Transformator jest jednym z kluczowych urządzeń sieci elektroenergetycznej. Od jego poprawnej pracy zależy, czy ubezpieczony będzie posiadał energię elektryczną pozwalającą na prowadzenie działalności gospodarczej. W dzisiejszych czasach brak prądu oznacza przestój w produkcji i często ogromne straty. Co zatem się stanie, gdy transformator ulegnie uszkodzeniu? Dlaczego dochodzi do jego awarii?

CO TO JEST TRANSFORMATOR?

Transformator energetyczny to urządzenie, które działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej i jest przeznaczone do przetwarzania energii elektrycznej o określonym napięciu na energię elektryczną o innym napięciu, lecz tej samej częstotliwości.

Transformator składa się z:
• rdzenia wykonanego z blachy transformatorowej,
• izolowanego uzwojenia miedzianego z drutu, folii, przewodów,
• układu chłodzenia,
• wyposażenia, w tym konserwatora, układów zabezpieczeń, izolatorów,
• kadzi,
• przełącznika zaczepów.

Występują dwa podstawowe rozwiązania konstrukcyjne transformatorów:

• Transformatory olejowe, w których rdzeń wraz z uzwojeniami jest zanurzony w kadzi wypełnionej olejem. Olej pełni funkcję izolacyjną i chłodzącą.
• Transformatory suche, w których rdzeń i uzwojenia znajdują się w powietrzu lub zalewie żywicznej. Szczegółowy opis budowy transformatora znalazł się w artykule „Istotna rola transformatora” opublikowanym w „Risk Focus” 2/2006.

GDZIE MOŻNA SPOTKAĆ TRANSFORMATORY?

Transformatory spotykamy wszędzie tam, gdzie jest przetwarzana i wykorzystywana energia elektryczna. Po wytworzeniu w generatorze zainstalowanym w elektrowni energia elektryczna trafia do transformatora blokowego, w którym jest podwyższana do napięcia sieci elektroenergetycznej. W systemie elektroenergetycznym zainstalowany jest szereg transformatorów rozdzielczych, które zmieniają napięcie w stacjach elektroenergetycznych zasilających rejonowe sieci rozdzielcze służące do dostarczania energii do odbiorców, takich jak miasta czy zakłady przemysłowe. Duże zakłady przemysłowe posiadają własne transformatory służące do zasilania całe – go zakładu lub transformatory specjalne skonstruowane do zasilania największych jego urządzeń, np. transformatory olejowe do zasilania pieców łukowych. W urządzeniach do spawania i cięcia łukowego do zasilania łuku spawalniczego stosowane są transformatory spawalnicze, które obniża – ją napięcie i zwiększają jednocześnie natężenie prądu.

USZKODZENIA TRANSFORMATORÓW

Transformatory są urządzeniami o stosunkowo długim czasie użytkowania. Przyjmuje się, że powinny pracować przez 25-40 lat, chociaż można spotkać jednostki użytkowane znacznie dłużej. Zdarza się jednak, że w czasie swojej wieloletniej służby urządzenie ulega uszkodzeniu.

Najczęstszymi przyczynami awarii transformatorów są przepięcia występujące w sieci elektroenergetycznej oraz prze – pływy prądu o dużych wartościach. Jedną z podstawowych przyczyn przepięć są wyładowania atmosferyczne w linię elektroenergetyczną lub w jej pobliżu. Przepięcia powstają także w czasie wystąpienia zwarcia sieci z ziemią, np. po zerwaniu przewodu w trakcie huraganu. Występu – ją też w czasie wyłączania lub załączania transformatora lub linii albo nagłego zmniejszenia obciążenia urządzenia. Przepływ przez transformator prądu o wartości większej niż wartość znamionowa może wystąpić podczas zwarcia lub w wyniku przeciążenia jednostki, wadliwej eksploatacji albo w przypadku awarii zabezpieczeń transformatora. Kolejną przyczyną awarii transformatorów jest przegrzewanie się jego uzwojeń w wyniku awarii układu chłodzenia lub ubytku oleju. Transformatory uszkadzają się także przez błędy konstrukcyjne oraz zużyty lub wadliwy olej. Szereg uszkodzeń wynika z przyczyn eksploatacyjnych, spowodowanych pogarszaniem się jakości izolacji uzwojeń.

