POLITECHNIKA OPOLSKA w Opolu Wydział Elektrotechniki i Automatyki AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

Transkrypt

1 POLITECHNIKA OPOLSKA w Opolu Wydział Elektrotechniki i Automatyki AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ Mgr inż. Arkadiusz Dąbrowski Analiza zakłóceń występujących podczas pomiarów wyładowań niezupełnych metodą emisji akustycznej Promotor: Prof. dr hab. inż. Jerzy Skubis Opole 2005

2 SPIS TREŚCI 1. Wstęp Zakres i tezy pracy Charakterystyka metody emisji akustycznej stosowanej do oceny wyładowań niezupełnych Idea metody emisji akustycznej Zalety i ograniczenia metody emisji akustycznej problem zakłóceń Zakłócenia towarzyszące ocenie wyładowań niezupełnych wykonywanej metodą emisji akustycznej Modele generujące sygnały zakłócające Dobór modeli wybranych sygnałów zakłócających Charakterystyka układu do pomiaru i analizy zakłóceń Wyniki analiz wybranych form zakłóceń Wyniki analizy czasowej zakłóceń Wyniki analizy częstotliwościowej zakłóceń Wyniki analizy czasowo-częstotliwościowej zakłóceń Analiza zakłóceń występujących w laboratorium w przykładowym układzie pomiarowym Superpozycja sygnałów zakłócających towarzyszących pomiarom wyładowań niezupełnych Wybrane wyniki analiz emisji akustycznej od wyładowań niezupełnych z nałożonymi zakłóceniami Wyniki analiz zakłóceń występujących w technicznych warunkach pomiarowych wyładowań niezupełnych Charakterystyka źródeł sygnałów zakłócających Wybrane wyniki analiz badanych zakłóceń Możliwości identyfikacji i eliminacji zakłóceń występujących podczas pomiarów wyładowań niezupełnych metodą emisji akustycznej ujęcie syntetyczne Możliwości identyfikacji sygnałów zakłócających Możliwości eliminacji zakłóceń z sygnału pomiarowego emisji akustycznej wyładowań niezupełnych Metrologiczne konsekwencje uzyskanych wyników Podsumowanie Literatura

3 1. Wstęp Godne zaufania metody i odpowiednie wyposażenie do wykrywania i dokładnego zlokalizowania wewnętrznych wad izolacji urządzeń elektroenergetycznych stanowią przedmiot dyskusji inżynierów i badaczy. W diagnostyce urządzeń elektroenergetycznych coraz większe uznanie zyskuje metoda emisji akustycznej (EA). Pierwsza publiczna dyskusja na jej temat miała miejsce w 1964r. a prace nad jej praktyczną realizacją były prowadzone od połowy lat siedemdziesiątych. Metoda EA jest wykorzystywana głównie do oceny wyładowań niezupełnych (wnz), które mogą występować w izolacji urządzeń elektroenergetycznych i być przyczyną jej degradacji. W rzeczywistych warunkach pomiarowych, sygnałom wnz towarzyszą liczne zakłócenia, utrudniające a niekiedy wręcz uniemożliwiające ich poprawną rejestrację i analizę metodami klasycznymi. Zakres stosowania metody EA może być więc ograniczony wysokim poziomem różnych sygnałów zakłócających, które mogą nakładać się na mierzone impulsy EA od wnz. Dogłębna analiza zakłóceń występujących podczas pomiarów wnz metodą EA, może dać wiele cennych informacji, ważnych przy konfiguracji technicznych układów pomiarowych wnz. Dane dotyczące analiz zakłóceń w dziedzinie czasu, częstotliwości i w obszarze czasowo-częstotliwościowym mogą pozwolić na identyfikację poszczególnych typów zakłóceń, występujących w technicznych warunkach pomiarowych. Możliwy będzie wówczas właściwy dobór poszczególnych elementów układu pomiarowego wnz, np. dobór przetwornika pomiarowego o odpowiednim paśmie przenoszenia, filtra o wymaganej charakterystyce przenoszenia. Równie ważna jest konfiguracja środowiska pomiarowego wnz, przeprowadzona z uwzględnieniem występujących sygnałów zakłócających. Tak więc znajomość problematyki zakłóceń może w znacznym stopniu poszerzyć zakres technicznego zastosowania metody EA. Tematyka zakłóceń, występujących podczas pomiarów wnz metodą EA jest wspólna z metodami elektrycznymi. Zatem metody stosowane do usuwania niepożądanych sygnałów w obu tych metodach mogę być zbliżone. Istnieje wiele różnych klasycznych sposobów eliminacji zakłóceń. Jednak niektóre z nich można zastosować wyłącznie przy pomiarach wykonywanych w środowisku laboratoryjnym. Dla pomiarów w warunkach eksploatacyjnych szczególnie interesujące i użyteczne są metody redukcji zakłóceń związane z narzędziami cyfrowego przetwarzania sygnałów, oparte na metodach teorii sygnałów i nie wymagające ingerencji w konfigurację mierzonego obiektu. Aby możliwe było stosowanie tych technik należy identyfikować występujące podczas pomiarów zakłócenia. Znajomość tej problematyki stanowi więc ważny element w procesie rozwojowym metody EA przy pomiarach wnz. 2. Zakres i tezy pracy Tematem pracy jest analiza zakłóceń zarówno w dziedzinie czasu, częstotliwości jak też w obszarze czasowo-częstotliwościowym. Uzyskane wyniki badań winny pozwolić na: - zwiększenie ogólnej wiedzy dotyczącej oceny wnz, występujących w izolacji urządzeń elektroenergetycznych, wykrywanych metodą EA, - dobór aparatury pomiarowej umożliwiającej rejestrację wnz metodą EA, z niskim poziomem zakłóceń, - odpowiednią konfigurację środowiska pomiarowego, - możliwość rozróżniania podstawowych form zakłóceń, które mogą występować podczas pomiarów wnz metodą EA (w układach laboratoryjnych i technicznych), - dobór metod eliminacji zakłóceń występujących w konkretnym układzie pomiarowym wnz metodą EA. W pracy przyjęto dwie, następujące tezy: dla ściśle określonych warunków generacji EA przez wnz i ustalonych warunków metrologicznych istnieje możliwość wyznaczenia pasm częstotliwości, w których mieszczą się sygnały zakłóceń, występujące przy pomiarach wnz metodą EA, na podstawie wyników analizy przeprowadzonej w dziedzinie czasu, częstotliwości i w obszarze czasowo-częstotliwościowym badanych zakłóceń, istnieje możliwość rozróżniania podstawowych ich form. Aby potwierdzić słuszność powyższych tez, w rozprawie podjęto następujące zagadnienia: - omówiono metodę EA, zakres jej technicznego stosowania, jej zalety i ograniczenia, - przedstawiono rodzaje i podział zakłóceń, jakie mogą występować podczas pomiarów wnz metodą EA, - w warunkach laboratoryjnych zamodelowano zakłócenia, które mogą występować podczas pomiarów wnz metodą EA w warunkach technicznych, - zarejestrowano sygnały wybranych zakłóceń w warunkach laboratoryjnych i technicznych, - przeprowadzono analizę czasową, częstotliwościową i czasowo-częstotliwościową sygnałów zakłócających (obliczono deskryptory czasowe, wyznaczono widma częstotliwościowe i gęstości mocy wraz z opisującymi je deskryptorami widmowymi oraz wyznaczono spektrogramy i skalogramy CWT), 3

