Revize transformátorů a požární bezpečnost
Obecně je revize transformátorů spojena s řadou úkonů. Prověřuje se i stanoviště transformátoru, nedílnou součástí je kontrola s ohledem na požární bezpečnost. Transformátory VN a zvláště VVN jsou často plněny izolačním – transformátorovým olejem.
Pokud se soustředíme na požární bezpečnost je ošetřena normami, vyhláškami a dalšími předpisy, včetně stavebního provedení stanoviště takového stroje.
Zdá se však, že je opomíjena primární příčina požáru – vlastní transformátor, resp. negativní děje v jeho systému, které požár mohou způsobit. Nelze podceňovat okolí transformátoru, ale pokud bude stroj v pořádku, snižuje se zásadně nebezpečí požáru, kterého by příčinou byl on sám. Je obvykle umístěn v chráněném prostředí, čili z vnějšku by hlavní nebezpečí, kromě poruch v síti hrozit nemělo.
Jak ale poměrně jednoduše zjistit, že vznik požáru transformátoru nehrozí, nebo není transformátor již ve stavu, kdy jeho vznik je jen otázkou času?. Toto nebezpečí lze relativně jednoduše zjistit prostřednictvím vzorku transformátorového oleje odebraného při revizi. Pro vyloučení havárie způsobené vlastním transformátorem, existují tři hlavní rizika, která je vhodné ošetřit:
1) navlhnutí stroje
Stoupající vlhkost, v oleji kromě jiného vede k poklesu průrazného napětí izolačního oleje, potažmo celého izolačního systému až k havárii stroje.
2) stupeň zestárnutí (izolačního oleje)
Olej v transformátoru plní kromě izolačních požadavků funkci chlazení. Pokud olej extrémně zestárne, vypadávají z něj kaly, které zanáší různé chladící kanály, stroj se začne přehřívat, vyšší teplotou se zrychluje tvorba kalů, dochází k rychlejšímu zhoršení, když ještě se stoupající teplotou klesají i izolační vlastnosti, až se soustava stane teplotně nestabilní – havárie.
3) skrytá závada
Ve stroji může dojít k tepelné závadě, např. uvolnění spoje v proudové cestě – vznik lokálního přehřátí k teplotám až 800°C i více, aniž významně stoupne teplota celého stroje. Také se může začít rozvíjet výbojová činnost.
Oba rizikové stavy se mohou spojit do vzájemné kombinace. Téměř do posledního okamžiku transformátor bez varování pracuje. Je-li instalováno plynové (Buchholzovo) relé, pak časově pomalejší rozvoj závady by relé mělo podchytit.
Snad každý revizní technik si (latentně) riziko havárie uvědomuje. Není příjemné, když (i krátce) po uspokojivé revizi dojde k havárii stroje. Mnozí se tomu snaží předejít, tím, že odeberou, nebo nechají odebrat vzorek oleje pro zkoušky. Nyní však nastává kardinální problém. Co zkoušet a jak jsou zkoušky finančně náročné. Rozsah zkoušek lze najít v různých předpisech, hlavně pak v evropské normě ČSN EN 60422 (Minerální izolační oleje v elektrických zařízeních – Návod pro kontrolu a údržbu). Ale jak je to s finančními náklady na zkoušky?
Rozhodně nelze souhlasit s tím, aby tyto náklady byly břemenem revizního technika. Kdo jiný však má vysvětlit majiteli (správci, provozovateli) zařízení, že zkoušky nejsou zbytečné a že ho mohou ochránit před havárií stroje – požárem? Obecné informace mohou sice poskytovat i pracoviště provádějící zkoušky, ale podle našich zkušeností to nemá valný efekt. Více jak rok jsme vedli relativně nákladnou kampaň na internetových stránkách s evidentně mizivým výsledkem. Jednak se popularizační texty ztrácí v záplavě jiných informací a také majitelé (laici) nemají primárně zájem se s takovými informacemi vůbec seznamovat. Proč? Proč číst text s touto problematikou který se těžko k těmto lidem dostává (nebudou jej přirozeně sami vyhledávat, protože mají zcela jiné zájmy) a když, bude se jim zdát složitý. Mají-li alespoň minimální povědomost co by se mohlo přihodit, pozvou si odborníka (revizního technika), ať problém, vyřeší za ně.
