Odpowiadając na stale rosnące zapotrzebowanie rynku na precyzyjne i niezawodne analizatory diagnostyczne izolacji, firma Megger ma zaszczyt zaprezentować najnowszy przyrząd pomiarowy IDAX 322 przeznaczony do diagnostyki układów izolacyjnych aparatury elektrycznej metodą odpowiedzi dielektrycznej w dziedzinie częstotliwości (DFR – Dielectric Frequency Response), znanej także jako spektroskopia dielektryczna w dziedzinie częstotliwości (FDS – Frequency Domain Spectroscopy).
Od roku 1997, gdy na rynku pojawił się pierwszy przenośny instrument pomiarowy IDA do diagnostyki metodą DFR, obszar zastosowań spektroskopii dielektrycznej w dziedzinie częstotliwości w ocenie stanu izolacji znacząco się poszerzył. W elektroenergetyce szczególny sukces tej metody odnotowano w pomiarach diagnostycznych układów izolacyjnych transformatorów.
Aby powtórzyć ten sukces w diagnostyce innych krytycznych elementów sieci elektroenergetycznej, międzynarodowa grupa ekspertów firmy Megger zdefiniowała kluczowe cechy sprzętu i oprogramowania a także niezbędne zdolności pomiarowe optymalnego przyrządu pomiarowego DFR. Za ważną cechę takiego przyrządu uznano na przykład odpowiednio wysokie napięcie pomiarowe. Biorąc pod uwagę stosunkowo niską pojemność elektryczną elementów takich jak izolatory przepustowe i przekładniki prądowe, w celu polepszenia stosunku sygnału do szumu i umożliwienia dokładnych pomiarów, szczególnie w środowisku zaszumionym, wymagane jest wyższe napięcie pomiarowe niż zazwyczaj stosowane w przyrządach DFR napięcie 140 V.
Analizator IDAX 322 firmy Megger opracowano z myślą o ułatwieniu pracy i sprostaniu wyzwaniom pomiarowym w terenie. Przyrząd oczywiście może być użyty w warunkach laboratoryjnych, ale jego nowoczesna konstrukcja, cechy i możliwości pomiarowe, łącznie z zastosowaniem napięcia 1,4 kV RMS, praktycznie eliminują trudności w uzyskaniu wiarygodnej, dokładnej i szybkiej diagnostyki układów izolacyjnych wysokiego napięcia w terenie. IDAX 322 jest przyrządem zoptymalizowanym do diagnostyki DFR izolacji aparatury elektrycznej wysokich i bardzo wysokich napięć – izolatorów przepustowych i przekładników prądowych i napięciowych, zapewniając równie skuteczne pomiary transformatorów energetycznych.
Analizator IDAX 322 jest gotowy do użycia w wymagających warunkach terenowych. Urządzenie sterowane jest za pośrednictwem łatwego w obsłudze oprogramowania a kryteria oceny badanych układów izolacyjnych opracowano na podstawie międzynarodowych norm i z górą dwudziestopięcioletniego doświadczenia w stosowaniu pomiarów metodą spektroskopii dielektrycznej w dziedzinie częstotliwości.
Wprowadzenie do metody DFR
Spektroskopia dielektryczna w dziedzinie częstotliwości (FDS), inaczej DFR (odpowiedź częstotliwościowa dielektryka), jest techniką polegająca na pomiarze pojemności elektrycznej i strat dielektrycznych (tgδ) w szerokim zakresie częstotliwości. W ocenie układu izolacyjnego transformatora najczęściej stosowany jest zakres częstotliwości od 1 mHz do 1 kHz (pomiar pięciominutowy), w innych zastosowaniach, takich jak ocena izolacji przekładników prądowych i napięciowych oraz izolatorów przepustowych stosuje się zakres od 10 mHz do 1 kHz. Elementy sieci elektroenergetycznej pracują w różnych warunkach temperaturowych i poddane są wielorakim naprężeniom elektrycznym i mechanicznym, które w dłuższym czasie przyczyniają się do degradacji i starzenia się układów izolacyjnych. Efekty degradacji często nie są ujawniane w badaniach innymi metodami, np. w pomiarach współczynnika strat dielektrycznych tgδ z zastosowaniem częstotliwości liniowej, stąd zarządzający majątkiem muszą polegać na zaawansowanych technikach, takich jak DFR, by w sposób proaktywny planować czynności utrzymaniowe zapewniające bezawaryjną, długoletnią eksploatację aparatury sieciowej o krytycznym znaczeniu.
