Komplementarita diagnostických metod výkonových

Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
KOMPLEMENTARITA DIAGNOSTICKÝCH METOD
A JEJICH VZÁJEMNÁ INTERAKCE PŘI DIAGNOSTICE VÝKONOVÝCH TRANSFORMÁTORŮ
Václav Straka, Pavel Zítek, “TMV SS“ spol. s r.o.
Pro diagnostiku výkonových transformátorů jsou používány různé diagnostické metody. Materiál se soustředí
na jejich přehled, jejich individuální diagnostickou schopnost zaměřenou na jednotlivé části transformátorů a
případných problémů. Zvláštní pozornost je věnována interakci jednotlivých metod mezi sebou, včetně ovlivnění jednotlivých měření, ať již v kladném, tak záporném smyslu. Závěr materiálu obsahuje doporučení pro
provádění měření a současně i náměty pro zamyšlení.
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.
Celý materiál je orientován na běžné transformátory vn, vvn a zvn (plus aplikovatelnost na speciální prvky
jako jsou „phase shiftery“, tlumivky, přístrojové transformátory atd) s izolačním systémem typu papír olej, i
když některé z diagnostických metod mají výrazný přesah i do dalších systémů izolace. Nejsou tedy zahrnuty například transformátory s pevnou izolací, tzv. suché transformátory.
Materiál je věnován běžným, ale i progresivním metodám používaným pro off-line diagnostiku (úmyslně jsou
vynechány metody chemického charakteru a on-line diagnostika, včetně monitorovacích systémů). Jednotlivé metody jsou popsány, je zvýrazněna jejich detekční a vypovídací schopnost. Druhý čas je věnován interakcemi mezi jednotlivými metodami, stejně tak ovlivnění jejich výsledku jak vlivy okolí, tak vlivy ostatních
použitých metod.
Závěr shrnuje doporučení pro diagnostiku prováděnou nejen v terénu, ale i v oblasti dílenských oprav a zásahů do systému transformátoru.
2. PŘEHLED POUŽÍVANÝCH DIAGNOSTICKÝCH METOD
V praxi je využíváno široké spektrum diagnostických metod. Jejich šíře se postupem času vyvíjela.
V přehledu jsou zahrnuty i metody, které jsou v našich zemích využívány ne zas tak často, přesto dle názoru
autorů do přehledu patří. Jednotlivé metody jsou označeny zkratkou, v následující pasážích budou popsány
podrobněji.. Aplikovatelnost metod na jednotlivé části transformátoru je možno nalézt v v následujícím přehledu, pro jednoduchost byla zvolena právě forma tabulky.
Zobrazeny jsou nejpoužívanější metody a rozhodně se nejedná o komplexní výčet, takovýto komplexní přehled by výrazně přesáhl uvažovaný rozsah materiálu
Václav Straka - Sekce 1. / referát 4.
© ČK CIRED 2013
1
Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
TYP TESTU
Komponent
Delta
Test
Odpor
Poměr/polarita
Excitační proud
Impedance nakrátko
Frekvenční analýza
Izolační odpor
Kapacita
tan delta/power faktor
Dielektrická frekv.odezva
Kapacita
tan delta/power faktor
Dielektrická frekv.odezva
Obsah H2O
Dielektrická pevnost
tan delta/power faktor
DGA
Obsah vlhkosti
Odpor
Převod
Kontinuita
Dynamický odpor (DRM)
Odpor
Převod
Izolační odpor
Frekvenční analýza
Vinutí
Průchodky
Izolační olej
Papírová izolace
Přepínač
odboček
METODA
OLTC
NLTC
Jádro, nádoba
FDS MIT SFRA MLR TTR MTO LTC MoM OTS
KF
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Test uzemnění
X
Tabulka 1 – přehled diagnostických metod
Jednotlivé diagnostické metody jsou popsány ve vícero standardech a brožurách. Jako nejvýznamnější zdroje je možno považovat následující prameny:
CIGRE
•
CIGRE Brochure 342 (SFRA)
•
CIGRE Brochure 414 (Dielectric Response)
•
CIGRE Brochure 445 (Guide for Transformer Maintenance)
IEC, TC 14
•
IEC 60076-1, Power Transformers
•
IEC 60076-2, Temperature rise
•
IEC 60076-3, Insulation levels, dielectric tests and external clearances in air
•
IEC 60076-18, SFRA
ANSI, IEEE Transformer Committee
•
IEEE C57.152-2013
Václav Straka - Sekce 1. / referát 4.