4 - dla pomiarów wnz metodą EA w warunkach laboratoryjnych, zamodelowano oraz zarejestrowano przykładowe zakłócenia, - podano procedury eliminacji zakłóceń oraz określono wpływ zakłóceń na wyniki oceny wnz metodą EA. 3. Charakterystyka metody emisji akustycznej stosowanej do oceny wyładowań niezupełnych 3.1 Idea metody emisji akustycznej Metody diagnostyczne stanu izolacji urządzeń elektroenergetycznych, wykorzystywane w pomiarach wnz, opierają się na zjawiskach fizycznych towarzyszących generacji wnz. Zjawiska te występują w różnym nasileniu, w zależności od układu izolacyjnego, rodzaju dielektryka, typu wnz. Najważniejsze z nich to występowanie impulsu prądowego, emisja fali elektromagnetycznej, chemiczny rozkład izolacji, udarowe odkształcenie sprężyste i towarzysząca mu emisja fali akustycznej. Metoda EA opiera się na detekcji i pomiarze impulsowej zmiany ciśnienia pojawiającej się w chwili wystąpienia wnz w izolacji. Następuje wówczas impulsowa przemiana części energii elektrycznej w mechaniczną. Nie jest możliwe zdefiniowanie funkcji określającej przemianę energii z jednej postaci w drugą, ponieważ parametry tej przemiany zależą od wielu zmiennych czynników. Są to przede wszystkim: typ i wielkość wnz, rodzaj dielektryka oraz prędkość przemiany energii elektrycznej w mechaniczną. Zależnie od tych parametrów impulsy akustyczne mają różną amplitudę i różny czas. W technicznych układach izolacyjnych generacja wnz występuje najczęściej w ośrodku gazowym i ciekłym, rzadziej w stałym. W rzeczywistych układach występują wnz wielokrotne, nie tylko w jednym punkcie, ale w pewnym obszarze dielektryka. Tak więc w izolacji występuje nie pojedynczy impuls EA, ale cała ich grupa. Impulsy te są przesunięte względem siebie w czasie i przestrzeni. Występujący w dielektryku wypadkowy ciąg impulsów EA stanowi zsumowany obraz zjawiska. Procesowi generacji wnz z reguły towarzyszą sygnały zakłóceń. Zatem uzyskany sygnał EA od wnz może zostać zniekształcony nie tylko przez deformację (tłumienie, odbicie) podczas przechodzenia przez ośrodki o różnej gęstości. Na sygnał EA generowany przez wnz mogą oddziaływać zewnętrzne sygnały zakłóceń akustycznych. Wówczas całkowite ciśnienie generowanej fali akustycznej różni się od fali akustycznej od wnz w punkcie generacji. Poglądowe przedstawienie tego zjawiska prezentuje rys Z obszaru generacji wnz emitowany jest sygnał EA, który rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach. Na sygnał EA od wnz nakładają się sygnały zakłóceń. W punkcie odbiorczym otrzymany sygnał EA jest równy sumie wyjściowego ciśnienia akustycznego od wnz i wyjściowego ciśnienia akustycznego generowanego przez sygnały zakłóceń. Rys. 3.1 Poglądowe przedstawienie zakłóceń występujących podczas generacji EA przez wnz: i z prąd zakłóceń, i w prąd wnz, p c całkowite ciśnienie generowanej fali akustycznej 4

