Pomiary wyładowań niezupełnych wykonywanych na miejscu zainstalowania transformatorów

Streszczenie: W artykule przedstawiono możliwości wykonywania pomiarów wyładowań niezupełnych (WNZ) w miejscu zainstalowania transformatora na stacji elektroenergetycznej. Scharakteryzowano trzy metody umożliwiające wykonanie pomiarów w warunkach stacyjnych: metodę elektryczną, ultra wysokiej częstotliwości (UHF) i akustyczną. Przedstawiono urządzenie pomiarowe umożliwiające wykonywanie pomiarów w trybie off-line, a także rejestrację ciągłą parametrów charakteryzujących WNZ w trybie on-line. Dodatkowo omówiono możliwości praktycznego wykorzystania pomiarów WNZ wykonywanych na miejscu zainstalowania transformatora w codziennej praktyce eksploatacyjnej.

Measurements of partial discharges carried out on-site installation of transformers

Abstract: The article presents the possibilities of performing partial discharge measurements (PD) at the place where the transformer is installed at the power station. Three methods have been characterized enabling measurements to be carried out under station conditions: electrical, ultra-high frequency (UHF) and acoustic methods. A measuring device enabling measurements in off-line mode as well as continuous recording of parameters characterizing PD in on-line mode were presented. In addition, the possibilities of practical use of PD measurements taken at the place of installation of the transformer in everyday operational practice were exploitation.

Wprowadzenie

Pomiar wyładowań niezupełnych (WNZ) jest jedną z najlepszych metod wykrywania defektów w układzie izolacyjnym transformatora. W tym zakresie wykorzystywane są trzy metody pomiarowe: elektryczna, ultra wysokiej częstotliwości (UHF) i metoda emisji akustycznej (EA). Ze względu na ograniczenia sprzętowe i duży poziom zakłóceń występujący na stacjach elek

Rys. 1. Widok sondy UHF zainstalowanej do zaworu ewakuacji oleju z kadzi transformatora. troenergetycznych, do niedawna jedynie metoda akustyczna była stosowana do pomiarów WNZ w miejscu zainstalowania jednostki. Pomiar WNZ wykonywany metodą elektryczną był najczęściej wykonywany na stacjach prób w fabryce i stanowił podstawę oceny jakości wykonania części aktywnej na etapie produkcji nowych lub remontowanych transformatorów. Rozwój technologiczny w zakresie produkowanej aparatury pomiarowej umożliwia obecnie wykonywanie pomiarów WNZ w warunkach stacyjnych również z pomocą metody elektrycznej i UHF. Pomiary te można wykonywać zarówno przy zasilaniu transformatora z sieci elektroenergetycznej (tzw. sieci sztywnej) jak również z mobilnego źródła napięciowego. Stwarza to nowe możliwości wykorzystania pomiarów WNZ w praktyce eksploatacyjnej. Coraz częściej prace remontowe wykonywane przy długotrwale odsłoniętej izolacji takie jak: wymiana izolatorów przepustowych, podobciążeniowych przełączników zaczepów (PPZ) oraz naprawą lub modernizacja wyprowadzeń WN/SN są wykonywane na miejscu zainstalowania transformatora. Jest to spowodowane koniecznością obniżenia kosztów transportu, skróceniem czasu przerwy eksploatacyjnej jednostki oraz problemami logistycznymi pod

czas transportu. Bardzo dobrym sposobem weryfikacji poprawności wykonania prac remontowych jest wykonanie pomiaru WNZ po ich zakończeniu, najlepiej na tzw. ruchu próbnym jednostki. Większość awarii powstałych po wykonanych pracach remontowych ujawnia się w pierwszych 72 godzinach pracy jednostki. Związane jest to z procesem rozwoju WNZ w izolacji transformatora. Obecne uwarunkowania techniczne umożliwiają nie tylko pomiar WNZ, ale również ich rejestrację prowadzoną w sposób on-line w dłuższym czasie. W niniejszym artykule przedstawiono możliwości techniczne wykonywania pomiarów na miejscu zainstalowania transformatora i sposoby wykorzystania wyników pomiarów WNZ w codziennej praktyce eksploatacyjnej transformatorów elektroenergetycznych.

