Monitorizarea si diagnosticarea transformatoarelor si autotransformatoarelor de putere

Monitorizarea si diagnosticarea transformatoarelor si autotransformatoarelor de putere

Introducere

Pentru majoritatea companiilor de electricitate, tendinta folosirii echipamentelor existente, la parametrii optimi, cu un coeficient ridicat de siguranta, asociata cu asimilarea noilor tehnologii este de mare actualitate si in continua ascensiune. in scopul reducerii riscului de avariere a celor mai scumpe echipamente din cadrul sistemului energetic, transformatoarele de putere, este necesara monitorizarea functionarii acestora, colectand si prelucrand informatii detaliate despre starea transformatoarelor, putandu-se astfel prevedea o eventuala avariere a acestora.

Rezultatul acestei monitorizari este marirea duratei de viata a transformatoarelor prin:

▪ supravegherea, foarte stricta, pe toata durata functionarii;

▪ imbunatatirea metodelor de diagnosticare;

▪ intensificarea cercetarii in domeniul diagnosticarii transformatoarelor. in conformitate cu aceste noi orientari se actioneaza, din ce in ce mai mult, pentru repararea (reabilitarea) transformatoarelor la locul de montaj si nu in fabrica constructoare sau la o alta unitate specializata, in scopul reducerii cheltuielilor de deplasare a transformatorului la fabrica constructoare, precum si pentru micsorarea timpului de retragere temporara din exploatare (perioada transportului si cea a stationarii la fabrica).

Obiective

Evident, trebuie facuta distinctie intre monitorizare si diagnosticare.

Monitorizarea inseamna achizitie de date, conditionarea semnalelor de la senzori si dezvoltarea modelelor pentru determinarea starii transformatoarelor.

Diagnosticarea este pasul urmator monitorizarii si cuprinde interpretarea datelor masurate "off-line" si "on-line".

Monitorizarea sta la baza diagnosticarii, dar, fara diagnosticare, datele masurate nu au nici o valoare.

In prezent, astfel de metode si sisteme de monitorizare sunt dezvoltate de institutele specializate de cercetare, de fabricile constructoare si chiar de utilizatori.
Un sistem de monitorizare a transformatorului trebuie sa satisfaca anumite cerinte.

In primul rand sistemul de monitorizare trebuie proiectat pentru o functionare de lunga durata si pentru o siguranta sporita, in concordanta cu durata de viata a transformatoarelor (uneori peste 20 de ani).

Bineinteles, trebuie asigurata o relatie rezonabila intre costurile instalarii si eficienta monitorizarii. in al doilea rand, monitorizarea trebuie sa asigure informatii pentru o estimare foarte sigura a duratei de viata, ramasa, a tranformatorului.

Bineinteles, ne putem pune urmatoarea intrebare: "Care este eficienta reabilitarii transformatoarelor din exploatare, echipate cu sistemele de monitorizare?".

Pentru a raspunde la aceasta intrebare trebuie amintite doua aspecte:

(i) riscul defectarii unui transformator creste dupa 10 ani de functionare, astfel ca un sistem de avertizare este strict necesar;

(ii) avand in vedere pretul ridicat al achizitionarii unui nou transformator si chiar al unei reparatii (in functie de defect), necesitatea introducerii unui sistem de monitorizare si diagnosticare, in combinatie cu o protectie rapida si eficace este pe deplin justificata.

Obicetivele urmarite prin proiectarea, realizarea si implementarea unui sistem de monitorizare si diagnosticare sunt:

a.Monitorizarea "on-line" a unui transformator sau a mai multor transformatoare cu functionare in regim permanent, aflate intr-o statie electrica de transformare, prin care se asigura:

▪ determinarea incarcarii transformatorului si a puterii tranzitate;

▪ masurari de parametri in regim tranzitoriu;

▪ determinarea imbatranirii termice si, eventual calculul temperaturii "hot-spot";

▪ determinarea conditiei de izolatie (continutul de gaz si umiditate);

▪ eficienta sistemului de racire;

▪ determinarea variatiei volumului de ulei;

▪ stabilirea conditiilor de functionare a pompelor si a ventilatoarelor;

▪ stabilirea starii izolatoarelor de trecere;

▪ automatizari si protectii;   

▪ determinarea raspunsului in frecventa;

▪ determinarea zgomotului si a spectrului de vibratii;

▪ determinarea nivelului descarcarilor partiale;

▪ analiza multirezolutie a curentului sau a tensiunii;

▪ determinarea fortelor electrodinamice si a solicitarilor locale;

b. Monitorizarea "off-line" a transformatorului in scopul determinarii starii acestuia in exploatare, prin introducerea de la consola, a rezultatelor masurarilor efectuate off-line; in acest fel se asigura:

▪ determinarea starii izolatiei transformatorului;

▪ determinarea starii infasurarilor;

▪ determinarea starii comutatorului de ploturi.

