11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK D1-04

Izkušnje s sistemom stalnega nadzora energetskih transformatorjev

JURE PRAZNIK1, TIM GRADNIK2, ALEKSANDER POLAJNER1 1ELEKTRO-SLOVENIJA, D.O.O. HAJDRIHOVA 2, 1000 LJUBLJANA

2ELEKTROINŠTITUT MILAN VIDMAR, HAJDRIHOVA 2, 1000 LJUBLJANA jure.praznik@eles.si, tim.gradnik@eimv.si, aleksander.polajner@eles.si

Povzetek – V Elektro-Slovenija, d.o.o. (ELES) spremljamo tehnično stanje energetskih transformatorjev z različnimi diagnostičnimi metodami že vrsto let. Osem energetskih transformatorjev je vključenih v sistem za stalni nadzor (On Line Monitoring – OLM), preko katerega spremljamo različne veličine v realnem času. Začetki stalnega nadzora energetskih transformatorjev segajo v leto 2000. Podatke, ki jih pridobivamo s sistemom stalnega nadzora, nam omogočajo natančnejše in hitrejše ugotavljanje tehničnega stanja naprave ter boljše upravljanje le-te. V članku predstavljamo sistem sprotnega nadzora in izkušnje, ki smo jih pridobili tekom uvajanja in spremljanja.

Experiences with online monitoring system on power transformers

JURE PRAZNIK1, TIM GRADNIK2, ALEKSANDER POLAJNER1 1ELEKTRO-SLOVENIJA, D.O.O. HAJDRIHOVA 2, 1000 LJUBLJANA

2ELEKTROINŠTITUT MILAN VIDMAR, HAJDRIHOVA 2, 1000 LJUBLJANA jure.praznik@eles.si, tim.gradnik@eimv.si, aleksander.polajner@eles.si

Abstract – Elektro-Slovenia, d.o.o. (ELES) monitors technical condition of power transformers with different diagnostic methods for many years. Eight of them are included in the system for continuous monitoring (On Line Monitoring - OLM). OLM system monitors various quantities in real time. The project was started in the year 2000. Reliable data, which are obtained with the system, allows us more accurate and quicker determination of technical condition and improve managing of the equipment. In this paper, we present on line monitoring system and experience we have gained during implementation and monitoring.

11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK D1-04

I. UVOD Spremljanje tehničnega stanja energetskih transformatorjev (ETr), kot ključnih elektroenergetskih naprav, je bistvenega pomena z vidika upravljanja in vzdrževanja prenosnega omrežja. Poleg rednih periodičnih preiskav olja in električnih meritev v ELES-u spremljamo osem transformatorjev z vgrajenimi sistemi za sprotni nadzor (OLM) z namenom:

- omogočiti zgodnejše odkrivanje okvar, - vzdrževati določene elemente ETr

(ventilatorji, reg. stikalo, sušilno sredstvo) na podlagi stanja,

- pridobiti zgodovinske baze podatkov za kasnejše analize in

- omogočiti dinamični izračun obremenljivosti transformatorjev glede na temperaturo okolice.

Sistemi sprotnega nadzora ETr se delijo na enostavne in kompleksne. Enostavnejši spremljajo le veličine enega senzorja. Kompleksni sistemi sprotnega nadzora so sestavljeni iz skupka senzorjev, katerih merjene vrednosti se prenesejo do glavne enote, ki te vrednosti zajema in jih uporablja za prikaz ali nadaljnje preračune. Senzorji, ki jih je mogoče namestiti na ETr za potrebe OLM so:

- kapacitivni napetostni senzor (spremljanje napetosti in prehodnih pojavov na skoznjikih),

- tokovni senzor (obremenitev ETr in izračun najtoplejše točke),

- uporovni temperaturni senzorji (temperature olja in okolice, učinkovitost hladilnega sistema),

- optični temperaturni senzorji (temperatura v navitjih),

- senzor položaja regulacijskega stikala, - senzor motornega pogona regulacijskega

stikala, - senzor nivoja olja v konzervatorju, - senzor prostornine plinov v Buchholz releju, - senzor delovanja hladilnega sistema, - senzor vsebnosti plinov v olju, - senzor vsebnosti vlage v olju in - senzor delnih praznitev.

