Nowoczesna diagnostyka transformatorów

Autor: Daniel Hering, Software Developer, Power Diagnostix

Pomiary wyładowań niezupełnych (wnz) z zastosowaniem zestawu Power Diagnostix ICMsystem firmy Megger dostarczają niezwykle cennych informacji dotyczących charakteru, lokalizacji i stopnia nasilenia aktywności wnz w układach izolacyjnych transformatorów elektroenergetycznych, a zatem również związanego z tą aktywnością zagrożenia. Uzyskane informacje są wystarczające do podjęcia decyzji o rodzaju koniecznych czynności naprawczych. W niektórych przypadkach po stwierdzeniu niesprawności o niskim stopniu ryzyka możliwe jest kontynuowanie eksploatacji transformatora przy jednoczesnym zmniejszeniu jego obciążenia do czasu, gdy można będzie wyłączyć go z ruchu w celu przeprowadzenia remontu. Niekiedy jednak konieczny jest pilny remont aparatury. W obu przypadkach pomiary wyładowań niezupełnych mogą dostarczyć informacji o charakterze wymaganych czynności naprawczych przed rozpoczęciem procedury remontowej, eliminując konieczność wykonania rozległych badań diagnostycznych w celu lokalizacji miejsca uszkodzenia dielektryka. Informacje uzyskane w pomiarach wnz pozwalają określić, czego można się spodziewać po otwarciu transformatora. To z kolei ułatwia planowanie, pozwala skrócić czas wyłączeń, zmniejszyć koszty i zwiększyć bezpieczeństwo dostaw energii elektrycznej.

Rysunek 1: Zestaw pomiarowy ICMsystem

Pomiary wyładowań niezupełnych są uznaną i sprawdzoną metodą analizy stanu technicznego ukła­dów izolacyjnych transformatorów sieciowych mocy i dużych transformatorów rozdzielczych. W rzeczywistości dla wielu właścicieli i użytkowników transformatorów ta technika diagnostyczna jest obligatoryjnym elementem końcowych testów fabrycznych i wpisana jest w program okresowych prze­glądów eksploatacyjnych. Firma Power Diagnostix, należąca do grupy Megger, rozwija techniki i sprzęt pomiarowy do diagnostyki wnz od roku 1980. Niniejszy artykuł poświęcony jest zastosowaniom najnowszego i jednego z najbardziej uniwersalnych systemów pomiarowych firmy: Power Diagnostix ICMsystem.

Po zakończeniu procesu produkcyjnego transformatora energetycznego dostęp do jego rdzenia, uzwojeń, układu izolacyjnego i innych kluczowych elementów, łącznie z przełącznikiem zaczepów jest znacznie utrudniony. Otwarcie transformatora w celu wykonania rewizji wewnętrznej, pomiarów i remontu jest skomplikowane, czasochłonne i kosztowne. Stąd też nieinwazyjne pomiary wnz pełnią nieocenioną rolę w okresowych przeglądach transformatorów, pozwalając określić charakter, lokalizację i inten­sywność wyładowań niezupełnych i w konsekwencji wykryć rozwijające się defekty grożące awarią aparatury.

Badanie składu i koncentracji gazów rozpuszczonych w oleju (analiza DGA)

Przegląd transformatora zazwyczaj rozpoczyna się analizą zawartości gazów rozpuszczonych w oleju (DGA) z zastosowaniem chromatografii gazowej. Istnieje rozległa wiedza na temat korelacji między zawartością gazów w oleju powodowaną przegrzaniem, starzeniem się izolacji stałej i iskrzeniem a aktywnością wnz. Wstępna analiza gazów skupia się zazwyczaj na zawartości wodoru oraz węglowo­dorów, np. CH4, C2H2, a także tlenków węgla – CO i CO2. Badanie składu i koncentracji gazów rozpuszczonych w oleju dostarcza wstępnych informacji o aktywności wnz, ale zawiera niewiele, lub wręcz wcale, użytecznych informacji o lokalizacji źródła wyładowań niezupełnych w transformatorze. Identyfikacja źródła aktywności wnz wykonywana jest w dwóch etapach – lokalizacji wstępnej i lokali­zacji dokładnej.

