Öljyn kosteuden tunnistaminen

Powercor Australia on Victorian osavaltion suurin sähkönjakelija. Powercorilla on ollut meneillään ohjelma, jossa se on käyttänyt sekä pysyvästi asennettuja että kannettavia öljyn kosteuden mittapäitä, kuten Vaisala HUMICAP® MM70 ‑kosteusmittaria, muuntajien kosteuden verkkovalvontaan. Heikko öljyn laatu voi johtaa huonoihin eristeominaisuuksiin ja jopa vikatilanteisiin. Öljyn käsittelyllä tai vaihdolla voidaan korjata useimmat öljyn laatuun liittyvät ongelmat, mutta jos kosteutta on käämien paperieristeessä ja tukirakenteissa, kosteus palautuu nopeasti. Kosteuden valvonnalla voidaan nopeasti jäljittää tällainen palautuminen, ja linjalla tapahtuvalla kuivauksella voidaan hallita öljyn kosteutta niin, että öljyn eristysvara säilyy.

Öljyn kosteuden mittaaminen

Kosteusmittapäät mittaavat kahta suuretta:

1. Aw – veden aktiivisuus eli ”aktiivisen” liuenneen kosteuden suhteellinen saturaatio osuusarvona 0–1
2. T – öljyn lämpötila celsiusasteina.

Mittapäissä voi olla myös valinnaisena sisäänrakennettu algoritmi, joka tuottaa ppm-arvon. Uusi öljyn koostumus on tehtaan oletusasetus, ja muita voidaan ohjelmoida, jos ne tunnetaan. Yleisesti mittapäistä saadut ppm-arvot ovat alhaisempia kuin saadaan Karl Fischer (KF) -testeillä öljynäytteiden vesipitoisuuden selvittämiseksi. Tämä voi johtua Karl Fisher ‑testin sieppaamiin hiukkasiin sitoutuneesta vedestä. Karl Fisher ‑testin kosteuden suhteellisen saturaation tuloksiin viitataan seuraavassa merkinnällä ”Rs”. Kaikki tässä viitatut muuntajat ovat ydinmalliltaan 66/22kv.

Kosteuden valvonta kiinteästi asennetuilla mittapäillä

Kahteentoista Powercorin muuntajaan on asennettu mittapäät pysyvästi. Jokaisessa niistä on kaksi analogista lähtöä SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) ‑järjestelmään: ppm-arvo ja lämpötila. Valvottavaksi valittiin muuntajia, joilla on ollut tunnettuja öljyn laadun ongelmia. Nämä muuntajat ovat yleisesti melko vanhoja ja joissakin tapauksissa raskaasti kuormitettuja. Useimmille niistä on tehty äskettäin öljyn regenerointi tai vaihto. Mittapään suositeltava sijainti, kun muuntajissa on irralliset lämmitinsarjat, on lämmittimestä pääsäiliöön johtavan öljyn paluulinjan alemmassa tyhjennysventtiilissä. Näin mittapää on muuntajan painovoimaisesta järjestelmästä tulevan öljyn virtauksessa . Muuntajissa, joissa lämmitinsarjat eivät ole irrallisia, sijainniksi valittiin jokin alemmista lämmittimen tyhjennysventtiileistä samoista syistä. Mittapäissä on liukuvatyyppinen tiiviste, joten ne voidaan asentaa hyvin yksinkertaisesti tyhjennysventtiilin kautta ilman käyttökatkon tarvetta.

Kuva 1: kosteuden vaihtelu, 10 MVA:n ONAN‑muuntaja. 10 MVA:n ONAN‑muuntajaa esittävä kuva 1 esittää kuormituksen noston vaikutusta kuumana päivänä. Huomaa, miten kosteus nousi arvoon 60 ppm eikä palautunut moneen päivään. Viimeinen KF-kosteustaso öljynäytteenotosta oli 30 ppm. Tämän yksikön pitkäkestoinen korkea kuormitus kuumalla säällä voisi johtaa liialliseen kosteuteen ja sen myötä pieneen eristysvaraan. Verkkovalvonta on osoittanut, että tämä yksikkö on hyvä ehdokas kosteudenpoistoa varten.

