Kuumien pisteiden tunnistaminen verkkokäyttöisellä OPT100 DGA-kaasuanalysaattorilla

Comisión Técnica Mixta de Salto Grande asensi Argentiinan ja Uruguayn rajalla 50/50/100 MVA:n muuntajaan Vaisalan OPT100-kaasuanalysaattorin auttamaan kaasuuntumisongelmien arvioinnissa. Tavoitteena oli tarkastella muuntajaa vaihtelevissa käyttöolosuhteissa vuoden ajan ja määrittää, oliko kaasutasojen ja käyttöolosuhteiden, kuten kuormituksen ja korkeimman öljyn lämpötilan, välillä yhteys. 

Ongelman taustaa
100 MVA:n suljetttu OFAF-yksivaihegeneraattorimuuntaja on asennettu Comisión Técnica Mixta de Salto Granden toimesta vuonna 2002. Muuntajassa oli jo käyttöönottohetkestä asti ollut ongelmia, joiden syyksi on epäilty ylikuumenemista. Järjestelmässä oli muodostunut etaania ja pienemmässä määrin myös metaania, joiden määrä oli kasvussa. Ylikuumeneminen on iso ongelma tässä muuntajatyypissä, sillä siinä käytettävä öljy sisältää dibentsyylidisulfidia (DBDS), joka voi korkeissa lämpötiloissa muodostaa syövyttävää rikkiä. Vetyä löytyi tuskin lainkaan, paitsi silloin kun öljyyn lisättiin Irgamet 39 ‑metallinsitojaa. Näiden vetypiikkien oletettiin johtuvan Irgamet 39:n aiheuttamasta satunnaisesta kaasuuntumisesta. Muuntajan typpipitoisuus – ei kuitenkaan happipitoisuus – oli ympäröivän ilman tasolla.

Projektin yleiskuvaus
Vaisala OPT100 ‑DGA-monikaasuanalysaattori asennettiin kesäkuussa 2017 mittaamaan tärkeimpiä vikakaasuja reaaliajassa. Kaasuanalysaattori liitettiin muuntajaan sen ollessa käytössä, sillä vesivoimalaitoksen käyttöolosuhteet eivät sallineet pysäytyksiä. OPT100-analysaattorin ainutlaatuisen rakenteen ansiosta tämä ei aiheuttanut ongelmia, ja asennukseen meni vain puoli päivää. OPT100:sta kerättiin tietoja käyttämällä integroitua selainpohjaista ohjelmistoa ja modeemikorttia.

Muuntajan kunnossapitotiimi analysoi DGA-analysaattorin tietoja vuoden ajan ja vertasi niitä muuntajan käyttöolosuhteisiin nähdäkseen, oliko niiden välillä korrelaatiota. Parin kolmen viikon välein CTM Salto Grande otti öljynäytteitä, jotka se analysoi laboratoriossaan vertailutarkoituksia varten.

Muuntajasta poistettiin kaasuja lokakuussa 2017. OPT100 jatkoi mittauksia myös koko tämän prosessin ajan, ja samaan aikaan otettiin laboratorionäytteitä kahden tunnin välein. Kahden tulosjoukon vertailu esitetään kuvassa 3 (pdf). 

Havainnot: kuormitus vs. kaasut
Kuvassa 4 esitetään muuntajan kuormitus ja öljyn hiilidioksidipitoisuus mitattuina verkon kautta käytettävällä OPT100-kaasuanalysaattorilla sekä laboratorion viitearvot. Kaaviossa näkyy selkeä CO₂-pitoisuuden nousu korkean kuormituksen jaksoilla. Kun kuormitus oli matalampi tai vaihteleva, CO₂-pitoisuus pysyi vakaana tai jopa laski. Tämä saattaa olla merkki siitä, että pitkinä korkean kuormituksen kausina muuntajan sisälle muodostuu kuuma alue, joka aiheuttaa hiilidioksidin muodostumisen joko paperista tai öljystä.