Pomiar wnz w miejscu zainstalowania transformatora

Od wielu lat pomiary WNZ w transformatorów zainstalowanych na stacjach wykonywano za pomocą metody EA (1,2,3,4,5). Pomiary te są wykonywane podczas normalnej pracy transformatora. Ze względu na rozwój technologii pomiarowej od kilku lat możliwe jest również wykorzystanie w tych warunkach metody elektrycznej i UHF. W praktyce pomiarowej bardzo często te dwie metody są wykorzystywane równocześnie. Sonda UHF jest umieszczana w środku transformatora za pomocą zaworu do ewakuacji oleju (rys. 1). Natomiast źródłem sygnału pomiarowego dla metody elektrycznej są najczęściej zaciski pomiarowe izolatorów przepustowych (rys. 2). Pomiar WNZ może być wykonywany przy zasilaniu napięciem znamionowym z tzw. sieci sztywnej lub ze źródła zewnętrznego. Zdecydowany niższy poziom zakłóceń uzyskuje się podczas zasilania z układu składającego się z generatora oraz z transformatora podwyższającego napięcie. Istnieje w tym przypadku także możliwość wykonania pomiarów w szerszym zakresie napięciowym. Dobór źródła zasilania dla potrzeb pomiarowych jest jednak sprawą indywidualną i zależy od konkretnej sytuacji transformatora oraz warunków sieciowych. W praktyce pomiarowej firma Energo – Complex wykorzystuje system pomiarowo – rejestracyjny Montesto 200 (rys. 3), umożliwiający równoczesną analizę sygnałów elektrycznych, jak również sygnałów rejestrowanych w paśmie ultra wysokich częstotliwo

Rys.2. Widok zacisku pomiarowego izolatora przepustowego.

Rys. 3. Widok systemu pomiarowo – rejestrującego Montesto 200.

ści za pomocą sondy UHF. Ze względu na fakt, iż w warunkach stacyjnych występują zakłócenia na wiele wyższym poziomie niż podczas pomiarów wykonywanych na stacji prób, bardzo istotną kwestią jest umiejętne dobranie parametrów metrologicznych. Zazwyczaj różnią się one znacząco parametrów wykorzystywanych podczas pomiarów na stacji prób. Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów metodą elektryczną konieczne jest przeprowadzenie kalibracji wszystkich torów pomiarowych. W metodzie UHF niezbędne jest dobranie odpowiedniego pasma częstotliwości, dlatego przed rejestracją sygnałów wskazane jest przeprowadzenie skanowania całego zakresu dostępnych częstotliwości. Wykorzystując funkcję pomiarową urządzania dokonujemy zapisu sygna

Rys. 4. Widok okna programu do analizy wyników pomiarowych.

Rys. 5. Widok okna programu do monitoringu on-line WNZ

łów ze wszystkich torów pomiarowych równocześnie. W oknie graficznym programu istnieje możliwość bieżącej obserwacji mierzonych sygnałów i odczytu ich wartości. W przypadku metody elektrycznej wynik pomiarowy podawany jest bezpośrednio w Culombach lub w innych wybranych parametrach. Pomiar metodą UHF jest pomiarem pośrednim dlatego wynik pomiarowy otrzymujemy w mV. Po zakończeniu pomiarów zapisane pliki mogą być poddane szczegółowej analizie za pomocą oprogramowania, którego widok przedstawiono na rys. 4. Za pomocą oprogramowania możliwa jest analiza sygnałów generowanych przez WNZ przy jednoczesnej eliminacji sygnałów zakłócających, których poziom na stacji elektroenergetycznej jest zazwyczaj wysoki. Bardzo istotny