Z toho plyne, že revizní technik je ten, který navazuje kontakt odborníka s laikem. Tedy kruh se uzavírá. Pokud samotný technik bude přesvědčen o prospěšnosti zkoušek, bude se mu lépe prokazovat, že uvolnění preventivních výdajů na zkoušky je opodstatněné. Objektivně náklady na zkoušky jsou obecně o několik řádů nižší (max. několik desítek stokorun) se škodou způsobenou požárem a souvisejícími výdaji (min. stovky tisícikorun)! U měně důležitých strojích lze ještě ušetřit tím, že lze vybrat pouze metody indikující zde vyjmenované příčiny (tzv. zkrácený komplexní rozbor), který připouští i ČSN EN 60422, protože i nejposlednější stroj může havarovat.
Vyšší provozní spolehlivostí transformátoru se posílí i jistota, že se neočekávaně nezastaví provoz, výroba, linka a nevzniknou další ztráty přerušením dodávky el. energie a s odstraněním následků havárie.
V ČSN EN 60422 jsou také uvedeny intervaly, ve kterých se mají zkoušky opakovat podle hladiny napětí stroje a současně podle jeho důležitosti pro ten který provoz. Zde je nutné upozornit, že rozsah zkoušek a zejména lhůty jsou voleny pro optimalizaci provozu transformátoru. Požární bezpečnost tato norma primárně neřeší.
Několik doplňujících informací, které blíže specifikují, co diagnostika podle uvedené normy nabízí a ev. i další normy ČSN EN 60599 (Elektrická zařízení v provozu plněná izolačním olejem – Pokyn pro interpretaci výsledků analýz rozpuštěných a volných plynů) týkající se hodnocení příčin vzniku hořlavých plynů v transformátoru.
Podrobněji k hlavním příčinám
Ad 1) Jak se vlastně vlhkost do transformátoru, nebo obecně jiného zařízení plněného izolačním olejem dostává? Je několik možností.
– V každém olejovém transformátoru klasického provedení je použita pevná izolace – papírová, především pro izolaci vinutí, a další materiály jako je dřevo, tvrzený papír, nebo umělé izolanty. Většina z nich není hydrofobní a proto i v každém sebelépe vysušeném transformátoru se voda od samého počátku nachází a to v procentech váhy pevné izolace. Za suchou se považuje obsah vody do 2% včetně, tedy může se jednat i o kg (litry) vody.
– Kromě této prvotní vody vzniká v samotném stroji vlhkost při stárnutí izolačního systému.
– Největším zdrojem vlhkosti je však pravidelně okolní atmosféra, pokud není transformátor hermeticky uzavřený.
– Z fyzikální podstaty se celá soustava bude snažit o dosažení stejné relativní vlhkosti – rovnováhy. Pohyb vlhkosti nemusí být jen jednosměrný, což v praxi je možné někdy pozorovat u (zanedbávaných) strojů s vysoušečem, kdy barevná indikace ukazuje, že vlhkost vychází překvapivě z transformátoru a ne tak jak se očekává.
– U nezabezpečeného transformátoru jsou v cestě vlhkosti tři fáze. Okolní atmosféra – izolační olej – pevná izolace. Relativní vlhkost v těchto fázích se snaží dosáhnout rovnováhu. Izolační olej zde funguje jako transportní medium mezi okolím a pevnou izolací. Pro všechny fáze platí, že může dojít k jejich přesycení vlhkostí. Dynamiku této soustavě dodává teplota okolí i oleje, svázaná těsněji s teplotou stroje, resp. pevné izolace. Zajímavé je iniciační chování systému olej papír.
– Výchozí podmínky jsou: relativně vysušený systém olej- papír; olej se stoupající teplotou je schopen rozpouštět více vlhkosti, pevná izolace se chová opačně. Pevná izolace pojme o mnoho řádů více vlhkosti než olej a to tak, že u pevné izolace jde o vlhkost v procentech váhy pevné izolace, u oleje o gramy na tunu oleje. Jaký stav je pro chod transformátoru nebezpečný? Je to přesycení vlhkostí. Tehdy se rozpuštěná voda změní ve volnou vodu – u oleje vznikne emulze z dosud rozpuštěné vody. Tedy vznikne množství mikroskopických kapiček, u pevné izolace lze očekávat totéž. Formálně je pravděpodobnější, že tento stav nastane dříve u oleje.
