Com la cromatografia de gasos detecta i diagnostica els errors dels transformadors de més de 500 kV [Estudi de cas]

0 Introducció
L'anàlisi dels gasos dissolts (DGA) en l'oli aïllant és una prova crucial per als grans transformadors immersos en oli. Utilitzant la cromatografia de gasos, és possible detectar de manera oportuna l'envejeciment o canvis en l'oli aïllant intern dels equips elèctrics omplerts d'oli, identificar possibles errors com sobrecalents o descàrregues elèctriques en un estadi inicial, i avaluar amb precisió la severitat, tipus i tendència d'evolució de l'error. La cromatografia de gasos s'ha convertit en un mètode essencial per al monitoratge i assegurament de l'operació segura i estable dels equips, i s'ha incorporat a les normes internacionals i nacionals rellevants [1,2].

1 Estudi de cas
El transformador principal número 1 de la subestació Hexin és del model A0A/UTH-26700, amb una configuració de tensió de 525/√3 / 230/√3 / 35 kV. Va ser fabricat el maig de 1988 i va entrar en servei el 30 de juny de 1992. El 20 de setembre de 2006, el sistema de monitoratge informàtic indicà una "operació de relé de gas lleuger en el transformador principal número 1". La inspecció posterior per part del personal d'operacions revelà creixements i fuita d'oli greu en els dos embolcadors de la fase B al costat de 35 kV, juntament amb la presència de gas al relé de gas, provocant una petició immediata de parada. Abans d'aquest incident, les proves elèctriques rutinàries i les proves de monitoratge de l'oli aïllant no havien mostrat cap anomalia.

2 Anàlisi de cromatografia de gasos i diagnòstic d'errors
S'agafaren mostres d'oli i gas immediatament després de la parada per a realitzar proves cromatogràfiques. Els resultats es mostren a les Taules 1 i 2. Els resultats indicaren concentracions anòmals de gasos dissolts tant en l'oli del transformador com en el relé de gas. Es realitzà una anàlisi integral utilitzant dades cromatogràfiques i el mètode del criteri d'equilibri per avaluar les concentracions de gasos en les mostres d'oli i gas.

Taula 1 Registre cromatogràfic de l'oli aïllant de la fase B del transformador principal número 1 de la subestació Hexin (μL/L)

Taula 2 Registre cromatogràfic del gas del relé de gas de la fase B del transformador principal número 1 de la subestació Hexin (μL/L)

Segons els Estàndards de Qualitat per a l'Oli de Transformador en Servei, cal prestar atenció quan qualsevol de les concentracions de gasos dissolts a l'oli de transformadors de 500 kV superen els valors especificats: hidrocarburs totals: 150 μL/L; H₂: 150 μL/L; C₂H₂: 1 μL/L. Es va detectar acetilè (C₂H₂) a l'oli del transformador amb una concentració φ(C₂H₂) de 12.13 μL/L, superant el llindar d'atenció més de 12 vegades. Basant-se en el mètode d'anàlisi de la superació de components [3], es va determinar preliminarment que hi havia un error intern al transformador.

Una anàlisi addicional basada en gasos característics va indicar un error de descàrrega d'alta energia, ja que φ(C₂H₂) és un indicador clau per distingir entre sobrecalentament i descàrrega elèctrica. Utilitzant el mètode de tres raons de l'IEC, els raons calculades van ser:
• φ(C₂H₂)/φ(C₂H₄) = 1.2,
• φ(CH₄)/φ(H₂) = 0.56,
• φ(C₂H₄)/φ(C₂H₆) = 6.6,
resultant en un codi de 102. Això va portar a la conclusió preliminar que s'havia produït una descàrrega d'alta energia (és a dir, arcing) dins del transformador.

Utilitzant el mètode del criteri d'equilibri [4] i la composició de gasos al relé de gas, es van calcular les concentracions teòriques d'oli basant-se en les diferents solubilitats dels gasos a l'oli. Es va derivar la raó αᵢ de les concentracions teòriques a les mesurades a l'oli (vegeu Taula 2). Basant-se en l'experiència de camp, en condicions normals, els valors αᵢ per a la majoria dels components cauen dins de l'interval de 0.5–2. Tanmateix, en errors súbits, els gasos característics solen mostrar valors αᵢ significativament superiors a 2. En aquest cas, tots els components de gasos al relé de gas van mostrar valors αᵢ molt superiors a 2, indicant un error intern súbit.

