Vasúti transzformátorok élettartam-vizsgálata

A vasúti transzformátorok – és általánosságban az olaj/papír szigetelésű  transzformátorok – élettartamát alapvetően a szigetelőpapír élettartama határozza meg.

A papír végső soron cellulózmolekulákból, hosszú polimerláncokból áll. A papír öregedése során (mely folyamatot a hő, nedvesség és oxigén gyorsítják) a polimer töredezik, szakadozik, egyre rövidebb lesz. Rövidülésével szakítószilárdsága is csökken. A kezdeti kb. 1200 monomert (ez a polimerizációs fok) tartalmazó lánc végül kb. 200 polimerizációs fokúra csökken, és ekkor a papír elszakad. Ez az életének a vége. A papír állapota vizsgálható közvetlenül a papírból, javítóüzemi kiemelés és papírmintavétel után (papír polimerizációsfok-mérés), valamint az olajból is (furánanalízis) működés közben. Egy transzformátor beszerzési ára, karbantartási költsége tetemes összeg, egy jól működő berendezés élettartama pedig kellő időben végzett karbantartással évtizedekkel meghosszabbítható. „Ha áram van, minden van!” – ez a felirat volt látható évekig a buszok oldalán Budapesten. Akkor működhet a műtő, világos van és meleg, közlekedhet a vonat.
Az energiaellátó rendszer alapvető része a transzformátor. A vasúti transzformátorok döntő részben olaj/papír szigetelésű berendezések. Az olaj tetszőlegesen cserélhető, kezelhető, regenerálható, és ennek költsége töredéke az új transzformátor beszerzési árának. A papír cseréje azonban egyúttal a teljes tekercs cseréjét jelenti, az összes tekercs cseréje pedig összemérhető költség a transzformátor árával. Ezért általánosan elfogadott tézis, hogy a transzformátor élettartama egyenlő a szigetelőpapír élettartamával (1. ábra).

Lássuk hát, milyen anyag is a szigetelőpapír! A papírgyártás során a fát fölaprítják, majd a faforgácsot vízzel pépesítik. A fában a cellulóz mellett jelen lévő anyagokat vegyszeresen eltávolítják, míg csak a cellulóz marad. A cellulózpépet szitákra, szalagra terítik, szárítják, préselik. A papír tehát cellulózmolekulákból áll, ami hosszú polimerlánc (2. ábra).

Kezdeti állapotban 1000-1500 monomer (gyűrűs szerkezetű glükózmolekula) kapcsolódik össze, ennyi a kezdeti polimerizációs foka. Az idő folyamán a hosszú polimerlánc rövidül, ezzel szakítószilárdsága csökken. Ez a folyamat addig folytatódik, míg lecsökken körülbelül 200-ra, akkor a papír elszakad. Ez jelenti az életének a végét (1. és 2. kép).

Ma a transzformátorgyártók bevallottan 25 évre tervezik a berendezéseket. Meghibásodás és öregedés egyaránt véget vethet a működésnek. Hogy mennyi lesz végül is az élettartam, az több tényezőtől függ. Ezek a tényezők: hő, víz, oxigén. Az üzemi hőmérséklet emelkedése, a papír növekvő víztartalma és a szigetelési rendszer levegőtelítettsége egyértelműen csökkenti az élettartamot. A hőmérséklet emelkedése önmagában az élettartamot 6-8 °C-onként megfelezi. Az új transzformátorok a gyártásból 0,5% körüli/alatti papírvíztartalom-értékkel kerülnek ki. A lélegző transzformátorokban minél nagyobb a hőingadozás működés közben, annál nagyobb a veszélye a bevizesedésnek. Ehhez járul még a cellulózmolekulák szakadozása során felszabaduló vízmennyiség. A folyamat a 3 vagy akár 4%-os papírvíztartalomig is eljuthat, ami azonban már mielőbbi beavatkozást, szárítást igényel. Gyártás során kezelt olajjal töltik föl a transzformátort, az olaj víztelenítve, légtelenítve kerül a berendezésbe. Az idő múltával az olaj akár 10-11%-ig is telítődik levegővel, az oxidációgátló adalék mennyisége pedig csökken, a nemkívánatos oxidációs folyamatok fölgyorsulnak. Ha a kedvezőtlen folyamatok mindegyike fönnáll, akkor a berendezés várható élettartama drasztikusan lecsökken, akár 1 év alá (3. ábra).