Zdaniem Claude’a Beauchemina, Dyrektora ds. Rozwoju Technicznego w firmie TJ|H2b Analytical Services Inc., specjalizującej się w diagnostyce transformatorów i innych urządzeń na podstawie badań olejów i innych materiałów izolacyjnych, nie można wyróżnić jednej dominującej przyczyny wszystkich awarii. Z wykresu na kolejnej stronie wynika, że przyczyny awarii rozkładają się mniej więcej równomiernie między trzema głównymi elementami transformatora (rdzeniem i uzwojeniami, izolatorami przepustowymi, przełącznikami zaczepów) z mniejszym udziałem układów chłodzenia i innych zdarzeń (zwierzęta, środowisko, błędy ludzkie). Wobec powyższego Claude Beauchemin wskazuje, że odpowiedni program monitoringu (off-line i on-line) powinien obejmować co najmniej te trzy elementy.

SZKODY W TRANSFORMATORACH

Sygnałem wskazującym na uszkodzenie transformatora jest zadziałanie jednego z jego licznych zabezpieczeń. Niestety, najczęściej z faktu pobudzenia zabezpieczenia nie można określić, która część w transformatorze została uszkodzona. Więcej informacji o zakresie uszkodzeń dostarcz ją pomiary elektryczne oraz badania oleju. W wielu przypadkach dokładne ustalenie uszkodzonych elementów jest możliwe tylko po demontażu transformatora i dokonaniu jego oględzin wewnętrznych. Dla dużych jednostek koszty rewizji wewnętrznej są znaczne i sięgają kilkuset tysięcy złotych. W niektórych przypadkach nawet po dokonaniu oględzin uszkodzonych elementów nie można jednoznacznie określić przyczyny uszkodzenia. W ustalaniu przyczyn uszkodzeń pomocne są wyniki badań i pomiarów urządzenia wykonanych przed jego uszkodzeniem. Analiza danych z pomiarów eksploatacyjnych, wykonanych nawet wiele lat przed szkodą, dostarcza bezcennych informacji o zachodzących w urządzeniu zjawiskach, które doprowadziły do jego awarii. Specyfika szkód w transformatorach polega zatem na tym, że po stwierdzeniu jego awarii nie zawsze od razu wiadomo, jaki jest zakres uszkodzeń i koszt remontu, do ustalenia przyczyn szkody niezbędne są dane historyczne z eksploatacji urządzenia, a jednoznaczne ustalenie przyczyny awarii nie zawsze jest możliwe.

Przyczyny, zakres i skutki uszkodzeń transformatorów mogą być różne – poniżej trzy przykłady szkód wynikających z awarii transformatorów.

BEZ PRĄDU NIE MA PRODUKCJI

Zakład przemysłowy był zasilany z własnej stacji elektroenergetycznej, w której znajdo – wał się jeden transformator. Pewnego dnia, w czasie normalnej pracy, nastąpiło uszkodzenie wewnętrzne izolatora przepustowe – go strony wysokiego napięcia 220 kV transformatora. W izolatorze zniszczona została izolacja, co spowodowało przepływ prądu zwarciowego i następnie wybuch porcelany izolatora. Eksplodujący izolator uszkodził inne znajdujące się na terenie stacji izolatory oraz aparaty elektryczne. Ze względu na brak zasilania całkowicie została wstrzymana produkcja zakładu, a pracowników wysłano na przymusowe urlopy. Po awarii poszkodowany próbował jak najszybciej uruchomić transformator (z uwagi na jego kluczową rolę w zakładzie), nie posiadał bo  wiem transformatora rezerwowego.

Natychmiast wykonano pomiary elektryczne urządzenia, ich wyniki nie wskazywały jednak na uszkodzenia uzwojeń transformatora. Pomimo to w celu dokładnego sprawdzenia stanu urządzenia podjęto decyzję o rewizji wewnętrznej transformatora, która odbyła się w jednej z hal zakładu. Otwarcie urządzenia było możliwe tylko pod dachem, gdyż konieczne było zabezpieczenie transformatora przed ewentualnymi opada – mi atmosferycznymi. Tymczasem trwały poszukiwania izolatorów przepustowych do zabudowania w miejsce izolatorów uszkodzonych. Poszkodowany miał duży problem ze zdobyciem izolatorów zastępczych, gdyż te dostępne na rynku miały trochę inne wykonanie niż izolatory oryginalne. Ostatecznie udało się zdobyć podobne, jednak przed zamontowaniem wymagały one przebudowania mocowania.

