DGA – Plynová chromatografie – příklad a možnosti hodnocení

Tato metoda využívá fyzikálněchemických dějů, ke kterým dochází v důsledku negativních tepelných, elektrických či kombinovaných jevů při vzniku poruchových stavů v izolačním systému stroje, které se projevují tvorbou plynů, nazývaných rozkladové. K uvedeným typům závad může dojít kdykoliv a protože se jedná o nepřímou metodu, umožňující detekci vzniklých plynů, je úkolem posoudit prostřednictvím složení a množství plynů, závažnost na provozuschopnost. Rozkladové plyny mohou v malé míře vznikat při normálním provozu i např. v důsledku krátkodobého provozního přetížení, přepětí apod., nebo mohou i odeznívat tím, že poškozené místo má lokální charakter bez nežádoucích účinků na celek.

Metoda může také odhalit falešné příznaky závady, jejichž četnost není nevýznamná. Tato vlastnost je předností vůči různým monitorovacím systémům, které reagují pouze na rozkladové plyny a např. netěsnost – přisávání vzduchu čerpadlem – nemohou odhalit. Možností vniku vzdušných plynů do nádoby stroje a jeho zbytečné odstavení z provozu bylo v minulosti zjištěno mnohokrát.

Příklad se týká šesti strojů cca 30 let v provozu. Původní izolační olej byl v polovině této doby vyměněn a cca před pěti lety byly stroje hermetizovány.

1. Sledování trendu

Ve snaze posoudit budoucí vývoj je nutné využít dosavadních výsledků chromatografických rozborů s přihlédnutím i k obecným zkušenostem s touto metodou. Obvyklé hodnocení spočívá ve vyhodnocení množství vzniklých rozkladových plynů a to i s ohledem na časovou řadu tvorby plynů, (jde-li o méně závažné případy). Dále se hodnotí na základě praktických zkušeností složení plynů a jejich vzájemné poměry.

Průběžné hodnocení výsledků se provádí v pravidelných intervalech a je sdělováno provozovateli v závěrech měření. Okamžitý stav je tedy známý a nevyžaduje žádná akutní opatření.

Jak již bylo uvedeno, tvorba rozkladových plynů probíhá víceméně kontinuálně. K vzájemnému posouzení strojů může posloužit množství vzniklých plynů v závislosti na čase. Protože se za normálního provozu předpokládá lineární vztah (viz doporučené denní přírůstky v ČSN IEC 60 599) jsou v tab. 1 uvedeny hodnoty směrnice (vyjadřuje denní přírůstky – úbytky plynů) regresní přímky za sledované období.

Tab. 1 Denní přírůstky plynů [ppm/den]

Poznámka: V tabulce není uveden acetylén pro zanedbatelná množství u většiny strojů.

Regrese je provedena od okamžiku hermetizace strojů, resp. od doby prvních chromatografických rozborů provedených po tomto zásahu. Je provedena pro všechny detekované plyny samostatně. V tabulce jsou uvedeny i vzdušné plyny, grafické zpracování některých hodnot ukazují obr. 1 a 2. Ve spodní části tab. 1 jsou pak uvedeny i korelační koeficienty, které vyjadřují těsnost funkčního vztahu v rozsahu 0 až +-1, kde absolutní 1 znamená úplnou závislost. Silné závislosti se vymyká kyslík a vodík. U těchto plynů jde tedy o náhodné kolísání z časového hlediska, které u vodíku je navíc ovlivněno hodnotou koeficientu rozpustnosti a je tak ze všech detekovaných plynů nejvíce ovlivněno i procesem odběr vzorku – test. Vzhledem k Ostwaldovu koeficientu rozpustnosti vodíku v izolačním oleji je tento plyn ze všech obligátních plynů nejméně v izolačním oleji vázán (o řád až téměř o dva řády) a může tedy nejsnadněji v celém procesu i uniknout.

Z provedených výpočtů je patrné, že určité problémy se vyskytují u strojů T2 a T6. Při podrobnějším studiu chování přítomných plynů je nápadná funkční (ne)závislost O2, což je spojeno m.j. s účastí na oxidačních procesech. Vzhledem k nízkému korelačnímu koeficientu O2 (vysoce volalitní chování) a celkovému nárůstu vzdušného dusíku lze usuzovat na vliv difuze plynů hermetizační membránou, resp. vaky. To potvrzuje (vzhledem k velikosti molekul) i kontinuální nárůst celkového obsahu plynů (již bylo v průměru dosaženo hranice podnikové normy – nutnost odplynit stroje), kdy ve směsi dominuje dusík.

