RUTI
Reabilitarea Uleiurilor și Tratare Izolației (RUTI)
Experiența arată că reabilitarea izolației transformatoarelor, autotransformatoarelor și bobinelor de compensare poate fi remediată în majoritatea situațiilor la locul de montaj, fără toate problemele și costurile generate de transportul unității până la atelierul de reparații. Mai mult, s-a dovedit că reabilitând la timp izolația, durata de viață normată (tipic 25-30 de ani) poate fi extinsă semnificativ chiar și la dublul estimat inițial.
Reabilitarea izolației se face particularizat, în funcție de problemele concrete ale izolației unității în cauză, combinând adecvat metodele și tehnicile de reabilitare pentru diversele aspecte și componente ale izolației.
Izolația
Alături de înfășurări și sistemul (miezul) magnetic, izolația este al unul dintre cele mai importante subsiseme ale transformatoarelor. Dacă pentru primele două nu există procese evidente de îmbătrânire, izolația este supusă unui proces continuu, natural, de degradare datorat unor reacții chimice complexe în sistemul celuloză – ulei electroizolant – metale (oxidare, piroliza, hidroliză). Viteza de degradare (îmbătrânire) a izolației depinde în primul rând de de temperatura dar și de factori precum conținutul de apă, conținutul de radicali acizi în ulei, conținutul de oxigen ș.a.
Izolația nu se degradează uniform: în zonele cu temperaturi ridicate, așa-zisele ”hot spots” degradarea este semificativ mai rapidă; dacă fenomenul de corozivitate este prezent, acesta se manifestă mai pregnant la contactul dintre hârtie și conductor etc.
Nota bene, fenomenul de îmbătrînire poate fi controlat, încetinit, prin acțiuni adecvate de mentenanță. Astfel: apa ”inamicul numărul unu” poate fi extrasă din izolație prin procedee speciale de deshidratare; corozivitatea uleiului poate fi anulată prin regenerare și pasivizare, acizii din ulei pot fi extrași prin regenerare, eficiența sistemului de răcire poate fi îmbunătățită prin decolmatare etc.
Desigur, fiecare ”pacient” are particularitățile lui: istoria de exploatare (”încercările” la care a fost supus de-a lungul exploatării) este diferită, eventualele defecte ascunse de fabricație, materiale diferite, soluții constructive diferite și multe alte detalii fac diferența chiar și între transformatoare aparent identice. Întocmai ca și în cazul altor sisteme tehnice, ”vindecarea” (reabilitarea) izolației unui transformator se face diferit de la un caz la altul, în baza unei soluții particularizate și întotdeauna în baza unei evaluări tehnice prealabile.
Multe transformatoare care conform reglementărilor tehnice nu mai pot fi puse sub tensiune pentru că prezintă un risc mult prea mare de defectare pot fi reabilitate in-situ și redate exploatării. O reabilitare a izolației făcută la timp poate extinde durata estimată de viață a transformatorului astfel încât se economisesc importante cheltuieli de capital cu eventuala înlocuire a acestuia, ca să nu mai vorbim de eliminarea riscului de defectare, cu toate efectele acesteia.
Componentele izolației
Izolaţia unui transformator constă în două mari componente:
Izolația solidă, formată în cea mai mare parte din hîrtie - izolația ”subțire”, dar și din suporți izolanți, teci izolante, distanțoare, discuri de presare etc. – izolația ”groasă”. Pe lângă rolul de asigurare a izolației electrice, izolația solidă are un rol esențial în asigurarea rigidității mecanice a ansamblului înfășurărilor și a legăturilor electrice, în condițiile în care solicitările mecanice (datorate forțelor electro-dinamice și electro-magnetice) pot fi foarte intense.
Uleiul electroizolant – care pe lângă rolul de izolant electric are și rolul de transfer al căldurii generate de înfășurări și miez către sistemele de răcire.
Fiecare componentă a izolației are propriile ei mecanisme de degradare și în consecință propriile ei metode de reabilitare.
Degradarea izolației
Orice material ”îmbătrânește”. Principalele materiale care compun izolația (hârtia, uleiul) nu fac excepție de la această infailibilă evoluție. Să le analizăm pe rând:
Îmbătrânirea celulozei.
