Hoe gaschromatografie 500+ kV transformatorfouten detecteert en diagnoseert [Casestudy]

0 Inleiding
De analyse van opgeloste gassen (DGA) in isolerende olie is een cruciaal onderzoek voor grote oliegevulde elektrische transformatoren. Met behulp van gaschromatografie kan de veroudering of wijzigingen in de interne isolerende olie van oliegevulde elektrische apparatuur tijdig worden gedetecteerd, potentiele fouten zoals oververhitting of elektrische ontladingen in een vroeg stadium worden geïdentificeerd, en de ernst, het type en de ontwikkelingstrend van de fout nauwkeurig worden beoordeeld. Gaschromatografie is een essentiële methode geworden voor het monitoren en waarborgen van de veilige en stabiele werking van apparatuur, en is opgenomen in relevante internationale en nationale normen [1,2].

1 Casestudy
De hoofdtransformator nummer 1 van de Hexin-substation is model A0A/UTH-26700, met een spanningconfiguratie van 525/√3 / 230/√3 / 35 kV. Deze werd vervaardigd in mei 1988 en in gebruik genomen op 30 juni 1992. Op 20 september 2006 wees het computergestuurde monitoringssysteem op een "lichtgasrelaisoperatie bij de hoofdtransformator nummer 1". Nader inspecteren door de bedrijfsvoerders onthulde scheuren en ernstige olielekken aan zowel de begin- als eindbushing van fase B aan de 35 kV-kant, samen met de aanwezigheid van gas in het gasrelais, waarna onmiddellijk een stop werd aangevraagd. Vóór dit incident hadden routine-elektrische tests en isolerende olie-monitoringstests geen afwijkingen getoond.

2 Gaschromatografische Analyse en Foutdiagnose
Nadat de stroom was uitgeschakeld, werden onmiddellijk olie- en gasmonsters verzameld voor chromatografisch onderzoek. De testresultaten staan in tabellen 1 en 2. De resultaten wezen op afwijkende concentraties van opgeloste gassen in zowel de transformatorolie als het gasrelais. Een grondige analyse werd uitgevoerd met behulp van chromatografische gegevens en de evenwichtscriteriemethode om de gasconcentraties in de olie- en gasmonsters te evalueren.

Tabel 1 Chromatografisch Overzicht van Isolerende Olie van Fase B van Hoofdtransformator Nummer 1 bij Hexin Substation (μL/L)

Tabel 2 Chromatografisch Overzicht van Gas uit het Gasrelais van Fase B van Hoofdtransformator Nummer 1 bij Hexin Substation (μL/L)

Volgens de Kwaliteitsnormen voor Transformatoreolie in Gebruik, moet er aandacht besteed worden wanneer een van de volgende opgeloste gasconcentraties in olie van 500 kV-transformatoren de gespecificeerde waarden overschrijdt: totaal hydrocarben: 150 μL/L; H₂: 150 μL/L; C₂H₂: 1 μL/L. Acetyleen (C₂H₂) werd in de transformatorolie gedetecteerd met een concentratie φ(C₂H₂) van 12,13 μL/L, wat meer dan 12 keer de aandachtsgrens overschrijdt. Op basis van de componentoverstapingsanalysemethode [3] werd voorlopig vastgesteld dat er een interne fout in de transformator bestond.

Nadere analyse op basis van karakteristieke gassen wees op een high-energy discharge-fout, omdat φ(C₂H₂) een belangrijke indicator is die oververhitting onderscheidt van elektrische ontlading. Met behulp van de IEC three-ratio-methode werden de berekende verhoudingen:
• φ(C₂H₂)/φ(C₂H₄) = 1,2,
• φ(CH₄)/φ(H₂) = 0,56,
• φ(C₂H₄)/φ(C₂H₆) = 6,6,
resulterend in een code van 102. Dit leidde tot de voorlopige conclusie dat er een high-energy discharge (d.w.z. boogontlading) had plaatsgevonden binnen de transformator.

