Диагностика силового трансформатора: методы и что они показывают

Главный метод диагностики силового трансформатора — анализ растворённых в масле газов (DGA): он показывает перегревы, разряды и разложение бумажной изоляции. Его дополняют анализ качества масла и фуранов, контроль кислорода и герметичности, ультразвуковой поиск частичных разрядов, тепловизионный контроль и вибромониторинг насосов и вентиляторов охлаждения. На отключённом трансформаторе проводят электрические испытания.

Сводная таблица методов

Метод	Что находит	Режим трансформатора
DGA, лабораторный анализ пробы масла	Перегревы, частичные разряды, дуга, разложение бумаги	В работе (отбор пробы)
DGA, онлайн-монитор	То же, непрерывно; тренд и скорость роста газов	В работе
Анализ качества масла	Влага, кислотность, загрязнения, пробивное напряжение, старение масла	В работе (отбор пробы)
Фураны в масле	Износ бумажной изоляции	В работе (отбор пробы)
Кислород, общее давление газов	Подсос воздуха, нарушение герметичности	В работе
Ультразвук, акустическая эмиссия	Частичные разряды, их место	В работе
Тепловизионный контроль	Перегрев контактов, охлаждение, уровень масла, отсек РПН	В работе
Вибромониторинг охлаждения	Дефекты насосов и вентиляторов	В работе
Частотный анализ (FRA) и другие электрические испытания	Изменения активной части относительно эталона	С отключением

DGA: анализ растворённых газов

Doble называет DGA, пожалуй, самым мощным инструментом оценки состояния трансформатора. Газы извлекают из пробы масла, например методом равновесного пара по ASTM D3612C (также IEC 60567), и по их составу судят, тепловой дефект или электрический, затронута ли твёрдая изоляция и не нарушена ли герметичность.

Газ	На что указывает (по Doble)
Водород H₂	Частичные разряды
Метан CH₄, этан C₂H₆	Низкотемпературный перегрев
Этилен C₂H₄	Высокотемпературный перегрев
Ацетилен C₂H₂	Дуга или высокотемпературный перегрев
Оксид углерода CO	Разложение бумаги (в жарком климате может присутствовать без других признаков)
Диоксид углерода CO₂	Общий перегрев бумажной изоляции при высоких значениях

Интерпретацию проводят по руководствам IEEE C57.104-2019 (включает метод ключевых газов, отношения Роджерса и треугольник Дюваля) и IEC 60599:2022. IEC 60599 прямо оговаривает: выводы по газам — ориентир, а решения принимают на основе инженерной оценки.

Что важно на практике:

• Одна проба не показывает динамику. По Doble, по одному набору данных нельзя понять, стабильны концентрации или растут; скорость газообразования определяют по пробам, взятым через регулярные интервалы.
• Учитывайте контекст: нагрузку, температуру окружающей среды, переходные процессы, гармоники, сквозные КЗ, ремонты, данные однотипных трансформаторов.
• Дегазация не устраняет причину. После неё, по Doble, нужно не менее 3 месяцев контрольных анализов, чтобы заново построить тренд.
• Онлайн-мониторы бывают двух типов: мониторы обнаружения дефекта измеряют водород и CO, мониторы диагностики — от пяти до девяти газов (обзор Bustamante et al., Sensors, 2019).

Подробнее — в статьях «DGA трансформатора на ТЭЦ: что дополнить хроматографии масла» и «Полевой скрининг газов трансформатора перед лабораторной DGA».

Кислород и герметичность

По данным Vaisala, новые силовые трансформаторы обычно герметизируют, чтобы не пускать внутрь кислород и атмосферную влагу: кислород и влага разрушают и старят бумажную изоляцию, а от её состояния зависит остаточный ресурс трансформатора.

Оценивать герметичность по кислороду сложнее, чем кажется:

• кислород расходуется в реакциях, поэтому его прямое измерение не всегда покажет, что воздух поступает внутрь;
• при подсосе воздуха растёт общее давление растворённых газов (TGP), в составе начинают преобладать азот и кислород;
• международного стандарта по интерпретации концентрации кислорода в масле нет, результат обычно оценивает специалист по DGA.