Metoda spektroskopii dielektrycznej w dziedzinie częstotliwości, pozwalająca ujawnić i prawidłowo ocenić procesy degradacji układów izolacyjnych, okazała się kamieniem milowym w diagnostyce izolacji aparatury elektrycznej. Ewolucja technik pomiarowych opartych o metodę DFR w diagnostyce transformatorów nieustannie trwa. Metoda DFR (FDS) opisana jest w wielu dokumentach technicznych i międzynarodowych normach. Dzisiaj firma Megger jest liderem w dziedzinie technik pomiarowych DFR a użytkowników przyrządów pomiarowych rodziny IDAX można spotkać na całym świecie pośród producentów aparatury elektrycznej, operatorów sieci elektroenergetycznych, na uczelniach technicznych i w firmach usługowych.
Zastosowania diagnostyki DFR
Najbardziej powszechnym obiektem diagnostyki DFR jest izolacja pomiędzy uzwojeniami transformatora mocy. Dokładny pomiar unikalnej odpowiedzi częstotliwościowej tego układu izolacyjnego pozwala określić procentową zawartość wody w izolacji stałej transformatora a także konduktywność izolacji ciekłej (oleju).
Metoda DFR (FDS) stała się podstawą ostatecznej oceny izolacji papierowo-olejowej transformatorów, ale ewolucja zastosowań spektroskopii dielektrycznej w dziedzinie częstotliwości na tym się nie zatrzymała. Prace zaprezentowane przez CIGRE dotyczące analizy niezawodności transformatorów mocy i izolatorów przepustowych dowiodły, że konieczna jest nie tylko ocena głównego układu izolacyjnego transformatora, ale także izolatorów przepustowych i izolacji przekładników pomiarowych pracujących w sieci. Jak każdy układ izolacyjny, izolatory przepustowe wysokich i najwyższych napięć starzeją się, ale diagnostyka tych elementów sieci stawia inne wyzwania, niż pomiary układów izolacyjnych transformatorów mocy. Mierzone wartości prądów płynących przez obiekt o niskiej pojemności elektrycznej są bardzo małe i dodatkowo, szczególnie przy częstotliwościach pomiarowych poniżej 1 Hz, prądy te są bardzo wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).
Z bazy danych pomiarów DFR firmy Megger wynika, że w czynnych stacjach wysokiego napięcia zakłócenia o częstotliwości liniowej wahają się od 0 – 100 µA, a zakłócenia stałoprądowe są rzędu 0 – 50 nA [1]. Zakłóceń w stacji nie da się kontrolować, ale można zminimalizować ich wpływ na wynik pomiaru, przede wszystkim używając przyrządów diagnostycznych mierzących wyłącznie w dziedzinie częstotliwości. Pomiary w dziedzinie czasu (DC) są znacznie bardzie wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne. Ponadto zastosowanie wyższej wartości napięcia pomiarowego polepsza stosunek sygnału do szumu.
Negatywny wpływ zakłóceń EMI jest dobrze udokumentowany w odniesieniu do diagnostyki przekładników pomiarowych w terenie. Pierwsze wyniki badań dotyczących diagnostyki DFR przekładników pomiarowych zostały zaprezentowane przez naukowców Królewskiego Instytutu Technicznego KTH w Szwecji i Tennessee Technological University (TTU) w Stanach Zjednoczonych. Od tego czasu wykonano ogromną pracę w zakresie ulepszenia analizy układów izolacyjnych wysokonapięciowych przekładników prądowych i przekładników napięciowych, zarówno indukcyjnych i pojemnościowych.
Skuteczne pomiary dostarczające wiarygodnych wyników
Analizator IDAX 322 jest połączeniem przyrządów IDAX 300S i VAX020 w jednej, lekkiej obudowie walizkowej (13 kg). Jest to urządzenie przenośne, zapewniające wygodne pomiary. W warunkach stacji elektroenergetycznej czas dostępny do wykonania pomiarów jest zazwyczaj ograniczony, stąd niezwykle ważne jest szybkie uzyskanie bezbłędnych, reprezentatywnych i powtarzalnych wyników badania. Nieprawidłowe zestawienie układu pomiarowego i słabe połączenia są często przyczyną konieczności powtórzenia pomiaru. Co prawda oprogramowanie obsługowe przyrządu pomaga prawidłowo zestawić układ pomiarowy, tym niemniej nowy osprzęt analizatora IDAX 322 (zobacz rysunek 1) minimalizuje prawdopodobieństwo błędnego wykonania połączeń z obiektem pomiaru.