Praktické důsledky bylo možné dříve pozorovat v praxi u přístrojových transformátorů (PT) s volným stykem s atmosférou, kde množství pevné izolace významně převažovalo množství oleje. Nejčastější havárie (PT) se odehrávaly v podvečer za horkých letních dnů. S rostoucí teplotou PT docházelo k vylučování vody z papíru. Při následujícím poklesu teploty se vypuzená voda nestačila vracet do pevné izolace a došlo k vypadnutí vody z oleje a tak k příležitosti vytvořit vodivou cestu v oleji.
– Při výrobě PT byla soustava olej papír nějakým způsobem vysoušena. Průměrná teplota přístroje nebyla v provozu vysoká, snažila se kopírovat okolní teplotu. Jak již bylo uvedeno, relativní vlhkost papíru byla z počátku nízká, a relativní vlhkost oleje se tomuto stavu snažila přizpůsobit. Byla proto také malá. To však na venkovním stanovišti PT vedlo k jiné nerovnováze vůči vlhkosti atmosférické, která v některém období roku mohla dosáhnout i 100% i k přesycení atmosféry ( -vznik mlhy). Izolační olej je nucen tyto dvě nerovnováhy sledovat a důsledkem je transport vlhkosti do papíru – rezervoár vlhkosti v atmosféře je obrovský. Opačný proces za jiných teplotních a vlhkostních poměrů nebyl evidentně u PT dostatečně účinný, jinak by nedocházelo k četným nehodám. Potvrzovaly to i výsledky měření obsahu vody.
– Výkonové transformátory, pokud pracují, mají teploty vyšší, množství papíru je relativně nižší a z toho důvodu nedochází u nechráněných strojů tak často k haváriím z titulu vlhkosti. Nebezpečný stav není ale vyloučen a nastává v případech vyvolaných provozem, kdy může dojít k přesycení oleje vlhkostí jako u PT, kdy navlhlý a zatížený transformátor náhle zátěž ztratí, a počíná chladnout, podobně jak bylo popsáno u PT.
– Aby se zkouškou na vzorku oleje dala nebezpečná koncentrace vlhkosti v transformátoru zjistit, musí se vzorek odebrat z nahřátého transformátoru. Jak bylo uvedeno, u studeného stroje je vlhkost usazena v pevné izolaci, v oleji je jen její malé množství a výsledek zkoušky je zavádějící. To platí i o průrazném napětí – rušivý vliv vlhkosti se neuplatní. Změřený obsah vlhkosti je nízký, průrazné napětí je vysoké.
– Pokud se bude pro revizi transformátor vypínat, je nutné vzorek odebrat ještě z teplého stroje.
Ad 2) Konec životnosti izolačního oleje je doprovázen vznikem kalů.
Stárnutí oleje je identifikovatelné řadou metod uvedených v ČSN EN 60422. Problém spočívá v tom, že kromě přímého zjišťování kalů (kdy vlastně již může být pozdě) se jedná o nepřímé metody. Týká se to metod měření čísla kyselosti, ztrátového činitele, povrchového napětí, barvy oleje a v menší míře i rezistivity oleje. U těchto metod většinou každá z nich reaguje i na další rušivé fyzikálně chemické signály. Ztrátový činitel je univerzálně nejcitlivější metodou a jeho citlivost je zároveň nevýhodou, protože přináší sice ihned informaci o negativním ději, ale blíže jeho příčinu nespecifikuje. V praxi nerozpoznatelné jsou možné vlivy různých polarizací působící v sumě dalších příčin, na které reagují již více specializovaně další metody z výčtu, i když ne bohužel vyčerpávajícím způsobem – tedy působí „signalizačně“. Číslo kyselosti reaguje na převažující charakter kalů, ovšem ve výrobním – technologickém procesu přichází izolační olej do styku se složkami kyselého původu při rafinaci. Povrchové napětí od počátku reaguje citlivě na vznik kalů. Rezistivita může být zkreslována přítomností vodivých složek –vlhkostí. Barva oleje reaguje spolehlivě na stárnutí oleje i pohledem laika, ovšem při tom chybí měřítko zestárnutí.
