare a unor transformatoare de putere.Redam in continuare rezultatele analizelor cromatografice efectuate inainte(col.1) si dupa declansarea releului Bucholz(col.2) la Tr1 Vatra-S/N-971173 an fabricatie 1976.

Avind in vedere ca masuratorile profilactice au fost necorespunzatoare s-a luat decizia ca transformatorul sa fie retras din exploatare si reparat. Este prezentata fotografia transformatorului decuvat:

Transformatorul a fost reparat si pus in functiune. S-a urmarit starea de functionare pe o perioada de un an(anexa 2). Transformatorul functioneaza in conditii normale si a iesit din sfera de observatie, periodicitatea DGA stabilindu-se la un an.

Analiza cromatografica efectuata dupa declansarea releului Bucholz la Tr2 CENTRU S/N 54937 an fabricatie 1967, mod racire TTUS –NS si completata cu masuratorile profilactice, ne-a condus la stabilirea masurii de retragere din exploatare si repararea transformatorului. La decuvarea transformatorului s-a observat degradarea unei conexiuni dintre un conductor flexibil si o infasurare rigida a miezului.

La un conŃinut de gaze combustibile de 1588ppm, punctul de inflamabilitate a fost 146°C. Temperatura defectului a fost :

T°C = 320lg C2 H4 /C2 H6 +530°C=741°C La analiza periodica a Trafo 16MVA- ZEMES

S/N – 40082,an fabricatie 1965 / RK-1982, mod racire TTU-NL, s-a depistat existenta unui posibil defect. Masuratorile profilactice efectuate fiind corespunzatoare, s-a stabilit mentinerea transformatorului in functiune dar sub o observatie mai atenta, propunindu-se degazarea transformatorului.

Data: 29.11.09 30.11.09 19.05.10 H2 0 ppm 103ppm 64 ppm CH4 0 ppm 165ppm 121 ppm CO 57 ppm 59 ppm 49 ppm

Col. 1 Col 2 H2 2 ppm 31ppm CH4 3 ppm 125ppm CO 99 ppm 52 ppm CO2 1325ppm 1392ppm C2H4 3 ppm 231ppm C2H6 0 ppm 39ppm C2H6 3ppm 22 ppm

H2 166 ppm CH4 482 ppm CO 187 ppm CO2 2269ppm C2H4 602 ppm C2H6 132 ppm C2H6 19ppm

Simpozionul NaŃional de Informatică, Automatizări şi TelecomunicaŃii

în Energetică

Sinaia, 20-22 Octombrie 2010

4

2010

CO2 834ppm 808ppm 728 ppm C2H4 0 ppm 357ppm 318 ppm C2H6 0 ppm 46 ppm 42 ppm C2H6 0ppm 4 ppm 3 ppm

T°C = 320lg C2 H4 /C2 H6 +530°C= 815°C

3.3.Urmarirea in exploatare a

transformatoarelor noi sau reparate Inaintea punerii in functiune a transformatoarelor

noi sau reparate, este necesar sa se determine concentratiile initiale ale gazelor dizolvate, pentru ca, rezultatele analizelor ulterioare, sa fie interpretate prin comparatie cu valorile initiale ale acestora . Pentru transformatoarele noi puse in functiune , sau cele care au fost supuse reparatiei capitale cu inlocuirea totala sau partiala a uleiului, analiza se efectueaza astfel:

-Inaintea de punerii sub tensiune -In cursul primelor 24 ore de functionare -1 luna de la PIF -3 luni de la PIF -6 luni de la PIF

-1 an de la PIF

-daca nu sunt probleme , in fiecare an

3.3.1.Urmarirea unui transformator nou pus in functiune : TR 1 VICOV- S/N-142812 , an fabricatie 2009, mod racire ONAN Inainte

de PIF

Dupa PIF

3 luni dupa PIF

6 luni Dupa PIF

H2/ppm 10 12 12 0 CH4/ppm 0 1 1 1 CO/ppm 40 53 85 66 CO2/ppm 357 433 448 557 C2H4/ppm 0 0 0 0 C2H6/ppm 0 0 0 0 C2H6/ppm 0 0 0 0

Transformatorul functioneaza in conditii normale si a iesit din sfera de observatie, periodicitatea DGA stabilindu-se la un an.

3.3.2.Urmarirea transformatoarelor reparate:

Transformatorul 16MVA-S/N-97117 Vatra a fost reparat si pus in functiune. S-a urmarit starea de functionare pe o perioada de un an (anexa 2). Transformatorul functioneaza in conditii normale si a iesit din sfera de observatie, periodicitatea DGA stabilindu-se la un an.

Transformatorul Tr2 CENTRU S/N 54937 a fost inlocuit cu un transformator reparat si urmarit conform Anexei 3. Compozitia si valorile concentratiei gazelor cit si viteza de acumulare a acestora a condus la depistarea defectului intern. La verificarea transformatorului la ELEROM ROMAN s-au descoperit contacte imperfecte pe partea de medie tensiune . Transformatorul fiind in garantie un an de la punerea lui in functiune,cheltuielile de transport si reparare au fost suportate de firma care a efectuat reparatia capitala a transformatorului. Deci, nu numai cantitatea de gaze generata este importanta ci si rata de crestere a acestora ne poate da informatii , mai ales la punerea in functiune a unui transformator nou sau reparat.

