گاز کروماتوگرافی روغن ترانس از سیر تا پیاز

بروز خطا در ترانسفورماتور موجب تخریب سیستم عایقی روغن و کاغذ و تولید گازهای مختلف می­شود.

در اثر تجزیه روغن گازهایی نظیر هیدروژن، اتان، متان، استیلن و در اثر تخریب کاغذ گازهای مونوکسید کربن و دی­اکسیدکربن تولید می­شود.

خطاها عموما به دو دسته الکتریکی و حرارتی تقسیم می­شوند که هر کدام از این دو دسته می­توانند منجر به دیگری شوند.

در حال حاضر روش اندازه­ گیری گازهای محلول در روغن (DGA) یا گاز کروماتوگرافی روغن ترانس یک ماه پس از نصب ترانسفورماتور و به صورت دوره­ های مشخص و نیز در هنگام بروز خطا در شبکه انجام می­شود.

آزمایش گاز کروماتوگرافی روغن ترانس یکی از مهمترین ابزار جهت تعیین وضعیت ترانسفورماتور می­باشد.

تحلیل نتایج حاصل از گاز کروماتوگرافی روغن ترانس در تصمیم ­گیری برای ادامه بهره ­برداری از ترانسفورماتور حائز اهمیت است.

با این حال در روش گاز کروماتوگرافی روغن ترانس تقریب­ هایی وجود دارد که باعث می­شود نتایج حاصل دقت مناسب را نداشته باشد.

کی از مهمترین عواملی که باعث عدم کارایی مناسب در این تست شده است نحوه اجرای آن می­ باشد.

از آنجائی که برنامه نمونه­ گیری و آنالیز روغن در دوره­ های زمانی معین (Time Based) و یا در هنگام بروز خطا انجام می­ شود ممکن است بعضی از خطاها آشکار نگردد و یا اینکه برطبق این برنامه ثابت دوره ­ای، انجام تست پس از بوجود آمدن یک شرایط بحرانی برای ترانسفورماتور انجام گردد.

از اشکالات دیگر این روش آنست که نمی­توان همبستگی زمانی بین تولید گازها را با عوامل مختلف تاثیرگذار بر عملکرد ترانسفورماتور نظیر تغییرات بار، ولتاژ ، دما و… که در گذشته اتفاق افتاده ­اند و منشا تولید گاز بوده ­اند را پیدا نمود.

برای حل این مشکل در سالیان اخیر از دستگاه آشکارساز گاز روغن که بر روی ترانسفورماتور قرار داده می­شود استفاده می­ شود.

در سیستم پایش پیوسته با قرار دادن یک دستگاه آشکارساز گاز در روغن می­توان مقدار گاز را به طور پیوسته اندازه ­گیری و نمایش داد و در صورت بروز خطا توسط این دستگاه برای بهره ­بردار هشدار مناسب جهت انجام گاز کروماتوگرافی روغن ترانس بر اساس شرایط واقعی (Condition Based) ایجاد می­ شود.

علاوه بر اینکه به کمک این دستگاه می­توان خطاها را در زمان تولید آشکار نمود خطاهای در حال پیشرفت در ترانسفورماتور نیز از طریق نرخ تغییرات گازهای تولید شده مشخص می­شود

و از این راه می­توان از بوجود آمدن خطرات جدی برروی ترانسفورماتور جلوگیری نمود.

در ادامه ابتدا دلایل تولید گازها و روش های شناسایی خطا از طریق گاز کروماتوگرافی روغن ترانس و تحلیل آنها بررسی می­ شود.

گازهای محلول در روغن و دلایل تولید آنها

بروز خطا در ترانسفورماتور موجب تخریب سیستم عایقی روغن و کاغذ و تولید گازهای مختلف می­شود.

در اثر تجزیه روغن گازهایی نظیر هیدروژن، اتان، متان، استیلن و در اثر تخریب کاعذ گازهای مونوکسید کربن و دی اکسید کربن تولید می­شود.

در شکل­ های ۱ و ۲ نسبت بین این گازهای مختلف که در اثر خطاهای مختلف تولید شده ­اند براساس دمای محل خطا نشان داده شده است.

