Frekvenční diagnostika výkonových transformátorů

Tábor 9. a 10.11.2010
Konference ČK CIRED 2010
FREKVENČNÍ DIAGNOSTIKA VÝKONOVÝCH
TRANSFORMÁTORŮ – METODY, PŘÍNOSY, VYHODNOCENÍ
Václav Straka, TMV SS, spol. s r.o.
Pavel Zítek, TMV SS, spol. s r.o.
Anotace
Different methods of the frequency diagnostic power transformers
A frequency diagnostic power transformer is a new technique allowing non-invasive diagnostic of the power
transformers. In the presence are used frequency ranges dedicated for two different groups of potentially
problems. Low frequencies are usefull mainly for quantification of the moisture content direct in the paper
insulation without influence temperature of the transformer. During this is usually user able perform standardized tg ∆ measurement with usually kind of connection (UST and GST). High frequency range is dedicated
for detection of the mechanical defects of the core, windings, tap changers a connection leads. On the end of
the lesson is evaluation strong and weak parts each method together with comparison with usually methods
used in the field. Part of lesson will be to the HV frequency dependency.
1. ÚVOD
Jedním z nejdůležitějších prvků nadřazené elektrizační soustavy a rozvodných elektrických sítí je výkonový
transformátor. Jeho funkcí je transformovat napětí na požadovanou hodnotu potřebnou k přenosu elektrického výkonu. Je tedy důležitým článkem spojení mezi výrobou a spotřebou elektrické energie.
Poruchou transformátoru může dojít k výpadku elektrické energie určité oblasti zahrnující osídlené aglomerace a průmyslové zóny. Přerušení dodávky elektrické energie způsobuje nemalé finanční ztráty nejen distribučním společnostem, ale také velkoodběratelům zastavením výrobního procesu. Proto je nutné předcházet
takovýmto situacím pravidelnou kontrolou a údržbou transformátoru.
Frekvenční diagnostika transformátoru se jeví být vhodným prostředkem pro detekci různých vlivů a jevů
v transformátoru.
Nízkofrekvenční diagnostika (dielektrická spektroskopie ve frekvenční doméně) je metoda určená primárně
pro detekci a měření vlhkosti přímo v papírové izolaci a papírových bariérách výkonových transformátorů bez
ohledu na teplotu stroje či okolí.
Vysokofrekvenční diagnostika je určena na detekci mechanických změn v uspořádání transformátoru. Tato
metoda je schopna postihnout změny jak v oblasti vinutí, tak i magnetického obvodu a připojení na přepínač
odboček
2. DIELEKTRICKÁ SPEKTROSKOPIE VE FREKVENČNÍ DOMÉNĚ - FDS
Jednou z nových diagnostických metod pro diagnostiku různých izolačních systémů je metoda dielektrické
spektroskopie, v tomto případě na základě frekvenční závislosti. Jejím principem je sledování odezvy (polarizace) částic na základě změny frekvence v širokém pásmu. Uplatnění najde tato metoda v diagnostice elektrických strojů, zařízení a prvků. V tomto článku budou popsány aplikace v oblasti výkonových transformátorů, papírem izolovaných kabelů vn a kabelů vn s izolací ze zesítěného polyetylénu. Tato metoda je použitelná i v dalších aplikacích, jako je vinutí elektrických strojů (generátory, motory), přístrojových transformátorů
s olejovou náplní a dalších. Popsán bude i obecný koncept metody FDS – frequency domain spectroscopy.