5 3.2 Zalety i ograniczenia metody emisji akustycznej problem zakłóceń Najważniejsza zaleta metody EA polega na możliwości jej stosowania w bardzo trudnych warunkach eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych, w których wykonywanie pomiarów wnz metodami elektrycznymi było do tej pory niemożliwe. Metoda EA wypełnia w ten sposób lukę, jaka istniała w metrologii wnz urządzeń wysokiego napięcia. W stosunku do metody elektrycznej i chromatograficznej, metoda EA posiada następujące zalety: - umożliwia detekcję, pomiar i lokalizację wnz bezpośrednio przy urządzeniu podczas jego normalnej pracy, - aparatura pomiarowa jest względnie prosta i dostępna. Metoda EA okazuje się szczególnie przydatna do lokalizacji wnz. Warunki w jakich lokalizacja wnz może być wykonana z technicznego punktu widzenia są bardzo korzystne. Wybór techniki lokalizowania wnz metodą triangulacyjną lub największej głośności, zależy od rodzaju urządzenia, dostępnych warunków metrologicznych, warunków pracy, posiadanej aparatury. Opracowane metody lokalizacji różnią się dokładnością i stopniem komplikacji przeprowadzanych obliczeń. Program numeryczny wspomagający lokalizację wnz metodą triangulacyjną może być szeroko wykorzystywany w badaniach obiektów w eksploatacji. Zakres stosowania metody EA może być ograniczony następującymi czynnikami: - wysokim poziomem zakłóceń akustycznych lub elektromagnetycznych, - złożoną geometrią badanych obiektów, uniemożliwiającą zamocowanie do ich powierzchni przetworników pomiarowych, - stosowaniem w badanych obiektach dielektryków lub układów izolacyjnych o niskim współczynniku sprężystości. Przy zestawianiu układu pomiarowego i konfiguracji środowiska pomiarowego należy uwzględnić obecność zakłóceń, które towarzyszą pomiarom. Zakłócenia wewnętrzne wnikają do przetwornika pomiarowego, a zakłócenia zewnętrzne oddziaływują na cały układ pomiarowy. Do pomiarów wnz metodą EA należy zatem dobrać aparaturę pomiarową możliwie odporną na oddziaływanie zakłóceń, charakteryzującą się małymi szumami własnymi. Aparatura ta powinna pozwolić na właściwe ustalenie parametrów pomiaru, tj. wzmocnienia, długości analizowanego przebiegu czasowego, częstotliwości próbkowania. Ponadto należy stosować przetwornik pomiarowy o odpowiednim paśmie przenoszenia a przy doborze charakterystyki filtru uwzględnić rodzaje zakłóceń, jakie mogą występować podczas pomiarów. Konfiguracja środowiska pomiarowego dotyczy w szczególności wykonania poprawnych i skutecznych uziemień układu pomiarowego, unikania powstawania pętli mas, usunięcia wszystkich ewentualnych źródeł wyładowań poza badanym obiektem, w tym usunięcie wszelkich nieuziemionych przedmiotów metalowych, stosowanie ekranowania stanowiska pomiarowego od zewnętrznych pól elektromagnetycznych, stosowanie filtracji napięcia zasilającego aparaturę pomiarową. Pomimo stosowania powyższych zaleceń, zarejestrowany sygnał EA od wnz może zawierać, oprócz sygnału użytecznego, składowe zniekształcające, pochodzące od źródeł zakłócających. W dalszych procedurach przetwarzania zarejestrowany sygnał powinien zostać poddany przekształceniom, mającym na celu wydobycie z niego interesujących informacji diagnostycznych i jednocześnie usunięcie informacji nadmiarowych. 4. Zakłócenia towarzyszące ocenie wyładowań niezupełnych wykonywanej metodą emisji akustycznej Zakłócenia występujące przy pomiarach wnz metodą EA można podzielić na wewnętrzne i zewnętrzne. Zakłócenia powstające wewnątrz badanego urządzenia są traktowane jako zakłócenia wewnętrzne a poza badanym urządzeniem, jako zakłócenia zewnętrzne. Pod względem źródła generacji zakłócenia dzielą się na: akustyczne, elektryczne i mechaniczne. Wewnętrzne zakłócenia akustyczne i elektryczne wpływają na układ pomiarowy. Zewnętrzne zakłócenia akustyczne i elektryczne oddziaływują na układ pomiarowy i badany obiekt, natomiast zewnętrzne zakłócenia mechaniczne mają wpływ na układ pomiarowy. Schematyczne przedstawienie różnych rodzajów zakłóceń towarzyszących pomiarom wnz metodą EA w warunkach eksploatacyjnych przedstawiono na rys

6 6 Rys. 4.1 Schematyczne przedstawienie różnych form zakłóceń (A-W) występujących w warunkach eksploatacyjnych, podczas pomiarów wnz metodą EA (opis zakłóceń w tekście): 1 przetwornik, 2 przedwzmacniacz, 3 przewód transmisyjny, 4 wzmacniacz, 5 karta pomiarowa, 6 oscyloskop, 7 komputer, 8 zasilacze