Els resultats de les proves elèctriques van mostrar que les resistències de contacte del commutador de toma de càrrega, les resistències DC de les bobines, i les diferències de fase màximes eren totes dins dels límits acceptables. Les corrents de fuga entre les bobines i a terra, així com les comparacions històriques, no van mostrar cap anomalia. Els paràmetres de pèrdua dielèctrica i resistència aïllant també van ser normals. Aquests resultats van descartar l'ingrés general d'humitat, la degradació més gran de l'aïllament, o defectes d'aïllament extensos, confirmant que el sistema d'aïllament principal era intacte.

Basant-se en l'anàlisi integral dels resultats anteriors, es va concloure que s'havia produït un error d'arcing súbit dins del transformador. Les concentracions de CO i CO₂ a l'oli no van mostrar augmentos significatius, i encara que els nivells totals d'hidrocarburs estaven augmentant, encara no havien superat els límits. Això suggeria que era improbable una implicació a gran escala de l'aïllament sòlid. No obstant això, degut als valors alts d'αᵢ per a CO i hidrocarburs totals, hi havia la suspicàcia d'un error de descàrrega súbit que involucrava danys locals a l'aïllament sòlid.

3 Inspecció interna i accions correctives
Per a determinar-ne la causa arrel, es va buidar el transformador i es va inspeccionar. Es van treure els dos embolcadors de 35 kV i el riser de la fase B per a examinar-los, revelant que la tira de terra de nivell de tensió a la placa de pressió de la bobina s'havia cremat. Al aixecar la coberta del dipòsit, es va trobar que el suport aïllant de la placa de pressió de la bobina superior del yoke s'havia deteriorat a causa de l'estress mecànic a llarg termini, resultant en un aterrissament de dos punts. Això va crear una corrent circulanta, conduint a un arcing que va cremar la tira de terra. El volum gran i la taxa elevada de generació de gasos van crear una pressió interna significativa, causant creixements i fuita d'oli greu en els dos embolcadors de 35 kV propers al punt de descàrrega. Els resultats de l'inspecció van ser totalment consistents amb les conclusions extretes de l'anàlisi cromatogràfica.

Accions correctives:
• Reemplaçar els components de suport aïllant dañats;
• Realitzar la desgasificació i filtració de l'oli aïllant;
• Restablir l'operació normal del transformador després de la prova d'acceptació satisfactòria;
• Augmentar el monitoratge operatiu, i reprendre la gestió regular només després de confirmar que no hi ha més problemes a través de seguiment i anàlisi contínus.

4 Conclusió
(1) Aquest estudi va aplicar amb èxit la cromatografia de gasos per diagnosticar un error d'arcing intern a la fase B del transformador principal número 1 de la subestació Hexin, proporcionant experiència valuosa per a l'operació i diagnòstic d'errors de grans transformadors d'energia.

(2) Quan un relé de gas del transformador opera, s'han de recollir mostres d'oli i gas per a l'anàlisi cromatogràfica. Combinant els resultats cromatogràfics, les dades històriques, el mètode del criteri d'equilibri i les proves d'aïllament, és possible determinar si l'error és intern o relacionat amb components auxiliars, i identificar la naturalesa, ubicació o component específic implicat. Això permet manteniment oportú i assegura la seguretat dels equips.

(3) L'anàlisi cromatogràfica de l'oli aïllant és una de les mesures més efectives per al monitoratge de l'operació segura dels equips elèctrics omplerts d'oli. DGA regular permet la detecció precoç i el monitoratge continu d'errors interns i la seva severitat. Per assegurar l'operació segura de grans transformadors i mantenir la consciència de l'estat de salut, s'ha de realitzar cromatografia de gasos conformant-se a les normes de l'indústria elèctrica, i s'ha d'incrementar la freqüència de les proves quan sigui necessari.