Kuva 2: kosteusvertailun esimerkki (SCADA) – asteikon yksikkö on ppm. Kiinteä SCADA-yhteys mahdollistaa vertailun tekemisen sellaisten sisaryksiköiden välillä, joilla kuormitus ja olosuhteet ovat samat. Muuntajalle, jonka kosteustaso oli pienin, oli tehty uunikuivaus noin viisi vuotta aiemmin.

Kuva 3: kosteuden palautuminen uuden öljyn täytön jälkeen. Asteikon yksikkö on ppm/°C. Kuvassa 3 on 20 MVA:n ONAF-muuntaja, jonka öljyn tilavuus on 17 000 litraa. Öljyn vaihto suoritettiin 28. lokakuuta 2005, ja urakoitsija otti öljystä näytteen (KF), jossa kosteus oli 11 ppm. Muutaman päivän kuluttua mittapään tiedot
osoittivat, että kosteustasot olivat palautuneet ja olivat nyt 16–37 ppm.

Kannettavat mittapäät

Myös kannettavia mittapäitä on tullut saataville, ja Powercor hankki kolme sellaista Vaisalalta. Tähän mennessä niitä on käytetty 20 muuntajalle. Nämä mittapäät ovat akkukäyttöisiä, ja niissä on riittävästi muistia tietojen tallentamiseen tunnin lukuvälein noin 30 päivän ajan eli osapuilleen akun keston ajan. Sijainniksi valitaan tässäkin tapauksessa useimmiten lämmittimien tyhjennysventtiilit, jotta voidaan varmistaa öljyn virtaus mittapään vierestä. Nämä kannettavat mittapäät lisäävät joustavuutta, sillä niiden avulla voidaan valvoa suurta määrää kohteita. Mittapää voidaan asentaa ja ohjelmoida tietojen kirjaamista varten muutamassa minuutissa. Uusi käynti kohteessa tarvitaan tietojen lataamiseksi, muistin tyhjentämiseksi seuraavaa tallennusjaksoa varten ja akun lataamiseksi tarpeen mukaan.

Kuva 4: alhainen kosteus – 66 kV:n säädin. Kuvassa 4 öljynäyte osoittaa odottamattoman suurta kosteutta ja heikkoa eristystä: KF-arvo 43 ppm @ 22 °C (Rs = 0,7), eristys = 36 kV. Tämä oli odottamatonta, koska yksikkö oli äskettäin uunikuivattu. Kannettava mittapää asennettiin nopeasti, ja tiedot osoittivat alhaisia kosteustasoja. Toinen öljynäyte vahvisti tämän: KF-arvo 9 ppm @ 15 °C (Rs = 0,2), eristys = 82 kV. Alkuperäinen öljynäyte oli todennäköisesti kontaminoitunut.

Kuva 5: dramaattinen kosteuden väheneminen.

Kuva 5 on 10/18 MVA:n ONAF-muuntajasta. Kosteuden väheneminen osui yhteen uuden muuntajan käyttöönoton kanssa muuntamolla. Tämä vähensi yksikön kuormitusta merkittävästi. Yhteenvetona voidaan sanoa, että kannettavat mittapäät tarjoavat erittäin kätevän ja kustannustehokkaan tavan valvoa mitä tahansa muuntajaa, jossa on venttiilit asianmukaisissa sijainneissa.

Muuntajiin, joissa ei ole tällaisia asennuksia, voidaan asentaa mittapäät pääsäiliön tyhjennys- tai näytteenottoventtiileihin. Ilman öljyn virtausta mittapään yli tulokset voivat kuitenkin olla epätarkkoja tai edustaa huonosti öljymassaa yleisesti. Powercorilla on käytössä kaksi molekyylisuodatinyksikköä linjalla tapahtuvaa kuivausta varten. Nämä yksiköt on asennettu kärryihin, ja ne poistavat kosteutta yksinkertaisesti pumppaamalla öljyä molekyylisuodatusmateriaalia sisältävien suodatinkasettien läpi.

