CALCULUL INDICILOR DE SANATATE AL TRANSFORMATOARELOR DE PUTERE Abstract Pentru a preveni eventualele defectiuni ale transformatoarelor de putere si pentru a evita pierderile ce apar in urma scoaterii din serviciu a acestora este important sa se cunoasca starea sistemelor de izolatie ale acestora. In acest sens se utilizeaza indicele de sanatate care cuantifica starea globala a transformatoarelor de putere. Pentru determinarea starii transformatoarelor de putere se tine cont de o multitudine de factori si se fac o multitudine de teste, in vederea unei evaluari cat mai exacte a starii globale a acestora. In literatura de specialitate indicele de sanatate a fost calculat pe baza a 24 de factori de diagnostic (n=24). In aceasta lucrare se propune completarea listei factorilor de diagnostic cu trei termeni (tg la frecventa de 1 mHz, factorul de conductivitate kc si indicele de polarizare kp) in vederea optimizarii rezultatului obtinut (n=27). Indicele de sanatate a fost determinat utilizand un soft special (program C++) care a avut drept date de intrare valorile a 27 factori de diagnostic. 1. INTRODUCTION Transformatoarele de putere sunt proiectate pentru a functiona in siguranta 20 35 ani. In practica durata de viata a transformatorului poate fi mai mare de 60 ani daca se realizeaza o mentenanta corespunzatoare. In general nu este economic ca un transformator vechi sa fie supus unor inspectii riguroase si la testari amanuntite. O strategie promitatoare pentru cresterea duratei de viata este de a stabili prioritatile de monitorizare si de a elabora o strategie de intretinere a acestora [1]. Acesta este motivul pentru care, monitorizarea si diagnosticarea sistemelor de izolatie a devenit o parte importanta in supravegherea transformatoarelor. Sunt utilizate diferite metode de monitorizare si diagnosticare bazate pe o larga varietate de efecte fizice, electrice, mecanice, termice si optice. Ele permit o evaluare a starilor, furnizeaza informatii privind imbatranirea si recomandarea masurilor pentru imbunatatirea calitatii si evaluarea duratei de viata a izolatiilor [2]. In ultima vreme se discuta tot mai mult despre utilizarea indicelui de sanatate in evaluarea starilor transformatoarelor si elaborarea unei politici de mentenanta cat mai eficiente [3,4]. Pentru calculul indicelui de sanatate sunt propusi factori de diagnostic legati atat de starea transformatoarelor cat si de starea comutatoarelor de ploturi. Avand in vedere utilitatea masuratorilor cu echipamente moderne in lucrarea de fata se propune luarea in considerare a inca trei parametri obtinuti prin masurari electrice nedistructive, respectiv factorul de conductivitate, factorul de pierderi la 1 mHz si indicele de polarizare. In lucrare s-a realizat si un calcul al indicelui de sanatate, pe baza rezultatelor unor teste ale sistemului de izolatie al unui transformator (analiza gazelor dizolvate, calitatea uleiului, continut de furani, raport de transformare, reactanta de scapari, rezistenta infasurarilor, starea izolatoarelor de trecere, starea generala a comutatorului de ploturi, factorul de pierderi dielectrice la 1mHz si factorul de conductivitate) utilizand 27 elemente de stare si s-a efectuat o simulare privind variatia indicelui de sanatate in functie de variatiile indicelui de polarizare si ale factorului de pierderi ale uleiului de transformator.

1

2. INDICELE DE SANATATE Indicele de sanatate (IS) reprezinta o marime de calcul cu ajutorul careia se poate evalua starea generala a unui transformator de putere. Aceasta marime se calculeaza cu ajutorul unora dintre cele mai reprezentative elemente de diagnostic (sau de stare) care caracterizeaza functionarea si starea transformatorului si se converteste intr-un indice cantitativ ce ofera informatii despre starea de sanatate a acestuia. In [3] se propune o relatie de calcul a indicelui de sanatate de forma:

IS = A1

ci IDii =1 n 3 i =1

n 3

4c

+ A2

i = n 3 n

c IDi i = n 3

n

i

i

4c

,

(1)

i

unde ci este calificativul acordat fiecarui element de stare, IDi este valoarea indicelui de diagnostic (respectiv, nota acordata fiecarui factor de stare din tabelul 1), n este numarul factorilor de diagnostic luati in calcul, A1 si A2 reprezinta ponderile corespunzatoare celor n-3 factori care descriu starea transformatorului respectiv, comutatorul de ploturi. In continuare se prezinta modul de calcul al indicelui de diagnostic (ID) pentru cativa factori de diagnostic propusi pentru calculul indicelui de sanatate. Tabelul 1. Factorii de diagnostic utilizati la calculul indicelui de sanatate Factori de diagnostic 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Analiza gaze dizolvate Curba de incarcare in sarcina Factorul de pierderi global Termografie in infrarosu Calitatea uleiului Stare generala transformator Continut de furani Raport de transformare Reactanta de scapari Rezistenta infasurarilor Conexiune miezpamant ci 10 10 10 10 6 8 5 5 8 8 2 IDi 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0

2

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Stare izolatoare de trecere Stare cuva principala Sistem de racire Stare cuva ulei Fundatie Impamantare Garnituri de etansare Conexiuni Pierderi de ulei Nivel de ulei Factor de conductivitate kc Indice de polarizare kp Factor de pierderi tg la f=1mHz Analiza gaze dizolvate CP Calitate ulei CP Stare generala a CP

5 2 2 1 1 1 1 1 1 1 10 10 10 6 3 5

4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0 4,3,2,1,0

Analiza gazelor dizolvate Analiza gazelor dizolvate (DGA) este o tehnica sigura si valoroasa de detectare a starilor incipiente de defectare a transformatoarelor. Cu ajutorul DGA este posibil sa se distinga existenta de arcuri electrice interne, contacte electrice slabe, hot spoturi, descarcari partiale, supraincalziri ale uleiului, a hartiei celulozice, cuvei sau conductoarelor etc [1]. Nivelurile maxime admisibile pentru gazele existente in ulei au fost stabilite in IEEE, IEC, Dornenburg, Bureau of Reclamation etc. [3]. Pe baza lor se defineste factorul de analiza a gazelor Fg:

Fg =(2)

n pi =1 i

7

i

pi =1

7

,

i

unde ni = 1..6 reprezinta calificativul (nota) acordata gazului i, iar pi - factorul sau de pondere. Pentru pi se considera urmatoarele valori: 1 - pentru CO si CO2; 3 - pentru CH4, C2H6, si C2H4; 5 pentru C2H2; si 2 pentru H2. Nota ni corespunzatoare gazului i este aleasa in functie de concentratia (continutul) gazului (fig. 1) [3]. Daca continutul de gaz depaseste valoarea maxima (fig. 1), nota acordata va fi 6. Marimile ni si pi permit calculul factorului de analiza a gazelor Fg.

3

In functie de valorile lui Fg se atribuie sistemului de izolatie un calificativ de stare (rating code) notat cu A, B, C, D sau E. Conform [3] se atribuie calificativul A pentru starea cea mai buna (Fg < 1.2) si E pentru starea cea mai proasta (Fg 3) (Tabelul 2). Calificativelor de stare aferente analizei gazelor A, B, C, D si E le corespund cifrele 4, 3, 2, 1 si 0, folosite drept indici de diagnostic (IDg) in formula (1). Valorile calificativului elementului de stare ci din (1) se acorda in conformitate cu statisticile referitoare la influenta elementului considerat asupra defectarii transformatoarelor. Astfel, pentru factorul de analiza a gazelor dizolvate se acorda 10, pentru continutul de furani 5, pentru nivelul de ulei 1 etc. [3].

Fig. 1. Calificativul acordat gazelor dizolvate [3] Tabelul 2. Evaluarea starii transformatorului cu ajutorul lui Fg [3] Descriere Fg < 1.2 1.2 Fg < 1.5 1.5 Fg < 2 2 Fg < 3 Fg 3 Calificativ de stare Buna A Satisfacatoare B Slaba C Foarte slaba D Periculoasa E Starea

Calitatea uleiului O parte importanta a prelungirii vietii unui transformator de putere consta in reconditionarea fluidului izolant. O serie de teste fizice si chimice, cum sunt continutul de apa si oxigen, tensiune interfaciala, indicele de aciditate, factorul de pierderi, rigiditate dielectrica, indica starea uleiului [1]. Umiditatea din transformator conduce la scaderea (inrautatirea) caracteristicilor dielectrice ale sistemului de izolatie. Tensiunea interfaciala intre lichidul electroizolant si apa cuantifica fortele de atractie dintre molecule la interfetele de separare dintre cele doua medii diferite. Folosind relatia (2), valorile calificativelor ni si ale factorilor de pondere pi (Tabelul 3), se determina factorul de calitate al uleiului Fu. Pe baza valorilor lui Fu se atribuie calitatii uleiului un