Nabor senzorjev, ki so nameščeni na ETr je odvisen od zahtev naročnika in tehničnih možnosti namestitve na posamezen transformator.

II. SISTEMI SPROTNEGA NADZORA V ELES-U

ELES je začel z uvajanjem sistema OLM leta 2000. Prvi enostavnejši sistem, ki je imel vgrajen senzor plinov, je bil nameščen na transformatorju

220/110/10,5 kV (150 MVA) v RTP Divača. Sledili sta vgradnji senzorjev na transformatorju 400/110 kV (300 MVA) v RTP Okroglo in RTP Divača. V letu 2006, intenzivneje pa po letu 2008, smo v ELES-u začeli vgrajevati kompleksnejše sisteme OLM, ki zajemajo več veličin. Do konca leta 2012 smo vgradili 8 sistemov. Opremljenih je pet 400 kV in trije 220 kV transformatorji. Slika 1 prikazuje strojno zasnovo novejših sistemov OLM, ki temelji na vgradnih industrijskih računalnikih z vhodno-izhodnimi moduli (zajemanje podatkov in krmiljenje hladilnega sistema) ter komunikacijskimi moduli (povezava z uporabniškim informacijskim omrežjem in modemski dostop). Sistem OLM je sestavljen iz merilnega sloja, ki se nahaja na transformatorju, ter glavnega strežnika, ki je lociran v komandnem prostoru transformatorske postaje. Merilni del je s procesnim delom in glavnim strežnikom povezan z optičnimi povezavami. Poleg obdelave izmerjenih podatkov glavni strežnik skrbi za vizualizacijo, opozarjanje (v primeru prekoračenih mejnih vrednosti) in varnostno shranjevanje zajetih podatkov.

Slika 1: Zgradba sistema OLM Dostop do sistemov OLM je izveden preko izoliranega telekomunikacijskega podomrežja ELES z uporabo http protokola in spletnega brskalnika (slika 2). Uporabniški vmesnik omogoča spremljanje trenutnih vrednosti podatkov, pregled zgodovinske baze in izvoz podatkov.

11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK D1-04

Slika 2: Prikaz ELES-ovih sistemov in način oddaljenega dostopa

III. IZKUŠNJE S SISTEMOM OLM V ELES-U

V nadaljevanju bomo predstavili kratek opis in izkušnje z delovanjem posameznih komponent kompleksnega sistema OLM v ELES-u.

a. Senzor vsebnosti plinov v olju Senzor zaznava prisotnost vsote 4 karakterističnih plinov v olju v različnih utežnostnih razmerjih (vodik 100 %, ogljikov monoksid 18 %, acetilen 8 % in etilen 1,5 %). Tehnologija temelji na elektro-kemijskem detektorju, ki določa signale po principu gorivne celice. Senzor plinov za delovanje pri temperaturah pod 15 °C potrebuje integrirani grelec. Pri izračunu celotne koncentracije plinov se upošteva temperaturno odvisnost topnosti plinov v olju. S spremljanjem celotne vrednosti plinov v olju smo se v ELES-u prvič srečali s sistemi za stalni nadzor ETr. Slika 3 prikazuje primerjavo med klasično diagnostiko in senzorjem stalnega nadzora na ETr T411 v RTP Okroglo. Rdeče točke prikazujejo rezultate klasične diagnostike s plinsko-kromatografsko analizo vzorcev olja, modra krivulja pa koncentracije plinov v olju zaznanih s senzorjem. Prikazano je dobro ujemanje rezultatov meritev. Med njima obstaja določeno odstopanje, ki je znotraj specificirane merilne negotovosti senzorja. Ta znaša ±10 % + 25 ppm (parts per million).