Fibrele celulozice – principala componentă a izolației solide - sunt formate din lanțuri macro-moleculare, ale caror lungimi depășesc 1000 de molecule (tipic 1200 de molecule într-un lanț macromolecular pentru hârtia nouă). Procesul de îmbătrânire este unul de de-polimerizare (rupere a lanțurilor macro-moleculare) datorat reacțiilor de hidroliză, piroliză și oxidare datorate acizilor și oxigenului și în prezența apei.
Umiditatea în celuloză
Viteza de descompunere (de îmbătrânire) a celulozei este dictată în principal de conținutul de apă din celuloză, care are pe de o parte rol de catalizator al majorității reacțiilor chimice care conduc în final la de-polimerizare, iar pe de altă parte este chiar unul din produșii rezultanți ai degradării celulozei. Așadar, mai multă apă, care duce la o degradare și mai rapidă – un fel de carusel care își crește viteza de rotație...
Astfel, durata remanentă de viață, care este dictată în principal de durata de viață a izolației celulozice poate fi drastic redusă pe măsură ce crește conținutul de apă în izolație.
Dependența duratei remanente de viață a izolației solide de temperatură și conținutul de apă (Lundgaard,2002)
Acțiunea acizilor din ulei.
Degradarea uleiului are drept efect, printre altele, creșterea concentrației de acizi în ulei (reflectat în indicele de aciditate), a căror reactivitate duce în final la descompunerea lanțului macromolecular celulozic. Cu alte cuvinte, cu cât uleiul este mai acid, cu atât celuloza va fi afectată mai pregnant.
Corozivitatea uleiului
Un fenomen pus în evidență relativ recent arată că, anumite uleiuri, în anumite situații, pot prezenta un proprietăți corozive față de metalele (conductoare, miez, cuvă) prezente în transformator. Astfel, uleiul prezintă grade diferite de corozivitate funcție de țițeiul folosit ca materie primă, aditivii folosiți, materialele prezente (unele nedorite) în transformator ș.a.
Un ulei coroziv nu numai că afectează în mod direct celuloza dar dizolvă metale (în special Cu) și prin asta se înrăutățesc drastic proprietățile izolante ale sistemului hârtie-ulei.
Aditivi și pasivatori
Uleiul mineral electroizolant este supus oxidării, reacție cu care începe un întreg proces de degradare din care rezultă în final o serie de produși nedoriți (acizi).
Dacă o uleiurile mai vechi (în general fabricate până acum 10 -15 ani) conțineau în mod natural compuși care încetinesc oxidarea (inhibitori naturali), majoritatea uleiurilor electroizolante produse în ultimii ani conțin acești inhibitori naturali în concentrații insuficente. Pentru a reduce fenomenul de oxidare, aceste uleiuri sunt aditivate de fabricanți cu compuși antioxidanți astfel că menținerea în exploatare a unei concentrații optime de aditivi antioxidanți trebuie să fie, printre altele, în atenția acțiunilor de mentenanță.
Totodată, pentru a limita sau chiar anula corozivitatea unor uleiuri față de părțile metalice ale transformatorului, sunt adăugate în ulei o serie de substanțe ”pasivatori” care formează un fel de protecție la interfața ulei – metal. Concentrația optimă de pasivatori trebuie să fie de asemenea în obiectivul mentenanței corecte a izolației.
Șlam
Șlamul este de fapt un precipitat, nămol, conținând în primul compuși rezultați din degradarea celulozei și uleiului, dar și din multe alte reacții de degradare.
O parte din șlam este antrenat în permanență de ulei, mai ales particulele de mai mari dimensiuni. O bună parte se depune și aderă progresiv la suprafețele interioare – inclusiv pe izolația solidă – contribuind la înrăutățirea proprietăților electroizolante.
Șlamul nu poate fi îndepărtat decât în mică măsură prin spălare, fiind necesare procedee adecvate, specifice.
Umezeala din izolație
Știm cu toții că umezeala și izolația electrică nu fac casă bună. Pentru a combate umezeala din izolație e important să înțelegem de unde vine și unde se ”ascunde” apa.
De unde vine apa?
În primul rând, apa nu poate fi extrasă complet din izolație la momentul fabricației sau reparației unui transformator, nici prin cele mai eficiente tehnici de uscare din fabrică. Astfel un conținut de apă sub 0,5% în izolația solidă este considerat un conținut satisfăcător pentru un transformator nou, înainte de livrare.