Met behulp van de evenwichtscriteriemethode [4] en de gascompositie in het gasrelais, werden theoretische olieconcentraties berekend op basis van de verschillende oplosbaarheden van gassen in olie. Het verhoudingsgetal αᵢ van de theoretische tot de gemeten concentraties in olie werd afgeleid (zie Tabel 2). Op basis van praktijkervaring vallen de αᵢ-waarden voor de meeste componenten onder normale omstandigheden binnen het bereik van 0,5–2. Tijdens plotselinge fouten tonen karakteristieke gassen echter meestal αᵢ-waarden die aanzienlijk groter zijn dan 2. In dit geval toonden alle gascomponenten in het gasrelais αᵢ-waarden die veel groter waren dan 2, wat op een plotselinge interne fout duidt.

Elektrische testresultaten wezen uit dat de contactweerstanden van de belastingschakelaar, de spoel DC-weerstanden en de maximale fasedifferentiëlen binnen aanvaardbare grenzen lagen. Leckstromen tussen windingen en naar de aarde, evenals historische vergelijkingen, toonden geen afwijkingen. Dielectric loss en isolatieweerstandsparameters waren ook normaal. Deze resultaten sloegen algemene vochttoename, significante isolatieafbraak of wijdverspreide isolatiedefecten uit, waarmee werd bevestigd dat het hoofdisolatiesysteem intact was.

Op basis van een grondige analyse van de bovenstaande resultaten werd geconcludeerd dat er een plotselinge boogontladingfout was opgetreden binnen de transformator. De concentraties van CO en CO₂ in de olie toonden geen significante toenames, en hoewel de totale hydrocarbonniveaus toenamen, waren ze nog niet de limieten gepasseerd. Dit suggereerde dat een grootschalige betrokkenheid van solide isolatie onwaarschijnlijk was. Echter, vanwege de hoge αᵢ-waarden voor CO en totale hydrocarben, was er verdenking van een plotselinge ontladingsfout met lokale schade aan solide isolatie.

3 Interne Inspectie en Herstelmaatregelen
Om de oorzaak verder te bepalen, werd de transformator leeggepompt en geïnspecteerd. De twee 35 kV-bushings en riser van fase B werden verwijderd voor inspectie, waardoor bleek dat de spanning-verdelende aardingstrip op de spoel-einde drukplaat was doorgebrand. Bij het optillen van de tankdeksel bleek dat de isolerende ondersteuning van de bovenste yokespoeldrukplaat was beschadigd door langdurige mechanische spanning, wat resulteerde in een tweepuntsaarding. Dit creëerde een circulerende stroom, wat leidde tot boogontlading die de aardingstrip doorbrandde. Het grote volume en hoge generatiekoers van gas creëerde aanzienlijke interne druk, wat leidde tot scheuren en ernstige olielekken in de twee 35 kV-bushings in de buurt van het ontladingspunt. De inspectievondsten waren volledig consistent met de conclusies getrokken uit de chromatografische analyse.

Herstelmaatregelen:
• Vervang de beschadigde isolerende ondersteuningscomponenten;
• Voer degassing en filtratie van de isolerende olie uit;
• Keer de transformator na succesvolle acceptatietests terug naar normale werking;
• Versterk de operationele monitoring, en herneem de reguliere managementpraktijken pas nadat via continue tracking en analyse is bevestigd dat er geen verdere problemen zijn.

4 Conclusie
(1) Deze studie slaagde erin gaschromatografie toe te passen om een interne boogontladingfout in fase B van de hoofdtransformator nummer 1 bij Hexin Substation te diagnosticeren, wat waardevolle ervaring oplevert voor de exploitatie en foutdiagnose van grote elektriciteitstransformatoren.

(2) Wanneer een transformator gasrelais werkt, moeten olie- en gasmonsters worden verzameld voor chromatografische analyse. Door de chromatografische resultaten, historische gegevens, de evenwichtscriteriemethode en isolatietests te combineren, is het mogelijk te bepalen of de fout intern is of gerelateerd aan hulpapparatuur, en de aard, locatie of specifieke component te identificeren. Dit stelt tijdige onderhoudsmaatregelen in staat en garandeert de veiligheid van het apparaat.

(3) Chromatografische analyse van isolerende olie is een van de meest effectieve maatregelen voor het monitoren van de veilige werking van oliegevulde elektrische apparatuur. Regelmatige DGA stelt vroege detectie en continu monitoren van interne fouten en hun ernst mogelijk. Om de veilige werking van grote transformatoren te waarborgen en bewust te blijven van hun gezondheidsstatus, moet gaschromatografie worden uitgevoerd volgens de normen van de elektriciteitsindustrie, en de testfrequentie indien nodig worden verhoogd.