Rys. 6. Szczegółowa analiza sygnałów generowanych przez WNZ dla przykładowego punktu pomiarowego

wpływ na możliwość ograniczenia zakłóceń ma także równoczesne wykorzystywanie pomiarów metodą UHF. Sonda UHF znajdująca się w środku metalowej kadzi transformatora nie jest narażona na oddziaływanie czynników generujących zakłócenia na zewnątrz jednostki (metalowa kadź transformatora ekranuje zakłócenia zewnętrze na zasadzie klatki Faradaya). Sygnał pomiarowy z sondy UHF może być wykorzystywany jako sygnał wyzwalający wykonanie pomiaru metodą elektryczną. Połączenie tych dwóch metod pozwala na skuteczne ograniczenie wpływu zakłóceń zewnętrznych i uzyskanie wiarygodnych wyników pomiarowych. Ponadto na podstawie wyników pomiarowych uzyskanych jednocześnie z wszystkich trzech fazach transformatora umożliwia wskazanie uzwojenia, w którym występują defekty generujące WNZ. Monitoring on-line wnz w transformatorach elektroenergetycznych

Wyładowania występujące w izolacji uzwojeń transformatorów elektroenergetycznych są zjawiskiem silnie stochastycznym. Często zmieniają swoją amplitudę czy intensywność występowania. Niejednokrotnie rzetelna ocena stopnia uszkodzenia układu izolacyjnego wymaga obserwacji zachodzącego zjawiska w dłuższym czasie. W takim przypadku istnieje możliwość wykorzystania funkcji monitoringu on-line, rejestrującej sygnały WNZ w pierwszych newralgicznych 72 godzinach pracy jednostki. Urządzenie pracując w trybie monitoringu jest w sposób trwały zainstalowane na badanej jednostce, natomiast dostęp do danych pomiarowych jest możliwy zdalnie za pomocą komputera lub urządzeń mobilnych. Na rys. 5 przedstawiono widok okna programu z funkcją monitoringu WNZ. Podczas konfiguracji funkcji monitoringu istnieje możliwość określenia przedziałów czasowych w jakich wykonywana jest rejestracja oraz czasu trwania a także wszystkich parametrów metrologicznych sygnału pomiarowego. Na rys. 5 widoczna jest zmiana wielkości ładunku odpowiadającego mierzonym WNZ w funkcji czasu wykonywania pomiaru. Ponadto za pomocą kursora w bardzo prosty sposób można odczytać podstawowe wielkości pomiarowe. Po kliknięciu w dany punkt pomiarowy otwiera się okno graficzne, w którym możliwe jest przeprowadzenie pełnej analizy (rys. 6). Ponadto istnieje możliwość analizy innych parametrów charakteryzujących WNZ takich jak: intensywność występowania impulsów, czy zmiany napięcia w czasie rejestracji. Okna graficzne programu z przykładowymi wynikami przedstawiono na rys. 7 i 8.

Rys. 7. Intensywność występowania impulsów WNZ

Rys. 8. Zmiany napięcia zasilania w czasie rejestracji pomiarów

Podczas instalacji urządzenia monitorującego definiowane są poziomy WNZ po przekroczeniu których generowany jest sygnał ostrzeżenia lub alarmu. Sygnały te mogą być wysyłane drogą mailową.

Możliwości wykorzystania wyników pomiarów wnz wykonywanych na miejscu zainstalowania w praktyce eksploatacyjnej