7 Na rys. 4.1 przedstawiono schematyczne ujęcie różnych form zakłóceń, występujących w warunkach eksploatacyjnych podczas pomiarów wnz metodą EA, które szczegółowo można wyspecyfikować w następujący sposób: Zakłócenia wewnętrzne akustyczne: - drgania magnetostrykcyjne rdzenia (A), - drgania dynamiczne uzwojeń (B), - piezoelektryczne drgania folii elektroizolacyjnych, wywołane wyższymi harmonicznymi sieci (C), - deformacja sygnału EA wskutek tłumienia i odbicia na granicy różnych ośrodków: uzwojenie-papier, papierolej, olej-przegroda akustyczna, przegroda akustyczna-olej, olej-kadź (D). Zakłócenia wewnętrzne elektryczne: - powstające przy metalicznym połączeniu przetwornika z obiektem, np. z kadzią (E), - pochodzące z przełącznika zaczepów (F). Zakłócenia zewnętrzne akustyczne: - hałas wentylatorów i pomp (G), - emisja akustyczna od wyładowań ulotowych w napowietrznych elementach urządzeń (H), - emisja akustyczna od wyładowań atmosferycznych (H), - zakłócenia mechaniczne w kablach koncentrycznych wskutek efektu piezoelektrycznego (I), - zakłócenia mechaniczne wskutek tarcia przetwornika o powierzchnię mierzonego obiektu (J), - hałas wynikający z pracy generatorów, maszyn elektrycznych, ruchu pojazdów mechanicznych, oddziaływania wiatru, dzwonków, itp. (K), - fale radiowe (L), - oświetlenie fluorescencyjne (M), - iskrzące maszyny elektryczne (N). Zewnętrzne zakłócenia elektryczne: - pochodzące od wyższych harmonicznych zawartych w napięciu sieci zasilającej (O), - pochodzące od wnz na zaciskach transformatorów (P), - pochodzące od zewnętrznych wyładowań: ulotu, wyładowań atmosferycznych, lamp wyładowczych, silników komutatorowych (R), - szumy własne wzmacniaczy i innych elementów układu pomiarowego (S), - mikroprądy wyrównawcze, płynące w ekranach kabli pomiarowych i przyrządów na skutek zamykania się obwodu pomiarowego przez ziemię (T), - pochodzące od elektromagnetycznego sprzężenia układu z mierzonym transformatorem (U). Zewnętrzne zakłócenia mechaniczne: - mogą oddziaływać na cały układ pomiarowy (W). 5. Modele generujące sygnały zakłócające 5.1 Dobór modeli wybranych sygnałów zakłócających Podczas pomiarów wnz w warunkach eksploatacyjnych może występować jednocześnie kilka różnych zakłóceń lub ten sam rodzaj zakłócenia może pochodzić z wielu źródeł. Amplituda zakłóceń może znacznie przekraczać zakres pomiarowy stosowanej karty pomiarowej. Tak więc w warunkach technicznych, rejestracja EA od wnz może być utrudniona, ze względu na wysoki poziom sygnałów zakłócających. Rejestracja i analiza pojedynczych sygnałów zakłócających, pochodzących od jednego źródła zakłóceń bez obecności innych, możliwa jest tylko w warunkach laboratoryjnych. W laboratorium można w odpowiedni sposób generować zakłócenia, występujące w technicznych układach pomiarowych a uzyskane w ten sposób sygnały zakłócające można rejestrować w kontrolowany sposób. Podczas badań laboratoryjnych zarejestrowano EA zakłóceń, od następujących źródeł: - drgań magnetostrykcyjnych rdzenia transformatora, drgań dynamicznych uzwojeń transformatora, piezoelektrycznych drgań folii elektroizolacyjnej wywołanych wyższymi harmonicznymi występującymi w napięciu, - hałasu wentylatorów, - EA od zewnętrznych wyładowań ulotowych, - zakłóceń powstających na skutek tarcia przetwornika o powierzchnię mierzonego obiektu, - hałasu wynikającego z pracy silników elektrycznych, - EA podczas pracy oświetlenia fluorescencyjnego, - zakłóceń pochodzących od wyższych harmonicznych zawartych w napięciu sieciowym. Modelami generującymi EA zakłóceń towarzyszących pomiarom wnz, były następujące obiekty i układy: - autotransformator laboratoryjny, 7

8 - wentylator, - układ generujący wyładowania ulotowe, - układ do symulacji tarcia przetwornika pomiarowego o powierzchnię urządzenia elektroenergetycznego, do którego jest zamocowany, - silnik laboratoryjny prądu zmiennego, - świetlówka fluorescencyjna, - zapłonnik świetlówki fluorescencyjnej, - układ do pomiaru wyższych harmonicznych zawartych w sieci. Do generacji wyładowań ulotowych i wnz zestawiono układy, w których przetwornik pomiarowy był zamocowany do kadzi transformatora. W układzie do generacji wyładowań ulotowych iskiernik wieloostrze-płyta generujący wyładowania był umieszczony na zewnątrz transformatora, tak aby generacja wyładowań ulotowych zachodziła w powietrzu. W układzie generującym wnz iskiernik znajdował się wewnątrz kadzi transformatora, którą wypełniono olejem transformatorowym. Podczas pomiarów iskiernik w całości zanurzono w oleju, zatem generacja wnz zachodziła w oleju transformatorowym. 5.2 Charakterystyka układu do pomiaru i analizy zakłóceń Do rejestracji zakłóceń występujących podczas pomiarów wnz metodą EA wykorzystano aparaturę pomiarową, stosowaną w pomiarach technicznych. Takie podejście umożliwia pełną analizę badanych zakłóceń i pozwala na ocenę ich wpływu na pomiary wnz. Do pomiarów i analizy sygnałów EA od źródeł zakłócających wykorzystano układ firmy Brüel & Kjær. Składał się on z przetwornika pomiarowego, przewodu transmisyjnego i wzmacniacza. Do odbioru impulsów EA zastosowano szerokopasmowy stykowy przetwornik piezoelektryczny typu 8312, firmy Brüel & Kjær z wbudowanym standardowo przedwzmacniaczem, o wzmocnieniu równym 40 db. W układzie pomiarowym zastosowano wzmacniacz typu 2638, o regulowanym skokowo wzmocnieniu co 1 db, w zakresie od zera do 60dB. Podczas pomiarów zastosowano wzmocnienie równe 30 db. Wzmacniacz wyposażony był w filtr o sześciu wybieralnych pasmach przenoszonych częstotliwości. Do pomiarów wykorzystano filtr linearny o paśmie od 0,1 Hz do 2 MHz. Stosowana karta pomiarowa TAD-05 firmy Convert, jest wyposażona w przetwornik A/C o rozdzielczości 12 bitów. Oprogramowanie karty stanowi program AS-03, umożliwiający rejestrację sygnałów o regulowanych parametrach pomiaru, a po konwersji programowej, ich dalszą analizę. Do wykonywania zaawansowanych obliczeń matematycznych i graficznej prezentacji otrzymanych zależności korzystano z programów komputerowych Excel 2000 oraz Matlab 6.0. Schemat zestawionego układu do pomiaru i analizy impulsów EA generowanych przez dobrane źródła zakłóceń przedstawiono na rys Rys. 5.1 Schemat układu do pomiaru i analizy impulsów EA generowanej przez dobrane źródła zakłóceń: 1 źródło zakłócenia, 2 przetwornik pomiarowy, 3 przewód transmisyjny, 4 wzmacniacz, 5 karta pomiarowa, 6 oscyloskop, 7 komputer 8