محور دما در این دو شکل مربوط به دمای محل وقوع عیب می­ باشد.

در یک ترانسفورماتور روغنی، تولید گاز مشابه یک برج تولید نفت خام می ­باشد که در آن گازهای مختلف در دماهای خاص تشکیل می­ شوند.

مطابق شکل ۱، هیدروژن و متان در دمای حدود ۱۵۰ درجه سانتیگراد، گاز اتان در حدود ۲۵۰ درجه سانتیگراد و اتیلن در حدود ۳۵۰ درجه سانتیگراد تولید می­شوند.

نکته قابل توجه در مورد تولید گازهای متان، اتان و اتیلن کاهش مقدار این گازها بعد از دمای خاص می ­باشد.

تولید گاز استیلن در این شکل در رنج دمایی ۵۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد اعلام شده است.

در گذشته تولید مقدار کمی استیلن به عنوان وجود خطای ۷۰۰ درجه سانتیگراد تلقی می­شد اما تحقیقات جدید نشان داده است که دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد هم می­ تواند مقدار کمی استیلن تولید کند.

مقادیر زیاد استیلن در دمای بالای ۷۰۰ درجه سانتیگراد توسط جرقه ­های درونی ترانسفورماتور تشکیل می­ شود.

مطابق شکل ۲ تولید دو گاز مونوکسید کربن و دی­اکسید کربن با افزایش دما بالا می­رود. تولید این دو گاز در دمای کمتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد آغاز می­شود.

شکل 1: نمودار تشکیل گازهای قابل احتراق در روغن بر اساس تغییرات دما

شکل ۲: نمودار تشکیل گازها در کاغذ بر اساس تغییرات دما

خطاهای اشاره شده در فوق عموما به دو دسته الکتریکی و حرارتی تقسیم می­ شوند که هر کدام از این دو دسته می­ توانند منجر به دیگری شوند.

این دو دسته نیز به دسته ­بندی­ های دیگری تقسیم می ­شوند.

بطور کلی خطاها به صورت زیر دسته­ بندی می ­شوند:

– خطای تخلیه جزیی:

در هنگام این خطا که ممکن است در اثر عواملی نظیر تضعیف عایقی ناشی از پیری و یا شوک ­های الکتریکی ایجاد شده باشد، گاز هیدروژن، مقدار کمی CH4 و C2H6 در صورت اثر روی کاغذ عایقی و مقداری CO تولید خواهد شد.

– تخلیه با انرژی کم (Low Energy Arc) و یا دشارژ استاتیکی:

در اثر این خطاها گازهای H2 ،CH4  و مقدار کمی C2H6 تولید می­شود و در صورتیکه تخلیه شامل عایق کاغذی شود مقداری CO نیز تولید می­شود.

– تخلیه با انرژی بالا  (High Energy Arc):

در اثر خطای Arc گازهای H2، CH4، C2H2، C2H4، C2H6 تولید می­شود.

در این خطا گاز C2H2 گاز کلیدی است و ممکن است به مقدار زیاد تولید شود. اگر تولید این گاز ادامه داشته باشد به این مفهوم است که خطای Arc همچنان ادامه دارد.

در این خطا در صورتی که گاز با گرمای اضافه مواجه شود گاز CO نیز تولید خواهد شد.

– خطاهای حرارتی کمتر از ۳۰۰ درجه سانتیگراد:

در هنگام این خطا گازهای H2 و CO تولید خواهدشد.

– خطاهای حرارتی بین ۳۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد:

در اثر بروز این نوع خطای حرارتی گازهای H2، CO، CH4، C2H4 و C2H6 تولید خواهد شد.

– Arc الکتریکی با انرژی زیاد در ۷۰۰ درجه سانتیگراد به بالا:

در اثر این خطا تمام گازها تولید می­شوند و مقدار گاز استیلن زیاد خواهد بود.

– از دیگر عوامل تولید گاز در ترانسفورماتور وجود نشتی در ترانسفورماتور است. در اثر این پدیده گازهای مربوط به جو شامل نیتروژن، اکسیژن و دی­اکسید کربن وارد ترانسفورماتور می­شود.