Slika 3: Primerjava kazanja vsebnosti plinov na T411 v RTP Okroglo Na sliki 4 je prikazana primerjava med rezultati klasične periodične diagnostike (rdeče točke) in izmerjenimi koncentracijami plinov v olju s senzorjem (modra krivulja) na ETr T412 v RTP Okroglo od začetka obratovanja transformatorja v letu 2006. Vidimo, da se začetne vrednosti senzorja in klasične diagnostike ujemajo v strmini porasta plinov. Opazno je odstopanje, ki je po amplitudi konstantne vrednosti. Zaradi hitrega naraščanja plinov v začetnem obdobju obratovanja transformatorja, se je pojavil sum obstoja toplotne motnje. Aprila 2008 je bilo izvedeno sušenje olja, zaradi katerega so se zmanjšale koncentracije vsebnosti plinov, kar je zaznal tudi senzor. Sušenje tvorbe toplotnih plinov ni ustavilo. Ujemanja med klasičnimi meritvami in merjenimi vrednostmi senzorja se v tem delu močno razlikujejo. Določene simetrije trenda porasta sicer obstajajo, vendar je dinamika signalov v prešibki korelaciji z izračunanimi vrednostmi, da bi bil podatek verodostojen. V juniju 2011 je bila izvedena kalibracija senzorja in menjava senzorja vlage, pri kateri je bil najverjetneje neustrezno odzračen priklopni ventil ob ponovnem zalitju z oljem. Posledica napake je vidna kot kazanje konstantne vrednosti vsebnosti plinov senzorja.

Slika 4: Primerjava kazanja vsebnosti plinov na T412 v RTP Okroglo

11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK D1-04

b. Senzor vsebnosti vlage v olju Deluje na principu kapacitivnega senzorja s tankoslojno polimerno elektrodo. Kapacitivnost elektrode je linearno odvisna od relativne vlažnosti olja, ki je v stiku z elektrodo. Senzor daje rezultate relativne vlažnosti olja. Pripadajoča procesna enota iz relativne vlažnosti izračunava absolutno vrednost vlage v olju na podlagi korelacijske krivulje. Ta je rezultat funkcije izmerjene relativne vlažnosti, temperature in karakteristike topnosti specifičnega olja. Merilna negotovost znotraj merilnega območja (od 0 do 80 ppm) znaša manj kot 10 % odčitane vrednosti pri temperaturah višjih od 30 °C. Ob primerjavi z meritvami s klasično diagnostiko smo, pri večini senzorjev, zaznali odstopanja vrednosti in temperaturno odvisnost merjenih vrednosti senzorja. Za zanesljiv izračun vrednosti senzorja bo zato potrebna ustrezna temperaturna kompenzacija.

c. Kapacitivni napetostni senzor Kapacitivni napetostni senzorji, nameščeni na VN skoznjikih, s pomočjo kapacitivnega delilnika merijo hitre prenapetostne pojave. Ti so lahko posledica atmosferskih praznjenj, stikalnih manipulacij in nepravilnosti v izolacijah skoznjikov. Ko senzor zazna prenapetost, se frekvenca vzorčenja oz. shranjevanja merjenih veličin poveča.

Slika 5: Graf fazne napetosti na PST v RTP Divača Slika 5 prikazuje potek fazne napetosti na prečnem transformatorju (PST) v RTP Divača. Vidimo, da fazna napetost niha okoli napetosti 240 kV. Pojavljajo se posamezne napetostne konice, ki odražajo stikalne prenapetostne pojave. Prenapetost s temensko vrednostjo 360 kV je posledica vklopa PST po izvedeni reviziji. Spremljanje faznih napetosti omogoča izračun kapacitivnosti skoznjika (ob predpostavki medfazne simetrije). Spreminjanje relativne kapacitivnosti izolacije skoznjika glede na kapacitivnosti, izmerjene ob prevzemnih preskusih transformatorja podaja

stanje izolacije v skoznjiku. Slika 6 prikazuje primer spremljanja kapacitivnosti skoznjika na PST.

Slika 6: Spremljanje kapacitivnosti skoznjika na PST v RTP Divača

d. Temperaturni senzorji Temperaturni senzorji merijo temperature na različnih lokacijah na transformatorjih. Vgrajeni so uporovni PT100 temperaturni senzorji, s katerimi zajemamo podatke o temperaturi olja in temperaturi okolice. Novejši transformatorji so opremljeni tudi z optični temperaturnimi senzorji, ki merijo temperature neposredno v navitjih, kjer predvidevamo najtoplejšo točko. S tem omogočajo optimizacijo krmiljenja hlajenja in natančnejšo oceno izrabe življenjske dobe. Med spremljanjem OLM sistemov smo opazili, da najtoplejša točka navitja, ki jo prikazuje WTI, (izračunana po termičnem modelu IEC 70076-7) in temperatura navitja, izmerjena z optičnimi temperaturnimi senzorji, izkazujeta močno odstopanje (okoli 10 °C). Le-to je mnogo večje od deklarirane merilne negotovosti in izhaja iz nepopolnosti IEC termičnega modela. Razlika je prikazana na primeru T412 v RTP Krško (slika 7), pri čemer rdeča krivulja prikazuje temperaturo WTI in modra krivulja temperaturo optičnega senzorja.