Lokalizacja wstępna źródła aktywności wnz

Do pomiaru sygnałów wyładowań niezupełnych wykorzystywane są zaciski pomiarowe wysokonapię­ciowych izolatorów przepustowych transformatora. Do zacisku pomiarowego każdego przepustu podłącza się impedancję pomiarową PDIX Quadrupole™ (czwórnik sprzęgający). We współpracy z przedwzmacniaczem każdy czwórnik sprzęgający pełni rolę filtra górnoprzepustowego. Przedwzmac­niacz urządzenia ICMsystem charakteryzuje się bardzo wysoką impedancją wejściową, co zapewnia odbiór w niezmienionej formie bardzo słabych sygnałów wnz propagujących w materiale izolatora przepustowego. Słabe sygnały są wzmacniane i poprzez niskoimpedancyjne (50 Ω) wyjście przed­wzmacniacza przesyłane przewodami miedzianymi do obwodów analitycznych systemu ICMsystem. Taki układ pomiarowy pozwala uzyskać dobry stosunek sygnału do szumu, nawet w przypadku dłuż­szych przewodów połączeniowych, bez konieczności użycia transmisji światłowodowej.

Każdemu zaciskowi pomiarowemu transformatora przypisany jest jeden kanał urządzenia ICMsystem. Dziesięć kanałów pozwala wykonać jednoczesny pomiar uzwojeń górnego, dolnego i środkowego na­pięcia oraz – jeśli jest wyprowadzony – również punktu gwiazdowego. Po wykonaniu niezbędnych połączeń układ pomiarowy jest kalibrowany poprzez wysyłanie impulsów o znanej wartości ładunku do każdej mierzonej fazy. Podczas kalibracji ICMsystem automatycznie tworzy macierz wielkości sygnału wysokiej częstotliwości mierzonego między poszczególnymi punktami pomiarowymi (Rys. 2). Porów­nanie macierzy wartości ładunku wygenerowanej w procesie kalibracji z macierzą uzyskaną podczas właściwego pomiaru wnz dostarcza wstępnej informacji o lokalizacji źródła wyładowań niezupełnych w obrębie transformatora.

Lokalizacja dokładna źródła aktywności wnz

Lokalizację dokładną można przeprowadzić jedną z kilku dostępnych metod.

Różnicowanie trybu wzbudzenia

Napięcie zapłonu wnz i kąt fazowy sygnału zasilania, przy którym pojawiają się impulsy wnz zależą od trybu wzbudzenia transformatora (podania napięcia na uzwojenia). Różnicowanie trybu wzbudzenia dostarcza cennych informacji o lokalizacji defektu izolacji będącego źródłem aktywności wnz. W po­miarze z wymuszeniem trójfazowym do transformatora dostarczane jest napięcie trójfazowe z przesu­nięciem 120 stopni między kolejnymi fazami. Grupa połączeń uzwojeń transformatora wprowadza kolejne przesunięcia kątowe między poszczególnymi parami uzwojeń pierwotnych i wtórnych będące wielokrotnością kąta 30 stopni. Zmiana kąta fazowego, przy którym na obrazie fazowo rozdzielczym widoczne są impulsy wnz przy wymuszeniu trójfazowym w porównaniu z wymuszeniem jednofazowym informuje o istnieniu lokalnego pola elektrycznego w miejscu uszkodzenia izolacji, a więc także o loka­lizacji miejsca uszkodzenia układu izolacyjnego transformatora. Jeśli kąt fazowy aktywności wnz nie zmienia się przy zmianie wymuszenia z jednofazowego na trójfazowe, obserwowany defekt znajduje się w układzie izolacyjnym pomiędzy uzwojeniami fazowymi i ziemią, jeśli jednak następuje zmiana kąta fazowego, uszkodzona jest izolacja między dwoma uzwojeniami fazowymi.

Rysunek 2: Macierz mierzonych sygnałów w procesie kalibracji układu pomiarowego

Rysunek 3: Wzbudzenie jednofazowe transformatora YNd

Rysunek 4: Rozkład wnz dla przypadku rozwarstwienia izolacji papierowej (preszpanowej)

Jeśli możliwe jest wzbudzenie jednofazowe transformatora przy nieuziemionym punkcie gwiazdowym, taki tryb pracy dostarczy dodatkowych informacji. W porównaniu z pomiarem jednofazowym z uziemionym punktem gwiazdowym, spadek napięcia na wzbudzanym uzwojeniu w przypadku nieuziemionego punktu gwiazdowego jest o jedną trzecią mniejszy. Jak pokazano na rysunku 3, jeśli punkt gwiazdowy nie jest uziemiony, wzbudzane uzwojenie jest połączone szeregowo z pozostałymi dwoma uzwojeniami fazowymi połączonymi ze sobą równolegle. Reaktancja indukcyjna uzwojeń połączonych równolegle jest równa połowie reaktancji wzbudzanego uzwojenia. Porównanie napięć zapłonu dla wzbudzenia jednofazowego z uziemionym punktem gwiazdowym i wzbudzenia jednofazowego z nieuziemionym punktem gwiazdowym wskazuje na umiejscowienie uszkodzenia izolacji w obrębie danego uzwojenia.

