JELLEGZETES ÜZEMFENNTARTÁSI OBJEKTUMOK ÉS SZAKTERÜLETEK 5.22 Teljesítménytranszformátorok öregedési folyamatának megállítása hermetikus lezárással Tárgyszavak: transzformátor; szigetelés; öregedés; felújítás helyszínen. A szigetelőpapír öregedése A teljesítménytranszformátorok élettartamát általában az olaj papír szigetelésrendszer határozza meg. Az öregedési folyamat lényeges katalizátora a hőmérséklet mellett a nedvességtartalom és az oxigén. A szigetelőpapír cellulóz alapanyaga oxigénhidakkal összekapcsolt glükózgyűrűkből álló polimer. Az összefüggő glükózgyűrűk száma a papír polimerizációs fokát (DP fokát) adja meg. Nem öregedett papír lánchosszúsága általában 1200. Glükózvegyületek már 105 C feletti hőmérsékleten felhasadnak, és ennek következtében megnyílnak a glükózgyűrűk (termikus depolarizáció). E reakció termékei: szabad glukóz (HO, O, OH), víz (H 2 O) és szénvegyületek (CO, CO 2 ). Az oxigén már normális üzemi hőmérsékleteken tovább hasítja a glükózgyűrűket (oxidatív depolarizáció). Az oxidáció során savak, ketonok, fenolok és további, oxigéntartalmú vegyületek képződnek. Vizsgálatok szerint az öregedési sebesség oxigén jelenlétében megháromszorozódik. Különösen bomlasztó hatású oxidációs termék a víz. A víz tovább hasítja a glükózgyűrűk közötti oxigénhidakat, és ezzel tovább gyorsítja az öregedési folyamatot (hidrolitikus depolarizáció). A víz tehát a papír öregedésének oka és következménye is. Oxigén és a papírszigetelés 2%-os nedvességtartalma hússzorosára növelheti az öregedés sebességét. 250-nél kisebb DP fok esetén a papír elveszíti hajlékonyságát és szakítószilárdságát, és így élettartama végére ér. Rövid ideig tartó rövidzárlati igénybevétel hatására a papír elszakadna és dielektromos átütés következne be. A transzformátor élettartamát befolyásoló lényeges tényezők tehát az oxigén- és a nedvességtartalom.
A papír nedvességtartalmának meghatározása A transzformátor teljes vízháztartása a szilárd szigetelés és az olaj között oszlik meg. A víz különféle közegekben eltérő diffúziós állandójának megfelelően, a hőmérséklet függvényében egyensúlyi állapot áll be. A víz növekvő hőmérséklet esetén a szilárd szigetelésből az olajba diffundál; csökkenő hőmérséklet esetén a folyamat fordított irányú. Fizikailag sokkal több víz van a papírban, mint az olajban, és így a víz diffúziója során a papír nedvességtartalma csak kismértékben változik. Az olaj átütési szilárdsága növekvő víztartalom esetén mindenesetre csökken. A papír nedvességtartalmát az állapot meghatározása mellett az öregedési sebesség pontos számításához és a még hátralevő élettartam meghatározásához is ismerni kell. A papír nedvességtartalma több eljárással határozható meg. Az offline eljárások során, mint az RVM (recovery voltage measurement = visszatérő feszültség mérése), a PDC (polarization and depolarization current = polarizációs és depolarizációs áram) és az FDM (frequency domain spectroscopy = frekvenciatartománybeli spektroszkópia) a dielektromos jellemzők nedvességtartalomtól való függését hasznosítják. A papír nedvességtartalma online módon az olaj nedvességtartalmának szondás mérésével és számítással határozható meg. Az ehhez az eljáráshoz szükséges egyensúlyi állapot a hűtőrendszer intelligens szabályozásával érhető el, azonban figyelembe kell venni az adszorpció időállandóját is. Az 1. ábra egy 600 MVA teljesítményű transzformátor olajhőmérsékletének, az olaj nedvességtartalmának és a papír ezzel a módszerrel számított nedvességtartalmának összefüggését szemlélteti. Jól felismerhető az alacsony hőmérsékletű olaj kis nedvességtartalma. Élettartam meghosszabbítása Az élettartam meghosszabbításának egyik lehetősége az online szárítás, amelynek két aktív, párhuzamos kapcsolású üzemmódban működő módszere használatos. Az egyik módszerben adszorpciós eljárással, a cellulózabszorber integrált feldolgozásával vonják ki a nedvességet. A másik módszernél vákuumos eljárással távolítják el a nedvességet. A második módszer előnye az, hogy nem befolyásolja az olaj kémiáját, az olaj gáztartalmát a telítési érték kb. harmadrészére csökkenti (ezzel az olaj homogénebbé válik és az öregedése is lassabbá), és az átütés veszélyét növelő szilárd szennyező részecskéket is kiszűri. Mind-