به غیر از موارد اشاره شده در اثر عوامل زیر نیز در ترانسفورماتور گاز تولید می­ شود:

– در شرایط عادی بهره ­برداری از ترانس، گاز هیدروژن به میزان غالب و گازهای مونوکسیدکربن و دی­اکسیدکربن تولید می­ شود.

– بهره­ برداری از ترانسفورماتور در شرایط اضافه بارگیری باعث تولید گازهای قابل اشتعال نظیر متان، اتان، استیلن و اتیلن می­ شود.

– وجود اشکال در سیستم خنک­ سازی موجب افزایش گرما و تولید گاز می ­شود.

– مسدود شدن مسیرهای عبور روغن از سیم‌­پیچ ­ها با رسوب و لجن باعث افزایش دما و تولید گاز می­ شود.

– وجود اشکال در مسیرهای عبور روغن در ترانس ­های OD باعث افزایش حرارت و تولید گاز خواهد شد.

– جریان­ های سرگردان که در هسته و یا تانک ترانسفورماتور بوجود می ­آیند باعث افزایش حرارت می­ شوند.

– اتصال نامناسب در هادی ها و یا تپ چنجرها می­ تواند باعث بالا رفتن دمای این قطعات گردد.

– تخلیه الکترواستاتیکی ناشی از تجمع بار الکتریکی در شیلد تجهیزاتی که به خوبی زمین نشده ­اند نیز دمای ترانسفورماتور را افزایش می­دهد.

– عایق ضعیف و یا صدمه دیده می­تواند باعث ایجاد Arc بین سیم ­پیچ و زمین و یا بین سیم­ پیچ ­ها در ولتاژ مختلف رخ دهد.

همانطور که در قبل نیز اشاره شد عوامل فوق و سایر عوامل با توجه به دمایی که در محل ایجاد می­ کند باعث تولید گاز با نسبت های خاص خواهد شد.

بررسی تشخیص خطاهای درون ترانسفورماتور با استفاده از گاز کروماتوگرافی روغن ترانس

روش ­های مختلفی برای تحلیل گاز کروماتوگرافی روغن ترانس ارائه شده است که در ذیل فقط به آنها اشاره می ­شود:

– روش ارائه شده در IEEEC57.104

– روش نسبت­ های راجرز در تحلیل نتایج گاز کروماتوگرافی روغن ترانس

– روش تعیین نسبت دی­اکسید کربن به مونواکسید کربن

– روش تعیین نوع عیب با استفاده از مثلث Duval

تقریب­های روش گاز کروماتوگرافی روغن ترانس

در روش گاز کروماتوگرافی روغن ترانس تقریب­هایی وجود دارد که باعث می­شود نتایج حاصل دقت مناسب را نداشته باشد. در ادامه این تقريب­ها بررسی می­شود:

۱- اثر تغییرات دما در تولید گاز در ترانس

نرخ تولید گاز با افزایش دما به صورت نمایی رشد می­ کند (نمودارها در دو شکل ۱ و ۲ به صورت خطی نشان داده شده ­اند).

دما با افزایش فاصله از محل خطا کاهش می­ یابد.

به طوری که در محل خطا دما بالاترین مقدار را خواهد داشت.

بنابراین روغن و کاغذ در این محل بیشترین گاز را تولید خواهند کرد. با افزایش فاصله از محل خطا و در نتیجه کاهش دما، تولید گاز نیز کاهش می­ یابد.

بنابراین نمونه­ گیری از روغن که با فاصله محل خطا قرار دارد، به خوبی وضعیت گازهای ترانسفورماتور را مشخص نخواهد کرد.

۲- اثر تغییرات حجم در مقدار گاز

نرخ تولید گاز با حجم روغن و گاز رابطه مستقیم دارد به علت تاثیر حجم روغن در تولید گاز، حجم بزرگ عایق در معرض حرارت، ممکن است مقدار مشابهی گاز با حجم کوچک عایق در دمای بالاتر تولید کند.

اما نوع گازهای تولید شده با هم متفاوت خواهند بود.

این مسئله، تصمیم ­گیری در مورد وجود خطا را مشکل می­کند. به عبارتی اگر چه یک نقطه با دمای بالا در ترانسفورماتور وجود دارد، اما به علت حجم کوچک عایق که در معرض دمای بالاست، مقدار کمی گاز تشکیل خواهد شد.