Zaawansowane metody lokalizacji precyzyjnej

Dotychczas omówione metody analityczne dostarczają informacji o położeniu miejsca uszkodzenia w układzie izolacyjnym transformatora nie wymagając wiedzy, w jaki sposób wyładowania niezupełne są generowane. Zastosowanie zaawansowanych metod opisanych poniżej pozwala ustalić miejsce uszkodzenia izolacji nawet z dokładnością kilku centymetrów.

Analiza kształtu rozkładu wyładowań niezupełnych

Kształt rozkładu fazowo rozdzielczego (PRPD) wyładowań niezupełnych jest zdeterminowany właści­wościami fizycznymi medium izolacyjnego i położeniem źródła aktywności wnz w układzie izolacyj­nym. Niektóre często spotykane kształty rozkładów są charakterystyczne dla konkretnych elementów układu izolacyjnego transformatora energetycznego. Ich rozpoznanie pomaga ustalić źródło aktywności wnz. Na przykład bardzo wyraźny kształt rozkładu wnz związany jest z rozwarstwieniem izolacji stałej (preszpanowej, papierowej), co pozwala znacząco zawęzić obszar poszukiwania.

Analiza w dziedzinie czasu

Sygnały elektryczne wyładowań niezupełnych są impulsami wysokiej częstotliwości o czasie narasta­nia rzędu 1 ns (w powietrzu), stąd pasmo odbieranych częstotliwości zawiera składowe do 400 MHz. Tymczasem transformatory energetyczne są zaprojektowane dla prądów i napięć o częstotliwościach 50 Hz lub 60 Hz a nie dla sygnałów wysokiej częstotliwości. Zatem w sposób nieunikniony wysoko­częstotliwościowe sygnały wyładowań niezupełnych propagujące w transformatorze ulegają odbiciom i oscylacjom powodowanym zmianami impedancji a także tłumieniu i dyspersji (poszerzeniu czasowym impulsów). Oznacza to, że możliwe jest uzyskanie dodatkowych informacji o umiejscowieniu źródła aktyw­ności wnz w układzie izolacyjnym transformatora poprzez porównanie sygnałów rozprzestrzeniających się drogą przewodzenia i promieniowania. Do tego celu używany jest wielokanałowy oscyloskop wbudowany w przyrząd ICMsystem. Odbierane sygnały można rozróżnić, ponieważ sygnały przewo­dzone zawierają mniej szumu i są bardziej wyraziste niż sygnały promieniowane. Jeśli dominują sy­gnały promieniowane, wskazuje to na umiejscowienie źródła wyładowań niezupełnych w relatywnie otwartej przestrzeni, np. może to być przewód w kadzi transformatora. Dla kontrastu, aktywność wnz zlokalizowana głęboko wewnątrz innych elementów układu izolacyjnego, np. wewnątrz uzwojeń, wytwarza znikomą ilość sygnałów rozprzestrzeniających się drogą promieniowania.

Rysunek 5: Widmo częstotliwości wnz

Rysunek 6: Różnica w opóźnieniu sygnałów elektrycznych i akustycznych

Analiza widma częstotliwości

Analizator widma przekształca sygnał analogowy na widmo częstotliwości zawierające informację o częstotliwościach składowych sygnału. W przypadku wyładowań niezupełnych kompozycja widma pozwala wyciągnąć wnioski dotyczące drogi przebytej przez sygnał wnz. Zestaw ICMsystem analizuje widmo częstotliwości w zakresie od 10 kHz do 10 MHz. Na rysunku 5 prezentowany jest przykład analizy w zakresie 20 kHz – 3 MHz. W przykładzie, zarejestrowany sygnał zawiera niewielką ilość składo­wych wysokiej częstotliwości, co sugeruje, że sygnał przebył długą drogę wewnątrz transformatora zanim został odebrany przez czujnik podłączony do zacisku pomiarowego na izolatorze przepusto­wym.