Cateva exemple de monitorizare "off-line" a starii izolatie sunt prezentate in figurile alaturate.

 Evolutia in timp a unor parametri pentru un transformator avand urmatoarele caracteristici: putere aparenta S=25 MVA, raport de transformare k=110/20 kV, tensiune de scurtcircuit uk=10.3%, grupa de conexiuni Yod-11, TTUS-NS, an de punere in functiune: 1979. Transformatorul se caracterizeaza prin scaderea rezistentei de izolatie (sub valoarea minima acceptata), cresterea tangentei unghiului de pierderi si scaderea coeficientului de absorbtie, datorita cresterii continutului de umiditate a izolatiei solide si a deteriorarii parametrilor uleiului electroizolant .

Evolutia in timp a rigiditatii dielectrice si a tangentei unghiului de pierderi dielectrice pentru mai multe transformatoare. Se constata scaderea rigiditatii dielectrice si cresterea tangentei unghiului de pierderi dielectrice ale uleiului electroizolant.

Curba vietii pentru un transformator; exemplu :10 h la 104˚C si 14h la 86˚C rezulta (10x2)+(14x0.25)=23.5h de viata pentru o functionare in timp de 24h; este important de mentionat ca mai jos de 80˚C consumarea vietii pote fi considerata neglijabila

c. Predeterminarea rezervei de viata a transformatorului, inspectarea regimurilor de functionare, reprezentarea variatiei in timp a marimilor masurate si analizei evolutiei parametrilor transformatorului. Determinarea duratei de viata se va face luand in considerare urmatoarele elemente:

1.vitezei relativa de degradare termica a izolatiei;

2. incarcarea transformatorului si timpul de functionare la incarcarea respectiva;

3. timpul de atingere a limitelor parametrilor masurati. 

4. Achizitia valorilor marimilor electrice in regim de avarie pentru analiza cauzelor avariei si evaluarea starii functionale a transformatorului.
5. Supravegherea permanenta a functionarii transformatorului, comutatorului de prize, ventilatoarelor,  pompelor, precum si a aparaturii de comanda si control.
6. Avertizarea si, eventual, transmiterea unor comenzi corespunzatoare de schimbare a regimului de functionare, in cazul in care valorile  limita admisibile sunt depasite.

7. Stabilirea comenzilor pentru actionarile electrice, ale comutatorului de prize, ventilatoarelor si pompelor, in functie de regimul de sarcina respectiv si de temperaturile specifice ale  transformatorului.  

Marimi  achizitionate "on-line" pentru un transformator

Se preconizeaza achizitionarea a cel putin 50 de marimi diferite, grupate dupa cum urmeaza:

-Tensiunile de linie primare si secundare (6),

-curentii de linie primari si secundari (6),

-puterea electrica in primar si secundar (2),

-energia electrica transformata intr-un interval de timp (1),

- frecventa (1),

-curentii prin conductoarele de legatura la masa (2).

- Temperaturile uleiului in diferite zone ale transformatorului  ale infasurarilor si miezului (6), -continutul de gaze (1),

-umiditatea uleiului (1) si a aerului din conservator (1)

-nivelul uleiului (2),

- viteza uleiului prin radiatoarele de racire, temperaturile uleiului la intrarea si la iesirea din radiatoare (8);

- zgomotele si vibratiile transformatorului,  presiunea in cuva si  solicitarile mecanice ale cuvei in regim anormal de functionare (8).

- curentii de descarcari partiale in izolatoarelore de trecere pe partea de inalta tensiune (4) .

Sisteme supervizate sunt:

▪ infasurarile;

▪ izolatia complexa;

▪ comutatorul de prize pentru reglajul tensiunii; 

▪ ventilatoarele si pompele de racire ale uleiului;

▪ automatizarile si protectiile.

Elementele hardware si software ale sistemului de monitorizare si diagnoza

Elementele hardware principale ale sistemului de monitorizare sunt: un calculator industrial PC, un sistem modular de achizitie de date, senzori si traductoare, module pentru conditionarea semnalelor si conversia analog-digitala, interfete seriale pentru achizitia/transmisia de la/la distanta a datelor. Pentru controlul monitorizarii se foloseste un calculator industrial fiabil si rezistent la conditiile de mediu, dar cu toate functiile specifice unui sistem de calcul avansat.