(62-1995)
© ČK CIRED 2013
2
Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
•
IEEE C57.12.00-2006 (always under revision)
•
IEEE C57.12.90-2006 (always under revision)
•
IEEE PC57.149
(Guide SFRA)
Často kladenou otázkou je, proč veškeré postupy nejsou koncentrovány v jednom materiálu. Důvodem je
zřejmě šíře možných pohledů na problematiku výkonových transformátorů společně s nástupem nových
metod. Současně s tím je možno brát v potaz i spektrum závad, které se v praxi vyskytují:
Poor
worksmanship
Sabotage
Overload
Moisture
Contacts Joints
etc
Electric
reasons in the
net
Maintenance
reasons
Lightning
Insulation
reasons
Z tohoto grafu vyplývá, že spektrum možných závad je poměrně široké (zdroj dat Cigré, IEEE, Hartford S&B,
Univ of Queensland, ZTZService, Canadian El Assosiation, Doble). Proto je pro správnou identifikaci
zapotřebí i široké spektrum metod, neboť jedna metoda není schopna pokrýt tak široké spektrum problémů.
Z tabulky 1 vyplývá i vypovídací schopnost jednotlivých metod, které jsou v mnoha ohledech
komplementární.
2.1. MĚŘENÍ KAPACITY A TG ∆
Princip měření je generování vysokého napětí, obvykle do 10 kV, a měření proudu, vše v komplexní rovině.
Následně jsou vypočítávány hodnoty tg δ a C, které by teoreticky neměly být napěťově závislé. Způsoby
zapojení jsou standardizovány a bývají označovány jako GST a UST. Obvykle se měří na 2 odlišných frekvencích blízkých síťovému kmitočtu a následně je vypočítávána průměrná hodnota
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. Současná praxe ukazuje, že teplotní korekce založená na
konstantách definovaných standardy je naprosto nevhodná a zanáší do výsledku velmi výraznou nejistotu.
Více v kapitole věnované vzájemné interakci měřících metod a podmínek v průběhu testu.
2.2. FDS – DIELEKTRICKÁ SPEKTROSKOPIE VE FREKVENČNÍ DOMÉNĚ
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 zejména v oblasti výkonových
transformátorů. Tato metoda je použitelná i v dalších aplikacích, jako je vinutí elektrických strojů (generátory,
motory), přístrojových transformátorů s olejovou náplní a dalších.
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 přiVáclav Straka - Sekce 1. / referát 4.
© ČK CIRED 2013
3
Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
pojit 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 metody
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.
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 projevuje jiným způsobem při různých frekvencích (viz obrázek 1). 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 2 – vlivy na korekci tan δ).
M
ois
ture
+
- Oil Conductivity +
- Temperature +
M
ois
ture
+
Obrázek 1 – vlivy na korekci tan δ
Z obrázku 1 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. Je však zapotřebí v tomto případě zmínit možnost napěťové nelinearity, která tímto způsobem není
Václav Straka - Sekce 1. / referát 4.
© ČK CIRED 2013
4
Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
možno zjistit. Vzhledem ke kapacitě měřených vzorků není reálné zkonstruovat přenosný přístroj, který by ve
frekvenčním rozsahu od 1 kHz umožňoval generovat napětí v řádech kV.