Hiilidioksidipitoisuuden laskeminen matalalla kuormalla ja matalassa lämpötilassa voi johtua CO₂-vaihdunnasta paperin ja öljyn välillä lämpötilan vaihdellessa. Tämä ei näy selvästi pelkistä kuormitustiedoista, mutta asia selkeytyy, kun lisäämme arvioidun kuuman pisteen: T_{Kuuma piste} ≈ T_{Öljy, korkein} + H * gR * ipu^2, missä gR on tehdastesteissä mitattu keskimääräinen lämpötilaero käämin ja öljyn välillä ja H = 2 on arvioitu kuumapistetekijä.

Testeissä kokeiltiin useita matemaattisia malleja käyttämällä arvioitua kuuman pisteen lämpötilaa. Valittuja malleja olivat esimerkiksi lineaarinen malli sekä malli, jossa arvioitiin, että kuuma piste vaikuttaa CO₂-pitoisuuteen noin +70 °C:n lämpötilasta alkaen. Mallien tarkentamiseen tarvitaan lisätyötä. Kyseessä ei kuitenkaan ole yksinkertainen korrelaatio, sillä on mahdollista, että pitkän ajan kuluessa tapahtuu huomattavaa CO₂-vaihduntaa, joka ei näy vain muutaman päivän ajalta kerätyissä tiedoissa.

Hiilidioksidipitoisuuden aleneminen voi johtua myös siitä, että kaasua pakenee säiliöistä ympäröivän ilman ja öljyn välisen korkean osapainegradientin vuoksi siitä huolimatta, että kyseessä on suljettu muuntaja. Se, että typpitaso kasvaa suhteellisen nopeasti kaasunpoiston jälkeen, viittaa kuitenkin siihen, että muuntaja ei ole täysin kaasutiivis.

Muut vikakaasut, ehkä etaania (C₂H₆) lukuun ottamatta, eivät osoittaneet selvää korrelaatiota kuormituksen kanssa kokeilujakson aikana. Kaasutasojen nousu heti kaasunpoiston jälkeen johtuu todennäköisimmin sellaisista öljyn osista, joissa olevia kaasuja ei voitu poistaa, kuten paperin kyllästysöljystä ja ahtaisiin tiloihin jääneestä öljystä. Kun tämä öljy palautui käsiteltyyn öljyyn, kaasutasot nousivat.

OPT100-analysaattorin vertaaminen laboratoriotesteihin
Vasteajan lisäksi kaasuanalysaattorin lukemia verrattiin laboratorion DGA-tuloksiin koko kaudelta. Yksinkertaisuuden vuoksi kuvassa 8 esitetään vain metaani. Sininen käyrä kuvaa kaasuanalysaattorin mittaustietoja ja harmaa alue analysaattorin tarkkuusmääritystä. Laboratorion viitearvot esitetään sinisillä pisteillä.

Kun verkkokäyttöistä kaasuanalysaattoria arvioidaan vertaamalla sitä laboratorion viitearvoihin, täytyy ottaa huomioon näytteiden laatu ja laboratoriotoimintojen epävarmuus. On myös tärkeää muistaa, että kaikissa analysointitavoissa – sekä laboratoriossa että kaasuanalysaattorissa – on omat epävarmuustekijänsä. Ne täytyy ottaa huomioon tulosten vertailussa ja kaasuanalysaattorin suorituskyvyn arvioinnissa.

Koska tässä tapauksessa laboratorion epävarmuus ei ole tiedossa, käytettiin arvoa ±15 % standardissa IEC 60567 [3] julkaistujen keskimääräisten laboratoriotarkkuuksien mukaisesti. Jotta laboratoriomittauksia voidaan verrata verkkokäyttöiseen DGA-analysaattoriin, onkin tärkeämpää verrata trendejä kuin varsinaisia mittauksia. Jos trendit ovat samanlaiset ja epävarmuusalueet ovat päällekkäin, voidaan päätellä, että nämä kaksi menetelmää antavat yleisesti ottaen samansuuntaiset tulokset.