A papír öregedése a következő reakciók által okozhat meghibásodást:

• A leszakadó foszlányok eltömítik az olajcsatornákat, romlik az áramlás, a hűtés, a berendezés melegszik.
• A polimer szakadozásával víz szabadul fel, ez csökkenti a szigetelési ellenállást.
• A papír helyi szenesedése növeli a vezetőképességet, és átütéshez vezethet.

A transzformátor szekrényébe senki sem lát bele, és a gyártástól eltelt idő nincs mindig korrelációban a transzformátor tényleges korával.

Mi történik, ha gondok támadnak az energiaellátásban? Sötétség, hideg, a vonatok leállnak a pályán. Ennek megelőzése kiemelt jelentőségű. A megelőzés mindig kevesebbe kerül, mint az utólagos, sokszor kapkodva végzett, nem a leghatékonyabb megoldásokat alkalmazó hibaelhárítás/javítás. Ha már megtörtént a baj, meg kell alkudni azzal a helyettesítő lehetőséggel, ami kéznél van, és akkor még nem beszéltünk a késések okozta károkról.

A meghibásodások megelőzésének első lépése a rendszeres diagnosztika
A szigetelőpapír diagnosztikája kétféleképpen végezhető.

• közvetlenül a papírból polimerizációsfok-méréssel
• közvetve az olajból furánanalízissel

A javítóüzemi munkák során az aktív rész kiemelése után különböző helyekről vett papírmintákból mérik az átlagos polimerizációs fokot. Ez a szám azt mutatja meg, hogy átlagosan hány monomer kapcsolódik össze a cellulózmolekulában. Értéke arányos a szakítószilárdsággal (4. ábra).

Ahogy az idő és a behatások következtében a polimerizációs szám csökken, úgy csökken a szakítószilárdság is. Így a tekercscsere szükségessége megállapítható. A módszer hátránya, hogy csak a javítóműhelyben fog kiderülni a szigetelőpapír állapota, holott a tekercscserére pénzügyileg fontos előre készülni, valamint azt is előre meg kell fontolni, érdemes-e egyáltalán a transzformátort műhelybe szállítani.
A papír polimerizációs foka mérése során a cellulózt először föl kell oldani, ami nem is egyszerű dolog. Földünkön az egyik leggyakrabban előforduló szerves anyag a cellulóz, a legtöbb növényben megtaláljuk, a növényi sejtfalak alkotórésze. Pontosabban a fa 40%-a, a gyapot 50%-a, a len és a kender 80%-a, a vatta és a papír szinte 100%-ban cellulózmolekulákból áll. A növényi rostok rendkívül ellenállóak. Vízben, híg savban, híg lúgban, alkoholban és minden más organikus oldószerben oldhatatlan, csak erős savakkal lehetséges a bontása. Tömény savval főzve először cellobiózzá, majd a cellobióz szőlőcukorrá hidrolizál. Lehetséges oldószere még a réz-etilén-diamin, laboratóriumban is ezt használjuk.
A fentebb soroltakon kívül csak néhány gomba, baktérium és rovar képes bontani. A kérődző állatok emésztőrendszere jellemzően olyan mikroorganizmust tartalmaz, mely enzimatikus úton lebontja a cellulózt. A papír réz-etiléndiaminos oldását követően a laboratóriumban viszkozitást mérünk, ebből lehet kiszámítani a polimerlánc hosszát. A kapott érték az adott helyre jellemző, mivel a transzformátoron belül a hőeloszlás nem homogén. A nagyfeszültségű oldalon és a tekercs alján, valamint a rézhuzal körül a külső rétegben magasabb polimerizációs fokot mérhetünk, magasabb hőmérsékletű helyen, pl. a transzformátor tetején, kisebbet (5. ábra).

Ezért az aktív rész kiemelése után mintát vesznek a nagyfeszültségű és kisfeszültségű oldalról alulról és felülről is. Minél több helyről tudunk adatot nyerni, annál pontosabb a diagnosztika. A papír állapota a transzformátorolajból is megállapítható. A transzformátor működése közben, mint leírtuk, a cellulóz polimer molekula szakadozik, rövidül. A lebomlás közben öttagú, gyűrűs vegyületek, furánok is keletkeznek, és kerülnek kis mennyiségben az olajba. A vizsgálat során a szigetelőolajból kinyerjük ezeket a markereket, majd a folyadékkromatográfba injektáljuk. A műszer szétválasztja a vegyületeket, melyek az UV-detektorban mennyiségükkel arányos villamos jelet hoznak létre. A keletkezett furánszármazékok mennyisége korrelációban van a papírszigetelés degradációjával, és fordított arányban a polimerizációs fokkal és a szakítószilárdsággal (4. és 6. ábra).