•wc 0,9-1,1%
•2 pS / m
Obrázek 2 – kvantifikace vlhkosti
Pokud bychom chtěli zobrazit průběhy s různou vlhkostí a současně i vodivostí oleje, za příklad nám může
posloužit graf označený jako obrázek 3. 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. V tomto případě je
kvantifikována vlhkost na základě shody mezi naměřenou odezvou (křivkou) a teoretickým modelem, který je
možno kvantifikovat parametry jako je vlhkost a vodivost (izolační odpor oleje). Stejně tak je možno naměřené křivky přesně a spolehlivě korigovat na vztažné / nominální teploty.
Jako nová aplikace se jeví i možnost detekce přítomnosti korozivní síry a korozivního stříbra, a to
v rámci standardních testů. Přítomnost těchto sloučenin se velmi charakteristicky projevuje na frekvenční
odezvě a umožňuje tím poměrně spolehlivou selekci strojů zasažených tímto fenoménem poslední doby.
2.3. MIT – MĚŘENÍ IZOLAČNÍCH ODPORŮ
Stejnosměrné měření vysokým napětím, obvykle do 5 nebo 10 kV, Vyhodnocován je svodový proud a následně vypočítáván izolační odpor, obvykle v rozsahu MΩ - TΩ. Poměrně jednoduchá metoda, ať co se týká
pracovních postupů, tak vhodného přístrojového vybavení. Lze však více než doporučit zařízení se zkratovým proudem větším než 5 mA a odolností vůči rušení alespoň v úrovni 5-8 mA.
2.4. SFRA – ANALÝZA FREKVENČNÍ ODEZVY
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
Václav Straka - Sekce 1. / referát 4.
© ČK CIRED 2013
5
Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
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 impedance kterou měřím
jϕ
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.
Metoda má vysokou vypovídající schopnost, avšak je nutno brát v potaz ovlivnění dalšími měřícími postupy,
stejně tak ovlivnění výsledku vlastními kvalitativními parametry měřicího přístroje
2.5. MLR – MĚŘENÍ SVODOVÉ REAKTANCE
Měření zrát výkonových transformátorů je disciplína, kterou je možné provádět vhodným regulovatelným
zdrojem a přesným měřením proudu napětí a jejich posunu vlivem kapacity a indukce. I přesto, že se popis
metody zdá být jednoduchý, tak provádět komplexní měření pomocí standardních přístrojů není vhodný.
Proto existuje speciálně navržený přístroj, který kromě toho, že je vhodným zdrojem, tak je vybaven přesným
měřicím obvodem a softwarovou nadstavbou. Tato funkčnost nám umožňuje v jednom okamžiku generovat,
měřit a kalkulovat správné výsledky. Pro třífázové stroje je možné měřit metodou reference, což umožňuje
měřit třífázové stroje po jednotlivých fázích. A tím výrazně zjednodušit a zmenšit zařízení. Měřené a kalkulované parametry jsou proud, napětí, ztráty, tan delta, impedance, induktance, odpor, reaktance a jejich procentní vyjádření.
2.6. TTR – MĚŘENÍ PŘEVODU A POLARITY
Měření převodu transformátoru je metoda pro ověření štítkových hodnot a případnou detekci chyby ve vinutí
a magnetickém obvodu. Měření převodu transformátoru můžeme reprezentovat jako TTR (transformer turn
ratio) a TVR (transformer voltage ratio). Vztah mezi TVR a TTR je TTR = k*TVR, přičemž k je konstanta
odpovídající typu vinutí. Převody a rozdíly mezi převody (chyba převodu) jednotlivých cívek transformátoru
při stejné odbočce by měly být velmi malé nebo žádné. Při změření rozdílu je indikována závada na vinutí
nebo přepínači odboček. Současně s měřením převodu je vhodné měřit magnetizační proud. Magnetizační
proud i při sníženém napětí nám detekuje stav magnetizačního obvodu. I přesto, že hodnota magnetizačního
proudu je velmi silně závislá na napětí a neroste lineárně se změnou napětí, tak nám může detekovat závadu na magnetickém obvodu, případně defekt ve vinutí, který nadměrně zatěžuje magnetický obvod. Všeobecně se uvažuje s chybou měření pod 0,5%. Jeli měřena chyba vyšší, tak je doporučeno nasadit další diagnostiku.