Obecně negativní vliv na životnost oleje mají různé znečišťující látky, které mohou kontaminovat olej již při transportu mezi výrobcem a uživatelem přes prodejce (znečištěná cisterna po předchozí přepravě), znečištění při stáčení oleje hadicemi až po vzájemném působení oleje na materiály použité při výrobě transformátoru – např. laky (i impregnační). Některé části izolačního systému se v olej mohou rozpouštět. Vzniklé kaly v posledním stádiu způsobují zhoršování chlazení úsadami na vinutí, zanášení např. chladících kanálů (teplotní nestabilita).
Nejde sice o další častou příčinu havárie, ale kromě požáru, je ekonomický dopad obdobný.
Olej, který dosáhl konce své životnosti je z technického hlediska jednoduché vyměnit za olej nový. Pokud se ale optimální okamžik promešká, dosud rozpustné kaly se změní v kaly nerozpustné a začnou z oleje vypadávat. Pak se dostávají do prostředí odkud je obtížné, nebo i nemožné je odstranit. Další nepříjemnou vlastností kalů je, že v novém oleji se začnou rozpouštět. Uvolněné látky pak na novou náplň působí jako katalyzátor stárnutí – nový olej stárne rychleji. V databázi měření máme příklady z praxe, kdy nová náplň oleje stárla až třikrát rychleji, než oleje takto nezatížené. Vedlejším a celkem zbytečným efektem je, že nový olej začne čistit ve stroji i jinak nepřístupná místa. Pro tyto případy v minulosti firma Technol vyvinula speciální olej (REGENOL), který byl aplikován na stroje VVN a přestože tyto stroje nebyly příliš kaly znečištěné, očista trvala asi dva roky. Výbornou vlastností tohoto oleje bylo, že po přefiltrování byl použitelný ještě min. dvakrát, než se znehodnotil, nebo byl ponechán v posledním stroji jako trvalá náplň. Tento olej se již ale nevyrábí. Není proto pravda, že regenerací oleje ve stroji se dosáhne stejné účinnosti, jakoby ve stroji vypadlé kaly nebyly.
Z důvodu zrychleného stárnutí nové náplně, energeticky velmi náročné regenerace proto zastáváme názor, že takový stroj je s dalšími náklady spojenými s přípravou na výměnu oleje, nevratně ekonomicky znehodnocen.
Ad 3) Vznikající závady teplotního, elektrického či kombinovaného charakteru dokáže odhalit plynová chromatografie. Velká většina konkrétních závad, které v provozovaném transformátoru vznikají se ve svém důsledku nakonec více či méně projeví i ve výše vyjmenovaných principiálních druzích závad. Téměř každá závada způsobí narušení dosavadního prostředí a tím vyvolá lokální přetížení v místě, kde se odehrává. Každý si dovede představit důsledky přehřívání libovolného oleje, které se nejprve projeví dýmem, později vzplanutím. I u závad elektrického charakteru jako je oblouk dochází podle intenzity k opalování kontaktů, tedy vzniku produktů hoření. To platí i u částečných výbojů, v závislosti na jejich intenzitě. Zkráceně každý poruchový energetický výdaj se v prostředí transformátoru promění v teplo. Plyny s tím spojené se začínají vyvíjet kolem 120°C a tedy běžné ztrátové teplo stroje výsledky neovlivňuje.
Směs takto vzniklých plynů je závislá jednak na prostředí (deficit kyslíku), teplotě děje a napadeném materiálu. Experimentálně byla odvozena kritéria podle druhu plynů a různých koncentrací složek vzniklých ve směsi plynu umožňující bližší specifikaci závady. Podrobnosti o principu metody a vlastní analýze se vymykají tomuto informativnímu textu a lze je nalézt např. na stránkách na jiném místě.