Rewizja wewnętrzna nie wykazała uszkodzenia uzwojeń transformatora. Zamontowano nowe izolatory, transformator został włożony z powrotem do kadzi, zmontowany, przewieziony na stanowisko do stacji elektroenergetycznej zakładu, zalany olejem i podłączony. Po podłączeniu przeprowadzono ponownie pomiary elektryczne i stwierdzono, że transformator jednak jest uszkodzony. Ponownie wypompowano olej z transformatora. Następnie do kadzi wszedł monter, który ostatecznie zlokalizował miejsce uszkodzenia transformatora. Urządzenie niezwłocznie przetransportowano do zakładu remontowego, gdzie odbyła się rewizja wewnętrzna i stwierdzono uszkodzenie uzwojenia. Od momentu wyłączenia transformatora po awarii izolatora upłynęło już 15 dni, zakład cały czas nie produkował.

Zgodnie z opiniami ekspertów uszkodzenie izolacji uzwojenia mogło być spowodowane przepięciem, które powstało w czasie uszkodzenia izolatora przepustowego. Czas remontu transformatora zakład remontowy określił na 80 dni. Aby zminimalizować utratę zysku, ubezpieczony podjął próbę wypożyczenia lub zakupu używanego transformatora o podobnych parametrach. Po 10 dniach poszukiwań udało się wypożyczyć urządzenie z innego zakładu produkcyjnego. Wypożyczony transformator był bardzo stary i nieużywany od lat, zatem przed uruchomieniem musiał przejść drobny remont oraz zostać zalany nowym olejem. Ostatecznie po zamontowaniu wypożyczonego transformatora zakład został uruchomiony i produkcję wznowiono. Całkowity czas przestoju zakładu wyniósł 46 dni.

Ubezpieczony posiadał zawartą umowę ubezpieczenia maszyn od uszkodzeń oraz utraconego zysku. Koszt naprawy uszkodzonego transformatora wyniósł 2 mln zł, zaś straty wynikające z przestoju w produkcji były 10 razy większe. Odszkodowanie z umowy ubezpieczenia utraconego zysku zawierało zarówno straty wynikające z utraty obrotu, jak i koszty wypożyczenia, transportu i remontu transformatora zastępczego. Bez ubezpieczenia utraty zysku zakład mógł wpaść w olbrzymie problemy finansowe. Uszkodzony transformator okazał się typowym wąskim gardłem w zakładzie. Prowadzenie produkcji bez posiadania transformatora rezerwowego było niewątpliwie bardzo ryzykowne. Warto też wskazać, że wielka determinacja poszkodowanego w poszukiwaniu zastępczego źródła zasilania znacznie skróciła okres przestoju i zminimalizowała straty w produkcji.

AWARIA W STACJI ELEKTROENERGETYCZNEJ

W stacji elektroenergetycznej, zasilającej m.in. duży zakład przemysłowy oraz miejską oczyszczalnię ścieków, zainstalowany był autotransformator. Pewnego zimowego dnia w wyniku zadziałania zabezpieczenia autotransformatora nastąpiło wyłączenie urządzenia. Stwierdzono prawidłowe zadziałanie zabezpieczeń. Bezpośrednio przed wystąpieniem zakłócenia w stacji nie były wykonywane żadne czynności łączeniowe, nie stwierdzono też przepięć w sieci elektroenergetycznej. Po otwarciu transformatora w zakładzie remontowym i wykonaniu rewizji wewnętrznej ustalono, że bezpośrednią przyczyną awarii było wyładowanie łukowe między dwiema fazami uzwojeń na odpływach prowadzących do przełącznika zaczepów, które przekształciło się w zwarcie dwufazowe do ziemi (stwierdzono ślady łuku na ściance kadzi transformatora). Znaczny prąd łuku oraz fakt, że rozwijał się on w swobodnej przestrzeni olejowej, spowodował silne działania mechaniczne, rozkład oleju generujący gaz, co doprowadziło do wzrostu ciśnienia w kadzi. Powyższe zjawiska wywołały gwałtowne i silne drgania całego transformatora, również jego podskoki. To było prawdopodobną przyczyną uszkodzeń wtórnych: izolatorów przepustowych i przełącznika zaczepów.

Jednoznaczne ustalenie przyczyny szkody okazało się niemożliwe, eksperci podali trzy hipotezy:
1. Poluzował się lub urwał jeden ze styków, do których przyłączony był odpływ biorący udział w zwarciu.
2. W wyniku gromadzenia się zanieczyszczeń stałych, które osadziły się na izolacji papierowej odpływów, następowały wyładowania niezupełne prowadzące do przebicia.
3. Pękł jeden drut lub kilka drutów miedzianych w lince jednego z odpływów, co doprowadziło do powstania wyładowań niezupełnych lokalnie niszczących izolację papierową odpływu.