Egy értéket mérünk csak, ami az általános állapotnak felel meg. A vizsgálat kivitelezése azonban egyszerű, nem jár sok költséggel, az éves rutin olajvizsgálatba beintegrálható, és ezért évenkénti állapotkövetésre alkalmas. Amennyiben a furánvizsgálatot elvégezzük az üzemelő transzformátoroknál, előre tervezhetővé válik a transzformátorok javítási sorrendje. Az évenkénti rutinszerűen végzett furánvizsgálattal a papír állapota ugyanúgy nyomon követhető, mint az olajé az olajvizsgálattal, és az egész berendezésé a hibagázvizsgálattal. Az olaj-papír szigetelőrendszer dinamikus egyensúlyban áll egymással, egyik sem vizsgálható a másik nélkül, és egyaránt részei a komplex, hatékony diagnosztikának. A szigetelőpapír állapota annyiban fontosabb az olajénál, hogy cseréje nagyságrenddel költségesebb és bonyolultabb.

Lássunk két példát az elmúlt évekből, ahol diagnosztikánkkal közreműködtünk: EHF 6000/120 típusú vontatási transzformátorok felújítása (3. kép)

Az 1969–1974-es évjáratú transzformátoroknál kérdésként merült föl, hogy tekercselésük mennyire öregedett el, mennyire lehet számítani még a biztonságos működésükre a jövőben, tehát feladatunk a tekercsek állapotának és maradék élettartamának meghatározása volt. Előzetesen mindegyik berendezés furánvizsgálata kedvező képet festett a papír állapotáról. A furánvizsgálat a berendezés teljes papírtömegének általános állapotáról ad felvilágosítást. Azt láthattuk belőle, hogy a szigetelőpapír enyhén öregedett, egyik berendezés esetében sem érte el fél élettartamát. A transzformátorok kiemelése és szétszerelése után lehetőség nyílt papírmintát venni, abból polimerizációs fokot mérni, és a kétféle vizsgálati eredményt összevetni. A felújítás műszaki tartalmának pontos meghatározására a transzformátorok minden tekercséből vettek papírmintát, mégpedig azzal a meggondolással, hogy azok lehetőleg felülről, a legmelegebb helyről származzanak, ahol a legelőrehaladottabb az állapotromlás. Az általános állapot mellett így képet kaphattunk a leggyengébb helyi állapotról is. Mivel a transzformátor élettartamát a „leggyengébb láncszem” elv alapján a legrosszabb állapotú papír határozza meg, ennek ismeretében prognosztizálhattunk.

A papír állapotmeghatározásához a következő támpontokat vesszük figyelembe:

• 1000-1300 az új, használatlan szigetelőpapír kezdeti polimerizációs foka,
• 1000-1200 a transzformátor szárítása után mért jellemző értéke
• Kb. 700 polimerizációs fokig a szakítószilárdság csak minimálisan csökken a kezdeti értékhez képest.
• 200-250 polimerizációs foknál lehet számítani a papír elszakadására (a papír szétmállik).

A vizsgálatok tanúsága szerint mindegyik felújított transzformátor esetében a papír általános állapota is, és a vélhetően leggyengébb hely állapota is hasonló képet mutatott, a papír közel egyenletesen öregedett, azonban ennek mértéke még nem jelentős. A szakítószilárdság még nem vagy csak minimális mértékben csökkent. A két 1974-es berendezés olaja rendkívül elhasználódott már, színe sötét, üledékes. Ezek után kellemes meglepetésként ért, hogy a papír még megfelelő állapotban van. A transzformátorok papírja még nem érte el fél élettartamát, ha a működési feltételek az eddigiekhez hasonlóak lesznek, még biztonságosan lehet rájuk 20 évig számítani. A diagnosztika azzal a megnyugtató eredménnyel zárult, hogy a felújítás műszaki tartalmába nem szükséges tekercscserét bekalkulálni egyik vizsgált tekercs esetében sem.