۳- زمان پخش گاز در روغن

تمرکز گاز در نزدیکی یک خطای فعال بیشتر از تمرکز آن در نمونه روغن ترانسفورماتور است.

با افزایش فاصله از محل خطا مقدار گاز درون روغن کاهش می­یابد. تعادل در پخش گاز درون روغن یک فرآیند وابسته به زمان است.

نحوه چرخش روغن نیز بر پخش گاز مؤثر خواهد بود. در صورت عدم وجود پمپ روغن، زمان زیادی برای پخش کامل گازها نیاز می ­باشد.

اگر ترانس، پمپ روغن داشته باشد، پخش گاز حدود ۲۴ ساعت به طول خواهد انجامید در این حال صورتی که نمونه ­گیری ۲۴ ساعت پس از وقوع خطا انجام شود، این مسئله اثر کمی در نتایج گاز کروماتوگرافی روغن ترانس خواهد داشت.

۴-حلالیت گازها در روغن

حلالیت گازها در روغن با تغییر فشار و دما متغیر است.

حلالیت تمام گازها به صورت متناسب با فشار تغییر می­کند.

اما تغییرات آن با دما تاحدی پیچیدگی دارد.

حلالیت هیدروژن، نیتروژن، مونواکسید کربن و اکسیژن به صورت مستقیم با دما ارتباط دارد.

اما در مورد دی­اکسیدکربن استیلن، اتیلن و اتان بین حلالیت و دما رابطه عکس وجود دارد.

در مورد متان نیز حلالیت آن با دما تغییر نمی­کند.

از طرف دیگر در یک دمای ثابت میزان حلالیت گازها با یکدیگر متفاوت خواهد بود.

از آنجا که در آزمایش DGA، فقط مقدار گازهای محلول در روغن تشخیص داده می­ شوند،

بنابراین تغییرات دمایی باعث اختلاف بین مقدار گازهای تولید شده و مقادیر خوانده شده در آزمایش گاز کروماتوگرافی روغن ترانس خواهد شد.

این مسئله یکی دیگر از دلایل عدم وجود دقت کافی در آزمایش گاز کروماتوگرافی روغن ترانس می ­باشد.

۵- انجام تست بر اساس بازه­ های زمانی ثابت

همانطور که در قسمت­های قبل اشاره شد انجام نمونه­ گیری برای تست­ های گاز کروماتوگرافی روغن ترانس در دوره ­های زمانی معین و یا در هنگام بروز خطا انجام می­شود.

هر چند در حال حاضر نتایج تست گاز کروماتوگرافی روغن ترانس اطلاعات مورد نیاز را برای تصمیم ­گیری در مورد وضعیت کنونی ترانسفورماتور در اختیار می­گذارد،

اما آمار بدست آمده از بهره­ برداران در طول سالیان متمادی نشان می­دهد که گاز کروماتوگرافی روغن ترانس به اندازه کافی در حل مشکلات ترانسفورماتور سودمند نبوده است.

به عبارت دیگر استفاده از گاز کروماتوگرافی روغن ترانس در فواصل دوره­ای سالیانه و یا طولانی­ تر موجب می­شود که در فاصله بین دو نمونه­ برداری بعضی از خطاها آشکار نگردد

و یا اینکه انجام تست گاز کروماتوگرافی روغن ترانس پس از پیشرفت خطا و بوجود آمدن شرایط بحرانی برای ترانسفورماتور انجام گردد.

شاید به نظر برسد برای حل این مشکل فاصله زمانی بین نمونه­ گیری­ ها باید کاهش یابد ولی عملا انجام این کار هزینه براست و تاثیر مناسب را نیز نخواهد گذاشت به طور کلی آزمایشات برپایه نمونه ­برداری دوره ­ای غیر کاربردی و پر هزینه است.

در ادامه پایش پیوسته گازهای محلول در روغن جهت افزایش کارایی تست گاز کروماتوگرافی روغن ترانس پیشنهاد می­شود.