2.7. MTO – MĚŘENÍ ODPORU VINUTÍ
Název metody napovídá, že jde o přesné měření činného odporu vinutí transformátoru. Odpor vinutí transformátoru je velmi důležitý ukazatel stavu vinutí. V případě že se hodnota činného odporu vinutí liší od předcházejícího měření anebo měření dodaného výrobcem transformátoru můžeme indikovat závadu na vinutí
transformátoru. Nejčastěji se jedná o mezizávitové zkraty. Aby nedošlo k chybě metody respektive měření
zapříčiněné uživatelem je nutné měření kompenzovat. Činný odpor vinutí je silně teplotně závislý a proto je
nutné jej kompenzovat na konkrétní teplotu. S tím souvisí i vliv měřicího proudu protékajícího měřeným vinutím. Pro měření používáme zásadně stejnosměrného proudu a to v rozmezí 5% – 10% nominálního proudu.
V případě překročení tohoto limitu dochází k ohřevu vinutí protékajícím proudem a není možné jej stabilizovat a správně kompenzovat. Do měření je samozřejmě zahrnut přepínač odboček. Měření činného odporu
vinutí nám může poukázat na chybu hlavního kontaktu přepínače odboček nebo přerušení vodivé cesty při
přepnutí přepínače odboček. Z výše uvedeného vyplívá ještě jedna metoda v problematice měření odporu
vinutí. Pokud máme naměřená kompenzovaná data z předešlých měření, je možné metodu měření činného
odporu použít pro měření teploty vinutí.
Václav Straka - Sekce 1. / referát 4.
© ČK CIRED 2013
6
Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
2.8. LTC – DIAGNOSTIKA PŘEPÍNAČŮ ODBOČEK
Diagnostika zaměřená na přepínač odboček při zatížení nám
umožňuje měřit dynamické jevy při přepínání přepínače odboček.
Tato metoda nám umožní rozlišit závadu na hlavním kontaktu
nebo pomocných kontaktech. Toto měření se provádí podobně
jako měření činného odporu vinutí s tím rozdílem, že je použita
výrazně vyšší vzorkovací rychlost a celý děj je zaměřen na dynamickou změnu odporu. Dynamická změna odporu nám může zobrazit problém s kontaktem a odporem tohoto kontaktu, ale díky
vysoké vzorkovací rychlosti a kompletnímu záznamu přepínacího kontaktu můžeme sledovat (viz obrázek)
pohyb hlavního a pomocných kontaktů. Tato metoda měření přepínače odboček má velmi vysokou vypovídající hodnotu a umožní nám rychlou a přesnou diagnostiku přepínače odboček a jo jak hodnoty odporů
kontaktů, tak samotný pohyb kontaktů.
2.9. MOM – MĚŘENÍ VELMI MALÝCH OHMICKÝCH ODPORŮ
Měřením velmi malých odporů jsou míněny aplikace, při nichž jsou měřeny hodnoty v řádech µΩ. Jako příklad použití je možno uvést měření uzemnění jádra a nádoby. Vzhledem k velmi malým ohmickým hodnotám
není možno použít vybavení určené pro měření odporu vinutí. Pro aplikaci jsou vhodné zdroje velkého DC
proudu v řádech stovek A, pro měření je použita běžná 4-vodičová metoda.
