DGA-verkkovalvonnan käyttö muuntajan toiminnan varmistamiseen käyttöiän loppupuolella

Tässä tapaustutkimuksessa tarkastellaan vakavien vikojen havaitsemista sekä yleistä valvontaprosessia ja ‑menettelyä vanhan muuntajan viimeisinä käyttökuukausina. Näytämme, miten energialaitos käytti Vaisalan verkkokäyttöistä DGA-kaasuanalysaattoria ensin muuntajan järjestelmälliseen valvontaan ja sitten oikean käytöstäpoisto- ja vaihtoajankohdan määrittämiseen ennen muuntajan toimintakunnon heikkenemistä siinä määrin, että syntyisi merkittäviä toimintahäiriöitä tai riskejä työntekijöille. Tapaustutkimuksesta selviää myös, miten tärkeää muuntajan toimintakunnon varmistaminen on sen käyttöiän loppuvaiheissa ja miten tämä osoittaa verkkokäyttöisen DGA-analysaattorin taloudelliset hyödyt.

Tapauksen taustaa

Tämä asiakastarina on Etelä-Yhdysvalloissa toimivalta energiayhtiöltä. Heillä oli käytössä Pennsylvania Transformerin vuonna 1958 valmistama ennakoivalla säästömuuntajalla (PA, preventive autotransformer) varustettu 100 MVA:n muuntaja. Muuntaja oli typpipaineistettu, ja siinä oli öljyeriste sekä ONAN/ONAFjäähdytysjärjestelmä.

Muuntaja toimi ilman erityisiä ongelmia ensimmäiset 50 käyttövuottaan, kunnes vuonna 2010 siinä alkoi ilmetä kaasunmuodostusta. Tilanne pysyi vakaana vuoteen 2013, jolloin tuntematon tapahtuma aiheutti merkittävää kaasunmuodostusta. Vain muutamassa viikossa etyleenipitoisuus kasvoi 35 ppm:stä 100 ppm:ään.

Muodostuneiden kaasujen perusteella epäiltiin aluksi vain korkeaan öljyn lämpötilaan liittyvää vikaa. Vian ei ajateltu liittyvän muuntajan käämeihin, jolloin se olisi ollut huolestuttavampi. Käämien eristyspaperit eivät ilmeisestikään liittyneet asiaan, koska DGA-kaasuanalyysi ei osoittanut merkittävää hiilidioksidi-, häkä- tai etaanipitoisuuden kasvua. Muuntaja asetettiin tiiviimpään seurantaan, ja tilanne vakautui jälleen. Seuraavan kerran merkittävää kaasunmuodostusta havaittiin vasta vuonna 2017, mutta tämäkin oli tilapäistä.

Syksyllä 2018 muuntaja sijoitettiin uuteen paikkaan ja sen öljylle tehtiin kaasunpoisto. Ensimmäinen ongelmallinen DGA-näyte uudessa sijainnissa havaittiin toukokuussa 2019. Kaasupitoisuudet kasvoivat jatkuvasti, ja muuntaja sammutettiin tarkempaa tutkimusta varten. Siinä vaiheessa vialliseksi osaksi epäiltiin LTC:n ennakoivaa säästömuuntajaa (PA), joka käytti samaa öljyä kuin pääsäiliössä oli. Tutkimus skoopilla ei kuitenkaan paljastanut näkyviä kaasun lähteitä. Näkyvyys oli tosin skoopillakin varsin rajallinen. Tarkastuksen jälkeen muuntajaan kytkettiin jälleen virta, mutta tällä kertaa ilman tertiäärikuormaa. Kaasupitoisuudet pysyivät alhaisina ja stabiileina muutaman kuukauden ajan, lokakuuhun 2019 asti. Helmikuun alkupuolella 2020 muuntaja tarkastettiin jälleen skoopilla, ja siitä paljastui selkeää hiilipitoista likaa, joka oli asettunut PA:n pinnoille (kuva 1).