Straka, Zítek - Sekce č.1, č.referátu 4
© ČK CIRED 2010
1
Tábor 9. a 10.11.2010
Konference ČK CIRED 2010
2.1. POPIS METODY
Přístroje používané na diagnostiku metodou FDS (v ČR poměrně rozšířený IDAX 206, IDAX 300 či IDA 200)
je založena na generátoru sinusového napětí 140Vef ve frekvenčním rozsahu 10 kHz až 0,0001 Hz. Jedná se
o kompaktní přístroj o hmotnosti cca 6 kg, jehož výkon plně postačuje pro diagnostiku výkonových transformátorů a papírem izolovaných kabelů (pro aplikace na kabelech s izolací ze zesítěného polyetylénu lze připojit externí vysokonapěťovou jednotku). Princip funkce je měření generovaného napětí a proudu vycházejícího z měřeného vzorku a jejich následné vyjádření v požadované podobě (Z, cos φ, tan δ, c, ε´, ε´´, ∆ε a
v dalších možných podobách – v určitých případech sledování pouze hodnoty tan δ nedá celkový obraz o
měřeném vzorku, jak bude vysvětleno dále). Přístroj používá i třetí ochranou elektrodu, která se obvykle
připojuje k tanku transformátoru nebo k izolaci kabelu. Díky frekvenční selektivitě ampérmetru a filtraci signálu může přístroj bez problémů pracovat i v místech se silnou elektromagnetickou indukcí (. Přesnost přístroje
byla porovnávána s tradičními vn přístroji 10 kV a 20 kV bez jakýchkoliv odchylek. Významnou předností je
široké frekvenční pásmo jež dovoluje poměrně rozsáhlou diagnostiku různých částí měřeného vzorku.
Izolace hlavního vinutí
50/60 Hz
Izolace průchodek
(fáze 2 a 3)
Obrázek 1 – frekvenční závislost tan δ
3. APLIKACE
Vzhledem k povaze metody je nutno zmínit i vybrané aplikace včetně způsobů interpretace naměřených
hodnot.
3.1. VÝKONOVÉ TRANSFORMÁTORY
Na výkonových transformátorech lze měřit všechny izolační stavy (např. mezi jednotlivými vinutími, mezi
vinutími a zemí, diagnostikovat průchodky atd.). Diagnostikou lze určit tan δ při 50 Hz včetně správné teplotní kompenzace a dále například vlhkost papírové izolace a vodivost oleje bez ohledu na teplotu transformátoru. Principem je měření ve frekvenčním rozsahu 1 kHz až 0,0001 Hz, přičemž každý z prvků (teplota,
vodivost oleje, vlhkost papírové izolace, konstrukční uspořádání), který ovlivňuje naměřené hodnoty se pro-
Straka, Zítek - Sekce č.1, č.referátu 4
© ČK CIRED 2010
2
Tábor 9. a 10.11.2010
Konference ČK CIRED 2010
jevuje jiným způsobem při různých frekvencích (viz obrázek 2). To nám umožňuje jednotlivé vlivy odseparo0
vat a případně přepočítat na vztažné podmínky, např. 20 C.
Z obrázku 2 si vezmeme za příklad graf odpovídající izolaci hlavního vinutí. Vlhkost papírové izolace se projevuje zejména v zakřivení charakteristiky v jejích koncových částech a její strmosti ve střední části, vodivost
0
oleje na posunu křivky pod úhlem 45 (změna vlhkosti se projeví pouze posunem v tomto směru) a konstrukce transformátoru na výšku křivky. Teplota má vliv na celkový posun křivky v horizontální rovině, což
umožňuje, při znalosti teploty při měření, přepočíst naměřenou tan δ na nominální teplotu bez rizika špatného směru korekce (viz obrázek 3 – vlivy na korekci tan δ).
Obrázek 2 – vlivy na korekci tan δ
Z obrázku 2 je patrné, že bez znalosti směrnice (tj. pouze měření v jednom bodě) křivky v nejbližším okolí
není dostatečně dobře možné korigovat tan δ při 50 Hz na zvolenou teplotu, neboť směrnice může mít,
v závislost na kombinaci vodivosti, vlhkosti a teploty, jak kladnou tak zápornou hodnotu. Široké frekvenční
pásmo též umožňuje modelování průběhu křivky až za hranice měření.
Co se týče dalšího porovnání s „klasickými“ diagnostickými metodami, předností je interpretace založená
na konstrukci transformátoru, krátká doba potřebná na měření, opakovatelnost testu, menší citlivost
na elektromagnetickou indukci oproti DC a snadná pochopitelnost a modelovatelnost výsledků měření.