В IEEE C57.104-2019 введён предел отношения O₂/N₂ для разделения трансформаторов на группы. Исследование, опубликованное CIGRE, показывает, что система защиты масла заметно влияет на уровни газов, а классификация по диаграмме O₂–N₂ точнее простого предела отношения; трансформаторы с регулируемой азотной подушкой в выборке имели самые низкие средние уровни газов.

Практика контроля кислорода в газовой подушке и консерваторе — в статьях «Кислород в газовой подушке трансформатора» и «Консерватор и кислород: диагностика масла».

Анализ масла и фуранов

Анализ масла показывает и состояние самого масла, и косвенно — внутренних узлов. Перечень испытаний по данным EA Technology:

Показатель	Что показывает
Влагосодержание, кислотность, механические примеси, пробивное напряжение	Общее состояние масла и внутренних компонентов
Тангенс угла диэлектрических потерь (коэффициент рассеяния)	Загрязнение или ухудшение масла
Межфазное натяжение	Растворимые полярные загрязнения и продукты старения; быстро меняется на ранней стадии старения
Вязкость	Теплоотвод; растёт при старении и окислении масла
Плотность	Важна в очень холодном климате: всплывёт ли лёд в масле
Цвет и внешний вид	Степень загрязнения продуктами старения
Фурфурол (фураны)	Состояние бумажной изоляции: коррелирует со степенью полимеризации бумаги

Порядок контроля эксплуатационного масла, рекомендуемые испытания и оценку результатов устанавливает IEC 60422 (действующее издание 2024 года).

Частичные разряды: ультразвук и акустическая эмиссия

Частичные разряды постепенно разрушают изоляцию. По данным SDT, они создают турбулентность с пиками в области около 40 кГц, а по характеру сигнала разряд можно отнести к короне, поверхностному разряду (трекингу) или дуге. Трансформаторы SDT относит к оборудованию подстанций, которому при контроле разрядов нужно уделять особое внимание.

Для маслонаполненных трансформаторов и реакторов методику обнаружения, определения места и интерпретации источников акустической эмиссии от разрядов описывает IEEE C57.127-2018: сигналы снимают датчиками, установленными в выбранных точках бака, и по ним оценивают относительную величину и место источника.

Подробнее — в статье «Частичные разряды в КРУ и подстанциях: как услышать пробой до аварии».

Тепловизионный контроль

Тепловизор показывает то, что проявляется на поверхности:

• радиаторы: трубки должны быть равномерно нагреты и, как правило, теплее окружающего воздуха, а сами радиаторы — чистыми и ничем не перекрытыми; характерная тепловая картина видна при низком уровне масла;
• отсек РПН: у исправного переключателя он не должен быть теплее основного бака;
• бак: локальные горячие зоны;
• первичные и вторичные контактные соединения;
• вентиляторы и насосы охлаждения: работают ли они в заданном режиме.

Температуру сравнивают с допустимой по паспорту. Ограничение: тепловизионный контроль находит многие, но не все дефекты. Проблемы обмоток выявляют анализом масла: DGA и фуранами.

Вибрация системы охлаждения

Насосы масла и вентиляторы охладителей — вращающиеся машины, и их дефекты контролируют так же, как на любом насосе или вентиляторе: по вибрации. Работу вентиляторов и насосов проверяют и при тепловизионном обходе. Подробно — в статье «Вибромониторинг вспомогательных систем охлаждения силовых трансформаторов на ТЭЦ».

Испытания на отключённом трансформаторе

Часть методов требует вывода трансформатора из работы. Например, измерение частотной характеристики (FRA) выполняют по IEC 60076-18: стандарт задаёт методику и аппаратуру для измерений на месте установки и на заводе, на новом и эксплуатируемом оборудовании. Результат сравнивают с эталонной характеристикой, снятой на исправном трансформаторе.