Slika 7: Primerjava temperatur na T412 v RTP Krško

11. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Laško 2013 CIGRE ŠK D1-04

e. Senzor položaja regulacijskega stikala Ob delovanju regulacijskih stikal se v sistem shrani več podatkov kot so npr. moč ob delovanju pogona motorja, tokovna obremenitev stikal, preklopni časi regulacijskih stikala. Število preklopov meri indikator položaja regulacijskega stikala. Največ stikalnih manipulacij izvedemo na PST v RTP Divača, čigar aktivnost prikazuje slika 8.

Slika 8: Položaj regulacijskega stikala PST v RTP Divača

f. Strežnik nadzornega sistema OLM Arhitektura sistema je opisana v poglavju II. Poudariti je potrebno, da je celoten sistem skupek različnih senzorjev in strežnika, ki podatke zajema, shranjuje in prikaže. Slika 7 prikazuje pretok podatkov sistema OLM.

Slika 7: Tok podatkov sistema OLM

IV. OCENA DELOVANJA SISTEMA OLM sistemi v splošnem delujejo zanesljivo, saj so vsi elementi robustne industrijske izdelave. Težave, ki smo jih zaznali med njihovim delovanjem, so »zmrzovanje« vizualizacije, (ne)delovanje Java aplikacij in izguba podatkov v zgodovinski bazi zaradi okvare Flash pomnilnika. Nekaj težav smo imeli tudi z nestabilnim delovanjem komunikacijske opreme in pri vključevanju sistemov v intranetno omrežje podjetja. Z uporabo sistema so se pokazale določene smernice razvoja, ki bodo omogočile večjo zanesljivost in točnost merjenih rezultatov. Pokazala se je potreba po:

- centraliziranju vseh sistemov in dodatnem varnostnem shranjevanju podatkov,

- hitrejšem obveščanju o stanju sistema in alarmnih vrednostih ter

- kalibraciji določenih senzorjev.

V. ZAKLJUČKI Uporaba OLM sistemov na ETr v strokovnih krogih predstavlja vedno bolj uveljavljeno in pomembno področje. Napredek na tem področju omogoča učinkovitejši nadzor nad delovanjem transformatorjev, nadzorovano obremenjevanje, učinkovitejše vzdrževanje na osnovi tehničnega stanja (Condition Based Maintenance – CBM) in zmanjšano verjetnost havarijskih okvar. Z uporabo OLM sistemov ustvarjamo zgodovinsko bazo podatkov, ki omogoča verodostojnejšo diagnostično oceno stanja ETr in posledično natančnejšo oceno preostale življenjske dobe. Izkušnje s spremljanjem OLM sistemov kažejo na precejšno zahtevnost zbiranja podatkov in analize rezultatov. Kljub nekaterim težavam so se že pokazali pozitivni učinki njihove uporabe. Velja izpostaviti primer transformatorja T412 v RTP Okroglo, kjer je kombinacija klasične diagnostike in uporaba podatkov OLM sistema omogočila zanesljivejšo diagnozo motnje in skrajšala čas detekcije napake v transformatorju. REFERENCE

[1] T. Babnik, M. Pezdirc, A. Polajner, A. Ribič, B. Strmčnik: Stalno spremljanje stanj energetskih transformatorjev, Elektrotehniški vestnik 71(5), 265-270, l. 2004

[2] T. Gradnik: Razvoj diagnostike energetskih transformatorjev z uporabo sistemov sprotnega nadzora, Študija št. 2123, EIMV, l. 2012

[3] Baze podatkov OLM, Eles [4] Poročila PK analiz, EIMV