V tomto oddíle je vhodné ještě upozornit na některé důležité okolnosti při práci s plyny. Tedy kromě odběru vzorku z plynového relé, se volné plyny (většinou) v nádobě transformátoru nevyskytují. Ty jsou rozpuštěné v oleji a teprve v laboratoři se pomocí vakua ze vzorku extrahují. Jednoduchá zkouška hoření plynů z plynového relé se nedoporučuje a pro specifikaci závady je lepší plyn podrobit analýze. Odběr plynu je rovněž popsán na našem webu. Z hlediska bezpečnosti práce se vzorkem hrozí popálení právě při pokusu hořlavosti, plyny rozpuštěné v oleji nebezpečné nejsou. Jediné nebezpečí nastává, pokud je nutné např. z transportních důvodů olej vypouštět, nebo z jiných důvodů jen upouštět izolační olej.
Nejhořlavější plyny (vodík, metan, acetylén) z oleje unikají a mohou se nahromadit v uvolněném prostoru nádoby stroje a je známo z konkrétních případů, že hrozí nebezpečí výbuchu.
U transformátorů s konzervátorem plyny mohou unikat do atmosféry a drobné závady mohou i odeznít, aniž dojde k narušení provozu. Jiná je situace u hermetizovaných traf, u kterých je teplotní dilatace zajištěna pružnými chladícími vlnovci (radiátory) po obvodu nádoby.
Eventuální plyny z obdobně postiženého stroje unikat nemohou. Proto se hromadí pod víkem, vzniká pozvolna přetlak v nádobě, který je kompenzován roztažností vlnovce, aniž si toho lze vizuálně všimnout. Roztažností vlnovce ale dochází k poklesu hladiny oleje v nádobě až do okamžiku, kdy poklesne hladina tak, že se odhalí živé části pod napětím, které z izolačních důvodů musí být v oleji ponořeny. Pak dojde k přeskoku a záleží na okolnostech, nedojde-li při explozi k roztržení nádoby. (Na nádobě uvnitř jsou patrné stopy, kam sahala hladina oleje při výbuchu).
Poznámky závěrem
Z dříve uvedeného se lze domyslet, že možnosti diagnostických metod jsou silně limitovány vzorkem oleje, který je podroben analýze. Pokud nebude vzorek oleje kvalitně odebrán, do řádně vyčištěných vzorkovnic, pokud možno rychle a bezpečně dopraven do laboratoře, mohou být výsledky zavádějící. Pro metody ad 1) a ad 2) se vzorky odebírají do zabroušených skleněných láhví (prachovnic) o objemu jeden litr, vzorek pro chromatografii musí být odebrán bez styku s volnou atmosférou. Vlivem parciálních tlaků jsou plynné složky snadno uvolňovány do atmosféry. Přelévání vzorku z nádoby do plynové vzorkovnice vzorek naprosto znehodnotí – odplyní se rozkladové plyny (obecně vzorek nemá být vystaven ani zbytečnému působení světla, zbytečným výkyvům teplot a doba mezi odběrem a dopravením vzorku do laboratoře by neměla přesáhnout 48 hod.).
Doporučený postup odběru vzorku viz vzorkování. Na tomto místě je nutné znovu zdůraznit pro stanovení rozpuštěné vody v oleji, volit možnost odběru pokud možno z co nejvíce teplého stroje (ideálně při max. zatížení v letním období). Kromě objektivity výsledku aktuálního měření se nabízí jedinečná příležitost stanovit i celkové množství vody ve stroji, tedy přesněji v její největší zásobárně, kterou je pevná izolace K tomu slouží různé pomůcky, nejčastěji odečet vlhkosti v pevné izolaci pomocí Nielsenova diagramu. Ačkoliv se jedna o obecný graf, praktické výsledky při opakovaných měřeních strojů při různých teplotách se jeví jako překvapivě reprodukovatelné. Odečet z grafu je jednoduchý, proto nepřináší žádné další finanční náklady a nabízí procentní odhad vlhkosti v pevné izolaci. Empiricky jsou stanoveny hranice pro množství vlhkosti v suchém stroji (2% hm.), částečně navlhlém stroji (4% hm.) a při překročení této hranice již při reálných teplotách hrozí nebezpečí el. průrazu – havárie.
Naše laboratoř samozřejmě nabízí zapůjčení nutných čistých a vysušených odběrových nádob zdarma, ev. i odebrání vzorku a dopravu našimi techniky.
V Praze 3/2015