Contaminarea cu apă poate să provină din exterior (vapori și apa lichidă din atmosferă), prin neetanșeitățile cuvei, garniturilor, racordurilor, conservatorului etc. Chiar dacă în aparență pare nesemnificativ, în realitate prin aceste neetanșeități uneori de-a dreptul minuscule pot pătrunde în izolație însemnate cantități de apă (chiar și zeci de kg/an)!
Degradarea celulozei din hârtia electroizolantă produce apă. Și cum apa intră din nou în reacțiile de degradare a celulozei și uleiului producția de apă este tot mai însemnată.
Apa poate proveni din umiditatea atmosferică, atunci când izolația este expusă chiar și parțial aerului atmosferic. Acest mod de contaminare survine frecvent cu ocazia acțiunilor de mentenanță dacă nu se iau măsuri speciale, adecvate – de exemplu suflajul cu aer uscat.
Unde se ascunde apa ?
Într-un transformator, apa o găsim sub trei forme: apa sub formă liberă (picături de apă nedizolvate în ulei), apa dizolvată în ulei și apa absorbită în izolația celulozică.
Primul caz este chiar mai frecvent decât ne spune intuiția. Cum uleiul nu poate dizolva decât o cantitate foarte mică de apă, iar această cantitate depinde de temperatură (fenomenul de saturație), orice cantitate suplimentară de apă se adună sub formă de picături. Chiar și în cazul unei izolații moderat umede, atunci când temperatura uleiului scade rapid, apa liberă poate să apară în ulei. În transformatoarele cu izolația excesiv de umedă, găsim permanent apă în formă liberă, cu efectele și riscurile de rigoare.
Apa dizolvată în ulei o constatăm cu ocazia analizelor fizico-chimice pe mostrele de ulei prelevate din cuvă. Frecvent găsim câteva mg de apă la fiecare kg de ulei iar atunci când concentrația urcă la cateva zeci de mg de apă pentru fiecare kg de ulei avem motive serioase de îngrijorare. Desigur, concentrația de apă din ulei trebuie judecată corelat cu temperatura izolației în momentul recoltării.
Cea mai importantă parte a apei dintr-un transformator (peste 90% din întreaga cantitate) o găsim absorbită în izolația solidă. Explicația constă în hidrofobicitatea foarte diferită a celulozei și uleiului. Totodată, temperatura modifică substanțial balanța conținutului de apă între izolația solidă și ulei. Ca lucrurile să fie și mai complicate, echilibrul la o nouă temperatură nu se stabilește imediat – ci poate să dureze între câteva ore (pentru temperaturi ridicate ale izolației) și câteva săptămâni (când temperaturile sunt foarte scăzute).
Câtă apă înseamnă prea multă apă?
În primul rând, viteza de degradare a celulozei și de aici durata remanentă de viață a transformatorului depind printre altele de conținutul de apă (vezi mai sus graficul lui Lundgaard al dependenței duratei de viață a izolației de conținutul de apă). Graficul sugerează că pentru un conținut de umiditate mai mare de 1% – 1,5% trebuie să ne facem griji pentru durata remanentă de viață a unui transformator care funcționează constant aproape de încărcarea nominală.
Pe de altă parte, umiditatea contribuie direct, alături de alți contaminanți, la scăderea proprietăților izolante ale materialelor (celuloză, ulei). Aici discuția e mai nuanțată pentru că sunt mai multe variabile în discuție dar e sigur că pentru concentrații de apă mai mari de 3%, prezența apei în formă liberă poate înrăutății dramatic izolația, indiferent cât de mică e influența altor contaminanți.
Desigur, analiza trebuie făcută pentru fiecare caz în parte și este una tehnico-economică nu una pur tehnică dar la modul general, la transformatoarele de putere cu tensiuni superioare lui 110kV ale căror concentrații de apă în izolație sunt mai mari de 2,5%, trebuie neapărat luate măsuri de uscare.
Reabilitarea izolației
Am văzut care sunt principalele probleme ale izolației. Pe lângă cele amintite aici mai sunt o serie de neconformități sau defecțiuni (străpungeri de izolație, carbonizări locale ale hârtiei electroizolante, deformări prin presare ireversibile etc.) care nu pot fi remediate decât prin înlocuirea părților afectate.
