Detectar umidade no óleo

POWERCOR AUSTRALIA é a maior distribuidora de eletricidade de Victoria. A Powercor está executando um programa de monitoramento de umidade on-line em transformadores usando sondas de umidade instaladas permanentemente e portáteis, incluindo o medidor de umidade Vaisala HUMICAP® MM70. A má qualidade do óleo pode levar à baixa rigidez dielétrica e até mesmo à falha. O tratamento ou substituição do óleo pode resolver a maioria dos problemas de qualidade do óleo, mas no caso de umidade retida no isolamento de papel dos enrolamentos e nas estruturas de suporte dos enrolamentos, a umidade se recupera rapidamente. O monitoramento de umidade fornece uma maneira de rastrear essa recuperação, e a secagem on-line fornece uma maneira de gerenciar a umidade no óleo para que a margem dielétrica do óleo seja mantida.

Umidade na medição de óleo

As sondas de umidade medem duas quantidades:

1. Aw - atividade de água, uma saturação relativa de umidade dissolvida “ativa”, fração de 0 a 1.
2. T - temperatura do óleo em graus Celsius.

As sondas também possuem um algoritmo embutido opcional que fornece uma saída em ppm. A nova fórmula do óleo é o padrão de fábrica e outras podem ser programadas, se conhecidas. Em geral, os valores de ppm das sondas são inferiores aos dos testes de Karl Fischer (KF) para determinar o teor de água das amostras de óleo. Isso é possivelmente devido à água ligada em artigos sendo capturada pelo teste de Karl Fisher. Os resultados de saturação relativa de umidade Karl Fisher são definidos como “Rs” a seguir. Todos os transformadores aqui mencionados têm a forma de núcleo de 66/22 kv.

Monitoramento de umidade com sondas permanentes

Doze transformadores Powercor foram equipados com sondas permanentes. Cada um fornece duas saídas analógicas para o sistema de Aquisição de Dados e Controle de Supervisão (SCADA), ppm e temperatura. Os transformadores selecionados para monitoramento foram aqueles com conhecidos problemas de qualidade do óleo, em geral bastante antigos e, em alguns casos, muito carregados. A maioria foi sujeita a regeneração ou substituição de óleo nos últimos tempos. O local preferido para a sonda onde os transformadores têm bancos de radiadores separados é a válvula de drenagem inferior da linha de óleo de retorno do radiador para o tanque principal. Isso coloca a sonda no fluxo de óleo do termossifão do transformador. Onde os bancos do radiador não são destacados, o local escolhido foi uma das válvulas de drenagem do radiador inferior por razões semelhantes. As sondas têm uma vedação do tipo deslizante, o que significa que podem ser instaladas de forma muito simples através da válvula de drenagem, sem necessidade de interrupções.

Figura 1: variação de umidade, transformador ONAN de 10 MVA. A Figura 1 do transformador ONAN de 10 MVA demonstra o efeito de um aumento de carga e um dia quente. Observe como a umidade atingiu um pico de 60 ppm e não se recuperou por vários dias. O último nível de umidade KF da amostra de óleo foi de 30 ppm. Uma alta carga sustentada durante o tempo quente nesta unidade pode levar a umidade excessiva e, consequentemente, a uma margem dielétrica baixa. O monitoramento on-line mostrou que esta unidade é uma boa candidata à desidratação.

Figura 2: exemplo de comparação de umidade (SCADA) - A escala está em ppm. A conexão SCADA permanente permite que sejam feitas comparações entre unidades irmãs que compartilham a mesma carga e condições. O transformador com os menores níveis de umidade foi submetido a uma secagem em forno cerca de cinco anos antes.

Figura 3: recuperação de umidade após novo preenchimento de óleo. A escala é em ppm / graus C. Na figura 3, um transformador ONAF de 20 MVA, volume de óleo 17.000 litros, troca de óleo foi concluída em 28 de outubro de 2005 e o contratante amostrou o óleo a 11 ppm (KF). Em poucos dias, os dados da sonda revelaram que os níveis de umidade haviam se recuperado e variavam de 16 a 37 ppm.

