Menu
Electrical Tester online
únor 2021
Sledujte stav svých transformátorů

Sledujte stav svých transformátorů

26 februára 2021

Author: Daniel Hering, Software Developer, Power Diagnostix. Překlad: Petr Medek, Megger CZ

Měření částečných výbojů (ČV) zařízením ICMsystem od společnosti Power Diagnostix, člena skupiny Megger poskytují neocenitelné poznatky o povaze, umístění a závažnosti aktivity ČV a tedy související úrovni rizika. Tyto poznatky plně podporují rozhodování při správě aktiv. V některých případech je možné zvládnout podmínky s relativně nízkým rizikem snížením provozních požadavků na postižené aktivum, dokud nebude k dispozici vhodnější datum odstávky, zatímco v jiných může být nutná okamžitá oprava. V obou případech měření ČV poskytují informace o povaze a rozsahu oprav vyžadovaných před zahájením procesu opravy. To eliminuje potřebu dlouhých zkoumání k lokalizaci dielektrického poškození a mnohem snáze se lze připravit na to, co se pravděpodobně najde po otevření transformátoru. To zase vede k lepšímu plánování, kratší době výpadku, nižším nákladům a lepší bezpečnosti dodávek.

Obr 1: ICMsystem

Měření ČV je zavedenou a osvědčenou technikou pro analýzu stavu izolace ve výkonových a velkých distribučních transformátorech. Ve skutečnosti se pro mnoho provozovatelů transformátorů stala tato technika povinným prvkem akceptačních zkoušek ve výrobě a také klíčovou součástí jejich rutinního programu údržby. Power Diagnostix, člen skupiny Megger, vyvíjí měřicí systémy ČV od 80. let minulého století a tento článek pojednává o aplikacích jednoho z nejnovějších a nejuniverzálnějších produktů: ICMsystem.

Po dokončení výroby výkonového transformátoru nejsou jádro, vinutí, izolace a další klíčové součásti, včetně přepínačů odboček pod zátěží snadno přístupné pro kontrolu a opravy. Otevření transformátoru pro provádění oprav je obtížný, časově náročný a nákladný proces. Díky tomu je diagnostika ČV neocenitelnou součástí pravidelné údržby výkonových transformátorů, protože umožňuje snadné určení povahy, umístění a závažnosti počátečních poruch.

Analýza plynů v oleji

Údržba transformátoru obvykle začíná analýzou plynů (DGA), což je systematická analýza transformačního oleje pomocí plynového chromatografu. Existuje mnoho znalostí o tom, že plyny v transformátorovém oleji způsobené problémy, jako je přehřátí, stárnutí papíru a jiskření, korelují s výskytem aktivity ČV. Počáteční analýza plynů se obvykle zaměřuje na vodík, uhlovodíky a oxidy uhlíku, jako jsou CH4, C2H2, C2H6, CO a CO2. Poskytuje důležité předběžné informace o existenci aktivity ČV a souvisejících rizik, ale poskytuje malé nebo žádné užitečné informace o tom, kde se zdroje aktivity ČV v transformátoru nachází. Lokalizace zdroje ČV vyžaduje dva kroky: předběžnou lokalizaci a přesné dohledání.

Předběžná lokalizace ČV

Zkušební měřicí body průchodek výkonových transformátorů slouží ke snímání signálu částečných výbojů a usnadňují měření ČV. Měřicí impedance, známá jako PDIX Quadrupole ™, je připojena ke zkušebnímu bodu každé průchodky. V kombinaci s předzesilovačem se každý Quadrupole stává aktivním high-pass filtrem (filtr s horní propustí), který propouští vysokofrekvenčními signály. Předzesilovač přístroje ICMsystem má velmi vysokou vstupní impedanci, která zajišťuje efektivní přenos signálu, který zachovává signál z transformátoru na jeho cestě z měřicího bodu průchodky. Zesiluje malé signály a má nízkou výstupní impedanci (50 Ω), což je ideální pro vodiče, které se připojují k hlavním prvkům ICMsystému. Toto uspořádání umožňuje dosáhnout dobrého poměru signál/šum, a to i při dlouhých připojeních, bez nutnosti použití přenosu signálu vedením z optických vláken a s tím spojených komplikací.