MÁV-Gépészet számára mozdonytranszformátorok állapotfelmérése
Az Északi Járműjavító bezárása előtt 2008-ban kaptuk a felkérést, hogy mivel legalább másfél évig nem lesz járműfelújítás, állapítsuk meg, mely mozdonytranszformátorokra lehet ez idő alatt számítani. Ez a feladat a pályán való nemkívánatos megállások megelőzésére 300 darab transzformátor komplex diagnosztikáját igényelte. Az olaj állapotát és a teljes villamos berendezés állapotát is teszteltük. A papír állapotvizsgálatára itt – működő berendezésekről lévén szó – csak a furánvizsgálat jöhetett szóba, polimerizációs fokot nem lehetett mérni. E cikk keretein belül azonban most csak az élettartam-vizsgálatra, a papír állapotára fókuszálunk. Ezek a transzformátorok térbeli elhelyezkedésük miatt speciális berendezések. Nagyon szűk hely állt a tervező rendelkezésére, a természetes hűtés gyakorlatilag minimális, forszírozott hűtésűek, a ventilátorokat a mozdony leállása után még sokáig járatni kell. A mozdonyok gyakran nagyon magas olajhőmérsékletű transzformátorral közlekednek, ami eléggé igénybe veszi a szigetelés egészét. A papírszigetelésű transzformátoroknál az élettartamot alapvetően az üzemelési hőmérséklet határozza meg. Nagyjából 80 ˚C-ig a szigetelőpapír akár 100 évig is képes megfelelően ellátni feladatát, ha minden egyéb körülmény ideális. Megfelelő esetben tehát akár ennyi is lehet a papír élettartama. Minden 6-8 fok hőmérséklet-emelkedés a szigetelőpapír élettartamát megfelezi. Egy nagyobb, akár rövid idejű hőmérsékletemelkedés már néhány óra alatt is képes a papír élettartamát és szakítószilárdságát minimálisra (gyakorlatilag nullára) csökkenteni (táblázat).

Amennyiben az olajszivattyú nem működik vagy a hűtőventilátor meghibásodik, az aktív rész nagyon gyorsan elérheti a gyors papírbomlást eredményező hőmérsékletet. A hűtők a sokévi üzem után eltömődhetnek, ami jelentősen rontja hőleadásukat, ez pedig növeli az üzemi hőmérsékletet. A villamos berendezések átvizsgálása, az olaj és a papírszigetelés értékelése után lehetőség nyílt a legjobb transzformátorral rendelkező mozdonyok továbbműködtetésére. A 300 szigetelőpapírból körülbelül 50 bizonyult nagyon öregnek. Habár a mozdonynak sok fontos szerkezeti eleme van, melyek közül csak egyik a transzformátor, remélhetőleg átszűrésük csökkentette a pályán a váratlan leállások számát. Az azóta született statisztika alapján a meghibásodások kivétel nélkül azokat a transzformátorokat érintették, amelyek papírja elérte élete végét, vagy diagnosztikánk szerint nagyon öreg.

A diagnosztika után számba vehető megoldások
Ha a papírt alkotó cellulózlánc szétszakadozott, azt összeragasztani és így a papír állapotán javítani nem lehet. Lehetőség van azonban az öregedést befolyásoló tényezők megváltoztatására. A szigetelőpapír és így a transzformátor élettartamának növelési lehetőségei:

• hűtés javítása (hűtők rendszeres karbantartása, olajáramlás fokozása, légáramlás fokozása)
• nedvesség bejutásának megakadályozása, bejutott nedvesség eltávolítása (légszárító karbantartása, olajkezelés)
• bomlástermékek keletkezésének megelőzése (antioxidánsszint ellenőrzése, pótlása) eltávolítása (olajregenerálás)
• tekercsszorítások utánhúzása (csak javítóműhelyben lehetséges)

Dönthetünk úgy is, hogy nem teszünk semmit, hanem hagyjuk kifutni a berendezést. Ez főleg a nem stratégiai fontosságú helyen üzemelő transzformátoroknál lehetséges megoldás, ha a felújítás, karbantartás már nem kifizetődő. A megfelelő időben végzett helyes karbantartás azonban évtizedekkel is meghosszabbíthatja a berendezés élettartamát (7. ábra).

Külön bekezdést érdemel a biztosítók kérdése. Baleset, meghibásodás esetén az első, amit számon kérnek a tulajdonostól, a rendszeres diagnosztika és karbantartás, annak igazolására, hogy mindent megtettek az üzembiztos állapot fönntartásáért. Gyakorlatunkban egy transzformátorégés után csak úgy lehetett elérni a biztosítás kifizetését, hogy a tulajdonos föl tudta mutatni az előző évben végzett furánvizsgálatot, ami bizonyította, hogy a szigetelőpapír jó állapotban volt, és az állagromlás a tűz számlájára írható.