Rysunek 1: Analizator IDAX i jego nowy osprzęt do pomiarów wysokonapięciowych izolatorów przepustowych
Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) są najczęstszą przyczyną frustracji pomiarowców wykonujących diagnostykę DFR badanego obiektu. Poziom zakłóceń w stacji elektroenergetycznej zależy od kilku parametrów, takich jak poziomy napięć roboczych aparatury i sieci oraz odległość od źródła zakłóceń. Analizator IDAX 322 zapewnia dziesięciokrotnie wyższy stosunek sygnału do szumu w porównaniu z innymi dostępnymi dzisiaj przyrządami pomiarowymi DFR. Stąd instrument ten gwarantuje efektywne wykorzystanie cennego czasu przeznaczonego na pomiary w terenie. Przykład wyniku pomiaru w terenie przedstawiony na rysunku 2 ilustruje korzyści z zastosowania a analizatorze IDAX 322 napięcia pomiarowego 1,4 kV.
Rysunek 2: Wpływ zakłóceń EMI na wynik pomiaru DFR (współczynnik strat dielektrycznych tgδ (%DF) wyrażony procentowo)
Dodatkowe cechy i funkcje analizatora IDAX 322
Analizator IDAX 322 posiada wszystkie cechy i funkcje dostępne w przyrządzie IDAX 300, łącznie z dwoma amperomierzami. Korzyścią zastosowania dwóch układów pomiarowych jest możliwość badania dwóch pojemności jednocześnie.
Jedną z ważnych cech przyrządów rodziny IDAX jest zastosowanie nowatorskiego algorytmu indywidualnej korekcji temperaturowej (ITC). Wynik pomiaru współczynnika strat dielektrycznych materiału izolacyjnego w funkcji częstotliwości jest zależny od warunków, w jakich wykonano pomiar i od temperatury. Właściwości dielektryczne materiału zmieniają się w wyniku zanieczyszczeń, starzenia i degradacji. Temperatura izolacji zmienia się w zależności od obciążenia aparatury i warunków zewnętrznych. Wykazano, że funkcja ITC prawidłowo koryguje wynik pomiaru do temperatury odniesienia 20 ºC nie tylko dla częstotliwości liniowej, ale również w całym pasmie częstotliwości użytym w pomiarze odpowiedzi częstotliwościowej dielektryka.
Analizator IDAX 322 dokładnie wyznacza nieskorygowaną krzywą DFR (czarny przebieg na rysunku 3), jak też krzywą skorygowaną do temperatury odniesienia 20 ºC z zastosowaniem metody ITC (przebieg czerwony na rysunku 3). Funkcja indywidualnej korekcji temperaturowej pozwala zatem wykonać pomiar w szerokim zakresie temperatury, co daje więcej swobody przy wyborze czasu przeprowadzenia badań.
Rysunek 3: Krzywa DFR (odpowiedzi częstotliwościowej dielektryka) izolatora przepustowego i odpowiadająca jej krzywa skorygowana do temperatury 20 ºC metodą ITC
Do obsługi analizatora IDAX 322 konieczny jest przenośny komputer PC z zainstalowanym oprogramowaniem IDAX, którego przyjazny interfejs obsługowy prowadzi użytkownika od początku do końca pomiaru. Na ekranie wyświetlany jest układ połączeń z badanym obiektem, co pomaga sprawnie i prawidłowo wykonać połączenia pomiarowe. Przed rozpoczęciem pomiaru oprogramowanie sugeruje – na podstawie zmierzonej temperatury badanego obiektu – końcową wartość częstotliwości (przemiatanie częstotliwości rozpoczyna się od górnej granicy zakresu, tj. od 1 kHz i postępuje w dół). W ten sposób zapewniony jest wybór liczby punktów pomiarowych (dyskretnych częstotliwości) wystarczającej do uzyskania dokładnej reprezentacji graficznej odpowiedzi DFR w możliwie najkrótszym czasie. Po zakończeniu pomiaru na ekranie wyświetlane są wykresy DFR – rzeczywisty i skorygowany – wraz z analizą wyniku, która jest czytelna, łatwa w interpretacji i pozwala wyciągnąć prawidłowe wnioski dotyczące stanu technicznego badanego obiektu. Wartości prezentowane w sekcji analizy różnią się w zależności od rodzaju diagnozowanego obiektu. W przypadku izolatorów przepustowych są to wartości cyfrowe (wyrażone w procentach) współczynnika strat dielektrycznych zmierzone dla trzech dyskretnych częstotliwości, natomiast w przypadku transformatora analiza koncentruje się na zawartości wody w izolacji stałej i konduktywności oleju. Kryteria oceny oparte są na międzynarodowych normach, ale również odzwierciedlają 25 letnie doświadczenie w pomiarach metodą DFR (FDS). Wartości graniczne zależą od typu układu izolacyjnego. Na przykład kryteria oceny izolatora przepustowego z izolacją papierowo-olejową (OIP) będą inne od wartości granicznych przyjętych dla izolatorów przepustowych typu RIP (papier impregnowany żywicą epoksydową z wypełnieniem przestrzeni olejem mineralnym lub żelem izolacyjnym).