2.10. OTS – TESTOVÁNÍ ELEKTRICKÉ PEVNOSTI OLEJE
Elektrická pevnost oleje se provádí způsoby definovanými v poměrně velkém množství standardů, například
ASTM D 1816-04, BS EN 60156-96, SABS EN60156, ASTM D 877A-02, CEI EN 60156-95, VDE0370 part5,
ASTM D 877B-02, IRAM 2341, AS1767.2.1,IEC 60156-95, UNE EN 60156, PA SEV EN60156 a velkém
množství dalších. Principem je měření průrazného napětí mezi elektrodami s definovaným tvarem i vzdáleností. Hodnota je stanovena jako průměr z relevantních měření. Jednotlivé parametry testu, jako tvar elektrod, jejich vzdálenost, rychlost nárůstu napětí, případné míchání a velikost vzorku, počet relevantních vzorků a způsob výpočtu, jsou definovány jednotlivými standardy
Metoda je poměrně rozšířena a akceptována, i přes dílčí slabiny, jako je rozptyl hodnot mezi testy, či jevy,
jako je zdánlivě mokrý vzorek oleje a současně vysoké průrazné napětí.
2.11. KF – MĚŘENÍ OBSAHU VODY V OLEJI
Standardní a poměrně akceptovaná metoda diagnostiky. Nejčastěji se využívá Karl-Fisherovy koulometrické
titrace (rovnováha vody s reagentem). Metoda je popsána ve vícero standardech, například IEC 60814,
ISO10101-3, 10337, 1237.
Za její přednost je možno považovat její jednoduchost a poměrně nízké investiční nároky na přístrojové vybavení. Přesto, že je velmi uváděna mezi „klasickými a standardními metodami“, je nutno vzít v potaz některá její omezení. Kromě známé potřeby „co nejteplejšího vzorku“ je to i často opomíjená teplotní stabilita
transformátoru. Pokud má mít odběr vzorku (a jeho analýza) dostatečnou vypovídající schopnost, měl by být
transformátor v rovnovážném stavu týkajícím se relativní vlhkosti mezi olejem a papírovou izolací. Splnění
této podmínky je klíčové i pro případný přepočet vlhkosti oleje na množství vody obsažené v papírové izolaci. Celkově je tuto metodu možno hodnotit jako použitelnou pro tento přepočet, avšak za dodržení omezujících kritérií definovaných časovými konstantami rovnovážného stavu.
Václav Straka - Sekce 1. / referát 4.
© ČK CIRED 2013
7
Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
3. EXTERNÍ FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ MĚŘENÍ A INTERAKCE MEZI METODAMI
Jak již bylo opakovaně uvedeno, naprostá většina výše uváděných měření a metod je prováděna v terénu a
je tedy třeba brát v potaz aktuální podmínky měření. Vlivy je možno pro jednoduchost rozdělit na neovlivnitelné v terénu (rušení způsobené provozem okolních zařízení, teplotou atd.) a ovlivnitelné, tzn. vlivy, které
vznikají zejména vzájemnou interakcí metod. Zatímco u „neovlivnitelné“ skupiny vlivů je zapotřebí uvažovat o
jejich kompenzaci (ať již na úrovni HW, tak pomocí korekčních parametrů), ta u skupiny vlivů („ovlivnitelné“)
o souboru postupů či opatření, které by se vyhnuly nutnosti použití korekčních faktorů. Každý korekční faktor, obzvláště pokud je definován fixně, zavádí do konečného výsledku dodatečnou nejistotu, která ovlivňuje
hodnocení prvku nejen z hlediska absolutních hodnot, ale zejména hodnocení vývoje na základě časového
srovnání výsledků, tzv.trendů.
V následujících kapitolách budou uvedeny příklady ovlivnění hodnot, společně s návrhy na řešení.