9 6. Wyniki analiz wybranych form zakłóceń 6.1 Wyniki analizy czasowej zakłóceń W tablicy 6.1 przedstawiono wartości deskryptorów czasowych wybranych form zakłóceń i wnz. Dla wartości maksymalnych podane są przedziały ufności dla średniej wartości maksymalnej, otrzymanej z 30 wyników pomiarowych. Średnią z wartości maksymalnych x oraz odchylenie standardowe s, wyznaczono według klasycznych wzorów: s= natomiast przedziały ufności określa zależność: gdzie: 1 x = n 1 n n n x i i= 1 ( x i x) i= 1 9, (6.1) 2, (6.2) s s x t < x < x+ tα n 1 n 1 t α oznacza wartość zmiennej t Studenta odczytaną z tablicy tego rozkładu dla 1 = 0, α, (6.3) swobody i dla przyjętego poziomu istotności α 05. n stopni Tablica 6.1 Zestawienie porównawcze wartości deskryptorów czasowych wybranych form zakłóceń i wnz Lp. Rodzaj Wartości deskryptora A B C D E F G H WNZ(I) 1 Wartość maksymalna [mv] 457, , , , ,99 301, , , ,86 ± ± 1,31% ± 2,22% ± 3,45% ± 1,14% ± ± 1,11% ± 1,02% ± 1,89% 0,62% 1,73% 2 Mediana [mv] 67,16 10,99 15,87 7,33-3,66 10,98 20,76 112,33 43,96 3 Wartość średnia [mv] 21,27 13,64 16,36 11,51 8,14 9,79 12,01 78,60 25,21 4 Wartość skuteczna [mv] 240,68 595,73 126, ,89 871,67 47,87 319,08 366,03 195,92 5 Współczynnik szczytowy 1,90 3,00 13,92 2,18 2,53 6,3 5,68 3,90 5,24 6 Współczynnik kształtu 11,32 43,66 7,72 88,06 107,11 4,89 26,57 4,66 7,77 7 Kurtoza -1,60-0,51 25,58 0,01-0,25 4,67 1,79 1,15 2,32 8 Skośność -0,08-0,07-0,53-0,04 0,01-0,14-0,23-0,03-0,38 gdzie: A EA generowana przez autotransformator, B EA generowana przez wentylator, C EA generowana przez wyładowania ulotowe, D EA generowana podczas tarcia przetwornika pomiarowego, E EA generowana przez silnik, F EA generowana przez świetlówkę fluorescencyjną, G EA generowana przez zapłonnik świetlówki fluorescencyjnej, H zakłócenia generowane przez wyższe harmoniczne sieci zasilającej, WNZ(I) EA od wnz. Na podstawie wartości deskryptorów czasowych (tablica 6.1) można stwierdzić, że największy wpływ na wyniki pomiarów wnz mogą mieć zakłócenia pochodzące od wyładowań ulotowych, tarcia przetwornika pomiarowego, wyższych harmonicznych sieci zasilającej, pracy wentylatora, silnika i zapłonnika świetlówki fluorescencyjnej. Wskazują na to wartości maksymalne tych zakłóceń. Wartości średnie sugerują największy wpływ wyższych harmonicznych na impulsy wnz, a wartości skuteczne niemal wszystkich badanych zakłóceń (oprócz zakłóceń generowanych przez wyładowania ulotowe i świetlówkę fluorescencyjną) przewyższają wartość skuteczną EA od wnz. Niska intensywność zakłóceń generowanych przez świetlówkę i autotransformator, potwierdzona wartościami deskryptorów czasowych, wskazuje na najmniejszy wpływ tych zakłóceń na wyniki pomiarów wnz.

