Teoria wysokoczułej diagnostyki układu izolacji wysokonapięciowej aparatury elektroenergetycznej z wykorzystaniem pomiarów wyładowań niezupełnych

1. Wprowadzenie do teorii wyładowań niezupełnych

Wyładowanie niezupełne (WNZ) to lokalne przebicie elektryczne niewielkiej części systemu izolacji elektrycznej pod wpływem działania wysokiego napięcia. Wyładowanie niezupełne zdefiniowano w normie IEC 60270-2000 jako „lokalne wyładowanie elektryczne, które jedynie częściowo zwiera izolację pomiędzy przewodnikami, i które może (lub nie) występować bezpośrednio przy przewodniku” oraz może powodować nieodwracalne uszkodzenie systemów izolacji ciekłej lub stałej. Wyładowani niezupełne występuje w wyniku:

- Zwiększonego natężenia pola elektrycznego (nieodpowiedni projekt izolacji lub przeciążenie)

- Miejscowego przegrzewania (tworzenie szczeliny i pęcherzyków)

- Uszkodzeń lub osłabienia materiału, z którego wykonano izolację y Naprężenia mechanicznego (drgań)

- Drzewienia wodnego

Analiza WNZ umożliwia wykrywanie uszkodzeń krytycznych oraz ocenę stanu systemów izolacji. W wielu przypadkach zjawisko WNZ stanowi pierwszy etap całkowitego przebicia izolacji w związku, z czym transformatory elektroenergetyczne, generatory, przekładniki, układy kabli i rozdzielnice są od wielu lat sprawdzane pod kątem występowania wyładowań niezupełnych. W zasadzie wyładowania niezupełne można podzielić na dwie kategorie, jedną z nich są wewnętrzne, a drugą zewnętrzne wyładowania niezupełne (Rys.2).

Wyładowania szczelinowe i drzewienie to najbardziej niebezpieczne rodzaje wyładowań niezupełnych dla systemu izolacji urządzeń. Na przykładzie (Rys.3) uproszczonego systemu izolacji stałej przedstawiono, w jaki sposób lokalne wyładowania elektryczne powstają w szczelinie (kondensator CF) po podłączeniu zacisku A do zasilania. „Zdrowe” dielektryki przedstawiono jako pojemność elektryczną w układzie równoległym Cp i pojemność elektryczną w układzie szeregowym Cs.

Dielektryk kondensatora zawiera szczelinę gazową (Rys.3) i schemat obwodu zastępczego tego dielektryka. Kondensatory CS i CF tworzą dzielnik pojemnościowy. Stąd spadek napięcia U1 na kondensatorze CF jest mniejszy niż przyłożone napięcie Ut. Jeżeli natężenie pola elektrycznego w szczelinie izola-

Rys. 1 Powiększanie się szczeliny z upływem czasu aż do wystąpienia przebicia w systemie izolacji kabla

Wewnętrzne WNZ Zewnętrzne WNZ

Rys. 2a Przykłady źródeł wyładowań niezupełnych (wyładowania szczelinowe, drzewienie elektryczne)

Rys. 2b Przykłady źródeł wyładowań niezupełnych (yładowanie koronowe)

cji stanie się wyższe niż wytrzymałość dielektryczna gazu w szczelinie, wystąpi w niej wyładowanie – mały łuk elektryczny. Ten moment jest odzwierciedlony na schemacie obwodu zastępczego, ponieważ przełącznik „S” jest zamknięty i następuje spadek napięcia „U₁” w całej pojemności elektrycznej szczeliny (CF). Łuk elektryczny powoduje rozładowanie w obszarze uszkodzenia CF i powoduje powstanie prądu I₁(t). Następnie część ładunku z pojemności elektrycznej w układzie równoległym CP (i potencjalnie innych pojemności elektrycznych, takich jak CK podłączonych do zacisku A) zostaje rozładowana przez CS i łuk (przełącznik S przedstawiony na dolnym rysunku po lewej stronie). Po zakończeniu wyładowań, wytrzymałość dielektryczna gazu w szczelinie zostaje przywrócona, a pojemność w obszarze uszkodzenia CF zaczyna być przywracana ze względu na gradient przyłożonego napięcia Ut. Proces WNZ przedstawiony na tym przykładzie (szczelina w układzie izolacji stałej) zachodzi wokół położenia fazy przejść przez zero Ut ze względu na porównywalny gradient wysokiego napięcia. Korelacja fazowa wyładowań jest wyświetlana w formie tak zwanego obrazu fazowo-powiązanego wyładowań niezupełnych (Phase-Resolved Partial Discharge, PRPD). W zależności od odpowiednio rodzaju uszkodzenia, systemu izolacji i budowy urządzenia, wyładowania względem położenia fazowego napięcia testowego (lub sieciowego) są różne i wskazują rodzaj źródła WNZ. Zgodnie z normą IEC 60270 wyładowanie niezupełne jest wskazywane jako ładunek Q[kulomb] i jest mierzone jako ładunek pozorny na zaciskach urządzeń testowanych (zob. A lub B na Rysunku 3).