Obr. 1

Obr. 2

Uvedené výsledky naznačují, že u obou strojů by se mohlo jednat o stejný typ příčiny vzniku rozkladových plynů. Slabé místo patrně nejméně zasahuje pevnou izolaci. Z grafu na obr. 1 je závislost CO a CO2 téměř shodná pro všechny stroje. Lze tedy i vyslovit předpoklad, že se nemusí jednat u T2 a T6 o závadu na kterou ukazují poměrová kritéria, ale o dvě, na sobě nezávislé příčiny. Prvou je konstrukční vliv způsobující určité přetížení papírové izolace vyskytující se u všech strojů a druhou příčinou, zvláště u T6 tepelná závada v oblasti bez významné přítomnosti papíru. Tou může být magnetický obvod, vířivé proudy v nádobě nebo holý proudový spoj.

Důsledkem hermetizace je pro hodnocení chromatografie nežádoucí efekt vyvolaný omezením možnosti úniku rozkladových plynů do atmosféry prostřednictvím konzervátoru. Zákonitě se ve strojích musí hromadit i plyny vznikající v důsledku normálního provozu, nebo jen slabě přetíženého místa iz. systému, které dosud nepozorovaně unikaly. Pokud produkce plynů byla vyvážená s odvětraným množstvím, nebyl jejich vznik detekovatelný. V uzavřeném systému se však mohou hromadit a vzniká tak problém rozhodnout o únosné výši tvorby rozkladových plynů.

V určitém směru se zdá být kontraproduktivní podniková norma, předepisující nutnost odplynění hermetizovaných strojů v případě překročení hranice 3% celkového obsahu plynů. K opatřením, která vedou ke zvýšení oxidační stálosti izolačního systému patří také ochranná dusíková atmosféra. V určité míře se složení plynů v těchto stojích tomuto stavu blíží a odplyňování se zdá být zbytečné.

Varujícím poznatkem z tohoto stavu (nárůst dusíku – absence kyslíku) může být poznatek, že difuzní konstanta materiálu hermetizačních vaků je patrně příliš vysoká a neplní tedy uspokojivě svojí funkci.

2. Sledování (obvyklých) koncentrací

Norma ČSN IEC 60 599 široce rozebírá diagnostické možnosti plynové chromatografie, resp. uvádí metodiku hodnocení výsledků měření. K rozbití vazeb složitých molekul je nutná přítomnost vysokých teplot nebo energie. Jednotlivé rozkladové plyny se tvoří při různých teplotách. Např. etylén, etan a metan se začínají tvořit při teplotách kolem 500°C, ke tvorbě acetylénu je nutná teplota asi 800 – 1200°C. Častečky uhlíku vznikají již při teplotách asi při 500 – 800°C.

Celulózové látky se začínají rozkládat při teplotách nižších. Počátek kritických teplot začíná již u 105°C, při teplotách kolem 300°C již nastává kompletní rozklad, který urychluje přítomnost kyslíku.

Abnormální vývin plynu je vždy důsledkem nějakého stresu izolačního systému. Je však nutné odlišit stav, kdy se jedná o normální produkci plynů vyvolanou běžným provozem. V tab. 2. jsou uvedeny hodnoty z databáze ELDIAG které byly zpracovány z 11 790 rozborů traf. Z tohoto souboru byla vyloučena měření kde Qp <= 1% (odplyňované stroje) a hodnoty kde H2 >= 1 000 ppm (pravděpodobnost výskytu závady). Metodika výběru strojů ve vlastní ČSN není uvedena.

Tab. 2 Hodnoty jsou uvedeny v [ppm]

Poznámka: pro rozptyl byl použit konfidenční interval δ – 1,96(σ/(n^1/2)), Φ střední hodnota

Stroje se dělí na dvě skupiny, pro částečně jiný charakter provozu a pak také stroje pracující v přenosové soustavě jsou vybaveny regulačním zařízením, kde dochází při manipulacích k intenzivní tvorbě rozkladových plynů, které mohou pronikat do nádoby strojů. Z tabulky je patrné, že norma vychází z údajů strojů, které obsahují více rozkladových plynů, než je tomu v tuzemských energetických provozech, nebo čerpá údaje i ze strojů s určitou závadou.

V tab. 3 jsou uvedeny reálné průměrné hodnoty z posledních dvou měření. Z tabulky lze odvodit kde a jak jsou překročeny obvyklé hodnoty u stroje pracujícího v „průměrném“ bezzávadovém režimu

Tab. 3 Průměrné hodnoty [ppm]

3. Sledování poměrových kritérií

Empiricky bylo zjištěno, že tvorba rozkladových plynů je pro většinu závad v určitém specifickém poměru. Výhodou použití poměru dvou veličin je možnost přesněji určit druh závady, v základním rozdělení do tří skupin, tj. tepelné, elektrické a kombinované. Rovněž se zvyšuje interpretace závady mezi laboratořemi. Protože však existují v konstrukcích transformátorů rozdíly, snaží se jednotlivá odborná diagnostická pracoviště hodnoty upřesňovat i podle svých podmínek, event. ověřovat i jiná, dosud nepublikovaná kritéria.