3.1. EXTERNÍ VLIVY
Za vlivy vyplývající z měření v terénu můžeme za nejvýznamnější považovat následující vlivy, které můžeme
poměrně těžko ovlivnit:
•
Vlhkost atmosféry
•
Teplota okolí
•
Teplota diagnostikovaného objektu
•
Elektrická rušení
o
DC – obvykle nA, extrémní případy až µA
o
AC (síťová frekvence + harmonické) – obvykle desítky až stovky µA, někdy až mA
o
Korona – AC µA, DC nA, intenzita dle způsobu zapojení
3.1.1. Vlhkost atmosféry
Obvykle standardy doporučují maximální přípustnou úroveň vlhkosti a pro stejné definice bývají konstruovány i měřící přístroje. Z praxe lze za limitní hodnotu pro prováděni měření považovat hranici 60-70% RH, pokud je nutno provádět měření i za zhoršených podmínek mimo tyto limity, je nutno brát v potaz tuto skutečnost a k vyhodnocení přistupovat poměrně obezřetně.
3.1.2. Teplota okolí
Teplota okolí ovlivňuje zejména teplotu malých objektů s nízkou tepelnou setrvačností. Pokud se teplota
testovaného objektu v průběhu testu mění, ať již z hlediska svých rozměrů, případně délky testu mění, je
potřeba zvážit relevantnost naměřených dat. Tento jev je možno snadno experimentálně ověřit, a to zopakováním identického měření po skončení měření předchozího. Pokud jsou výsledky v mezích tolerance metody, je možno považovat měření za dostatečně vypovídající. Obvykle se uvádí, že teplota objektu v průběhu
0
testu by se neměla změnit o více než 5% své hodnoty, v praxi 2-3 C.
3.1.3. Teplota diagnostikovaného objektu
Tento parametr je definován teplotou okolí, počáteční teplotou objektu a jeho tepelnou kapacitou, tedy vlivy,
které byly částečně uvedeny v předchozí části. V každém případě bychom se měli vyvarovat změny teploty
objektu vlivem použité diagnostické metody. Za příklad je možno vzít použití příliš velkého proudu pro měření odporu vinutí stroje. Měření by nikdy nemělo teplotně ovlivňovat objekt zájmu jako takový.
Dalším neopomenutelným faktem je, že hodnoty obdržené z testu jsou obvykle teplotně závislé, ať již to je R,
C, či tg δ. Pokud tedy chceme hodnoty obdržené z měření použít pro porovnání s limitními hodnotami prvku
0
či pro sledování trendů (s přepočtem na nominální teplotu 20 nebo 25 C), měli bychom být vždy schopni
definovat následující:
•
0
Teplotu objektu s přesností 1-2 C
Václav Straka - Sekce 1. / referát 4.
© ČK CIRED 2013
8
Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
•
Teplotní závislost sledovaného parametru
Zatímco teplotu objektu jsme schopni určit obvykle poměrně spolehlivě, s určením teplotní závislosti sledovaného parametru je to výrazně komplikovanější. Zatímco pro R jsou tyto závislosti poměrně přesně definované a spolehlivě verifikované.
Mnohé standardy definují korekční faktory pro přepočet na nominální teplotu. Praxe však ukazuje, že tyto
korekční faktory jsou nejen vysoce individuální pro jednotlivé stroje, ale současně i časově proměnné.
Korekce se obvykle provádí dle standardizovaných křivek, které se však v praxi ukazují jako více než teoretické, neboť charakter odezvy nebývá nejen lineární, ale bývá individuální charakteristikou daného prvku.
Standardizované teplotní korekční křivky jsou uvedeny na obrázku 3.
Obrázek 3 – korekční standardizované křivky
3.1.3.1. Reálné průběhy v praxi
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 4. 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. Na následujícím obrázku jsou
reálné průběhy různých vzorků, které byly testovány za uměle vyvolaných teplot. Obrázek 5 zobrazuje identická měření na vzorcích průchodek.
Obrázek 4 – reálné průběhy pro transformátory
Václav Straka - Sekce 1. / referát 4.