Každý zkušební bod průchodky transformátoru je přiřazen jednomu kanálu na měřicím zařízení. ICMsystem má deset měřicích kanálů, které umožňují současné měření primárního, sekundárního, terciárního a pokud je to možné i vyvedeného středního bodu vinutí. Jakmile jsou provedena potřebná připojení, je měřicí systém kalibrován aplikací pulzu o známé hodnotě náboje do každé měřené fáze. Během procesu kalibrace ICMsystem automaticky generuje matici křížové vazby (obrázek 2), která poskytuje informace o vazbě vysokofrekvenčních signálů mezi jednotlivými měřicími body

Porovnání křížové vazby během kalibrace s křížovou vazbou během měření ČV poskytuje počáteční indikaci lokalizace zdroje ČV v transformátoru.

Přesné dohledání zdroje ČV

Pro přesnou lokalizaci aktivity ČV je k dispozici několik možností.

Variace budicího režimu

Zápalné napětí ČV a fázová poloha interní aktivity ČV závisí na režimu budicího napětí. Změna režimu buzení poskytuje cenné informace o lokalizaci zdroje ČV v transformátoru. V testu třífázového indukovaného napětí jsou všechny tři fáze transformátoru napájeny vysokým napětím s fázovým posunem 120 stupňů. Tento posun má za následek další fázové posuny v násobcích 30 stupňů mezi dvojicemi vinutí (např. mezi primárním a sekundárním). To znamená, že změna fázové polohy vzorce fázového rozložení (PRPD) mezi jednofázovým a třífázovým buzením poskytuje informace o lokálním elektrickém poli v místě závady a tedy o umístění zdroje ČV v transformátoru. Pokud se nezmění fázová poloha mezi jednofázovým a třífázovým měřením, je pozorovaný zdroj ČV v izolačním systému mezi fázemi a uzemněním. Pokud se fázová poloha změní, je vadná izolace mezi dvěma fázemi.

Obrázek 2: Matice křížové vazby během kalibrace

Obrázek 3: Jednofázové buzení transformátoru YNd

Obrázek 4: Vzorec ČV, typický pro delaminaci ve vrstvách papíru

Za předpokladu, že testovaný transformátor umožňuje tento provozní režim, poskytuje jednofázové buzení s vyvedeným nulovým bodem další diagnostické možnosti. Ve srovnání s obvyklým jednofázovým indukovaným měřením napětí je pokles napětí uvnitř buzeného vinutí snížen o jednu třetinu pro excitaci s neuzemněným středem vinutí hvězdy. Jak ukazuje obrázek 3, když je střed vinutí do hvězdy neuzemněn, je napětí rozděleno napříč buzeným vinutím do série s paralelní kombinací dvou dalších fázových vinutí. Induktivní reaktance paralelní kombinace je polovina induktivní reaktance buzeného vinutí. Proto dvě třetiny poklesu napětí nastávají napříč buzeným vinutím. Porovnáním zápalných napětí ČV mezi jednofázovým buzením s uzemněným středem a jednofázovým buzením s neuzemněným bodem tedy poskytuje informace o umístění zdroje ČV v příslušném vinutí.

Pokročilé metody lokalizace umožňují přesné dohledání

Doposud zmíněné analytické metody poskytují informace o místě závady ČV v transformátoru, aniž by bylo nutné důkladně znát způsob generování ČV. Následující pokročilé analytické metody však lze použít k určení přesné lokalizace ČV až na několik centimetrů.

Analýza vzorce fázového rozložení

Vzhled vzorce PRPD je určen fyzikálními vlastnostmi okolního izolačního média a polohou zdroje ČV v izolačním médiu. Existují některé typické vzorce ČV, které se často vyskytují u výkonových transformátorů. Rozpoznání těchto vzorců může přispět k určení umístění zdroje ČV. Například delaminace ve vrstvách papíru má velmi jasný vzorec ČV, který umožňuje značně zúžit podezřelé oblasti v transformátoru.

Měření v časové doméně

Signály částečných výbojů jsou vysokofrekvenční impulsy s dobami náběhu v rozsahu 1 ns (ve vzduchu), jejichž výsledkem jsou frekvenční složky až do 400 MHz. Výkonové transformátory jsou však navrženy tak, aby účinně pracovaly s proudy a napětím při 50 nebo 60 Hz, nikoli při vysokých frekvencích. Na své cestě transformátorem jsou vysokofrekvenční signály ČV nevyhnutelně vystaveny odrazům a oscilacím způsobeným změnami impedance, útlumu a rozptylu. To znamená, že další důležité informace o umístění aktivity ČV v transformátoru lze získat porovnáním vyzařovaných a vedených signálů pomocí vícekanálového osciloskopu zabudovaného do detektoru ICMsystem. Tyto signály lze rozlišit, protože vedené signály mají menší šum a jsou lépe definovány než vyzařované signály. Když převládají vyzařované signály, obvykle to znamená, že zdroj ČV je v relativně otevřené oblasti, například přívod v transformátorové nádobě. Naproti tomu aktivita ČV hluboko v jiných složkách, například uvnitř vinutí, neprodukuje téměř žádné vyzařované signály.