2. Sposób pomiaru wnz

Obliczenia ładunku wykonywane są na podstawie całki funkcji prądu w czasie, w związku z tym urządzenie pomiarowe wyładowań niezupełnych (WNZ) wykrywa spadek napięcia na znanym rezystorze urządzeń sprzęgających w obwodzie testowym. Rezystancja tego rezystora wynosi R, a czasy t1 i t2 zostaną zdefiniowane przez użytkownika systemu pomiarowego. Poza całkowaniem w dziedzinie czasu można również zastosować tradycyjną metodę całkowania w dziedzinie częstotliwości. Całkowanie w dziedzinie częstotliwości jest wykonywane przez filtr częstotliwości, najczęściej przez układ środkowoprzepustowy i wykrywania wartości szczytowych. Połączenie między całkowaniem w dziedzinie czasu i dziedziną częstotliwości można przedstawić fizycznie za pomocą przekształcenia Fouriera:

W nowoczesnych układach pomiarowych WNZ sygnał wejściowy, w tym impuls WNZ jest wstępnie wzmacniany i przetwarzany przez przetwornik analogowo-cyfrowy. Dalsze przetwarzanie jest przeprowadzane przez filtry cyfrowe, wykrywanie cyfrowe i komputer. Ze względu na ich cyfrowy charakter te podjednostki są stabilne i powtarzalne i nie zmieniają swojego zachowania pod wpływem czasu i temperatury. Użytkownik może zmieniać częstotliwość i pasmo pomiarowe. Impulsy WNZ są oceniane przez utrzymanie ich amplitudy i punktu czasu, w którym występują, co pozwala na wykonanie precyzyjnego pomiaru impulsu WNZ w zakresie wartości ładunku, fazy napięcia probierczego i innych metod. W przypadku systemu MPD do pomiaru i analizy WNZ, więcej funkcji umożliwiających przetwarzanie WNZ jest wbudowanych w sprzęt, takich jak wartości progowe i regulowane wzmacniacze wstępne. Sygnał napięciowy jest również przetwarzany na postać cyfrową. Wszystkie te informacje są przesyłane przez przewody światłowodowe.

Rys. 3 Obwód zastępczy układu izolacyjnego oraz ładunek i procesy wyładowania w formie WNZ i przyłożonego napięcia AC

Rys. 4 Interpretacja pomiaru ładunku pozornego wyładowań niezupełnych

Rys. 5 Ogólna budowa układu pomiarowego wnz

Rys. 6 Układ pomiaru wnz

Zastosowanie przewodów światłowodowych i zewnętrznego akumulatora umożliwia użytkownikowi korzystanie z systemu pomiarowego w obszarze wysokiego napięcia, a nawet na potencjale wysokiego napięcia. Informacje o WNZ i napięciu są dalej przetwarzane w komputerze. Możliwa jest rejestracja całego pomiaru. Zgodnie z normą IEC 60270 zalecane są dwa różne ustawienia filtra. Są to pomiary szerokopasmowe i wąskopasmowe. Zalecane częstotliwości podczas pomiarów szerokopasmowych:

- Dolna częstotliwość graniczna i wartość wyższa lub równa 30 kHz oraz niższa lub równa 100 kHz

- Górna częstotliwość graniczna niższa lub równa 1 MHz

- Szerokość pasma od 100 kHz do 900 kHz

- Szerokość pasma od 9 kHz do 30 kHz

Pomiar WNZ zgodnie z normą IEC 60270 stanowi podstawę wielu zastosowań, różnych urządzeń i różnych poziomów napięcia. Jest to odzwierciedlone w wielu wytycznych i normach IEC, CIGRE oraz IEEE, które odnoszą się do normy IEC 60270. W związku z tym norma IEC 60270 ma bardzo istotne znaczenie dla pomiarów odbiorczych w polach testowych producentów prowadzonych w ramach badań okresowych urządzeń wysokonapięciowych. Pomiary wyładowań niezupełnych w terenie są przeprowadzane często przy ustawieniu filtru w zakresie zalecanym zgodnie z normą IEC 60270, aby uniknąć wysokiego poziomu szumu. Urządzenie pomiarowe MPD umożliwia użytkownikom dostosowanie ustawień filtra w celu uzyskania optymalnego stosunku sygnału do szumu (SNR, Signal-to-Noise-Ratio), aby zapewnić wysoką czułość pomiaru WNZ i wysoką odporność na szumy na potrzeby dalszej analizy. Zalecane częstotliwości podczas pomiarów wąskopasmowych: y Zakres częstotliwości środkowej pomiędzy 50 kHz a 1 MHz