Właściciel stacji elektroenergetycznej był zmuszony natychmiast po powstaniu szkody podjąć działania mające na celu zapewnienie zasilania odbiorców. Kluczową sprawą stało się przywrócenie zasilania oczyszczalni ścieków, aby uniknąć katastrofy ekologicznej. Priorytetem było też zapewnienie prądu mieszkańcom, szczególnie że był to okres zimowy i mieszkańcy wykorzystywali energię elektryczną do ogrzewania domów (np. do zasilania pieców gazowych). Brak energii elektrycznej spowodował także wstrzymanie produkcji w zakładzie przemysłowym i wymierne straty finansowe. Aby zapewnić zasilanie, dostawca energii elektrycznej z innej stacji przywiózł identyczny transformator i w ciągu dwóch dni przy – wrócił zasilanie.

DLACZEGO TRANSFORMATOR SIĘ USZKODZIŁ?

Ustalenie przyczyny uszkodzenia transformatora może być czasami bardzo trudne i wymagać bardzo szczegółowych analiz. W poniższym przykładzie pierwotna przyczyna szkody, którą było uderzenie pioruna w pobliżu, uruchomiła łańcuch zdarzeń doprowadzających do znacznego uszkodzenia urządzenia.

W dniu 21 czerwca, podczas burzy miało miejsce bardzo silne wyładowanie atmosferyczne, które spowodowało pobudzenie zabezpieczeń elektrycznych w torze wyprowadzenia mocy z bloku elektrowni. Blok pracował jednak normalnie. Dzień później nastąpiło jego awaryjne wyłączenie spowodowane zadziałaniem zabezpieczeń elektrycznych. W chwili wyłączenia blok pracował stabilnie i nie stwierdzono symptomów nie – normalnej pracy transformatora. Po jego wyłączeniu przystąpiono do oględzin oraz ustalenia przyczyny zadziałania zabezpieczeń. Wykonano pomiary oleju, pobrano próbki do analizy. Wyniki wykazały obecność gazów palnych i stwierdzono jednoznacznie wystąpienie zwarcia łukowego w transformatorze. Wykonano pomiary elektryczne. Oględziny transformatora wykazały nieznaczne wycieki oleju w okolicy izolatora przepustowego fazy L1. Po demontażu izolatora przepustowe – go stwierdzono przepalenie części kondensatora przepustu ze śladem wyładowania do obudowy kominka.

Po opisanym wcześniej zdarzeniu wymieniono izolator przepustowy oraz uzyskano pozytywne badania i pomiary. W dniu 27 czerwca transformator został uruchomiony, zsynchronizowany z siecią i pracował bez zastrzeżeń. Kilka tygodni później, 18 lipca, nastąpiło kolejne awaryjne wyłączenie bloku spowodowane zadziałaniem zabezpieczeń transformatora blokowego i bloku. Bezpośrednio po zdarzeniu pobrano próbki oleju do analizy oraz zlecono pomiary diagnostyczne. Wyniki przeprowadzonych pomiarów jednoznacznie wykazały uszkodzenie transformatora i brak możliwości jego dalszej eksploatacji. Poszkodowany podjął decyzję o zastąpieniu uszkodzonego transformatora rezerwowym.

Odbyły się kolejne oględziny zdemontowanego transformatora – w ich wyniku zinwentaryzowano uszkodzenia:

• ślady spalonej izolacji i fragmentów folii aluminiowej (pochodzącej z części kondensatorowej uszkodzonego izolatora) na układach izolacyjnych i w kanałach olejowych uzwojeń,
• przebarwienia izolacji na powierzchni dolnej części wszystkich uzwojeń,
• zanieczyszczenie oleju śladami pro – duktów spalania oleju i izolacji,
• występowanie zwarć między przewodami równoległymi uzwojeń GN.

Po przeprowadzeniu szczegółowych analiz ustalono, że przyczyną awarii z 18 lipca było masywne wyładowanie łukowe wewnątrz kadzi transformatora spowodowane wydostaniem się z zachyłków układu chłodzenia fragmentu folii aluminiowej będącej pozostałością układu izolatora przepustowego uszkodzonego w dniu 21 czerw – ca. Z uwagi na skomplikowany obieg oleju wewnątrz transformatora, jak również bardzo ograniczoną dostępność zachyłków przestrzeni olejowej poszkodowany nie miał praktycznie możliwości całkowitego oczyszczenia przestrzeni olejowej z zanieczyszczeń powstałych w czasie czerwcowej awarii. Oczyszczenie takie byłoby możliwe po całkowitym rozebraniu zarówno układu chłodzenia, jak i uzwojeń. Bardzo dobre wyniki pomiarów oleju nie wskazywały na konieczność przeprowadzenia rewizji wewnętrznej urządzenia. Po uszkodzeniach z 18 lipca zaistniała konieczność przezwojenia transformatora – koszt tego procesu wyniósł 5 mln zł.