Straka, Zítek - Sekce č.1, č.referátu 4
© ČK CIRED 2010
3
Tábor 9. a 10.11.2010
Konference ČK CIRED 2010
•wc 0,9-1,1%
•2 pS / m
Obrázek 3 – kvantifikace vlhkosti
Pokud bychom chtěli zobrazit průběhy s různou vlhkostí a současně i vodivostí oleje, za příklad nám může
posloužit graf označený jako obrázek 2. V tomto případě je vidět nejenom kvantifikace hodnot na úrovni 50
Hz, ale i přímý výpočet obsahu vlhkosti v papírové izolaci, v tomto případě izolace vinutí.
Straka, Zítek - Sekce č.1, č.referátu 4
© ČK CIRED 2010
4
Tábor 9. a 10.11.2010
Konference ČK CIRED 2010
4. VYSOKOFREKVENČNÍ DIAGNOSTIKA VÝKONOVÝCH TRANSFORMÁTORŮ - SFRA
4.1. METODA VYSOKOFREKVENČNÍ DIAGNOSTIKY TRANSFORMÁTORŮ
Vysoko frekvenční analýza je nová metoda na poli diagnostiky
transformátorů a nabízí možnosti vyhledání změn a poruch
v transformátoru po mechanické stránce a to i bez toho, aby
transformátor bylo nutné odvézt z pozice do prostor servisní
organizace a transformátor rozebrat. Metoda vychází
z principu měření útlumu generovaného signálu a vzájemného
posunu vůči referenci. Vzhledem k tomu, že transformátor lze
přirovnat k velkému a složitému RLC článku, můžeme říct, že
v náhradním schéma lze transformátor nahradit již jmenovaným RLC obvodem. Měří se tedy útlum a fázový posun
signálu v zadaném frekvenčním pásmu a to v mezních
hodnotách 1Hz až 10 MHz. Z matematického hlediska by se
dalo měření popsat jako podíl signálu na vstupu a výstupu,
přičemž signál ( U a I ) lze vyjádřit jako impedanci, pak tedy
jϕ
impedance kterou měřím je Z = |Z|*e . Pokud tuto křivku
vyneseme do grafu, kde na jedné ose bude naměřený útlum a
na ose druhé bude zadané frekvenční pásmo, můžeme říct, že
jsme naměřili frekvenční charakteristiku transformátoru. Tato
charakteristika má tvar vždy jiný a dá se říct, že ani dva
identické transformátory stojící vedle sebe nemají stejnou
frekvenční charakteristiku, avšak je velmi podobná. Tvar
naměřené charakteristiky ovlivňuje především fyzické vnitřní
uspořádání
transformátoru,
druh
transformátoru
(
autotransformátor, transformátor dvou vinuťový, transformátor
s terciárním vinutím atd. ), napěťová hladina jednotlivých
vývodů, druh zapojení jednotlivých vývodů ( hvězda –
trojúhelník a případně jejich fázový posun ), atd.
4.2. JEDNODUCHÉ A SNADNÉ MĚŘENÍ
Měření touto vysokofrekvenční metodou je snadné, rychlé a efektivní. Cele měření by nemělo zabrat déle
než 1 minutu, případně při nastaveném preciznějším vzorkování by doba měření neměla přesáhnout tři minuty. Z hlediska provozu je důležité mít široký rozsah použití a to s důrazem na okolní prostředí, tedy pracovní teploty by měli umožňovat práci jak za letních teplot na přímém slunci, kde teplota dosahuje až 70°C,
ale také v opačném letním období a to je zima, kdy v středoevropských podmínkách zimní teploty obvykle
neklesají pod -20°C.