IDAX 322 – skuteczna diagnostyka
Przez lata stosowania, techniki pomiarowe IDAX i metoda DFR (FDS) dowiodły swojej wartości. Przykładem jest opisane w pozycji [3] literatury badanie populacji przekładników prądowych 800 kV, w którym system IDAX wykrył problemy nieujawnione w pomiarze współczynnika strat dielektrycznych przy częstotliwości liniowej. Rysunek 4 przedstawia wykresy DFR trzech przekładników prądowych 800 kV o podobnej konstrukcji, które wykazują różnice w odpowiedzi dielektrycznej w szerokim zakresie częstotliwości, mimo że dla częstotliwości liniowej wszystkie trzy wartości współczynnika strat dielektrycznych tgδ (%DF) są bardzo zbliżone. Odpowiedź częstotliwościowa przekładnika CT1 jest prawidłowa, odpowiedź przekładnika CT2 wskazuje na zestarzenie eksploatacyjne układu izolacyjnego, natomiast odpowiedź przekładnika CT3 jest charakterystyczna dla izolacji w znacznym stopniu zanieczyszczonej.
Rysunek 4: Odpowiedź dielektryczna w dziedzinie częstotliwości przekładników prądowych wysokiego napięcia o różnym stopniu degradacji układu izolacyjnego
Rysunek 5 przedstawia kolejny przykład wyniku pomiaru DFR. Badanie dotyczy dwóch izolatorów przepustowych typu OIP na uzwojeniach H1 i H3 (czyli 1U i 1W) transformatora 110 kV. Przy częstotliwości liniowej widoczna jest niewielka, praktycznie pomijalna różnica między wartościami współczynnika strat dielektrycznych obu przepustów i praktycznie nie widać żadnych nieprawidłowości. Natomiast w miarę zmniejszania częstotliwości pomiarowej charakterystyka izolatora przepustowego H3 odchyla się coraz bardziej od prawidłowej (oczekiwanej) charakterystyki izolatora przepustowego H1, ujawniając uszkodzenie układu izolacyjnego, prawdopodobnie w postaci degradacji i/lub zanieczyszczenia materiału izolacyjnego wewnątrz przepustu.
Rysunek 5: Charakterystyki DFR dobrego (wykres żółty) i uszkodzonego (wykres zielony) izolatora przepustowego OIP transformatora 110 kV
Tylko te dwa przykłady ilustrują skuteczność diagnostyki DFR (FDS) układów izolacyjnych wysokonapięciowych izolatorów przepustowych i przekładników pomiarowych, czyli w zastosowaniach innych niż bardziej powszechne badania tą metodą transformatorów energetycznych. Spektroskopia dielektryczna w dziedzinie częstotliwości będzie się nadal rozwijać, ugruntowując swoją pozycję w zestawie narzędzi diagnostycznych do badania wysokonapięciowych izolatorów przepustowych i przekładników pomiarowych. Rodzina analizatorów IDAX z najnowszym modelem IDAX 322 wpisuje się doskonale w tę ewolucję, oferując unikalne funkcje poszerzające możliwości pomiarowe metodą DFR.
Autor: Olle Benzler
Zatrudniony w firmie Megger od 2018 roku na stanowisku Inżyniera ds. wdrożeń; miejsce pracy: Sztokholm, Szwecja. Specjalizuje się w diagnostyce transformatorów energetycznych i układów izolacyjnych wysokiego napięcia.
Literatura źródłowa:
[1] Peter Werelius, Matz Ohlen, Joacim Skoldin, „Dielectric Frequency Response Measurement Technology for Measurements in High Interference AC and HVDC Substations”, w: Techcon Asia-Pacific, 2011.
[2] I. Güner, D.M. Robalino, P. Werelius, „HV and EHV bushing condition assessment – field experience”, 2016 CIGRE IEC Colloqium, Montreal, QC, Canada.
[3] D.M. Robalino, I. Güner, „Investigation of EHV Current Transformer Failure by Dielectric Response Technique”, 2020 IEEE Electrical Insulation Conference (EIC), Knoxville, TN, USA, 2020, str. 70-75, doi: 10.1109/EIC47619.2020.9158762