Verkkokäyttöisen DGA-kaasuanalysaattorin asentaminen tarkempaa analyysiä varten

Haasteena kaasunmuodostuksen ja sen vakavuuden tulkinnassa kuluneiden vuosien aikana oli ollut, että näytteenottotiheyttä varsinaisten kaasunmuodostustilanteiden välillä oli mahdotonta saada riittäväksi, jotta oltaisiin voitu tietää tapahtumien tarkka ajoitus. Ei voitu tietää, oliko kaasujen lisääntyminen asteittaista vai oliko kyse erillisistä tapahtumista. Tämän tiedon saamiseksi muuntaja varustettiin verkkokäyttöisellä DGAkaasuanalysaattorilla lokakuussa 2019. Tämän ansiosta laitoksen huoltotiimi pystyi seuraamaan kaasunmuodostusta tarkemmin ja varmistamaan muuntajan käyttöturvallisuuden siihen asti, kunnes muuntaja vaihdettaisiin. Samanaikaisesti otettiin tiheämmin DGA-näytteitä analysaattorin suorituskyvyn arvioimiseksi.

Verkkovalvontatietoja tarkasteltaessa kävi selväksi, että kaasunmuodostus ei tapahtunut tasaisen lisäävästi, vaan se tuli selvinä vaiheina. Näin ollen kyse oli todennäköisesti erillisistä tapahtumista. Tätä tulkintaa tukivat tulokset verrattaessa kaasunmuodostusta kuormitukseen: mitään korrelaatiota ei havaittu. Analyysissä oli huomionarvoista, että muuntaja suoritti sähkönsiirtotehtävää ja kuormitus oli siten vakaata ja melko alhaista, vain 40 % nimelliskuormituksesta. Nämä tiedot ja analyysi olivat mahdollisia, koska verkkokäyttöinen DGA-kaasuanalysaattori antoi reaaliaikaisia tietoja (tunneittain).

”Muuntajan vaihtaminen oli jo harkinnassa; tiesimme, että meillä oli ongelma, mutta näytteitä otettiin edelleen kahden viikon välein. Erityisesti asetyleenin muodostuksessa oli havaittu trendi, jonka oletettiin liittyvän muuntajan ennaltaehkäisevään automatiikkaan. Pystyimme myöhemmin osoittamaan, että ongelma ei pysynyt vakaana vaan oli pahenemassa, joten siihen olisi puututtava pian. Kun asetyleenin muodostuminen oli saavuttanut tietyn pisteen, laite poistettiin käytöstä.”

Laitoksen tuki-insinööri

Tammikuun alussa 2020 DGA-analysaattori paljasti, että kaasunmuodostus muuttui jälleen jatkuvaksi ja kiihtyväksi – selkeä osoitus siitä, että vika oli kehittymässä ja muuttumassa vakavammaksi. Koska vakavan toimintahäiriön riski oli erittäin suuri, laitos päätti poistaa muuntajan käytöstä pysyvästi.

Diagnoosi DGA-analyysin perusteella

Kuten aiemmat DGA-kaasuanalyysin laboratoriotulokset, tiedot verkkokäyttöisestä DGAanalysaattorista osoittivat, että häkä- ja hiilidioksidipitoisuudet pysyivät stabiileina koko valvontajakson ajan (kuva 2), joten eristyspaperi ei todennäköisesti ollut osallisena vikatapahtumissa. Pääasiallinen kaasu oli aina etyleeni, joka on merkki lämpöviasta. Tarkempi analyysi Duval-kolmioiden ja -viisikulmioiden avulla antoi ymmärtää, että kyseessä oli erittäin korkean lämpötilan vika T3 vain öljyssä (kuvat 3 ja 4).

Viimeisten 10 vuoden aikana osa kaasunmuodostuksesta on voinut johtua salamaimpulsseista tai vian aiheuttamasta linjan kuormituksesta, koska ajoitus täsmäsi ukonilmojen kanssa ja linjan on vahvistettu saaneen iskun. Tätä hypoteesiä tukee se, että PA:n sekundääripuoli oli kytketty suojaamattomaan 69 kV:n linjaan.