3. Metody sprzęgania stosowane podczas pomiarów wyładowań niezupełnych

3.1. Kondensatory sprzęgające

Kondensatory sprzęgające (CC) to bardzo powszechna metoda sprzęgania stosowana podczas pomiaru WNZ (Rys.6), zgodnie z opisem w normie IEC 60270. W przypadku wystąpienia wyładowania niezupełnego kondensator sprzęgający doprowadza prąd płynący przez testowane urządzenie (DUT), który można zmierzyć na urządzeniach sprzęgających (CPL). Takie podejście zapewnia dodatkowe informacje na temat napięcia probierczego, które jest potrzebne do przeprowadzenia pomiaru fazowo-powiązanego wyładowań niezupełnych (PRPD). Podczas stosowania kondensatora sprzęgającego bez zintegrowanej impedancji pomiarowej dolna część kondensatora sprzęgającego musi być podłączona do wejścia impedancji pomiarowej CPL (podstawowa konfiguracja testów z pomiarem na potencjale

Rys. 7a Przykład zastosowania HFCT a) w skrzynce przyłączeniowej, b) zainstalowanego na przewodzie uziemiającym transformatora

Rys. 7b Przykład zastosowania HFCT a) w skrzynce przyłączeniowej, b) zainstalowanego na przewodzie uziemiającym transformatora

Rys. 8a Przykład podłączenia układu MPD do izolatorów przepustowych bez użycia adapterów

Rys. 8b Przykład podłączenia układu MPD do izolatorów przepustowych bez użycia adapterów

Rys. 9a Przykład podłączenia układu MPD do izolatorów przepustowych z wykorzystaniem adapterów

Rys. 9b Przykład podłączenia układu MPD do izolatorów przepustowych z wykorzystaniem adapterów

Rys. 10 Poglądowy układ pomiarowy WNZ dla metody UHF

masy). Wyjście WNZ impedancji pomiarowej CPL należy podłączyć do wejścia WNZ urządzenia pomiarowego MPD i to samo należy zrobić w przypadku napięcia probierczego. Skrzynkę impedancyjną CPL i urządzenie pomiarowe MPD można ustawić w różnych położeniach, takich jak potencjał wysokiego napięcia lub na ścieżce testowanego obiektu zgodnie z podejściem światłowodowym.

3.2. Wysokoczęstotliwościowe przekładniki prądowe (ang. High Frequency Current Transformer - HFCT)

Wysokoczęstotliwościowe przekładniki prądowe generuje sygnały elektromagnetyczne. Czujniki indukcyjne mierzą magnetyczną część sygnału elektrycznego w taki sam sposób jak „rzeczywisty” przekładnik. Wysokoczęstotliwościowe przekładniki prądowe (HFCT) są używane często w sytuacji, gdy dostępne jest połączenie masy/uziemienia. W związku z tym przekładnik HFCT jest umieszczany przy takich połączeniach i przesyła impulsy wysokoczęstotliwościowe do uzwojenia wtórnego. Główną zaletą stosowania przekładnika HFCT jest możliwość pomiaru impulsów WNZ nie przy potencjale wysokiego napięcia, ale przy połączeniach uziemiających bez ich otwierania. Metody sprzęgania stosowane podczas pomiaru wyładowania niezupełnego Przykład zastosowania przekładnika HFCT w skrzynce łączeniowej (Rys.7a) oraz dla przewodu uziemiającego HFCT na transformatorze elektroenergetycznym (Rys.b).

3.3. Pojemność izolatorów przepustowych

Zaciski pomiarowe izolatorów przepustowych − do pomiarów WNZ na transformatorach elektroenergetycznych: y NIE jest wymagany zewnętrzny kondensator sprzęgający y Słabszy szum tła w systemie pomiarowym y Urządzenie sprzęgające jest podłączone bezpośrednio do zacisku pomiarowego. nych do sieci są możliwe w przypadku jednostek pomiarowych instalowanych na stałe. Niemniej jednak instalacja konfiguracji pomiarowej musi być przeprowadzona, gdy transformator jest odłączony. Dostępnych jest kilka złącz (Rys.8), zależnie od struktury zaczepu izolatora przepustowego. Zaleca się uwzględnienie zastosowania odpowiednich adapterów (Rys.9), ponieważ przypadkowe odłączenie może spowodować uszkodzenia.

3.4. Pomiary WNZ w zakresie ultra wysokich częstotliwości UHF

Zakres częstotliwości na potrzeby pomiaru UHF wynosi od 300 MHz do 3 GHz, a typowy zakres wynosi od 200 MHz do 1,5 GHz w zależności od testowanego urządzenia. Przez ostatnie 25 lat metoda ta była używana w rozdzielnicy z izolacją gazową, a obecnie jest używana również w odniesieniu do innych urządzeń elektrycznych, takich jak transformatory elektroenergetyczne. Proces WNZ może zachodzić bardzo szybko i w związku z tym jest mierzoy Pomiary na urządzeniach podłączony w zakresie UHF. W szczególności w zakresie wysokiej częstotliwości występujące zakłócenia często nie mają charakteru szerokopasmowego i można ich uniknąć poprzez przyjęcie odpowiedniej częstotliwości środkowej. Tej nietypowej metody pomiarowej UHF można używać podczas testów uruchomieniowych, jak również podczas diagnostyki wykonywanej w terenie i online.

Omicron