پایش پیوسته گازهای محلول در روغن

روش پایش مداوم گازهای محلول در روغن به منظور برطرف کردن اشکال انجام تست بر اساس بازه ­های زمانی ثابت پیشنهاد شده است.

بدین منظور یک دستگاه آشکارساز گازهای محلول در روغن بر روی ترانسفورماتور قرارداده می­شود و به وسیله آن به طور پیوسته مقدار گازها اندازه­گیری، ثبت و نمایش داده می­شود.

اندازه ­گیری پیوسته گازهای روغن علاوه براینکه خطاها را در زمان تولید آشکار می­کند،

خطاهای در حال پیشرفت را نیز از طریق شیب تغییرات گازهای تولید شده مشخص می­کند.

انتخاب دستگاه اندازه ­گیری مناسب

در انتخاب دستگاه اندازه ­گیری مناسب پارامترهای مختلفی ممکن است در نظر گرفته شود.

در این میان تعداد گازهای قابل تشخیص توسط دستگاه و قیمت آن از اهمیت بالایی برخوردار هستند.

به عبارت دیگر برای انتخاب مناسب، باید میان این دو پارامتر یک نقطه بهینه یافت.

انواع دستگاه­های آشکارساز

در حال حاضر دو نوع از این دستگاه ­های آشکارساز وجود دارد:

دستگاه­ های هشداردهنده خطا و دستگاه ­های گاز کروماتوگرافی روغن ترانس به صورت on-line.

در دستگاه­ های هشدار دهنده یک یا چند گاز کلیدی اندازه ­گیری می­شود و افزایش گاز در روغن گزارش داده می­شود و به این وسیله زمان مناسب برای نمونه­ گیری از روغن و انجام تست گاز کروماتوگرافی روغن ترانس اعلام می­گردد.

در دستگاه­ های گاز کروماتوگرافی روغن ترانس به صورت on-line کلیه گازها به طور دائم اندازه ­گیری و گاز کروماتوگرافی روغن ترانس کامل انجام می­شود.

در این دستگاه­ ها با آشکارسازی کامل گازها نوع خطا نیز مشخص می­شود.

مسلم است دستگاه ­های گاز کروماتوگرافی روغن ترانس به صورت on-line دقیق­تر و کامل­تر از دستگاه­ های هشدار دهنده هستند ولی قیمت این تجهیزات حدود چهار برابر بالاتر می­باشد.

لذا برای انتخاب دستگاه مناسب باید هر دو پارامتر کارایی و قیمت در نظر گرفته و براساس آن تصمیم­ گیری شود.

اگر چه برخی از این تجهیزات، گاز کروماتوگرافی روغن ترانس را به صورت کامل انجام می­دهند و اطلاعات مناسبی را در اختیار بهره ­بردار می­گذارند اما در بسیاری موارد می­توان به یک سیستم هشدار مناسب اکتفا نمود.

از طرف دیگر در میان دستگاه های هشداردهنده استفاده از تجهیزاتی که دو گاز هیدورژن و مونواکسیدکربن را تشخیص می­دهند، می­تواند یک سیستم هشدار مناسب را برای انجام گاز کروماتوگرافی روغن ترانس را ایجاد کند.

همانطور که قبلا هم توضیح داده شد تنها گازی که در تمام عیب­ های روغن ترانسفورماتور تشکیل می­شود و با افزایش دمای عیب مقدار آن بالا می­رود، هیدروژن است.

مونواکسید کربن نیز در صورتی که کاغذ تحت تنش ­های الکتریکی و حرارتی باشد، تشکیل خواهد شد.

در این تجهیزات، نوع خطا پس از نمونه­ گیری و انجام گاز کروماتوگرافی روغن ترانس و با توجه به نتایج گذشته مشخص می­شود.

توجیه انتخاب بین این دو با توجه به نوع و شرایط ترانسفورماتور از جمله عمر و میزان اهمیت و هزینه قابل قبول برای ترانسفورماتور می­باشد.

نمایش و ثبت اطلاعات گاز کروماتوگرافی روغن ترانس

این تجهیزات توانایی مشاهده و ثبت مقادیر گازها را به صورت های مختلف مقدار مطلق، رشد هفتگی و رشد ماهانه، متوسط و حداقل و حداکثر در یک بازه زمانی را دارند که هم بصورت درج در جدول و هم منحنی قابل مشاهده و گزارش گیری هستند.