Straka, Zítek - Sekce č.1, č.referátu 4
© ČK CIRED 2010
5
Tábor 9. a 10.11.2010
Konference ČK CIRED 2010
Obrázek 4 – Obvyklý tvar frekvenční charakteristiky
Tato podmínka je jednoduše splnitelná v případě, že zařízení nemá na svém obalu žádné zobrazovací nebo
ovládací prvky. S tím souvisí samozřejmě komunikace se zařízením a to v dnešní době bezdrátových komunikací by mělo být zabezpečeno například pomocí bluetooth. Vzhledem k tomu, že tento standart je rozšířen
po celém světe by komptabilita a použitelnost neměla být žádný problém. Nehledě na to, že tato skutečnost
umožňuje provést měření s přístrojem v jakékoliv poloze s jakýmkoliv umístěním. Například záznamový přenosný počítač mít v měřicím voze a samotný měřicí přístroj napájený z interních baterii na vrchu transformátoru.
4.3. ZA JAKÝM ÚČELEM A PROČ MĚŘENÍ PROVÁDĚT
Měření touto metodou mohou mít různý význam a to například jako běžná revize fyzického stavu transformátoru, hledání mechanických změn v transformátoru při jakékoliv elektrické události v blízkosti transformátoru
a nebo například kontrola stavu stroje před a po revizi a údržbě transformátoru nebo jeho transportu
z eventuelně na pozici. Metod jak postupovat je několik a to především metody komparační, kdy jsou
k dispozici dva identické transformátory. Zde se dá předpokládat, že vnitřní uspořádání je shodné a tedy
charakteristika transformátoru by měla být velmi podobná. Následně po měření data z obou strojů je lze
porovnat a s velmi vekou pravděpodobností přesně určit závadu na stroji. Pokud není transformátor, který je
shodný a nebo alespoň má shodnou konstrukci mohou být porovnávány určité části charakteristik mezi sebou. Obzvláště pak ve vysokých frekvencích, kdy by se měli jednotlivé křivky na jednom stroji velmi přibližovat. A u frekvencích nižších se mohou využít znalosti konstrukce transformátoru a v 90% můžeme tvrdit, že
fáze 1 a fáze 3 by měla mít stejnou pozici a stejné umístění na magnetickém obvodu. Tedy křivky obou fází
by měli mít podobný průběh. Ideálním stavem je porovnávání jednoho stroje po uplynutí určitého časového
úseku, kdy je možné bez ohledu na počáteční stav diagnostikovat přesně závadu z těchto dvou měření. U
tohoto měření je pak obzvláště důležitá metodika připojování měřicích vodičů na průchodky transformátoru
z hlediska opakovatelnosti měření.
Straka, Zítek - Sekce č.1, č.referátu 4
© ČK CIRED 2010
6
Tábor 9. a 10.11.2010
Konference ČK CIRED 2010
4.4. POHLED NA PROVEDENÉ MĚŘENÍ A PŘÍKLAD DIAGNOSTIKY
Obrázek 5 – Porovnání provedených měření
Obrázek 6 – Detail části křivky
Na obrázku 5 je vidět provedené měření na transformátoru 110 kV / 22 kV, kde je na grafu zobrazena charakteristika primárního vinutí a to konkrétně zapojení H1 – H0, H2 – H0 a H3 – H0. Vzhledem k tomu, že toto
je případ, kdy není možné použít porovnávání dvou transformátoru, můžeme využít znalosti vnitřního uspořádání a porovnat jednotlivé obvody mezi sebou. Tedy H1 – H0 a H3 – H0 jsou krajní fáze tedy jejich fyzické
postavení v transformátoru je zrcadlové.
Pokud provedeme srovnání těchto dvou křivek (viz obrázek 6) zjistíme, že jejich charakteristika je v celé
šířce téměř shodná, až na rozmezí frekvencí 100 Hz až 1kHz, kde můžeme sledovat velkou odchylku. Tento
jev se identicky kopíruje do měření na sekundárním vinutí stejného sloupku ( H1 a X1 ). Toto místo ve frekvenčním spektru nám representuje stav magnetického obvodu. Pokud provedeme diferenci těchto dvou křivek v námi zvětšeném rozsahu můžeme odečíst rozdíl, který činí 11,5dB, což můžeme diagnostikovat jako
poruchu magnetického obvodu první fáze transformátoru (viz obrázek 7).
