Monitorování systémy transformátorů v průmyslu

V obou těchto případech platí, že jejich (ne)funkčnost může mít zásadní vliv nejen na vlastní výrobní procesy, ale může být například i příčinou znehodnocení surovin, polotovarů či výrobků a v případě jejich havárií může způsobit i poškození dalších výrobních zařízení nebo i staveb a ovlivnit tak výrobu i dlouhodobě. Je tedy zřejmé, že péče o stav takových transformátorů (či spíše její zanedbání) může mít na výrobu v průmyslovém podniku značný vliv.

Úvod

Transformátory jsou různého typu a provedení, z hlediska jejich monitorovacích systémů nás dnes budou především zajímat ty výkonové, tedy s výkony od nízkých desítek až stovek MW, s napětími v rozsahu velmi vysokého, vysokého napětí a ve specifických případech i nízkého napětí, a pak transformátory s klasickou izolací a chlazením, tedy chlazené olejem. V průmyslových podnicích, transformátory, na které se zaměříme, jsou takové transformátory používány ve dvou oblastech. První je použití jako všeobecného zdroje elektrické energie, druhým pak použití jako součást technologického výrobního zařízení. Ve jmenovaném první případě jde (s pohledem na výše uvedený limit výkonů) především o napájecí transformátory distribuční sítě průmyslového podniku, ve většině případů jde o transformaci 110 kV/vn, v případě druhém pak transformátory, které jsou součástí technologie výroby, typicky například o pecní transformátory.

Co všechno nás (a proč) na transformátorech může zajímat?

Transformátor není nijak složitý stroj. Jeho základem je magnetický obvod, vinutí a pak nezbytné okolí, které jednak zajišťuje jeho integritu – tím je nádoba transformátoru, připojení na napětí primární i sekundární strany (případně i dalších stran) a pak izolační a chladicí médium a související obvody chlazení. Jistou „komplikací“ zmíněné jednoduchosti může být přepínač odboček, který, je-li klasického provedení, vyžaduje specifickou pozornost.
Značná část poruchových a jinak nepříznivých stavů transformátoru a událostí v něm i v jeho okolí, bez ohledu na jeho typ, konstrukci a umístění, vede k tomu, že transformátor přestane plnit svou funkci. V ideálním případě, protože je vybaven standardní sadou elektrických i dalších ochran, dojde k jeho odpojení od napětí ještě před tím, kdy případná závada eskaluje do stavu, který způsobí jeho zásadní poškození. Jsou však i situace, kdy ani zmíněné ochrany takové situaci nezabrání. Typicky například exploze průchodky na straně vyššího napětí.
Je zřejmé, že zájmem provozovatele je, aby k takové eskalaci (pokud možno) nedošlo. Ale nejen to. Jeho zájmem je, aby nedošlo ani ke stavu, kdy sice k zásadnímu poškození transformátoru nedojde, ale transformátor bude, díky poruše, mimo provoz. A půjdeme-li ještě dále, bude provozovatele jistě zajímat i to, jak často a na jak dlouho bude mimo provoz například z důvodů kontrol a údržby, které by těm výše uvedeným situacím měly zabránit.
Pokud budeme konkrétnější, můžeme si části transformátoru, které nás z hlediska jeho kondice a schopnosti plnit jeho funkce zajímají, rozdělit do několika oblastí:

• vinutí
• olej
• průchodky
• přepínač odboček

Z logiky věci a principů konstrukce do jednotlivých částí transformátoru nevidíme. Chceme-li vědět, v jakém stavu jednotlivé části jsou, můžeme k tomu využít celou řadu přímých i nepřímých měřicích a diagnostických metod. To samozřejmě stojí čas i peníze. Snahou tedy je jedno i druhé minimalizovat.