Niihin on asennettu kuhunkin yksi kosteusmittapää, joka voi valvoa joko saapuvaa tai lähtevää öljyä. Tämä määritetään ohitusventtiilin asennolla. Kun lähtö-öljyn kosteus on yhtä suuri (tai suurempi) kuin tuloöljyn kosteus, suodatinkasetit ovat voineet saavuttaa saturaation, jolloin ne tulisi vaihtaa. Kukin kasetti voi teoriassa pitää sisällään yhden litran vettä, ja kuivainta kohden on neljä kasettia. Kasetit ovat melko kalliita, ja tällä hetkellä asianmukaisia kierrätysmahdollisuuksia ei ole. Nämä yksiköt on suunniteltu ottamaan tuloöljy alhaalla olevasta pääsäiliöstä ja palauttamaan öljy paisuntasäiliöön.

Rakenteen etuna on Buchholz-releen (äkillisen paineen releen) ongelmien välttäminen, jos järjestelmään pääsee ilmaa. Haittapuolena on juuri kuivatun öljyn vieminen paisuntasäiliön päätilaan, joka Powercorin tapauksessa on avoinna ympäröivälle ilmalle. Näitä kuivaimia on käytetty yhdeksälle muuntajalle tähän mennessä, ja yhteenveto tuloksista on seuraavassa.

Taulukko 1: joidenkin muuntajien molekyylisuodatinkuivaimen tulokset

Huomautus: Öljyn parametrit ovat peräisin öljynäytteistä (KF-testeistä ja eristyserittelytesteistä) lukuun ottamatta myöhempiä S3- ja L2-parametreja, jotka saatiin mittapäistä. Poistetun kosteuden arvio perustuu vaihdettujen kasettien määrään sekä kosteuslukemiin kuivaimen tulosta ja lähdöstä. Vaikka suodatinkaseteilla on yhden litran nimelliskapasiteetti, niiden arvioitiin kosteuspitoisuuden vähetessä lakkaavan poistamasta kosteutta jo vähäisemmällä täyttymisellä. Tämän todistamiseksi valmistettiin punnituskanistereita, ja kasetit punnittiin öljyyn upotettuina sekä uutena että niiden täytyttyä. Painon nousun keskiarvo oli 641 grammaa, mikä vastaa 0,641 litran kosteuspitoisuutta. On arvioitu, että kukin suodatinsarja poistaa 2,6 litraa kosteutta kosteustasoilla 10–20 ppm. Havaittiin myös, että kuivaimen suorituskyky parani merkittävästi, kun suodattimen kiinnitysratkaisuun lisättiin ylimääräinen tiivistealuslaatta. Kuivaimia ei käytetty jatkuvasti, vaan ne kytkettiin pois päältä ajoittain, jotta kosteustasot pääsivät palautumaan. Nyrkkisääntönä suodatuksen lopettamista varten oli tilanne, jossa kosteustasot pysyivät yhdenmukaisina alle 20 ppm:n tai 0,2 Aw:n arvossa. Vaisalan valvontamittapäät ovat osoittautuneet arvokkaiksi tämän arvioimisessa.

Kuva 6: kuivauksen valvonta. Kuva 6 esittää tietoja L2-muuntajaan asennetusta kiinteästä mittapäästä yli 10 kuukauden kuivausjakson ajalta. Huomaa kosteuden väheneminen kuivaimesta, mitä seuraa kosteuden palautuminen, kun saavutetaan uusi tasapaino selluloosassa olevan kosteuden ja öljyn kosteuden välillä. Huomaa myös, että kosteustasojen laskiessa myös kosteuden vaihtelu päivittäisen kuormitussyklin aikana väheni.