JAK SPRAWDZIĆ, CZY URZĄDZENIE JEST SPRAWNE?

Aby uzyskać informację o aktualnym stanie technicznym transformatorów, wykonuje się cykliczne pomiary diagnostyczne. Przeprowadzanie badań można porównać do okresowej analizy krwi u ludzi; są konieczne, aby poznać, czy urządzenie jest zdrowe. Jeżeli wskutek badań okaże się, że kontrolowane wielkości przekracza – ją dopuszczalne granice, podejmowana jest decyzja o wykonaniu przeglądu wewnętrznego transformatora. W przypadku gdy otrzymane wyniki mieszczą się w dopuszczalnych granicach, a zachodzi podejrzenie niekorzystnych zmian jego stanu technicznego, wykonywane są dodatkowe pomiary. Obecnie w diagnostyce przede wszystkim stosuje się metodę analizy chromatograficznej gazów rozpuszczonych w oleju transformatora. Pozwala ona wykryć nawet niewielkie procesy degradacji izolacji, np. lokalne przegrzewy oraz wyładowania zupełne i niezupełne.

„Rozszerzone techniki monitoringu (dzięki którym można wykryć więcej niż jeden rodzaj usterki) są często bardziej efektywne kosztowo niż metody specjalistyczne i skoncentrowane na jednym typie problemu. Analiza gazów rozpuszczonych w oleju (DGA) jest prawdopodobnie najbardziej przydatną metodą wykrywania początkowej fazy problemów. Okresowe zestawy badań oleju (fizykochemiczne, woda i DGA, wykonywane przeważnie w odstępach rocznych) zarówno dla kadzi głównej, jak i komory przełącznika zaczepów są prostym i skutecznym sposobem wykrywania wczesnego stadium usterek. Gdy istnieje podejrzenie wystąpienia usterki, możemy wykorzystać bardziej wyspecjalizowane techniki badawcze”, wyjaśnia Claude Beauchemin z TJ|H2b Analytical Services.

Poza analizą DGA wykonywany jest szereg innych badań, w tym pomiar parametrów oleju, rezystancji izolacji i uzwojeń, przekładni, prądu magnesującego. Celem wskazanych powyżej badań jest wykrycie zmian w stanie technicznym transformatora oraz ustalenie miejsca powstania uszkodzenia. Terminowo wykonywana diagnostyka pozwala szybko podjąć decyzje zapobiegające poważnym uszkodzeniom transformatorów.

„Izolatory przepustowe stanowią szczególny przypadek z uwagi na trudności z poborem próbek oleju. Na szczęście konstrukcja większości izolatorów umożliwia monitorowanie (on-line lub off-line) stopnia degradacji izolacji. W przypadku monitoringu off-line badania powinny być wykonywane w odstępach co kilka lat”, podpowiada Claude Beauchemin z TJ|H2b Analytical Services.

NASZE DROGIE TRANSFORMATORY

Transformator jest urządzeniem, o które trzeba szczególnie dbać. Montowane są w nich zabezpieczenia i urządzenia pomiarowe (czujniki temperatury, czujniki gazów, przekaźniki gazowo-przepływowe) oraz zabezpieczenia przed przepięciami, np. ochronniki, iskierniki, odgromniki. Pomimo stosowania zabezpieczeń i monitorowania stanu transformatora nie można wykluczyć, że ulegnie on awarii. Jeżeli zakład przemysłowy posiada własny transformator, to niezbędne jest dokonanie analizy, jakim zagrożeniem dla zakładu jest awaryjne wyłączenie tego urządzenia.

W przypadku dużych lub nietypowych transformatorów ich naprawa może trwać kilka miesięcy, a czas niezbędny na dostawę nowego urządzenia może przekroczyć rok. Warto zatem posiadać transformator rezerwowy lub co najmniej informację, gdzie i w jakim terminie jednostka rezerwowa jest dostępna. Straty związane z zatrzymaniem produkcji ze względu na awarię transformatora najczęściej wielokrotnie przekraczają koszt jego naprawy, a nawet zakupu nowego.

Program ubezpieczeniowy obejmujący ubezpieczenie maszyn od uszkodzeń oraz utraty zysku wskutek uszkodzeń maszyn zapewni w razie szkody środki finansowe na naprawę lub wymianę transformatora. Zminimalizuje także straty związane z brakiem zysku oraz dodatkowymi kosztami poniesionymi np. na wypożyczenie transformatora rezerwowego.

 

 

About the author

Tagi: , , , , , , ,

POLECANE DLA CIEBIE

TAGI