4

calificativ de stare (A, B, C, D, E) ca in cazul analizei gazelor dizolvate si se determina indicele de diagnostic IDu [3]. Tabelul 3. Evaluarea parametrilor uleiului electroizolant pe baza IEEE C57.106-2006 [3] Marimea fizica/Un Rigiditate dielectrica kV/mm (2 mm) Tensiune interfaciala dyne/cm Indice de aciditate Un 69 kV 45 3545 3035 30 25 2025 1520 15 0.05 0.050.1 0.10.2 0.2 30 3035 3540 40 69 kV < Un < 230 kV 52 4752 3547 35 30 2330 1823 18 0.04 0.040.1 0.10.15 0.15 20 2025 2530 30 1.5 1.52.0 2.02.5 2.5 0.1 0.10.5 0.51.0 1.0 230 kV Un 60 5060 4050 40 32 2532 2025 20 0.03 0.030.07 0.070.1 0.10 15 1520 2025 25 Nota (ni) 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 pi

3

2

1

Continut de apa (ppm)

4

Culoare ulei Factor de pierderi la 50 Hz (25 o C)

2

3

Continut de furani Analiza continutului de furani permite evaluarea starilor componentelor solide ale sistemelor de izolatie ale transformatoarelor de putere (SITP), respectiv a hartiei impregnate cu ulei. Acest test se recomanda sa se realizeze atunci cand transformatorul s-a supraincalzit, are un nivel ridicat de CO si CO2 sau are mai mult de 25 ani. Pentru calculul indicelui de sanatate (IS) se utilizeaza primele doua coloane din Tabelul 4. Daca uleiul a fost inlocuit sau innoit, atunci acest test nu ofera o informatie reala in ceea ce priveste degradarea hartiei celulozice. In astfel de cazuri, pentru calculul IS se poate folosi varsta transformatorului utilizand coloana a treia din tabelul 4. In [3] se dau informatii privitoare la analiza si a altor elemente care determina starea de sanatate a unui transformator (infasurari, izolatoare de trecere, comutator de ploturi etc.) (Tabelele 5 si 6).

5

Tabelul 4. Valorile indicelui de diagnostic IDf corespunzator testului continutului de furani [3] Indice diagnostic IDf 4 3 2 1 0 Continut de furani [ppm] 00.1 0.10.25 0.250.5 0.51.0 > 1.0 Varsta trafo [ani] < 20 2040 4060 > 60

Tabelul 5. Indicele de diagnostic IDrt, rs corespunzator raportului de transformare si reactantei de scapari [3] Indice diagnostic IDrt, rs 4 3 2 1 0 Abaterea raportului de transformare (TR) [%] TR 0.1% 0.1% < TR 0.5% 0.5% < TR 1% 1% < TR < 2% TR 2% Abaterea reactantei de scapari (X) [%] X < 0.5% 0.5% X < 1% 1% X < 2% 2% X < 3% X 3%

Tabelul 6. Evaluarea testului de rezistenta a infasurarilor [3] Indice diagnostic IDri 4 3 2 1 0 Abaterea rezistentei infasurarilor (R) [%] R < 1% 1% Rkc1.1 Foarte slaba 0 kc1.1 Periculoasa Indicele de polarizare Indicele de polarizare se calculeaza, de asemenea, cu ajutorul valorilor curentilor de absorbtie/resorbtie cu relatia:kp = ia (60) , ia (600 )

(4) unde ia (60) si ia (600) reprezinta valorile curentului de absorbtie masurat la 60 s, respectiv 600 s de la aplicarea tensiunii U. Tinand cont de faptul ca apa este principalul contaminant al sistemelor de izolatie ale transformatoarelor de putere si ca este puternic polara (r = 81), marimea kp este puternic influentata de continutul de apa din sistemul de izolatie [6]. In tabelul 8 se prezinta valorile indicelui de diagnostic IDp. Tabelul 8. Indicele de diagnostic IDp corespunzator factorului de polarizare Indice diagnostic kp Stare IDp 4 kp 2 Buna 3 1.25 kp