Experiența arată că majoritatea problemelor de izolație pot fi remediate la locul de montaj, fără toate problemele și costurile generate de transportul unității până la atelierul de reparații. Mai mult, s-a dovedit că reabilitând la timp izolația, durata de viață normată (tipic 25-30 de ani) poate fi extinsă semnificativ chiar și la dublul estimat inițial.
Reabilitarea izolației se face particularizat, în funcție de problemele concrete ale izolației unității în cauză, combinând adecvat metodele și tehnicile de reabilitare pentru diversele aspecte și componente ale izolației.
Reabilitarea uleiului
Reabilitatarea uleiului înseamnă re-aducerea acestuia în parametrii fizico-chimici acceptabili pentru exploatare, precizați în normative, reglementări, standarde.
Există două mari categorii de acțiuni de reabilitare a uleiului: recondiționarea fizică și regenerarea uleiului.
Recondiționarea uleiului
Prin recondiționare se înțeleg prelucrările care nu intervin în compoziția chimică a uleiului respectiv:
Filtrare – reprezintă îndepărtarea particulelor solide din ulei, cu ajutorul filtrelor. Finețea filtrelor ajunge de regulă la 1,5 – 2 µm
Degazare – înseamnă extragerea gazelor dizolvate în ulei, Prin degazare sunt îndepărtate atâtgazele atmosferice, inclusiv oxigenul, cât și gazele generate de descompunerea uleiului și celulozei în funcționarea unității (cu excepția bioxidului de carbon sunt gaze combustibile)
Deshidratare – înseamnă îndepărtarea apei din ulei. În majoritatea instalațiilor moderne de recondiționare a uleiului deshidratarea se face odată cu degazarea prin tehnica vaporizării în vid
Astfel, uleiul recondiționat își va îmbunătății parametrii precum: rigiditatea dielectrică (tensiunea de străpungere) va crește; conținutul de apă, conținutul de gaze dizolvate, numărul de impurități vor scădea.
Recondiționarea nu elimină acizii din ulei, drept urmare alte proprietăți precum indicele de aciditate, tangenta unghiului de pierderi (tgδ), tensiunea interfacială, culoarea rămân practic neschimbate!
Cum orice manipulare (transvazare) a uleiului în/din diverse recipiente, conduce la contaminarea lui cu impurități, gaze și umiditate din atmosferă, recondiționarea este obligatorie întotdeauna atunci când se transvazează uleiul în cuva sau conservatorul unui transformator.
Recondiționarea uleiului se face cu ajutorul instalațiilor de recondiționare ulei. Smart Sibiu dispune de asemenea instalații cu performanțe foarte bune.
Regenerarea uleiului
Regenerarea uleiului are rolul de a elimina compușii acizi. Regenerarea îmbunătățește de degulă toate celelalte proprietăți fizico-chimice pe care recondiționarea nu reușește să le modifice: indicele de aciditate, tangenta unghiului de pierderi (tg), tensiunea interfacială, culoarea.
De regulă regenerarea e un proces complementar cu recondiționarea astfel că la finalul unei tratări combinate recondiționare+regenerare, se poate obține un ulei cu proprietăți asemănătoare cu ale uleiului nou.
Dacă instalațiile de recondiționare ulei sunt disponibile la mai mulți prestatori, Smart Sibiu dispune de una dintre foarte puținele instalații de regenerare din țară.
Uscarea izolației solide – metode aplicate de Smart Sibiu
Am văzut în cele prezentate anterior multe alte argumente ca să putem considera apa drept ”inamicul numărul unu” în izolația transformatoarelor. Cum putem scăpa de umiditatea din izolație? Cât de multă apă se poate scoate din izolație? Iată în cele ce urmează câteva răspunsuri noastre la această problemă:
Metoda termo-vid pentru uscarea transformatoarelor la locul de montaj
Este cea mai eficientă metodă de uscare a izolației la locul de montaj utilizată în România. Este totodată o metodă care necesită instalații performante și proceduri foarte stricte de lucru pentru atingerea rezultatelor scontate. După știința noastră Smart Sibiu este singurul prestator din țară care se încumetă să utilizeze această metodă de uscare.