Paperisuodatinkuivain

Powercor on hiljattain ostanut toisen verkko-ohjatun kuivaimen, jossa on paperisuodatin. Tämä yksikkö poistaa kosteutta pumppaamalla öljyä suodatinpaperirullan läpi akselin suuntaisesti. Kosteus siirtyy öljystä paperiin sillä edellytyksellä, että paperi on kuivempaa kuin öljy. Yksikössä on edistyksellinen PLC-ohjausjärjestelmä, joka pystyy kuivaamaan paperisuodattimen uudelleen jokaisen suodatussyklin jälkeen. Yksikköön on asennettu kosteusmittapäät tulo- ja lähtö-öljylle, ja siinä on tietojen tallennuksen ja etävalvonnan toiminnot. Kuivaimeen on asennettu kosteussäiliö varsinaisen poistetun kosteuden keruuta varten.

Tämän yksikön etuna on huomattavasti pidempi käyttöikä kuin molekyylisuodatinyksiköillä. Kuivain on kytketty tuloöljyyn, joka otetaan pääsäiliön pohjassa olevasta tyhjennysventtiilistä, ja poistoöljy toimitetaan ylhäällä olevaan öljyn tyhjennysventtiiliin. Kuivaus on suoritettu tähän mennessä kolmelle muuntajalle, ja neljännelle se on meneillään. Taulukko 2: tulokset kuivaimesta, jossa on paperisuodatin.

Huomautus: Öljyn parametrit ovat peräisin öljynäytteistä (KF-testeistä ja eristyserittelytesteistä). Koska nämä kuivaukset on tehty äskettäin, öljyn seurantavalvontaa ei ole vielä toteutettu. Jonkinasteista kosteustasojen palautumista on odotettavissa. Tätä kuivainta voidaan myös käyttää ”analyysitilassa”, jossa suodatin ohitetaan ja öljyä kierrätetään sekä valvotaan yhdellä kosteusmittapäistä. Näin voidaan toteuttaa sekä valvonta että kuivaus. Kuva 7: tyypilliset suodatustiedot. Huomautus: vasemman akselin (Aw) asteikko on 0–0,25, ja oikean akselin (tuloöljyn lämpötila) asteikko on 0–45 °C. Tämä esimerkki osoittaa käytölle ominaisen sahalaitakuvion, kun suodatin täyttyy kosteudesta ja kuivataan sitten uudelleen. Huomaa tuloöljyn kosteuden tasainen väheneminen. Suodatusajaksi on tässä esimerkiksi asetettu pidempi aika kuin on tarpeen (12 tuntia), sillä lähdön kosteus ylittää tulon kosteuden.

Pitkäkestoisia toimia tarvitaan

Kosteuden verkkovalvonta voi tarjota arvokkaan olosuhteiden valvontatyökalun muuntajille, joissa on kosteusongelmia. Se voi myös paljastaa sellaisia muuntajien kosteusongelmia, jotka ovat jääneet havaitsematta rutiininomaisessa öljyn näytteenotossa. Yleinen havainto on, että yksittäinen raskas ylikuormitus- ja ylilämpötilatapahtuma voi nopeasti nostaa öljyn kosteutta, kun kosteus poistuu selluloosasta, ja kosteuden palaaminen aiemmalle tasolle voi kestää kauan. Pelkkä valvonta ei kuitenkaan yksin korjaa mitään. Valvonnan perusteella tehdyt toimet sen sijaan voivat saada aikaan olosuhteiden parantumisen. Linjalla tapahtuva kuivaus parantaa öljyn laatua yleensä nopeasti, mutta tämä parannus ei ole välttämättä pysyvä. Valvonta jälkikäteen on järkevää, ja sen tuloksena voidaan usein suorittaa toinen kuivaussykli. Tehokas kuivaus linjalla edellyttää pitkäkestoisia toimia – jopa useita kuukausia kestäviä.

Tämä artikkeli julkaistiin alun perin julkaisussa Vaisala News 175 / 2007 (Colin Feely, laitoksen huoltoinsinööri, Powercor Ltd Melbourne, Australia).

Lataa energiaa käsittelevä e-kirja ja tutustu Vaisalan sähkövoimateollisuuden laitteiden ja palveluiden valikoimaan.