Informace o stavu transformátoru

Zájem o znalosti týkající se stavu transformátoru vede k tomu, že výrobci i provozovatelé stanovují postupy, jak takové informace získat. Vedou k tomu dvě zásadní cesty. Ta první je, řekněme klasická, tedy cesta periodických kontrol na základě předpisů výrobce či provozovatele (řády periodické a preventivní údržby), druhá, využívající metody diagnostické údržby (Condition Based Maintenance – CBM) případně rozšířené do podoby prediktivní údržby (Predictive Maintenance – PdM), které společně směřují k cílovému stavu charakterizovanému jako totálně produktivní (Total Productive Maintenance – TPM) a proaktivní údržba.
Je zjevné, že se tady pohybujeme mezi dvěma extrémy, na jedná straně tradiční přístup, na straně druhé moderní metody. Ale nic není černobílé. Jakkoliv se nám může zdát tradiční přístup jednodušší a levnější, nemusí tomu tak být vždy. Proti podobným zjednodušením stojí takové aspekty, jako je nutná vysoká odbornost pracovníků údržby, spolu s delší a častější dobou odstávek při diagnostice a kontrolách. Nehledě na to, že pravidlo „k poruše dojde zpravidla krátce před periodickou kontrolou a údržbou“ je něco, s čím počítat musíme, i když právě na takové náhody nevěříme.
Konfrontujeme-li naopak tradiční postupy s těmi moderními, nemusíme ani tady dojít k jednoznačnému výsledku. V tomto případě jsou hodnotícím kritériem náklady na implementaci a provozování moderních metod údržby, které se pozitivně (tedy jejich efektivita) často projeví až v případech, kdy instalovaná báze zařízení dosahuje vyšších hodnot. V případě transformátorů a energetiky tedy například u operátorů regionálních distribučních nebo přenosové soustavy, rozhodně tedy ne u průmyslových podniků, kde se počty takových transformátorů pohybují většinou jen v řádech nízkých jednotek.
Jak a kudy z tohoto dualismu ven? Cestou kompromisu, či spíše hledání optimálního řešení. Tedy kombinovat moderní postupy s těmi tradičními. V prvním případě tedy zajistit trvalý (on-line) ale jednoduchý (a přiměřeně nákladný) monitoring stavu transformátoru, díky kterému nebudeme překvapeni nenadálou událostí s potenciálně fatálními důsledky a v případě, kdy dojde ke stavu, který by mohl vést k nějaké eskalaci, postupovat tradičně. Trvale sledovat vývoj kritických veličin monitoringu, nastavit kritéria tohoto sledování (meze hodnot kritických veličin) „jemněji“, odebrat vzorky oleje a provést jeho detailní rozbor a začít pracovat na postupu, který stroj umožní bezpečně a s minimálním vlivem na výrobu odstavit a podrobit důkladné prohlídce.

Monitorovací systém transformátorů TECHSYS

Společnost TECHSYS – HW a SW, a.s., je dlouholetým dodavatelem celé skupiny produktů a řešení používaných k monitorování transformátorů. Tato řešení naší společnosti můžeme nalézt zejména u provozovatele přenosové soustavy ČR, společnosti ČEPS, a.s.

MST TECHSYS je určen pro provozní on-line diagnostiku transformátorů a tlumivek. Funkce systému, včetně integrovaných výpočetních modelů, jsou dlouhodobě ověřeny praktickým provozem na transformátorech přenosové soustavy 400 a 220 kV. Systém průběžně sleduje důležité provozní veličiny transformátoru (viz tabulka Měření a sledování stavů zařízení, výstupy) a provádí expertní výpočty odpovídající standardním modelům (viz tabulka Výpočetní modely). Systém je škálovatelný v širokém rozsahu a může (a také je) adaptován (a příslušně zjednodušen či naopak doplněn a rozšířen) i na jiné typy strojů, používaných i v jiných oblastech – distribuční sítě, průmyslové podniky, trakce apod.

Důležitým aspektem funkce MST je nejen zpracování okamžitých měřených hodnot, výpočet odpovídajících veličin dle implementovaných modelů modifikovaných parametry transformátoru, ale také sledování vývoje vybraných veličin, jejich porovnávání a kumulace. Příkladem takových výstupů může být dále uvedený výstup modelu výpočtu vlhkosti papírové izolace – což je červená křivka na následujícím grafu. Modrá křivka pak je měřená teplota oleje, zelená křivka měřená vlhkost oleje.
Dalším příkladem je graf vývoje CO (červená křivka), který ukazuje na tepelnou vadu v transformátoru 200 MVA. S touto vadou lze transformátor provozovat za předpokladu jeho on-line sledování.