Obrázek 7 – Rozdílová křivka dvou měření
Obrázek 8 – Vnitřní šum
Dále z měření je zajímavé pásmo týkající se frekvenční šířky 20 kHz až 200 kHz, kde je zjevný frekvenční
posun primárního a sekundárního vinutí. Zde už nejde tak jednoduše potvrdit poruchu, vinutí, protože se
jedná o transformátor velmi starý a zde by tento jev mohl být vysvětlen vnitřní konstrukcí transformátoru.
4.5. PŘESNOST A OPAKOVATELNOST NAMĚŘENÝCH CHARAKTERISTIK
Vzhledem k tomu, že měření probíhá v 90% na transformátoru, který je na pozici v rozvodně, je také toto
měřené hodně náchylné na rušení. Tedy je důležité mít připojené vodiče stíněné a stínění těchto vodičů mít
velmi dobře uzemněné. Protože důležitým prvkem u této metody je opakovatelnost měření po určitém čase,
aby bylo možné měřená data srovnávat. Špatným připojením vodičů lze jednoduše docílit chyby ±5dB což
vnáší do metody velmi velkou nejistotu, protože se uvádí že rozdíl ±3dB je tolerance, kdy změna která nastala v tomto obvodě je bezvýznamná. S tímto je spojena i další problematická část této metody a to jsou průchodky transformátoru. Průchodky jako izolátor má svou parazitní kapacitu. Aby bylo možné prohlásit, že
měření je opakovatelné i za podmínky toho, že vodiče jsou v jiné poloze než byly při předchozím měření, je
Straka, Zítek - Sekce č.1, č.referátu 4
© ČK CIRED 2010
7
Tábor 9. a 10.11.2010
Konference ČK CIRED 2010
třeba ošetřit aby smyčka, která je vytvořena mezi měřicím obvodem a průchodnou byla vždy stejná, respektive stejně dlouhá. U mnoho strojů se měřitelný útlum na vysokonapěťové straně transformátoru pohybuje
v oblasti -100dB až -120dB, proto je velmi důležité aby odstup signálu od šumu byl dostatečný i pro tato
měření, protože pokud by měl přístroj s odstupem signál šum 100dB změřit hodnotu kolem -110dB, tak tato
hodnota nebude pravdivá a bude ovlivněna špatným hardwarem samotného měřicího přístroje. Dalším bodem týkajícího se přesnosti je kvalita vlastních měřicích přívodů. Protože vodiče jsou z koaxiálního kabelu,
aby bylo zajištěno stínění proti nežádoucímu rušení, mají tím i vlastní parazitní kapacitu. Tedy čím delší vodiče tím větší kapacita, která se promítá do přesnosti metody. V tomto případě se chyba projevuje ve vyšších
frekvencích a tedy je důležité aby i tento parazitní jev byl co nejvíce potlačen. Opět ideální odstup naměřených dat od chyby způsobené vodiči by neměl být větší než 20dB.
4.6. SOFTWARE A JEHO MOŽNOSTI DIAGNOSTIKY
Softwarové zpracování naměřených bodů, nám o celé metodě podá vypovídající hodnoty. Tedy stává se
jedním z nejsilnějších článků celé metody. Základem takového software je identifikace stroje pro možné začlenění stroje do databáze a zobrazení naměřených dat. Vzhledem k tomu, že se celé měření provádí
v reálném čase a komplexně, neměl by tedy chybět v software graf s vynesenými úhly a možností výpočtu
doplňkových hodnot podle matematických modelů jako jsou impedance a její převrácená hodnota případně
uživatelsky zadané definice matematického modelu. Samozřejmostí je funkce porovnání dvou křivek
v zadaném nebo celém pásmu měření, případně tvorba šablon pro jednotlivé zapojení nebo jednotlivé stroje.
A v neposlední řadě by celý software měl obsahovat otevřený protokol záznamu dat, aby jej bylo možno
snadno exportovat do tabulkových procesorů.