Obrázek 5: Frekvenční spektrum

Obrázek 6: Rozdíly ve zpoždění mezi elektrickým a akustickým signálem

Měření frekvenčního spektra

Spektrální analyzátor přijímá analogový signál a převádí jej na frekvenční spektrum, které poskytuje informace o frekvenčních složkách tvořících signál. V případě částečných výbojů umožňuje složení frekvenčního spektra vyvodit závěry o cestě, kterou signál prošel. ICMsystem může provádět spektrální analýzu v rozsahu 10 kHz až 10 MHz. Obrázek 5 je příkladem pokrývajícím rozsah 20 kHz až 3 MHz. V tomto případě má signál pouze velmi malou vysokofrekvenční složku, což naznačuje, že musel v transformátoru urazit značnou vzdálenost, než byl detekován senzorem na průchodce.

Naproti tomu relativně rovnoměrně rozložené spektrum by naznačovalo, že umístění aktivity ČV je blízko měřicího bodu průchodky. Rovněž je třeba vzít v úvahu komplexní impedanci samotného průchodky. Měřený pulz se porovnává s impulsem (na stejném měřicím bodu průchodky), který byl zaznamenán během kalibrace. Rozdíl poskytuje přesné informace o umístění aktivity ČV.

Akustická detektce aktivity ČV

Kromě elektrických signálů produkuje aktivita ČV také zvukové vlny na slyšitelných frekvencích. Piezoelektrické senzory na transformátorové nádobě mohou tyto vlny detekovat a použít je pro přesné určení polohy. S interním vícekanálovým osciloskopem lze ICMsystem použít k akustické detekci poruch pouhou výměnou předzesilovačů. Nejsou zapotřebí žádné další drahé měřicí přístroje.

Ve srovnání s elektrickými signály se akustické signály šíří relativně pomalu rychlostí, která závisí na médiu, kterým cestují. V oleji má akustický signál rychlost šíření kolem 1400 m/s (v závislosti na teplotě), zatímco v oceli je rychlost šíření 5000 m/s nebo více. Vezmeme-li v úvahu tento rozdíl, je pomocí několika akustických senzorů možné zúžit lokalizaci závady v transformátoru na několik centimetrů analýzou rozdílů ve zpoždění akustických signálů. Největší problém při akustické detekci je stanovení přesné doby vzniku pulzu ČV. Abychom toho dosáhli čistě akustickými prostředky, je zapotřebí velké množství senzorů.

ICMsystem nabízí časovou i cenovou úsporu

ICMsystem elegantně obchází tuto obtíž pomocí elektrického signálu ČV odděleného pomocí měřicí impedance na měřicím bodu průchodky. To poskytuje přesný referenční bod, takže k určení původu zvukových vln generovaných částečným výbojem a k poskytnutí okamžitého výsledku jsou zapotřebí pouze tři akustické senzory. Vzhledem k malému počtu senzorů provádí ICMsystem akustickou lokalizaci poruch ČV rychle a s malým úsilím, což uživatelům přináší značné časové a finanční výhody.

Stručně řečeno, problém způsobující ČV v izolačním systému transformátoru lze rychle a pohodlně lokalizovat pomocí ICMsystem s vysokou přesností, která umožňuje přesnou opravu poškozené části.

On site měření ČV

V zásadě lze většinu technik, které byly popsány výše, použít pro měření on site – v terénu. Je však třeba vzít v úvahu zvláštní okolnosti těchto měření. Zatímco tovární přejímací zkoušky se provádějí ve speciálně stíněných laboratořích vysokého napětí, zvýšené základní úrovně rušení vyskytující se v terénu znamenají, že je obtížné provádět přesná měření při frekvencích pod 1 MHz. Volitelný integrovaný spektrální analyzátor ICMsystem proto uživateli nabízí možnost provádět měření ČV s proměnnou střední frekvencí a šířkou pásma 9 nebo 300 kHz. Pro měření v terénu použití proměnné střední frekvence maximalizuje prostor pro řešení při zhoršených podmínkách.

ICMsystem je vhodný jak pro pravidelná prediktivní měření, tak pro přejímací zkoušky výkonových transformátorů. Kombinace tradičních metod s moderní technologií měření ČV nabízí výrobcům a provozovatelům velkých výkonových transformátorů přesný a nákladově efektivní způsob získání spolehlivých informací o aktuálním stavu těchto důležitých a nákladných aktiv.