© ČK CIRED 2013
Obrázek 5 – reálné průběhy pro průchodky
9
Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
3.1.3.2. Řešení pro praktické měření v terénu
V praxi není možno získávat individuelní charakteristiky jednotlivých prvků. Dalším aspektem, který je nutno
zmínit je proměnlivost charakteristik v souladu s postupnou degradací / stárnutím stroje. Proto je zapotřebí
tyto korekční charakteristiky zjistit před započetím každého měření. Tento postup je již možný za použití
proměnné frekvence v oblasti řádu v okolí síťové frekvence. Toto měření je provedeno jako úvodní, viz obrázek 6.
“Application of Temperature Correction
Factors for Dissipation Factor Measurements
for Power Transformers – A Case Study”
Power Grid Corporation of XXXXXXXX
Obrázek 6 – reálné korekční křivky průchodek
3.1.4. Elektrická rušení
Elektrická rušení jsou jevem, se kterým se v prostředí vysokonapěťových rozvoden setkáváme. Současně se
jedná o jev, který není možno vyřešit odstíněním objektu zájmu. Veškerá řešení je tedy nutno přesunout do
oblasti vlastního měření a měřícího přístroje.
První zásadou je tedy dostatečné stínění u metod, kde je to potřebné, například SFRA. Tyto postupy jsou
definovány ve standardech, případně doporučeních vydávanými odbornými sdruženími, jako je například
CIGRE.
Druhým nutným prvkem je vhodná konstrukce vlastního měřicího přístroje. Nutností jsou nejen HW filtry, ale i
softwarová opatření založená na dostatečně přesném měření rušivých vlivů. Odolnost vlastního přístroje je
tedy klíčová pro provádění dostatečně spolehlivých měření. V krátkosti lze konstatovat, že řešení fungující
v laboratoři nemusí nutně fungovat i při měření v terénu.
3.2. OVLIVNĚNÍ ZPŮSOBENÉ INTERAKCÍ METOD
Největším nebezpečím ovlivňujícím výsledky je magnetizace jádra. Obvykle je zapříčiněna působením stejnosměrného napětí nebo proudu použitého při jiných druzích diagnostických měření. Měření izolačního odporu je vzhledem k nízkým hodnotám proudu poměrně bezpečné, avšak jako vysoce ovlivňující je možno
hodnotit měření odporu vinutí. Působením proudu, byť z hlediska provozu transformátoru zanedbatelných,
dochází k magnetizaci jádra, která může ovlivňovat výsledná měření. Následně si autoři dovolí jako ukázku 2
příklady, které mohou vést ke zcela odlišným interpretacím.
3.2.1. SFRA ovlivněná magnetizací jádra
Magnetizace jádra může významně ovlivnit frekvenční odezvu transformátoru. Na obrázku 7 jsou zobrazeny
frekvenční odezvy transformátoru, respektive oblasti, kde se projevuje jádro. Jedná se o identický vzorek.
Vrchní křivka je frekvenční odezvou po měření odporu vinutí proudem 10 A. Ostatní průběhy zobrazují odezvu s částečně (nekompletně či nedostatečně) provedenou demagnetizací, až po finální stav proudem 5mA.
Za povšimnutí stojí nejenom rozdíl v absolutních hodnotách na křivce, ale hlavně vzájemný frekvenční posuv
lokálních minim a maxim na křivce. Takovéto posunutí je obvykle hodnoceno jako změna v konstrukčním
uspořádání stroje, které vyžadují další zkoumání. Tím by mohlo dojít i k případnému zpochybnění metody
SFRA jako takové, a to pouze díky opomenutí funkčních principů magnetických obvodů.
Václav Straka - Sekce 1. / referát 4.
© ČK CIRED 2013
10
Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
Aby došlo k vyloučení tohoto vlivu. Je zapotřebí provést řádnou demagnetizaci stroje nejen po provedených
stejnosměrných měřeních, ale pro jistotu vždy, před zahájením jakékoliv diagnostiky ovlivnitelné dřívějším
působením stejnosměrného proudu.