10 Przy analizie deskryptorów czasowych i ocenie na ich podstawie wpływu zakłóceń na mierzone impulsy od wnz, należy mieć świadomość, że dla większości badanych zakłóceń ich EA mierzona była w miejscu generacji tych zakłóceń. Ponadto intensywność zakłóceń oraz wnz, może być inna w przemysłowych warunkach pomiarowych. Należy zatem przyjąć, że rzeczywisty wpływ zakłóceń na pomiary wnz zależy od intensywności tych zakłóceń oraz (co wydaje się ważniejsze) od odległości miejsca ich generacji od stanowiska pomiarowego wnz. W tym kontekście zakłócenia generowane przez autotransformator, mogą mieć większy wpływ na wyniki pomiarów wnz niż wszystkie inne zakłócenia. 6.2 Wyniki analizy częstotliwościowej zakłóceń 6.1. Poglądowe przedstawienie wpływu badanych zakłóceń na wyniki pomiarów wnz metodą EA obrazuje rys. A [db] f [khz] A B C D E F G H I Rys. 6.1 Widma amplitudowe zakłóceń i wnz, gdzie A-I opis ten sam jak w tablicy 6.1 W tablicy 6.2 przedstawiono wartości deskryptorów widmowych, opisujących widma amplitudowe wybranych form zakłóceń i wnz. Dla wartości maksymalnych widm podane są przedziały ufności dla średniej wartości maksymalnej otrzymanej z 30 wyników pomiarowych. Średnią z wartości maksymalnych x, odchylenie standardowe s oraz przedziały ufności wyznaczono według zależności: Tablica 6.2 Zestawienie porównawcze wartości deskryptorów opisujących widma amplitudowe wybranych form zakłóceń i wnz Lp. Rodzaj Wartości deskryptora A B C D E F G H WNZ(I) 1 Wartość maksymalna [mv] 10,85 118,52 11,78 118,45 116,61 12,48 109,66 193,51 134,36 ± 0,54% ± 1,25% ± 2,01% ± 3,38% ± 1,07% ± 1,69% ± 1,03% ± 1,01% ± 1,78% 0,10 52,27 7,08 0,24 6,11 26,38 42,01 0,05 190,03 2 Częstotliwość dla wartości maksymalnej [khz] 3 Wartość średnia [mv] 0,15 0,65 0,73 1,52 0,66 0,19 0,59 0,71 11,04 4 Wartość skuteczna [mv] 0,40 3,99 1,18 7,17 5,45 0,63 3,63 4,68 13,11 5 Kurtoza 546,96 526,93 31,61 98,51 226,23 233,25 477, ,1 45,03 6 Skośność 20,96 20,99 4,49 8,77 14,04 13,55 18,91 37,44 3,35 7 Zakres dominujących częstotliwości; piki wąskopasmowe [khz] gdzie: A-I opis ten sam jak w tablicy ,3 0-4,2; 1,3,26,52,78, 130,209, ; 78, ,3 0-26,4 0-23; 42,50,71, 76,98 brak; 0,05;135, 204,273 Wartości deskryptorów widmowych zawierają informacje o charakterze częstotliwościowym badanych zakłóceń i mogą być przydatne przy ocenie wpływu tych zakłóceń na wyniki pomiarów wnz. Szczególnie użyteczne są wartości częstotliwości odpowiadające wartościom maksymalnym widma oraz zakresy 0-259,9