két módszer különálló tartályban gyűjti az eltávolított vizet, és néhány ppm nagyságrendű víztartalom érhető el. Ez az eljárás a transzformátor működése közben is alkalmazható. 80 20 2,0 olajhőmérséklet, C 75 70 65 60 55 50 45 olaj nedvességtartalma papír nedvességtartalma olajhőmérséklet 18 16 14 12 10 8 6 4 2 olaj nedvességtartalma, ppm 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 papír nedvességtartalma, % 40 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 0 0,0 1. ábra A papír nedvességtartalmának meghatározása egy 600 MVA-es hálózati transzformátoron végzett online-méréssel Az 1. táblázat egy 22 MVA teljesítményű ipari transzformátor kezelése során kapott eredményeket foglalja össze, az olaj gáztartalmának három alkalommal végzett elemzése alapján. Az A jelű mintát a szárítás megkezdése előtt vették; ez erősen öregedő szigetelőrendszerre jellemző értékeket mutat. A 2000. január 17-e és 2001. január 24-e között online szárítóberendezéssel végzett szárítás során a transzformátorból kb. 15 liter vizet távolítottak el, ezáltal a papír nedvességtartalma 5%-ról ~2,5%-ra csökkent (B minta). A hőmérsékletet megfelelő értéken tartva a rövidzárlati hatások által okozott, a túlzott kiszárítással járó károsodások elkerülhetők. A szárítás befejezése után egy fél évvel vett olajminta telített, nyitott rendszerre jellemző értékeket mutatott (C minta). Az A jelű mintához viszonyítva a telített O 2 -érték viszonylag nagy, mert a depolimerizációs folyamatok már nem fogyasztanak oxigént. Az átütési
feszültség 25 kv/2,5 mm értékről 80 kv/2,5 mm-re nőtt. A transzformátor szigeteléstechnikai szempontból megfelelőnek mondható. Célszerű az olaj nedvességtartalmát folyamatosan ellenőrizni. 1. táblázat Egy 22 MVA-es ipari transzformátor olajelemzésének eredményei onlineszárítás közben A jelű minta 1999. június 16. B jelű minta 2001. január 24. C jelű minta 2001. augusztus 2. Összes gáz ppm 72 498 24 193 81 572 Nitrogén N 2 ppm 66 493 17 036 66 434 Oxigén O 2 ppm 1298 6698 9495 Átütési feszültség kv/2,5 mm 25 81 81 Olaj nedvességtartalma ppm 36,7 13 15 Papír nedvességtartalma % 5 2,7 2,9 Hermetikusan zárt transzformátor A transzformátor tágulási tartályában az olaj folyamatosan érintkezik a külső levegővel, és abból oxigént, valamint a szárítóbetét ellenére nedvességet is vesz fel. Ennek, és így a járulékos vízképződéssel járó depolimerizációs folyamatok elkerülésére a transzformátor hermetikusan lezárható. Az elosztóhálózati transzformátoroknál már régóta eredményesen alkalmazott megoldásnál az olaj melegedés következtében növekvő térfogatát a transzformátor bordás falának alakváltozása veszi fel. Nagy teljesítménytranszformátoroknál a jelentősen nagyobb olajmennyiség miatt ez a megoldás nem alkalmazható. Ezért a transzformátor vákuumzáró tartályához speciális hegesztési eljárással gyártott hőcserélőt fejlesztettek ki, amely a hűtés mellett a tágulási tartály szerepét is ellátja. A feszültség szabályozásához szükséges hagyományos fokozatkapcsolók működése közben gázok keletkeznek. A hermetikusan zárt jelleg teljes kihasználása érdekében karbantartást nem igénylő, vákuumos kapcsolóelemeket használnak, amelyek működése közben nem keletkezik gáz. A kapcsolókamra ugyancsak hermetikusan zárt, táguló hőcserélőhöz csatlakozik. A transzformátor tartályában és a kapcsolókamrában üzemzavar esetén esetleg keletkező gázokat Buchholz-relé érzé-