Úskalím poměrových kritérií jsou minimální koncentrace plynů, nebo jejich absence. Z definice je zřejmé, že stejný poměr mohou vytvořit dvě malá i velká čísla. Proto se stanovují minimální koncentrace plynů, pro které je ještě účelné poměry stanovovat, aby nedošlo k zavádějícím závěrům. Jiné omezení je i pro poměr, ve kterém nebyla zjištěna složka nacházející se ve jmenovateli zlomku – dělení nulou.

a) Poměrová kritéria dle ČSN IEC 60 599

Tato kritéria jsou tvořena poměry: C2H2 / C2H4 CH4 / H2C2H4 / C2H6

Z těchto poměrů je pak odvozeno šest specifikujících kritérií tab. 4.

Tab. 4

Pro použití, resp. věrohodnost výroku platí již uvedená podmínka minimálních koncentrací. Ta je, zjednodušeně řečeno, odvozena od násobků citlivosti detektorů chromatografu. V normě je pak dále uvedeno pro jaké číselné hodnoty jednotlivých poměrů a jejich kombinace se kritéria přidělují. Interpretace nejsou uvedeny striktně, ale doplňuje je řada upřesňujících poznámek nebo tolerančních pásem.

Hodnocení strojů T1 až T6 podle výsledků posledních dvou měření je uvedeno v tab. 5. Pokud není podmínka pro přidělení určitého kódu splněna je v tabulce uvedeno „NE“, jsou-li koncentrace rozkladových plynů v takové konstelaci, že ukazují na možnou existenci závady, je uvedeno „ANO“. V druhé části tabulky je počet kladných výsledků hodnocení pro příslušný kód od r. 2000, tj. sledování po hermetizaci.

Výsledky ukazují u všech strojů na možnost teplotního přetížení, kritická situace může být u stroje T6.

Tab. 5 Indikace poruchového kódu / počet výskytu od r. 2000

Zjednodušené, ale signifikantní hodnocení je možné také jen ze dvou poměrů, kde pro kód PD (částečné výboje ) postačuje poměr CH4 / H2 < 0,2, pro elektrické výboje (kód D) C2H2 / C2H4 > 0,2 který pro opačnou hodnotu tj. < 0,2 naopak indikuje tepelnou závadu (kód T). Pro téměř absolutní neexistenci výskytu acetylénu toto hodnocení, žádný nový poznatek v našem případě nepřináší.

Vedle poměrových kritérií uvedených v normě, existuje ještě řada autorů které používají buď obdobné poměry nebo přiřazují ještě další. Mezi nejznámější patří kritéria Rogersova, Dörenburgova, a některá byla zveřejněna v doporučeních CIGRE, např. Kawamura. Tato hodnocení neuvádíme, protože se v globále u posuzovaných strojů shodují.

b) Kritéria Laborelec

Tato kritéria jsou jedinečná tím, že vytváří kompromis mezi poměry a absolutními koncentracemi. Použité koncentrace leží vysoko nad detekčními schopnostmi chromatografů a není proto většinou nutné ověřovat oprávněnost použití určitého plynu. Tím pádem lze pomocí tohoto hodnocení přímo stanovit i závažnost zjištěné závady, které se dělí do tří skupin (B – malá, C – vysoká, D – nejvyšší). Z hlediska příčiny vzniku rozkladových plynů je možné určit až devět lokalizací. Stav, kdy je provozovaný stroj bez závad je indikován písmenem A. Tento systém hodnocení kombinací poměrů a absolutního množství plynů se tak nedostává do rozporu s typicky monofunkčním zaměřením poměrových kritérií. Poměrová kritéria mohou totiž různí autoři vysvětlovat různě a dochází pak k výkladovým nejasnostem, event. sporům.

Tab. 6

V databázi ELDIAG bylo touto metodou hodnoceno přes 9600 rozborů. Rozložení a příčiny zachycených poruch v systémech ukazuje tab. 6 a obr. 3. Celkem se jedná v době zpracování této zprávy o 2389 případů.

Obr. 3

Z obou odkazů je zřejmé, že jako nejčastější byla vyhodnocena tepelná závada, následovaná závadou elektrickou.