Verkkokäyttöisen DGA-analysaattorin ajoittamat ja jäljittämät kaasunmuodostustapahtumat, erityisesti viimeisimmät, tapahtuivat kuitenkin aikoina, jolloin linjavikoja tai ukonilmoja ei ollut. 

Tämä oli vahva merkki sisäisestä viasta ja siitä, että vika oli pahenemassa. Verkkokäyttöinen DGAanalysaattori oli tärkeä työkalu tämän selvittämisessä.

Kuva 3. Analysaattorin DGA-datapisteet osoittavat metaanin, etyleenin ja etaanin Duval-kolmion 5 mukaiset suhteelliset osuudet valvonta-aikana. Vain ilmaisu: korkeaan lämpötilaan liittyvä lämpövika T3.

Jälkitutkimus

Kun muuntaja oli poistettu pysyvästi käytöstä, sen säiliö avattiin ja sen sisäosat tutkittiin perusteellisesti. Muuntajan pääasiallisista aktiivisista osista ei löytynyt ilmeisiä ylikuumenemisen merkkejä eikä merkittäviä värivirheitä, jotka olisivat voineet olla osoitus PA-käämien eristyspaperin heikkenemisestä.

(Kuva 5. PA:n ytimen laminoinnit esillä jälkitutkimuksen aikana. >)

Suurimmat korkealle lämpötilalle altistumisen merkit olivat PA:n ytimen vieressä olevien puisten välikappaleiden ala- ja keskiosissa. Niiden sisäpinnoilla oli huomattavaa hiiltymistä, mikä vahvistaa, että oli ollut useita erillisiä tapahtumia, jotka tuottivat kaasuja eri aikoina, kuten verkkovalvontatietojen DGAkaasunmuodostuskuviosta näkyy (katso kuva 2).

Puun hiiltyminen ja etyleenikaasun vallitsevuus yhdessä vedyn ja asetyleenin pitoisuuksien nousun kanssa oli osoitus vikakohdan yli 700 °C:n lämpötilasta. Kun otetaan huomioon, että tämä muuntaja oli ollut käytössä vuosikymmeniä ilman tunnettuja lämpöongelmia, voitiin olettaa, että äskettäiset kaasunmuodostuskuviot olivat merkki suhteellisen nopeasti kehittyneistä vioista, jotka ovat voineet alun perin aiheutua aiemmin mainituista linjavioista jäljempänä järjestelmässä.

(Kuva 6. Hiiltymistä PA-ytimen puisten välikappaleiden pinnoilla. >)

Johtopäätökset

Vaikka offline-DGA-näytteenotto voi paljastaa mahdollisia sisäisiä vikoja, vain jatkuvan DGAvalvonnan työkalut voivat sekä havaita kaasunmuodostuksen reaaliajassa että paljastaa varsinaiset kaasunmuodostuskuviot, jolloin voidaan tunnistaa ja analysoida vika oikein. Nämä tiedot ovat erittäin arvokkaita oikea-aikaisten kunnossapitopäätösten tekemisen kannalta. Tällaiset tiedot ovat suureksi hyödyksi muuntajista vastaaville päälliköille, joiden on tunnettava muuntajiensa tekninen käyttöikä ja nykyinen kunto. Erityisen tärkeää on tietää, edellyttääkö vika välittömiä huoltotoimia tai vaihtoa vai kestääkö muuntaja käyttöä vielä jonkin aikaa. Kun DGA-mittausta tehdään jatkuvatoimisesti, tiedoista on hyötyä huoltotiimille. Muuntajaa on mahdollista valvoa reaaliaikaisesti ja tietää onko muuntajan käytön jatkaminen vikatilassa turvallista.

DGA-verkkovalvonta on tärkeä työkalu muuntajien ollessa käyttöiän päättymisen tai ”aktiivisen vian kehittymisen” vaiheessa. Sen avulla energialaitosten ylläpitäjät voivat rauhallisin mielin jatkaa muuntajien käyttöä turvallisesti siihen asti, kunnes vian korjaaminen on mahdollista tai kun vaihtoa tarvitaan.