11 dominujących częstotliwości i wartości częstotliwości pików wąskopasmowych. Wartości częstotliwości odpowiadające wartościom maksymalnym wszystkich badanych zakłóceń (tablica 6.2) nie przekraczają 53 khz, co przy wartości tego deskryptora dla impulsów EA od wnz (190,03 khz), wskazuje na mały wpływ tych zakłóceń na wyniki pomiarów wnz. Inny wniosek można wysunąć analizując zakresy dominujących częstotliwości sygnałów zakłócających i wnz. W szczególności dotyczy to zakłóceń generowanych przez wentylator, wyładowania ulotowe, zapłonnik świetlówki fluorescencyjnej i wyższe harmoniczne sieci zasilającej ze względu na obecność w widmach amplitudowych tych zakłóceń pików wąskopasmowych w wysokich zakresach częstotliwości. Podsumowując, należy stwierdzić, że wszystkie badane formy zakłóceń, ze względu na zakresy dominujących częstotliwości, mogą mieć wpływ na wyniki pomiarów wnz metodą EA. Pasmo częstotliwości, w którym mieszczą się badane sygnały zakłócające, zarejestrowane w warunkach laboratoryjnych, wynosi ( ) Hz. 6.3 Wyniki analizy czasowo-częstotliwościowej zakłóceń W pewnych przypadkach poważnym niedostatkiem w opisie sygnałów jest brak możliwości uzyskania informacji o przedziale czasowym, w którym występują poszczególne składniki widma. Informacja taka nie jest wymagana dla sygnałów stacjonarnych, których widmo jest niezmienne w czasie a jego poszczególne składniki nie są zależne od czasu. W przypadku sygnałów niestacjonarnych, do ich pełnej i jednoznacznej analizy, niezbędne jest wykorzystanie analizy czasowo-częstotliwościowej. W rozprawie, do opisu badanych form zakłóceń oraz wnz, wykonano analizę falkową z użyciem ciągłej transformaty falkowej, wykorzystując falkę Morleta. Skalę przeliczono na odpowiadające częstotliwości. Ponadto dla zarejestrowanych sygnałów wykonano dodatkową analizę w obszarze czasowo-częstotliwościowym, przez wyznaczenie spektrogramów, stanowiących kwadrat modułu krótkoczasowej transformaty Fouriera (STFT). Spektrogram umożliwia przedstawienie zmian widmowej gęstości mocy sygnału w czasie i stanowi użyteczne narzędzie przy interpretacji wyników uzyskiwanych na drodze przekształceń czasowoczęstotliwościowych. Wyniki analizy falkowej zakłóceń, przedstawione w rozprawie, są zgodne z wynikami analizy częstotliwościowej. Ponadto analiza ta ujawniła przedziały czasowe, w których energia sygnału jest największa; możliwa była również analiza struktur częstotliwościowych badanych zakłóceń. 7. Analiza zakłóceń występujących w laboratorium w przykładowym układzie pomiarowym 7.1 Superpozycja sygnałów zakłócających towarzyszących pomiarom wyładowań niezupełnych W rzeczywistych układach pomiarowych wnz, przy pomiarach wykonywanych w warunkach technicznych, nie jest możliwa rejestracja pojedynczych sygnałów zakłócających wraz z sygnałami pochodzącymi od wnz. Na mierzone impulsy wnz jest z reguły nałożonych wiele sygnałów zakłócających o różnych amplitudach i zakresach częstotliwości. Aby ocenić wpływ pojedynczych zakłóceń na pomiary wnz, w warunkach laboratoryjnych wykonano laboratoryjny układ pomiarowy wnz. Badanym obiektem był transformator, w którym maksymalne napięcie strony wtórnej wynosi 60kV. Do kadzi transformatora zamocowano przetwornik pomiarowy, będący częścią układu pomiarowego opisanego w rozdziale 5.2. Na kadzi transformatora, umieszczano obiekty symulujące rzeczywiste źródła zakłóceń. Były nimi silnik i wentylator. Silnik znajdował się w odległości ok. 60 cm (w linii prostej) od przetwornika pomiarowego, natomiast wentylator zamocowano w odległości ok. 20 cm od przetwornika. Iskiernik wieloostrze-płyta, generujący wyładowania, znajdował się wewnątrz kadzi badanego transformatora, którą wypełniono olejem transformatorowym. Napięcie zasilające iskiernik, wynoszące 10kV (80% napięcia przebicia), doprowadzono z układu probierczego, którego charakterystykę przedstawiono w rozprawie w rozdziale 5.1. Podczas badań laboratoryjnych w pierwszej kolejności zarejestrowano EA pochodzącą od wnz bez obecności obiektu generującego sygnały zakłóceń. Następnie zarejestrowano EA generowaną przez silnik. W kolejnym etapie badań zarejestrowano EA pochodzącą od wnz, wraz z sygnałami zakłóceń generowanymi przez silnik. Taką samą procedurę pomiarową zastosowano podczas rejestracji zakłóceń generowanych przez wentylator. Szkic układu do generacji wnz wraz z towarzyszącymi źródłami zakłóceń przedstawiono na rys

12 Rys. 7.1 Szkic układu do generacji wnz i sygnałów zakłócających: 1 uchwyt mocujący iskiernik, 2 iskiernik wieloostrze-płyta uziemiona, 3 kadź transformatora, 4 przetwornik pomiarowy, 5 silnik, 6 wentylator 7.2 Wybrane wyniki analiz emisji akustycznej od wyładowań niezupełnych z nałożonymi zakłóceniami Na rys przedstawiono spektrogramy i skalogramy CWT (Continuous Wavelet Transform) EA generowanej przez wnz, wentylator oraz wnz i wentylator. Rys. 7.2 Spektrogram EA generowanej przez wnz Rys. 7.3 Skalogram CWT EA generowanej przez wnz Rys. 7.4 Spektrogram EA generowanej przez wentylator Rys. 7.5 Skalogram CWT EA generowanej przez wentylator 12

13 Rys. 7.6 Spektrogram EA generowanej przez wnz Rys. 7.7 Skalogram CWT EA generowanej przez wnz Spektrogram EA generowanej przez wnz (rys.7.2) determinują trzy składowe szerokopasmowe sygnału o największej amplitudzie widoczne w przedziałach czasowych 0-1,3 ms, 1,6-2,4 ms i 2,5-4,1 ms. Skalogram CWT z rys. 7.3 charakteryzują struktury o częstotliwościach (0 15) khz, (16 30) khz, występujące w przedziale czasowym 3,4-4,1 ms oraz składowe wysokoczęstotliwościowe. Spektrogram zakłóceń generowanych przez wentylator (rys. 7.4) determinuje wiele wolnozmiennych składowych o różnych częstotliwościach, z których największą energią wyróżnia się struktura w zakresie częstotliwości (0 10) khz. Skalogram CWT tego zakłócenia (rys. 7.5), charakteryzuje quasi-okresowa składowa w zakresie częstotliwości (6 10) khz, której największa energia jest zawarta w przedziale czasu 0,9-1,5 ms. Obecna jest również struktura w zakresie częstotliwości (0 6) khz. Na rys widoczny jest wpływ pracy wentylatora na sygnały EA od wnz. Na rys. 7.6 widoczne są składowe szerokopasmowe sygnału EA od wnz, przy czym utrudniona jest identyfikacja przedziałów czasowych, w których występują poszczególne składowe sygnału. Omawiany spektrogram determinuje składowa z zakresu częstotliwości (0 10) khz, pochodząca od pracy wentylatora. Skalogram CWT przedstawiony na rys. 7.7 charakteryzuje składowa quasi-okresowa w zakresie częstotliwości (6 10) khz, której największa energia jest zawarta w przedziale czasu 0,1-0,9 ms. Składowa ta pochodzi od zakłóceń generowanych przez wentylator. Udział struktury niskoczęstotliwościowej (0 6) khz jest ograniczony, natomiast składowe wysokoczęstotliwościowe, pochodzące od wnz, nie są widoczne, co może wskazywać na duży wpływ pracy wentylatora na wyniki pomiarów wnz. 8. Wyniki analiz zakłóceń występujących w technicznych warunkach pomiarowych wyładowań niezupełnych 8.1 Charakterystyka źródeł sygnałów zakłócających Naturalną konsekwencją badań zakłóceń przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych, była weryfikacja wyników tych badań w warunkach technicznych. W tym celu wykonano pomiary zakłóceń na Stacji Wysokich Napięć 220/110 kv w Groszowicach. Do rejestracji sygnałów zakłócających wykorzystano aparaturę pomiarową, której charakterystykę przedstawiono w rozdziale 5.5. Podczas badań technicznych zarejestrowano EA zakłóceń, od następujących źródeł: - drgania rdzenia i uzwojeń autotransformatora (Up=230kV, n=120(230)kv, 160MVA), - hałas wentylatorów autotransformatora, - EA od pompy autotransformatora, - drgania rdzenia i uzwojeń transformatora (Up=115kV, n1=33(115)kv, n2=16,5(115)kv, 25/16/16MVA), - hałas wentylatorów transformatora. Podczas pomiarów przetwornik pomiarowy był zamocowany do badanych transformatorów, generujących sygnały zakłócające, w miejscu największej głośności, czyli tam, gdzie sygnał EA posiadał największą amplitudę. Miejsce to znajdowano w sposób eksperymentalny, obserwując on-line na oscyloskopie cyfrowym charakterystyki czasowe mierzonych impulsów EA. Medium sprzęgające przetwornik z badanymi obiektami stanowił towot. 13