Acesta indeplineste cerintele standardelor pentru temperaturi ridicate si scazute, ploaie, umezeala, ceata salina, nisip/praf, altitudine ridicata, socuri si vibratii, interferente electromagnetice, cadere de la 1 m si siguranta in exploatare.

Placile de achizitie de date, fiecare cu 16 intrari analogice simple sau 8 diferentiale, asigura o precizie ridicata, determinata de rezolutia convertorului analog/numeric.

Placile respective mai sunt prevazute si cu opt intrari/iesiri digitale si doua numaratoare/ temporizatoare pe 24 de biti.

Placile sunt conectate printr-o interfata seriala RS-485, fiecare in parte, si cu o interfata convertoare bidirectionala RS-485 ↔ RS-232.

Blocul de conditionare, care asigura interfatarea cu senzorii si traductoarele, contine circuite electronice de conditionare, cu amplificatoare, filtre si convertoare de intrare, precum si surse de alimentare individuale.

Circuitele de conditionare sunt izolate galvanic, asigurandu-se separarea in curent continuu, atat a intrarilor fata de iesiri, cat si a canalelor de intrare intre ele.

Toate circuitele de conditionare si de alimentare sunt amplasate intr-o cutie metalica etansa, de constructie speciala, care realizeaza protectia la factorii de mediu (umiditate, praf, socuri, interferente etc.) 

Sistemul de monitorizare poate fi conceput in doua versiuni:

-intr-o prima versiune, calculatorul si sistemul de achizitie de date sunt amplasate in camera de comanda a transformatoarelor;

-cealalta versiune presupunand amplasarea calculatorului in camera de comanda, sistemul de achizitie de date fiind amplasat langa tranformator, intr-un compartiment special amenajat, cu incalzire si ventilatie, pentru a evita conditiile climatice externe.

In acest ultim caz, poate fi folosita o interfata seriala RS-232 izolata optic, pentru a elimina interferentele.

Datorita structurii sale modulare, sistemul de monitorizare poate fi echipat conform cerintelor clientilor: se poate mari sau micsora numarul de senzori, fapt care  determina numarul si tipurile modulelor de achizitie de date. 

Baza software pentru monitorizare este mediul de dezvoltare grafic LabVIEW, sub Windows.

Cu ajutorul acestui program se creaza si interfata utilizator, prin intermediul seturilor de instrumente grafice de care dispune pachetul grafic LabVIEW.

Aplicatia software preia marimile de intrare, le formateaza si le inscrie in fisiere impreuna cu datele de configurare a masurarii si cu informatiile de timp.

Aplicatia de monitorizare lucreaza sub orice sistem de operare Windows pe 32 de biti. in varianta finala, aplicatia se prezinta sub forma unui fisier direct executabil ce poate rula independent. Principalele functii pe care le indeplineste sunt urmatoarele:  

▪ permite accesul selectiv in program, pe baza unei parole;

▪ utilizatorul poate stabili intervalele de timp la care se fac culegerea datelor si afisarea valorilor masurate;

▪ realizeaza conversia valorilor masurate (curenti si tensiuni de la traductoare) in marimi caracteristice (temperaturi, presiuni, umiditati etc.), conform unui algoritm care tine cont de caracteristicile lantului de masura;

▪ permite salvarea pe harddisk a marimilor masurate si a altor informatii cerute de beneficiar;

▪ afiseaza in timp real marimile masurate;

▪ transmite comenzile numerice pentru electronica suplimentara (de configurare a intrarilor blocului circuitelor de conditionare).
 

Stocarea datelor analogice sub forma binara este foarte compacta si asigura o viteza de lucru sporita, dar consuma din resursele sistemului si ridica probleme deosebite la decodificare.

Din acest motiv, pentru programul de monitorizare s-a adoptat folosirea unui format de tip text. Avantajul incontestabil al acestui tip de fisiere consta in usurinta cu care poate fi 'descifrat' si convertit in alte formate de date, tocmai datorita structurii interne simple, standardizate. intr-adevar, utilitarele de sub Windows si aplicatiile MS Office recunosc fisierele de date de tip ASCII drept documente, astfel ca marimile inregistrate pot fi preluate de alte programe, pentru afisare, prelucrare etc.

Fisierele ce contin inregistrarile marimilor sunt corespunzatoare fiecarei sesiuni de masurari. Lungimea lor depinde de mai multi factori: durata masurarilor, rata de citire etc.