CTM Salto Grande oli yleisesti ottaen erittäin tyytyväinen lukemien korrelaatioon ja aikoo liittää uusia verkkokäyttöisiä DGA-kaasuanalysaattoreita laitteisiinsa valvomaan muuntajatoimintoja. Näytteenottoa ja laboratoriotestejä jatketaan joillakin alueilla, kuten furaanien ja läpilyöntilujuuden suhteen. Sähköaseman kunnossapitopäällikkö toteaa, että ”verkkokäyttöisen DGA-kaasuanalysaattorin ja kosteusmittauksen lisääminen on antanut meille tärkeän työkalun ennakoivan kunnossapidon toteuttamiseen CTM Salto Grandessa.”

Öljyn kosteus
Muuntajaöljyn kosteus vaihtelee lämpötilan vaihdellessa joko kuormituksen, ympäristön lämpötilan tai näiden molempien vuoksi. Tämä vaikutus nähtiin tässä tutkimuksessa, kuten kuvasta 9 näkyy. Kuvassa esitetään korkein öljyn lämpötila ja öljyn kosteus (ppm) vuoden jaksolla. Se näyttää, miten eristävän paperipinnan kosteutta vapautuu öljyyn lämpötilan noustessa ja imeytyy takaisin paperiin lämpötilan laskiessa.

Veden desorptio on kuitenkin nopeampi prosessi kuin absorptio, joten kun kosteus (ppm) piirretään kaavioon öljyn korkeimman lämpötilan suhteen, kaaviossa näkyy selvä hystereesi. Tämä tarkoittaa, että kuormitukseltaan vaihteleva muuntaja ei ole koskaan tasapainossa.

Tämän ilmiön vuoksi on haastavaa määrittää tarkkaa ajankohtaa öljynäytteen ottamiselle laboratoriossa tehtävää vesianalyysiä varten. Öljyn vesipitoisuus voi vaihdella samassakin lämpötilassa huomattavasti hystereesin vuoksi riippumatta siitä, onko muuntajan lämpötila nousemassa vai laskemassa näytteenottohetkellä.

Tämä on erittäin tärkeä tekijä, joka on otettava huomioon öljynäytettä otettaessa, jotta voidaan määrittää kiinteän eristeen kosteus kuormitukseltaan ja lämpötilaltaan muuttuvassa muuntajassa. Tämä on myös tärkeä syy sille, miksi verkkopohjainen kosteusmittaus on paljon tehokkaampi öljyn ja paperin pitkäaikaisten kosteustrendien määrityksessä. Toisaalta se ilmaisee myös, että öljynäytteitä otettaessa on aina tärkeää kirjata myös öljyn lämpötila, jotta voidaan tehdä minkäänlaisia johtopäätöksiä muuntajan kosteudesta.

Johtopäätökset
Tutkimus osoitti selvän korrelaation muuntajan kuormituksen ja hiilidioksidipitoisuuden välillä. Vielä ei ole selvää, johtuiko hiilidioksidin väheneminen matalan kuormituksen aikana öljyn ja paperin välisestä hiilidioksidin vaihdunnasta vai muuntajasta vuotaneesta hiilidioksidista. Kuumien pisteiden sijainnin tarkempi tunnistaminen edellyttää lisäanalyysejä. OPT100-analysaattorin ansiosta CTM Salto Grande pystyi tunnistamaan muuntajaongelman syyn ja määrittämään sen ratkaisemiseen tarvittavat korjaustoimet. Lisätestit on jo aloitettu, ja kun OPT100 on asennettu verkkoon, sekä kaasuja että riskiä kuuman pisteen kehittymisestä vakavammaksi viaksi voidaan nyt seurata ja valvoa aiempaa paremmin.

Alahuomautus
Kun pyysimme palautetta OPT100-analysaattorista, CTM:n kunnossapitopäällikkö Eduardo Briosso kirjoitti, että ”asennusta seuranneiden kahden vuoden aikana meillä ei ole ollut minkäänlaisia ongelmia mittalaitteen kanssa – käyttäjien toimia tai kulutusosia ei ole tarvittu”.

Lataa asiakastarina pdf-muodossa alta, jotta voi katsoa kuvat 1–10.

Ota yhteyttä