Příklad monitorovací systém transformátoru 110 kV/vn

Do jisté míry se dá říci, že monitorovací systém transformátoru 110 kV/vn je specifickou evolucí dnes už standardního řešení MST TECHSYS. Ten, jak jsme už uvedli, je široce škálovatelný, a tak je klíčem k tomuto specifickému řešení hlavně definicí rozsahu a úrovně funkcí, které optimálně splní požadavky uživatelů tohoto typu strojů. Je to do jisté míry i příkladem, jak je možné tuto škálovatelnost využít. A nejedná se jen o vlastní technické či systémové řešení, ale o celý komplex zařízení a procedur spojených s jeho implementací. Počínaje návrhem, přes projektovou dokumentaci, výrobu, instalaci a montáž, začlenění do informačního systému zákazníka, dodavatele nebo toho, kdo pro transformátor zajišťuje a/nebo provádí servis (případně i současně pro všechny tyto subjekty) až po související servisní služby spojené s provozem vlastního monitorovacího systému.

Konkrétním případem takového řešení je monitorovací systém osazený na dvou výkonových transformátorech 110 kV/vn, umístěných v napájecí stanici 110 kV/vn velkého průmyslového podniku. Nabídka monitorovacího systému byla součástí nabídky jednoho z uchazečů ve výběrovém řízení na dodávku těchto strojů. I díky jeho osazení si mohl dodavatel dovolit splnit extrémní požadavky zákazníka na délku záruky u obou nabízených strojů.

Výhodou tohoto řešení bylo to, že komponenty monitorovacího systému bylya namontovány do řídicích skříní transformátorů již ve výrobě. Na místo tak dorazil transformátor vybavený vším potřebným tak, že funkce monitorovacího systému byla spuštěna současně se spuštění obou strojů. Specifikou toho řešení je i to, že zpracování dat z monitorovacích systémů je v tomto případě prováděno v cloud prostředí TECHSYS, takže jak dodavatel stroje, který zároveň zajišťuje i jeho servis, tak jeho majitel a provozovatel, mají k funkcím monitorovacího systému zajištěný přístup prostřednictvím běžného webového prohlížeče.

Je samozřejmé, že i u podobných řešení je zachována značná škálovatelnost nabízeného řešení. Např. co se týče umístění komponent monitorovacího systému (např. variantou může být umístění v dodané skříni), času jeho montáže (je možné ho dodat na již provozovaný transformátor a nainstalovat ho přímo v místě jeho provozu), případně zvolit jiný způsob řešení finálního zpracování dat a informací (nemusí být tedy nutně řešení v rámci cloud TECHSYS). To samé se samozřejmě týká i primárního určení stroje, pro který je možné řešení MST nabídnou a optimálně „naškálovat“. Transformátorem tedy může být jak nejen výkonový distribuční transformátor, ale i blokový transformátor generátoru elektrické energie, nebo například technologický transformátor, sloužící pro napájení elektrické pece.

Závěr

Za téměř 30 let získali pracovníci společnosti TECHSYS – HW a SW v oblasti návrhu, výroby, dodávek i servisu monitorovacích systémů transformátorů značné zkušenosti. Většinou z nich při dodávkách tohoto řešení pro společnost ČEPS, a.s. Nabité zkušenosti nyní využívají i při dodávkách řešení MST TECHSYS i jiným zákazníkům. Díky promyšlené modulární i funkční škálovatelnosti vždy tak, aby v maximální míře pokryli právě jejich potřeby a požadavky. TECHSYS řešení je tak schopné přizpůsobit se požadavků z různých sfér nejen energetiky ale i průmyslu, dopravy a celé další řady odvětví, tedy všude tam, kde jsou transformátory větších a velkých výkonů provozovány a kde je zájmem jejich majitelů a provozovatelů najít optimální míru vynaložené péče o jejich kondici.

V článku byly použity informace a některá vyobrazení z: Ullman, I., Velek, J., Paukner, Z., Monitoring transformátorů, Sborník Konference Poděbrady 2012, EGÚ Praha Engineering, a.s.

TECHSYS – HW a SW, a.s.
www.techsys.cz
Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.