Pentru citirea datelor deja inregistrate se pot folosi fie programe de uz general (editoare de texte precum Notepad sau Wordpad sau programe de calcul tabelar precum Excel), fie aplicatii specializate, cu diferite grade de complexitate.

Pentru fisierele de date de mici dimensiuni, cel mai simplu de utilizat este Notepad, care nu consuma multa memorie (ocupa doar 500K).

Desigur, Notepad prezinta si limitari, cea mai importanta constrangere fiind aceea ca nu permite vizualizarea sau editarea unor fisiere cu lungimea mai mare de 50K.

Daca sunt necesare  prelucrari mai complexe ale marimilor inregistrate, este recomandata folosirea programului de calcul tabelar ("spreadsheet") Excel, din cadrul pachetului de aplicatii de birotica al firmei Microsoft.

  Excel dispune de puternice facilitati de prelucrare, corelare si afisare

.Astfel, coloanele de date pot fi sortate sau ordonate dupa diferite criterii si se pot face calcule statistice (valoarea medie, dispersia, eliminarea datelor aberante).

In esenta, programul de monitorizare este structurat astfel:

(i) o prima etapa este achizitia datelor la un anumit moment de timp si calcularea marimilor derivate (putere, pierderi, continut de gaze in ulei etc.). Pentru fiecare dintre ele se stabilesc limite permise;

(ii) in etapa urmatoare se stabileste daca una sau mai multe valori masurate se afla in afara limitelor; in situatia existentei unor astfel de valori se porneste o procedura de alarmare, care consta din doua sub-etape: mai inai se creeaza un fisier de alarma care contine informatiile despre valorile alarmante masurate in ultima ora inainte de eveniment, apoi, optional, se executa transmiterea informatiilor de avertizare si la alte computere (de exemplu, la dispecer), prin modem sau satelit;

(iii) in final, dupa procedura de alarmare, si nu numai, se face o verificare daca s-au inregistrat valorile marimilor pe durata intregului interval de masura (stabilit de comun acord cu beneficiarul) ; in caz afirmativ este pornita procedura de diminuare a datelor : se retine o singura valoare a fiecarei marimi masurate, adica valoarea medie a marimii masurate de-a lungul intervalului de timp stabilit.

Un algoritm simplificat al aplicatiei sofware pentru monitorizarea transformatoarelor electrice de putere este prezentat in figura alaturata. 

Concluzii 

Atat din considerente tehnice, cat si din considerente economice este indicata modernizarea statiilor de transformare, prin instalarea unor sisteme de monitorizare si diagnosticare, care pun la dispozitie informatiile necesare pentru luarea la timp a masurilor necesare pentru cresterea duratei de utilizare a transformatoarelor existente in exploatare.

Costul unui sistem de monitorizare capabil sa masoare parametrii care influenteaza vital functionarea transformatorului este relativ redus (~ 0,5 % din costul unui transformator nou) si este in continua scadere datorita reducerii continue a costului componentelor. 

Pentru monitorizarea transformatoarelor, pe langa masurarile "on-line", se folosesc si masurarile "off-line".

Evidentierea masurarilor "on-line" se face prin utilizarea valorilor furnizate de senzori, prelucrate cu ajutorul interfetei grafice LabVIEW, care ofera avand posibilitati multiple de prelucrare si vizualizare a datelor . in cadrul masuratorilor "off-line" se folosesc valorile parametrilor masurati cu ajutorul instrumentelor de masura si inregistrare directa sau grafica a datelor caracteristice, pentru evaluarea starii functionale a transformatoarelor.

Pentru obiectivitatea rezultatelor, precum si pentru masurarea cu precizie a parametrilor este necesara utilizarea unor instrumente de masura performante, mai ales pentru determinarea parametrilor vitali (rezistenta de izolatie, tangenta unghiului de pierderi dielectrice, valoarea descarcarilor partiale, continutul de umiditate etc.), precum si a parametrilor uzuali ai transformatorului: pierderile in transformator, rezistenta si reactanta de scurtcircuit, continutul de gaze din ulei, rigiditatea dielectrica a uleiului s.a. 
Prin intermediul aplicatiei software pentru monitorizarea transformatoarelor electrice de putere se poate determina cu precizie starea transformatoarelor si rezerva duratei de viata, realizandu-se o baza de date pentru beneficiar, asigurand cunoasterea (vizualizarea) starii transformatoarelor in orice moment . De asemenea, se pot prelucra datele achizitionate in scopul stabilirii tendintei de evolutie in timp a parametrilor transformatorului.