Sondas portáteis

Sondas portáteis também se tornaram disponíveis, e Powercor obteve três delas da Vaisala. Até agora, eles foram usados ​​em 20 transformadores. Essas pontas de prova têm uma fonte de alimentação de bateria e memória suficiente para armazenar dados em intervalos de leitura de hora em hora por cerca de 30 dias, que é a vida útil da bateria. Mais uma vez, os locais escolhidos são geralmente válvulas de drenagem do radiador para garantir um fluxo de óleo pela sonda. Essas sondas portáteis permitem flexibilidade, pois um grande número de locais pode ser monitorado. Uma sonda pode ser instalada e programada para registrar dados em alguns minutos. Uma visita de retorno ao site é necessária para baixar os dados, limpar a memória para o próximo ciclo de registro e recarregar a bateria, se necessário.

Figura 4: regulador de baixa umidade -66KV. Na figura 4, uma amostra de óleo mostrou umidade inesperadamente alta e baixo dielétrico, KF de 43 ppm @ 22 C (Rs = 0,7) Dielétrico = 36 kV. Isso foi inesperado, uma vez que a unidade havia sido seca no forno recentemente. Uma sonda portátil foi rapidamente instalada e os dados mostraram baixos níveis de umidade. Uma segunda amostra de óleo confirmou isso - KF de 9 ppm @ 15C (Rs = 0,2) Dielétrico = 82 kV. A amostra de óleo inicial provavelmente estava contaminada.

Figura 5: redução dramática na umidade.

A Figura 5 é de um transformador ONAF de 10/18 MVA. A redução da umidade coincidiu com o comissionamento de um novo transformador na estação, o que reduziu significativamente a carga nesta unidade. Em resumo, as sondas portáteis estão fornecendo um meio muito conveniente e econômico de monitorar qualquer transformador que tenha válvulas nos locais apropriados.

Os transformadores sem tais acessórios também podem ser equipados com sondas no dreno do tanque principal ou válvulas de amostragem. No entanto, sem um fluxo de óleo sobre a sonda, os resultados podem ser imprecisos ou não representativos da massa de óleo geral. Secagem com unidades de peneira molecular A Powercor possui dois secadores de peneira molecular on-line. Essas unidades são montadas em carrinhos e removem a umidade simplesmente bombeando o óleo através de cartuchos de filtro contendo o material da peneira molecular.

Eles são equipados com uma única sonda de umidade, que pode monitorar a entrada ou a saída do óleo. Isso é determinado pela posição de uma válvula de desvio. Quando a umidade do óleo de saída iguala (ou excede) a umidade do óleo de entrada, os cartuchos de filtro podem ter atingido a saturação, indicando que eles devem ser substituídos. Cada cartucho pode teoricamente conter um litro de água e existem quatro cartuchos por secador. Os cartuchos são muito caros e, no momento, não há opções de reciclagem disponíveis. Essas unidades são projetadas para retirar o óleo do tanque principal na parte inferior e retornar o óleo para o conservador.

Este projeto tem a vantagem de evitar quaisquer problemas de Relé Buchholz (relé de pressão repentina) caso o ar entre no sistema. Tem a desvantagem de expor o óleo recém-seco ao espaço da cabeça do conservador. No caso de Powercor, este espaço principal é aberto para a atmosfera. Esses secadores foram usados ​​em nove transformadores até agora e um resumo dos resultados a seguir.

Tabela 1: resultados do secador de peneira molecular de alguns transformadores

Observe: Os parâmetros de óleo são de amostras de óleo (ou seja, KF e testes de ruptura dielétrica) com exceção dos parâmetros de óleo posteriores "S3" e "L2", que são de sondas. A estimativa de umidade removida é baseada no número de substituições de cartucho e nas leituras de umidade da entrada e saída do secador. Embora os cartuchos de filtro tenham uma capacidade nominal de um litro, sentiu-se que, à medida que o conteúdo de umidade fosse reduzido, eles parariam de remover a umidade com menos do que isso. Para comprovar isso, foram confeccionados botijões de pesagem, e os cartuchos pesados ​​submersos em óleo quando novos e novamente quando “cheios”. O aumento de peso médio resultante foi de 641 gramas, indicando um teor de umidade de 0,641 litros. Foi estimado que cada conjunto de filtros remove 2,6 litros de umidade em níveis de umidade de 10-20 ppm. Também foi descoberto que o desempenho do secador melhorou significativamente com a adição de uma arruela de vedação extra no arranjo de fixação do filtro. Os secadores não funcionaram continuamente, mas foram desligados por períodos para permitir a recuperação dos níveis de umidade. Uma regra geral para decidir quando interromper a filtragem era quando os níveis de umidade permaneceram consistentes em menos de 20 ppm, ou 0,2 Aw. As sondas de monitoramento Vaisala provaram ser valiosas para avaliar isso.