Dla kontrastu, względnie równomierne widmo wskazywałoby na umiejscowienie źródła aktywności wnz w niewielkiej odległości od zacisku pomiarowego na przepuście. Należy jednak dodatkowo wziąć pod uwagę złożoną impedancję zacisku pomiarowego na izolatorze przepustowym. Impuls odbierany na zacisku izolatora przepustowego porównywany jest z impulsem (na tym samym zacisku) zareje­strowanym podczas kalibracji układu pomiarowego. Analiza róznicy dostarcza precyzyjnej informacji o umiej­scowieniu źródła aktywności wnz.

Pomiar wyładowań niezupełnych metodą emisji akustycznej (EA)

Wyładowaniom niezupełnym towarzyszy również emisja sygnałów akustycznych o częstotliwościach słyszalnych. Rozmieszczenie czujników piezoelektrycznych w różnych punktach na powierzchni kadzi transformatora pozwala precyzyjnie zlokalizować źródło wyładowań niezupełnych za pomocą analizy opóźnień sygnałów akustycznych. Do analizy wykorzystywany jest wielokanałowy oscyloskop wbudowany w urządzenie ICMsystem. Konieczna jest jedynie zmiana przedwzmacniaczy – nie trzeba stosować żadnych kosztownych dodatkowych przyrządów pomiarowych.

W porównaniu z sygnałami elektrycznymi fale dźwiękowe przemieszczają się stosunkowo wolno, z prędkością zależną od medium, w którym propagują. W oleju transformatorowym prędkość propagacji sygnału akustycznego wynosi około 1400 m/s (w zależności od temperatury), podczas gdy w stali prędkość ta wynosi 5000 m/s i więcej. Biorąc te różnice pod uwagę w analizie opóźnień sygnałów od­bieranych przez poszczególne czujniki możliwe jest ustalenie lokalizacji uszkodzenia w układzie izolacyjnym transformatora z dokładnością rzędu pojedynczych centymetrów. Największą trudnością jest precy­zyjne ustalenie czasu początkowego impulsu wnz. Aby dokładnie ustalić ten czas metodą wyłącznie akustyczną, potrzebna jest duża liczba czujników.

ICMsystem zapewnia oszczędność czasu i kosztów

Zestaw ICMsystem w sposób elegancki niweluje trudność wspomnianą powyżej poprzez analizę sygnałów elektrycznych odbieranych na zaciskach pomiarowych izolatorów przepustowych, przesyła­nych przez czwórniki pomiarowe do układów analitycznych systemu. W ten sposób uzyskuje się dokładny punkt odniesienia, dzięki czemu do wyznaczenia czasu początkowego fali dźwiękowej i uzy­skania natychmiastowego wyniku pomiaru konieczne są tylko trzy czujniki akustyczne. Ze względu na małą liczbę czujników ICMsystem wykonuje lokalizację metodą emisji akustycznej szybko i bez spe­cjalnego wysiłku, zapewniając znaczną oszczędność czasu i kosztów.

Podsumowując, defekty w układzie izolacyjnym transformatora generujące wyładowania niezupełne można szybko i wygodnie zlokalizować zestawem pomiarowym ICMsystem, z dokładnością umożli­wiającą podjęcie precyzyjnie zaplanowanych czynności naprawczych.

Pomiary wyładowań niezupełnych w terenie

W zasadzie większość omówionych technik pomiarowych można zastosować w terenie. Należy jed­nak wziąć pod uwagę szczególne warunki pomiarów terenowych. W odróżnieniu od fabrycznych pomiarów odbiorczych wykonywanych w specjalnie ekranowanych laboratoriach wysokiego napięcia, znaczny poziom zakłóceń elektromagnetycznych napotykany w badaniach terenowych utrudnia wyko­nanie dokładnych pomiarów przy częstotliwościach sygnałów poniżej 1 MHz. Opcjonalny analizator widma wbudowany w urządzenie ICMsystem pozwala przeprowadzić analizę wyładowań niezupełnych w pasmach o szerokości 9 kHz lub 300 kHz ze zmienną częstotliwością środkową. Zastosowanie wybiera­nej przez użytkownika częstotliwości środkowej pozwala maksymalnie dostosować parametry pomiaru do warunków dalekich od ideału.

Zestaw ICMsystem nadaje się zarówno do pomiarów eksploatacyjnych jak też fabrycznych testów odbiorczych. Poprzez uzupełnienie tradycyjnych metod nowoczesnymi technikami pomiaru wyładowań niezupełnych, zarówno producenci i użytkownicy dużych transformatorów energetycznych otrzymują wydajny kosztowo sposób pozyskiwania i gromadzenia dokładnych i wiarygodnych informacji o stanie technicznym tych cennych składników majątku.