3.2.2. C a tg δ měření ovlivněné magnetizací jádra
Zatímco předchozí příklad poukazoval na možnou falešnou identifikaci poruchového stavu, následující příklad je zcela opačného charakteru. V tomto případě neprovedená demagnetizace zakryla závadu, respektive
hodnota ztrátového činitele pro zapojení CHG (GSTg) byla 0,19 tedy zcela v souladu s očekáváním. Po řádně
provedené demagnetizaci poklesla na hodnotu 0,10. Tedy zcela mimo očekávaný limit.
Pokud by tedy magnetizace v tomto případě nebyla provedena, transformátor by byl mylně považován za
provozuschopný bez závad, což by mohlo potenciálně vézt k poruše stroje, neboť ztrátový činitel uvedeného
zapojení byl snížen na polovinu.
4. ZÁVĚR
Je zcela nepochybné, že diagnostika má testování přispívá k bezpečnějšímu a spolehlivějšímu používání
nejen silových prvků, v tomto případě výkonových transformátorů. Jejich komplexnost vyžaduje i poměrně
široké spektrum diagnostických metod, které se mohou vzájemně ovlivňovat a také se vzájemně ovlivňují.
Proto je vždy zapotřebí o těchto možných vlivech uvažovat a snažit se jim buď předcházet, nebo je vhodnými postupy eliminovat, jako například demagnetizací na výše uvedených příkladech.
Obecně platí, že nejen metody, ale i přístroje by měly mít konstrukci vhodnou pro měření v terénu, a to jak
co se týče odolnosti přístroje jako takového, tak robustnosti metody, která je pro diagnostiku použita. Obsluha by měla být seznámena nejen s vlastní obsluhou přístroje, ale i možným ovlivněním metod dalších.
Václav Straka - Sekce 1. / referát 4.
© ČK CIRED 2013
11
Konference ČK CIRED 2013
Tábor 5. a 6.11.2013
Tento materiál si nekladl za záměr kompletní výčet možných interferencí, ale pouze na příkladech ukázat, že
takováto vzájemná ovlivnění jsou zcela běžná a ve svém důsledku mohou vézt ke zcela mylným diagnostickým závěrům.
5. LITERATURA
[1]
Straka Václav, CIRED 2003, Vybrané způsoby diagnostiky elektrických strojů, přístrojů a prvků – dielektrická spektroskopie ve frekvenční doméně
[2]
Straka Václav, CIRED 2011, Teplotní korelace C a tg δ
[3]
Straka Václav, CIRED 2003, Vybrané způsoby diagnostiky elektrických strojů, přístrojů a prvků – dielektrická spektroskopie ve frekvenční doméně
[4]
Kvasnička Václav, Procházka Radek, Velek Jiří, Ověřování metody frekvenčních charakteristik v podmínkách rozvoden přenosové soustavy ČR
[5]
Frequency Response Analysis on Winding Deformation of Power Transformers, DL/T
911-2004, The Electric Power Industry Standard of People’s Republic of China
[6]
Mechanical-Condition Assessment of Transformer Windings Using Frequency Response Analysis (FRA), CIGRE report 342, 2008
[7]
IEEE PC57.149™/D9, Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response Analysis for Oil Immersed Transformers, 2012
[8]
IEC 60076-18 Ed. 1, Power Transformers - Part 18: Measurement of Frequency Response, 2012
[9]
Internal standards by transformer manufacturers, e.g. ABB FRA Standard v.5, 2008
[10]
Straka Václav, CIRED 2012, FRA diagnostika výkonových transformátorů
Ing.Václav STRAKA
Absolvent ČVUT FEL (1994). Jednatel TMV SS s.r.o. (měřící a diagnostické přístroje pro oblast energetiky a průmyslu). 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
Václav Straka - Sekce 1. / referát 4.
© ČK CIRED 2013
12