Stroje T1 až T6 jsou dlouhodobě řazeny do skupiny B9, tedy „Přehřátí pevné izolace –závažnost nízká“. Je to především tím, že rozhodné kritérium Laborelec pro příslušnost do této skupiny je určeno koncentrací CO > 400 ppm, které všechny jednotky překračují. U stroje T6 se v posledním období zařazení změnilo do skupiny D5 (z již dříve uvedeného – hermetizace – se zdá pravděpodobnější zařazení do skupiny D4).

c) Pomocná kritéria

ca) Hodnocení ad a) např. vůbec neuvažuje plynnou složku CO která nejvíce reaguje na degradaci celulózy – tedy papírové izolace. Pomocný poměr CO2 / CO tuto absenci doplňuje i když oproti jiným plynům je více ovlivněn možností zkreslení atmosférickým vzduchem. Uvádí se, že pokud je tento poměr menší než 3, může se jednat o teplotní napadení papírové izolace. V těchto případech se kromě jiného, doporučuje měření polymerizačního čísla PPS.

cb) Dalším pomocným poměrem je O2 / N2. Pro rovnovážný stav mezi volnou atmosférou a izolačním olejem je tento poměr kolem 0,5. Kyslík se přímo podílí na oxidačních procesech a záleží na možnosti jeho doplňování z atmosféry. Hermetizace transformátoru může proto zásadním způsobem ovlivnit stárnutí především pevné izolace, protože současné izolační oleje jsou proti oxidaci značně odolné. Pokud klesne podíl kyslíku v tomto poměru tak, že se jeho hodnota blíží 0,3 a méně ukazuje to na jeho zvýšenou spotřebu.

cc) Pomocný poměr ELDIAG daný vztahem CO2 / Suma CxHy (CO2 / Σ) je zvláště výhodný v případech, kdy dojde k odplynění oleje, a koncentrace rozkladových plynů se pohybují ve stopových množstvích. Tehdy většina kritérií selhává a nelze tak indikovat event. závadu. Poměr reaguje samozřejmě i na vyšší koncentrace plynů. Empiricky bylo zjištěno, že u stroje bez závad je > 100, soustavy podezřelé jsou v pásmu < 100 až 10, pásmo pod 10 je u strojů s prokazatelnou závadou a všechny havarované stroje v databázi vykázaly hodnotu v řádu desetin a méně.

V tab. 7 je shrnutý stav T1 až T6 od .počátků zavedení plynové chromatografie do diagnostické praxe asi od r. 1978 (měření nebyla z počátku pravidelná). Provoz sledovaných transformátorů prošel v tomto období třemi zásadními etapami, které jsou v tabulce reprezentovány průměry za každé období tak, co ukázaly pomocné poměry.

První etapa je v časovém pásmu do výměny izolačního oleje někdy v roce 1990. Druhá etapa postihuje následné období do okamžiku hermetizace strojů a poslední je od té doby, dosud. Proto je každý stroj reprezentován třemi trojicemi poměrů. Jako příklad reakce na poruchu olejového čerpadla, je na zvláštní řádce stroj T3, kdy zplodiny poruchy teplotního charakteru pronikly do nádoby stroje. Tato měření nejsou zahrnuta ve zprůměrňovaných hodnotách.

Tab. 7 Pomocná kritéria

Porovnáním hodnot v tab. 7 se zajímavě chová poměr O2 / N2. Prakticky od počátku sledování signalizuje vysokou spotřebu kyslíku. Ta se pak ukázala jako vyhovující v etapě II. Vysvětlení tohoto jevu je obtížné a může znamenat, bez podrobné znalosti rozsahu prací provedených na počátku tohoto období kladný i záporný přínos. Z pouhé velikosti poměru lze jen spekulovat, že se při revizi podařilo najít a odstranit příčinu vysoké spotřeby kyslíku, ale i opačný závěr spočívající v možnosti zvýšení jeho přísunu.

Poměr CO2 / CO se v jednotlivých etapách také měnil. V poslední etapě se jedná o důsledek hermetizace.

Tab. 8 Souhrn změn oxidů uhlíku od počátku sledování [ppm]

Z tab. 8 (výsledek) lze dále odečíst, že v průměru stoupl v etapě II více oxid uhličitý a v absolutní hodnotě kritérium na přetížení pevné izolace neukazuje. Vzájemný vztah ukazatele ca) a cb) v jednotlivých etapách je na obr. 4, zdrojová data jsou v tab. 7. Každý bod zastupuje jeden stroj, každá šestice bodů, jednu etapu. Virtuální proměnnou tvoří poměr O2 / N2, resp. tento ukazatel v zobrazeném grafu reaguje primárně na změnu vnějších podmínek, druhý ukazatel reaguje v podstatě sekundárně.

Obr. 4

Pokud jde o detekční citlivost jednotlivých ukazatelů jsou v tomto případě největší změny u kritéria ELDIAG – CO2 / Suma CxHy (CO2 / Σ) kde u příkladu (T3) citované poruchy jde až o řádovou změnu.

V Praze 4/2006