نمونه­ ای از نتایج ارزیابی در یک بازه زمانی شش ماهه در جدول ۱ آورده شده است.

(بازه زمانی انتخاب شده ۶-۲۰۰۸ تا 12-2088 می­باشد).

مقدار این گازها در ترانسفورماتور مورد مطالعه همواره در شرایط نرمال قرار داشته است. نتایج بدست آمده از گاز کروماتوگرافی روغن ترانس نیز این موضوع را تایید می­کند.

در شکل ۳ نمونه ­ای از نحوه نمایش گازها نشان داده شده است.

جدول 1: نتایج بدست آمده در یک بازه شش ماهه

شکل ۳: نمایش و ثبت پیوسته گازها

محل نصب دستگاه گاز کروماتوگرافی روغن ترانس

محل پیشنهادی برای نصب دستگاه در قسمت مستقیم لوله برگشتی از رادیاتور و در طرف تخلیه پمپ (در صورت وجود) می­ باشد.

این ناحیه از نظر جریان روغن، تناسب با دمای کاری روغن و دسترسی آسان بهترین محل می­ باشد.

نقاط پیشنهادی دیگری نیز وجود دارند:

– پایین خنک­ کننده (رادیاتور)

– شیر ورودی روغن روی دیواره تانک

– بالای رادیاتور خنک ­کننده

– شیر خروجی روغن تانک

شکل ۴: نواحی مناسب برای نصب

برای نصب و یا تعمیر این تجهیز معمولا نیازی به بی­برقی ترانسفورماتور نیست و خللی در عملکرد ترانسفورماتور ایجاد نمی­کند این سنسور را می­توان به تنهایی و یا جزیی از یک سیستم مانیتورینگ On-line اجرا نمود.

در شکل ۵ نمونه نصب شده این تجهیز در  یک پست ۲۳۰ کیلوولت نمایش داده شده است.

شکل ۵: نمونه نصب شده دستگاه در پست ۲۳۰ کیلوولت

نتیجه­ گیری و جمع­ بندی

یکی از خطاها و اشکالات موجود در ترانسفورماتور تولید گازهای مضر محلول در روغن در اثر عواملی از جمله تخلیه جزئی، حرارت ناشی از افزایش بارگیری و … می­باشد.

در حال حاضر برای شناسایی این اشکالات، از روغن ترانسفورماتور به صورت دوره ­ای نمونه ­برداری و در آزمایشگاه آنالیز می­شود.

از آنجائی که برنامه نمونه ­گیری و آنالیز روغن در دوره ­های زمانی معین انجام می­شود ممکن است بعضی از خطاها آشکار نگردد و یا اینکه برطبق این برنامه ثابت دوره ­ای، انجام تست پس از بوجود آمدن یک شرایط بحرانی برای ترانسفورماتور انجام گردد.

با قرار دادن یک دستگاه آشکارساز گاز در روغن می­توان مقدار گاز را به طور پیوسته اندازه ­گیری و نمایش داد و در صورت بروز خطا توسط این دستگاه آلارم مناسب تولید نمود.

علاوه بر اینکه به کمک این دستگاه می­توان خطاها را در زمان تولید آشکار نمود، خطاهای در حال پیشرفت در ترانسفورماتور نیز از طریق نرخ تغییرات گازهای تولید شده مشخص می­شود و از این راه می­توان از بوجود آمدن خطرات جدی برروی ترانسفورماتور جلوگیری نمود.

منبع: بهیه شهبازی، محمد عاشوری، محمدرضا شریعتی، صفر فرضعلی‌زاده، مهدی ثواقبی ” روش های مختلف تشخیص عیوب داخلی ترانسفورماتورها با استفاده از آنالیز گازهای محلول در روغن و معرفی مزایای آن به روش پایش مداوم” چهارمین کنفرانس تخصصی پایش وضعیت و عیب یابی ماشین آلات ایران، تهران، دانشگاه صنعتی شریف، اسفند ۱۳۸۸