Asigură o foarte bună uscare, concretizată printr-un nivel de umiditate remanentă în izolația solidă mai bun de 1%.
Metoda constă în:
Pregatirea transformatorului pentru uscare, constând în principal în pregătirea cuvei pentru vidare.
Încălzirea uniformă a izolaţiei prin intermediul circulatiei de ulei cald, combinată cu injectia de curent continuu în înfăşurări.
Vidarea cuvei transformatorului, concomitent cu extragerea vaporilor de apă în captatorul criogenic cu azot lichid.
Reintroducerea în cuvă a uleiului recondiţionat şi pregatirea transformatorului pentru repunerea sub tensiune.
Complexul RUTI la o lucrare de uscare a unui transformator
Transformator în faza de uscare sub vid.
Metoda transferului celuloză – ulei
Speculând tendința apei de a reface în mod automat echilibrul între concentrația de apă din celuloză și concentrația de apă din ulei, acestă metodă de uscare constă în:
Recondiționarea fizică a uleiului (deci inclusiv deshidratare) în instalația de recondiționare.
Recircularea continuă a uleiului din cuvă prin instalația de recondiționare
Transferul natural de apă din celuloză în uleiul deshidratat
Metoda este mult mai puțin eficientă decât metoda termovid dar are meritul ca poate fi aplicată aproape în orice situație.
Decolmatare
Dacă particulele în suspensie în ulei pot fi relativ ușor eliminate prin filtrare șlamul, mai ales cel aderent pe izolație, nu poate fi eliminat decât în anumite condiții. Metoda folosită de noi constă în dizolvarea șlamului aderent în ulei, simultan cu regenerarea uleiului într-o instalație de regenerare.
Metoda asigură o bună decolmatare a izolației, a canalelor de răcire din înfășurări.
Aditivare/readitivare
Concentrația aditivilor (inhibitori artificiali, pasivatori) prezenți în ulei se poate modifica în exploatarea normală a unității dar și ca urmare a unor acțiuni de mentenanță asupra uleiurilor.
Totodată, în funcție de tipul de ulei electroizolant utilizat, de metodele folosite pentru reabilitarea izolației și de eventuale acțiuni corective necesare asupra uleiului, poate fi necesară readitivarea/aditivarea suplimentară a uleiului și/sau pasivizarea izolației.
On-line / off-line
Cu unele excepții, cele mai multe dintre tehnicile de reabilitare ale uleiului și izolației solide pot fi aplicate atât cu unitatea retrasă temporar din exploatare, prin procedee off-line, cât și cu unitatea sub tensiune în sarcină, prin procedee on-line.
În funcție de concluziile evaluării tehnice inițiale, de obiectivele reabilitării și de constrângerile de exploatare se utilizează o combinație off-line/on-line care să confere un optim din punct de vedere tehnico-economic.
Cum se face o reabilitare corectă?
Așa cum nu se dau tratamente pentru boli fără un consult și fără un diagnostic prealabil, nici în cazul reabilitării izolației transformatoarelor nu trebuie procedat altfel. Pe de altă parte, ”tratamentul” izolației transformatoarelor este și el particularizat pentru fiecare ”pacient” în parte.
Așadar, o corectă abordare constă în:
Evaluarea stării tehnice, în mod particular a izolației hârtie-ulei, bazată pe:
Buletine de măsurători și rapoarte de încercare din fabrică, înainte de livrare
Istoria de exploatare (evoluția principalilor parametrii, neconformități apărute în exploatare, evenimente și încercări deosebite etc.)
Măsurători și determinări pentru expertizarea stării tehnice, cu deosebire privind starea izolației.
Concluziile evaluării trebuie să includă alegerea soluției optime de reabilitare și stabilirea obiectivelor reabilitării.
2. Elaborarea tehnologiei de reabilitare, particularizată pentru fiecare caz în parte.
3. Reabilitarea propriu-zisă. Pe parcursul reabilitării, în funcție de evoluția unor parametrii precum și de eventuale neconformități suplimentare identificate pe parcurs, trebuie făcută o permanentă adaptare a tehnologiei de reabilitare la noile condiții.
4. Măsurători și determinări la finalul reabilitării.