5. FREKVENCE VERSUS VN TESTOVÁNÍ A DIAGNOSTIKA
Vysokonapěťové metody se používají zcela standardně nejen v oblasti transformátorů / průchodek, ale i
v jiné typy izolačních systémů. Sledována je obvykle napěťová závislost měřených parametrů společně
s absolutními hodnotami. Za určitých okolností testovaný izolační systém nemá vztažnou teplotu a je zapotřebí naměřené hodnoty na tuto teplotu korigovat. Toto se obvykle provádí korekcí dle standardizovaných
křivek, které se však v praxi ukazují jako více než teoretické, neboť charakter odezvy nebývá nejen lineární,
ale bývá individuelní charakteristikou daného prvku. Řešením je pouze provedení vícebodového měření
v dostatečně širokém frekvenčním pásmu tak, aby bylo možno korekci provést nikoli pouze pomocí odhadu
a „univerzální“ křivky, ale na základě skutečných průběhů. Příklady vybraných frekvenčních závislostí jsou
na obrázku 9. Z hlediska teplotních závislostí se jednotlivé charakteristiky chovají velmi podobně, jako charakteristiky u metody FDS. Uvedený přístup umožňuje i velmi dobré zpětné modelování na průběhy či hodnoty naměřené v minulosti.
Straka, Zítek - Sekce č.1, č.referátu 4
© ČK CIRED 2010
8
Tábor 9. a 10.11.2010
Konference ČK CIRED 2010
6. ZÁVĚR
Frekvenční diagnostika výkonových transformátorů poskytuje možnosti doplnění stávajících diagnostických
metod. Rozšiřuje spektrum diagnostických metod o přímé měření vlhkosti v papírové izolaci na straně jedné
a o diagnostiku mechanických posunů a odchylek na straně druhé. Jedná se v obou případech o poměrně
rychlé a efektivní metody umožňující odhad aktuálního stavu transformátoru a jeho vhodnosti pro další provoz. Cílem materiálu bylo obeznámit čtenáře s novými metodami společně s doporučenými a vhodnými požadavky na měřící přístroje.
Zcela novou kapitolou je terénní vn testování obohacené o frekvenční závislosti. Jedná se o nový postup,
který je vysoce vhodný pro okamžité použití v terénu.
7. LITERATURA
[1]
Straka Václav, CIRED 2003, Vybrané způsoby diagnostiky elektrických strojů, přístrojů a prvků – dielektrická spektroskopie ve frekvenční doméně
[2]
Kvasnička Václav, Procházka Radek, Velek Jiří, Ověřování metody frekvenčních
charakteristik v podmínkách rozvoden přenosové soustavy ČR
Ing.Václav STRAKA
Absolvent ČVUT FEL (1994). Od absolvování pracuje ve firmě TMV SS s.r.o.
(měřící a diagnostické přístroje pro oblast energetiky a průmyslu) jako technický
specialista a manažer aplikací. Specializuje se na on-line monitoring výkonových
transformátorů, diagnostické a testovací vybavení pro oblast vn kabelů,
transformátorů, vypínačů vn, vvn, bateriových systémů a UPS, ochran, zobrazení
korony a měření elektrických a magnetických polí.
TMV SS s.r.o., Studánková 395, 149 00 Praha 4
Tel.: +420 272 942 720,
Fax.: +420 272 942 722
E-mail: [email protected] URL: www.tmvss.cz
Pavel Zítek
Pracuje ve firmě TMV SS s.r.o. (měřící a diagnostické přístroje pro oblast energetiky a průmyslu) jako technický specialista. Specializuje se na frekvenční
diagnostiku výkonových transformátorů, diagnostické a testovací vybavení pro
oblast transformátorů, zobrazení korony a termovizní měření.
TMV SS s.r.o., Studánková 395, 149 00 Praha 4
Tel.: +420 272 942 720,
Fax.: +420 272 942 722
E-mail: [email protected] URL: www.tmvss.cz
Straka, Zítek - Sekce č.1, č.referátu 4
© ČK CIRED 2010
9