keli, és túlnyomásbiztosító szelep előzi meg a nagyobb károsodást. Az első, hermetikusan zárt transzformátor 110 kv névleges feszültségű és 80 MVA névleges teljesítményű. Az üzemi állapotok folyamatos érzékelése érdekében a transzformátor tartályához és a fokozatkapcsoló házához mikroprocesszoros vezérlésű MS 1000 jelű felügyelő ellenőrző rendszer csatlakozik, amely a két térben folyamatosan érzékeli a hőmérsékletet és a nyomást. Példa: nagy egyenfeszültségű transzformátorok helyszíni felújítása A mozambiki Cahora-Bassa duzzasztógátra telepített, 1974-ben épült vízerőművet a háborús körülmények által okozott károsodások miatt hosszú évekig nem használták, azonban 1997 vége óta ismét szállít villamos energiát az 1450 km távol levő dél-afrikai Pretoriába és Johannesburgba. Az 1920 MW teljesítmény átvitelére 533 kv névleges feszültségű, egyenáramú rendszert használnak. A viszonylag rövid üzemidő ellenére, részben nem tervezett kapcsolási műveletek, számtalan földzárlat és rövidzárlat következtében a transzformátorok tekercsei jelentős mértékben károsodtak. A 26 teljesítménytranszformátor közül kettő nagy túlterhelés és egyéb károsító hatások miatt tönkrement, ezek javítására az eredeti gyártó Siemens vállalatot kérték fel. Az egyenirányító rendszerek transzformátorainak adatai: teljesítmény 290 MVA, rövidzárlati feszültség 16%, fő tekercselés 230 kv ± 16% és ± 13 fokozat, teljes megengedett lökőfeszültség 900 kv, a félvezető elemekhez csatlakozó tekercselés feszültsége 114 kv. A Zambézi folyó megsérült hídja azonban lehetetlenné tette a 7 m hosszú, 3,5 m széles, 4,5 m magas, 180 tonna tömegű transzformátorok Németországba szállítását, ezért a transzformátorok tekercseit az eredeti rajzok alapján Nürnbergben újragyártották, és egyenként szállították a helyszínre. A transzformátorok tartályának felső része a tekercseket fedő süveg, és ez a konstrukció teszi lehetővé a javítást a helyszínen rendelkezésre álló szerény eszközökkel. A süveg leemelése után a vasmag felső járomát megbontják, a sérült tekercseket kiemelik, majd az új tekercseket a helyükre engedik, a vasmagot helyreállítják, ezután a csatlakozásokat, az átvezetőket szerelik fel. A szerelés néhány napja alatt a tekercsek papírszigetelése annak ellenére átnedvesedik, hogy a szerelést az esős időszak után kezdik meg. A helyszínen nem állnak rendelkezésre nagy szárítókemencék, ezért a szárítást az olajpermet-módszerrel végzik. Ennek során több fú-
vókából forró olajat permeteznek a már beszerelt tekercsekre, és közben kiszivattyúzzák a levegőt a transzformátor tartályából. Ekkor a víz molekulák a forró cellulózszigetelésből a vákuumtérbe lépnek ki. Az optimum eléréséhez a vákuumnak lehetőleg kicsinek, a hőmérsékletnek lehetőleg magasnak kell lennie. Ez a folyamat két három hétig tart. A szárítást követően nagyfeszültségű transzformátorral ellenőrző méréseket végeznek. A szerelési munkákat két német szakértő helybeli segéderőkkel végzi. Egy transzformátor felújításának teljes időtartama (a szárítással és az ellenőrző mérésekkel együtt) 3 4 hónap. A munkálatok sikeres befejezése után két további transzformátor felújítását is tervezik. Összeállította: Pálinkás János Tenbohlen, S.; Hofmann, F.; Baum, J.: Wartungsfreiheit und Alterungsstopp durch Hermetikabschluss bei Leistungstransformatoren. = EW Das Magazin für die Energie Wirtschaft, 102. k. 5. sz. 2003. febr. 24. p. 28 32. Mündl, G.: Reparatur und Überholung von HGÜ-Transformatoren vor Ort. = EW Das Magazin für die Energie Wirtschaft, 102. k. 5. sz. 2003. febr. 24. p. 38 40.