Как построить программу диагностики

1. Базовая линия. Лабораторный DGA и анализ масла по каждому трансформатору, данные паспорта и истории.
2. Тренд. Регулярный отбор проб, чтобы видеть скорость роста газов, а не только их уровень.
3. Непрерывный контроль критичных единиц. Онлайн-монитор DGA там, где отказ обходится дороже всего.
4. Обходы под напряжением. Тепловизор и ультразвук: внешние перегревы, охлаждение, разряды.
5. Охлаждение. Вибрация насосов и вентиляторов.
6. Углублённая проверка. Если DGA показывает рост газов разрядного характера, ищут место разрядов акустическим методом; при подозрении на механические изменения планируют испытания на отключённом трансформаторе.

Какой прибор выбрать

• Ультразвуковой контроль разрядов и обходы подстанции — SDT340.
• Измерение кислорода в отобранной пробе газа — анализатор Rapidox 1100 (Cambridge Sensotec); по данным производителя это настольный или щитовой прибор с питанием от сети 90–260 В и диапазоном 0,5 ppm – 30 % O₂ с циркониевым датчиком.
• Вибромониторинг насосов и вентиляторов охлаждения — системы Bently Nevada, см. статью о вибромониторинге охлаждения.

KEG TRK поставляет эти приборы в Казахстане и помогает подобрать их под задачу. Цена по запросу.

Источники

• Doble. Assessing Transformer Condition — Part 2: Dissolved Gas Analysis (DGA) Carries the Most Weight: https://www.doble.com/assessing-transformer-condition-part-2-dissolved-gas-analysis-dga-carries-the-most-weight/
• IEEE C57.104-2019. Guide for the Interpretation of Gases Generated in Mineral Oil-Immersed Transformers, описание: https://www.standards.nimonik.com/products/ieee/ieee-c57pt104/
• IEC 60599:2022. Mineral oil-filled electrical equipment in service — Guidance on the interpretation of dissolved and free gases analysis: https://webstore.iec.ch/en/publication/66491
• Bustamante S. et al. Dissolved Gas Analysis Equipment for Online Monitoring of Transformer Oil: A Review. Sensors, 2019, 19(19):4057: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6806153/
• Vaisala. More robust air leak monitoring for power transformers — Total Gas Pressure: https://www.vaisala.com/nl/node/91071
• CIGRE Science & Engineering. Determination of oil preservation types from atmospheric gases to contextualize DGA in power transformers: https://cse.cigre.org/cse-n036/determination-of-oil-preservation-types-from-atmospheric-gases-to-contextualize-dga-in-power-transformers
• EA Technology. Oil Diagnostics: Oil-Filled Transformer testing & analysis (data sheet): https://eatechnology.com/media/altlbiud/oil-diagnostics-data-sheet-transformers.pdf
• IEC 60422:2024. Mineral insulating oils in electrical equipment — Supervision and maintenance guidance: https://webstore.iec.ch/en/publication/66421
• SDT Ultrasound Solutions. Using Ultrasound for Electric Power Reliability: https://sdtultrasound.com/2022/07/14/using-ultrasound-for-electric-power-reliability/
• IEEE C57.127-2018. Guide for the Detection, Location and Interpretation of Sources of Acoustic Emissions from Electrical Discharges in Power Transformers and Power Reactors, описание: https://standards.nimonik.com/products/ieee/ieee-c57pt127/
• Infraspection Institute. IR Inspection of Liquid Filled Transformers: https://irinfo.org/tip-of-week-alphabeta/ir-inspection-of-liquid-filled-transformers
• Infrared Training Center. Techniques for Identifying Problems in Transformers: https://www.infraredtraining.com/en-US/home/resources/blog/techniques-for-identifying-problems-in-transformers/
• IEC 60076-18:2012. Power transformers — Part 18: Measurement of frequency response: https://webstore.iec.ch/en/publication/597
• Cambridge Sensotec. Rapidox 1100 Oxygen Analyser: https://cambridge-sensotec.co.uk/product/rapidox-1100-oxygen-analyser/