Figura 6: monitoramento de secagem. A Figura 6 mostra os dados de uma sonda permanente no transformador “L2” durante a secagem ao longo de um período de 10 meses. Observe a redução da umidade do secador, seguida pela recuperação da umidade à medida que um novo equilíbrio entre a umidade na celulose e a umidade no óleo é alcançado. Observe também que, à medida que os níveis de umidade foram reduzidos, o grau de variação da umidade ao longo de cada ciclo de carga diário também reduziu.

Secador de filtro de papel

A Powercor adquiriu mais recentemente outro secador on-line que possui um filtro de papel. Esta unidade remove a umidade bombeando o óleo axialmente através de um rolo de papel de filtro. A umidade migra do óleo para o papel, desde que o papel seja mais seco que o óleo. A unidade possui um sistema controlado por Controlador Lógico Programável (PLC) bastante sofisticado que pode ressecar o filtro de papel após cada ciclo do filtro. A unidade é equipada com sondas de umidade na entrada e saída de óleo e possui um registro de dados e um recurso de monitoramento remoto. O secador é equipado com um coletor de umidade para que a umidade real removida possa ser coletada.

Esta unidade tem a vantagem de uma vida útil do filtro muito mais longa do que as unidades de peneira molecular. O secador é conectado com o óleo de entrada retirado da válvula de drenagem inferior do tanque principal e o óleo de saída fornecido para a válvula de drenagem de óleo superior. Secagens foram realizadas em três transformadores até agora e um quarto está em andamento. Tabela 2: resultados do secador que possui filtro de papel.

Observação: os parâmetros do óleo são de amostras de óleo (ou seja, KF e testes de degradação dielétrica). Como essas secas são recentes, o monitoramento do óleo de acompanhamento ainda não foi realizado. Alguma recuperação dos níveis de umidade é antecipada. Este secador também tem a facilidade de funcionar no modo de “análise”, em que o filtro é desviado e o óleo circula e é monitorado por uma das sondas de umidade. Isso fornece um monitoramento, bem como uma capacidade de secagem. Figura 7: dados de filtragem típicos. Observe: a escala do eixo esquerdo (Aw) é de 0 a 0,250; A escala do eixo direito (temperatura do óleo de entrada) é de 0 a 45 ° C. Este exemplo mostra o padrão de dente de serra característico conforme o filtro se enche de umidade e é ressecado. Observe a redução constante na umidade do óleo de entrada. O tempo de filtragem neste exemplo foi definido mais do que o necessário (12 horas), pois a umidade de saída está ultrapassando a umidade de entrada.

Esforço sustentado necessário

O monitoramento de umidade on-line pode fornecer uma ferramenta valiosa de monitoramento de condição para transformadores que têm problemas de umidade e também para revelar transformadores que podem ter problemas de umidade talvez não detectados pela amostragem de óleo de rotina. Uma observação comum é que um único evento de alta sobrecarga de temperatura pode aumentar rapidamente a umidade nos níveis de óleo à medida que a umidade é direcionada da celulose e, significativamente, o retorno da umidade aos níveis anteriores pode levar um longo período de tempo. No entanto, o monitoramento por si só não resolverá nada. É a ação tomada decorrente do monitoramento que pode entregar a melhoria da condição. A secagem on-line geralmente proporciona uma melhoria rápida na qualidade do óleo, mas essa melhoria pode não ser permanente. O monitoramento subsequente é prudente e geralmente resultará na realização de outro ciclo de secagem. A secagem on-line eficaz requer um esforço sustentado que pode ser necessário por muitos meses.

O artigo foi publicado pela primeira vez no Vaisala News 175/2007 (Colin Feely Plant Maintenance Engineer, Powercor Ltd Melbourne, Austrália).

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