Dla większości transformatorów pomiary WNZ wykonywane na miejscu zainstalowania są przeprowadzane stosunkowo rzadko. Istnieją jednak sytuacje, w których wykonanie tego pomiaru jest niezbędne do wykonania właściwej oceny stanu technicznego układu izolacyjnego transformatora w z izolatorami przepustowymi. Niewątpliwą przesłanką do wykonania pomiarów WNZ są wyniki zawartości gazów rozpuszczonych w oleju wskazujące na obecność WNZ. Badanie przeprowadzone metodą chromatografii gazowej jest bardzo dobrym wskaźnikiem sygnalizującym problem występowania WNZ. Analizując zmiany koncentracji gazów w czasie można zaobserwować intensywność rozwoju WNZ. Wykonanie pomiarów WNZ przy wykorzystaniu łącznie dwóch metod pomiarowych: metodę elektryczna i UHF umożliwia określenie wielkości WNZ, intensywności, a także wskazanie uzwojenia, którego problem dotyczy. Chcąc przeprowadzić dokładniejszą lokalizację miejsca występowania WNZ można zastosować również jednoczesny pomiar WNZ metodą EA. Inną ważną przesłanką do wykonania pomiarów WNZ jest wykonywanie prac remontowych na miejscu zainstalowamontowe takie jak wymiana izolatorów przepustowych czy remont podobciążeniowego przełącznika zaczepów z klatką wybierakową nie są wolne od ryzyka uszkodzenia elementów układu izolacyjnego, znieczyszczenia oraz zawilgocenia elementów cześci aktywnej transformora. W polskiej praktyce eksploatacyjnej występowały przypadki awarii transformatorów po przeprowadzonych remontach. Awarie te nie występowały od razu po podaniu napięcia ale zazwyczaj w pierwszych 72 godzinach po uruchomieniu. W tych przypadkach wykonanie podstawowych prób pomontażowych nie wykazało żadnych nieprawidłowości. Usunięcie takich awarii jest dodatkowo związane z bardzo dużymi kosztami i utrudnieniami eksploatacyjnymi dla właściciela jednostki. Istnieje zatem uzasadniona ekonomicznie i możliwa do realizacji technicznie konieczność weryfikacji wykonywanych prac remontowych za pomocą systemów umożliwiających pomiar WNZ na miejscu zainstalowania. Możliwe jest to do wykonania przy zasilaniu sieciowym co powoduje jednak pomiar bez możliwości regulacji napięcia ale znacząco obniża koszty badania. Zdecydowanie lepszym rozwiązaniem jest przeprowadzenie pomiarów z wykorzystaniem źródła zewnętrznego. Poza możliwością regulacji i przeprowadzenia pełnej próby napięciowej pomiar wykonywany w tych warunkach jest zdecydowanie mniej narażony na wpływ zakłóceń z sieci elektroenergetycznej. Pomiar ten jest również znacznie bezpieczniejszy, gdyż moc zwarciowa mobilnego źródła jest znacznie niższa niż od mocy sieci sztywnej.

Podsumowanie

Rozwój technologii metrologicznej umożliwia obecnie wykonanie pomiarów WNZ na miejscu zainstalowania transformatora trzema niezależnymi metodami pomiarowymi. Łączne wykorzystanie metody elektrycznej i UFH pozwala na ograniczenie zakłóceń podczas pomiarów przy zasilaniu z sieci elektroenergetycznej i zwiększenie wiarygodności wyników pomiarowych. Istnieje uzasadniona potrzeba włączenia pomiarów WNZ do prób odbiornia. Nawet stosunkowo proste prace re

czych transformatorów remontowanych na miejscu ich zainstalowania. Marek Szrot, Janusz Płowucha, Paweł Molenda, Andrzej Cichoń, Sebastian Borucki Energo – Complex Sp. z o. o. Politechnika Opolska

Literatura [1] Boya, C.; Ruiz-Llata, M.; Posada, J.; and Garcia-Souto, J. A., Identification of multiple partial discharge sources using acoustic emission technique and blind source separation, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol.22, no 3, 2015, pp. 1663–1673. [2] Kil, G. S.; Kim, I. K.; Park, D. W.; Choi, S. Y.; and Park, C. Y., Measurements and analysis of the acoustic signals produced by partial discharges in insulation oil, Current Applied Physics, vol.9, no 2, 2009, pp. 296–300. [3] Kunicki, M. and Cichoń, A., Characterization of surface type partial discharges using electrical , acoustic emission and UHF methods, Measurement Automation Monitoring, vol.61, no 1, 2015, pp. 12–15. [4] Skubis, J., Emisja akustyczna w badaniach izolacji urządzeń elektroenergetycznych. Opole: IPPT PAN, 1998. [5] Ramírez-Niño, J. and Pascacio, a, Acoustic measuring of partial discharge in power transformers, Measurement Science and Technology, vol.20, no 11, 2009, pp. 115108. n