4.CONCLUZII. Din exemplele mai sus mentionate reiese faptul ca o buna monitorizare a transformatoarelor de putere, pornind de la urmaririrea evolutiei gazelor de defect, poate sa ne aduca beneficii semnificative, prin depistarea la timp a unor eventuale defecte evolutive, contribuind astfel la reducerea costurilor de mentenanta prin programele intocmite in functie de rezultatele tuturor masuratorilor si virsta fiecarui echipament in parte. Toate acestea vor conduce la la prelungirea duratei de viata a transformatoarelor de putere atit de imbatrinite[1] Analiza cromatografica ramine in continuare cea mai rapida si economica metoda de diagnosticare a transformatoarelor de putere. BIBLIOGRAFIE [1] Brian D. Sparling, Jacque Aubin, -GE Energy- POWER TRANSFORMER LIFE EXTENSION TROUGH BETTER MONITORING [2] - Elena Jercan – Analiza cromatografica – Editura Academiei RSR –Bucuresti-1982 [3] SR EN 60599-Echipamente electrice in serviciu impregnate cu ulei mineral-ghid de interpretarea analizei gazelor dizolvate si a gazelor libere [4]- Morgan Schaffer Systems-The inside view [5] TRANSFORMER DIAGNOSTICS-FACILITIES, INSTRUCTIONS, STANDARDS AND TEHNIQUES–vol3-30-pct 4.4-/2002,

Simpozionul NaŃional de Informatică, Automatizări şi TelecomunicaŃii

în Energetică

Sinaia, 20-22 Octombrie 2010

5

2010

Anexa 1 Gaze dizolvate in transformatoarele de putere fabricate intre anii 1950-1980. Analize efectuate in anul 2009

STATIA DE TRANSFORMARE

Serie/ An fabricatie H2 CH4 CO CO2 C2H4 C2H6 C2H2

ST 110.20kV ONESTI TR 2/ S-62794/ 1969 0 0 151 1845 10 3 3 ST 110.20kV MARGINENI TR 2/ S-60524/ 1968 0 0 88 1172 0 0 0 ST 110.20kV ZEMEŞ TR-3/S-47219/ 1968 0 0 158 1366 3 0 0 St. 110/20kv BOLATAU Tr1/S-47212/1966 20 12 493 2254 9 4 0 Tr2/S-47222/ 1966 0 2 238 1748 5 0 0 ST 110/20KV BOTOŞANI Tr 1/S-62947/1968 12 0 151 1589 4 0 0 ST 110/20KV BUCECEA Tr1/S-50661/ 1967 8 0 112 1271 3 0 6 ST 110/20KV TRUŞEŞTI Tr2/S-22329/ 1961 16 0 108 991 2 3 3 ST. IASI SUD TR3/S-74430/ 1970 7 1 194 2137 3 0 5 TR4/S-76405/ 1970 0 0 109 1110 3 0 6 ST.110/20kV łUłORA Tr1/S-25317/ 1951 59 26 678 5068 14 12 0

Tr 1-21903/ 1963 181 19 300 1673 13 8 11 Tr 2/S-44447/ 1965 0 2 131 1691 4 0 0 ST. 110/20/6 kV

SĂVINEŞTI Tr 3-59879/1968 25 0 227 1672 8 0 0 ST. 110/20 kV ROMAN SUD

Tr1/S-67596/1969 0 0 68 892 0 0 0

ST. 110/20/6kV ROMAN IMR

Tr1/S-1-71688/1970 0 0 158 1681 6 0 0

Statia 110/6kV TARNITA Tr1/62793/ 1969 0 0 47 674 0 0 0 ST 110.20kV SISCANI Tr1/S-93791/ 1973 6 2 115 1755 5 3 0 Tr2/S-85723/ 1972 8 11 171 1879 32 9 0 ST 110.20kV FILIPESTI Tr1/S—82293/ 1973 0 0 61 1573 2 2 0 Tr2/S-96139/ 1972 0 0 47 820 5 4 0 ST 110/20KV SĂVENI Tr2/S-78226/ 1971 0 0 52 759 0 0 2 ST. REGIE TR1/S-99390/ 1978 7 0 65 783 0 0 0 ST. CENTRU TR2/S-92834/ 1973 0 0 59 1746 2 0 5 ST. VATRA -PASCANI TR2/S-97120/ 1976 0 0 125 1215 6 0 4 ST. PODUL ILOAIEI TR1/S-99923/ 1978 10 0 257 2148 4 0 3 ST.110/20kV TRIFEŞTI TR1/S- 101142/ 1979 0 0 61 906 0 0 0

Anexa nr. 2. Urmarirea starii de functionare a Tr. 16MVA-S/N-97117 –St. Vatra dupa RK

H2 CH4 CO CO2 C2H4 C2H6 C2H2

23.03.2009 0 0 7 188 0 0 0 30.04.2009 0 0 19 194 0 0 0 15.05.2009 0 0 50 424 0 0 0 27.07.2009 16 1 171 942 1 0 0 5.03.2010 17 1 257 1489 0 0 0

Simpozionul NaŃional de Informatică, Automatizări şi TelecomunicaŃii

în Energetică

Sinaia, 20-22 Octombrie 2010

6

2010

Anexa nr. 3. Urmarirea starii de functionare a Tr 25 MVA St. Centru Iasi, - Istoricul analizei gazelor dizolvate de la PIF la semnalizarea defectului

H2 CH4 CO CO2 C2H4 C2H6 C2H2

17.11.2000 0 5 28 615 19 0 0 30.11.2000 13 11 28 605 32 5 0 8.12.2000 13 11 33 642 34 4 0

18.12.2000 9 15 29 621 32 3 0 14.04.2001 9 17 37 695 33 4 2 22.05.2001 24 44 48 877 95 13 3

0

20

40

60

80

100

H2

CH4

C2H6

C2H4

C2H2

CO