14 W trakcie badań w warunkach technicznych została zarejestrowana EA źródeł zakłóceń a następnie wyniki pomiarów zostały poddane obliczeniom komputerowym oraz analizie częstotliwościowej i czasowoczęstotliwościowej. Na rys przedstawiono ogólny widok transformatorów badanych w warunkach technicznych. Rys. 8.1 Ogólny widok badanego autotransformatora 230/120kV (160MVA) Rys. 8.2 Ogólny widok badanego transformatora 115/33/16,5kV (25MVA) 8.2 Wybrane wyniki analiz badanych zakłóceń Tablica 8.1 Zestawienie porównawcze wartości deskryptorów czasowych wybranych form zakłóceń i wnz Lp. Rodzaj Wartości deskryptora A B C D WNZ(E) 1 Wartość maksymalna [mv] 1018,32 351,65 804, , ,86 2 Mediana [mv] 23,20 30,53 25,64-2,44 43,96 3 Wartość średnia [mv] 27,92 26,56 25,30 8,61 25,21 4 Wartość skuteczna [mv] 197,80 82,76 219,82 242,63 195,92 5 Współczynnik szczytowy 5,15 4,25 3,66 4,50 5,24 6 Współczynnik kształtu 36,47 13,24 31,80 126,74 7,77 7 Kurtoza 0,42-0,33 0,10 0,80 2,32 8 Skośność 0,08-0,16-0,05 0,25-0,38 gdzie: A EA generowana przez drgania rdzenia i uzwojeń autotransformatora, B EA generowana przez drgania rdzenia i uzwojeń transformatora, C EA generowana przez wentylator autotransformatora, D EA generowana przez wentylator transformatora, WNZ(E) EA od wnz. W tablicy 8.1 przedstawiono wartości deskryptorów czasowych wybranych form zakłóceń i wnz. Ze wszystkich badanych zakłóceń, największą amplitudą sygnału (1091,58 mv) oraz wartością skuteczną (242,63 mv) charakteryzuje się przebieg zakłóceń generowanych przez wentylator transformatora. Wysokie wartości maksymalne oraz skuteczne EA od pracy wentylatorów oraz od drgań rdzenia i uzwojeń autotransformatora mogą wskazywać na znaczny wpływ tych zakłóceń na pomiary wnz metodą EA. W tablicy 8.2 przedstawiono wartości deskryptorów widmowych wybranych form zakłóceń i wnz. Wartość maksymalna widma zakłóceń generowanych przez transformator odpowiada częstotliwości 50 Hz i jest związana bezpośrednio z drganiami magnetostrykcyjnymi rdzenia transformatora. Zakres dominujących częstotliwości zakłóceń generowanych przez autotransformator i transformator jest zawarty w przedziale (0 8,3) khz. Zakres dominujących częstotliwości zakłóceń generowanych przez wentylatory mieści się w przedziale (0 39,8) khz. Wartość maksymalna widma zakłóceń generowanych przez wentylator transformatora odpowiada częstotliwości 27,6 khz i może być związana z jedną z wyższych harmonicznych prędkości obrotowej wentylatora. 14

15 Tablica 8.2 Zestawienie porównawcze wartości deskryptorów opisujących widma amplitudowe wybranych form zakłóceń i wnz Lp. Rodzaj Wartości deskryptora A B C D WNZ(E) 1 Wartość maksymalna [mv] 331,11 167,13 296,75 250,93 134,36 2 Częstotliwość dla wartości 8,1 0,05 1,0 27,6 190,03 maksymalnej [khz] 3 Wartość średnia [mv] 4,02 2,25 4,63 5,65 11,04 4 Wartość skuteczna [mv] 16,90 6,31 17,85 18,12 13,11 5 Kurtoza 129,62 478,57 82,25 60,43 45,03 6 Skośność 10,09 20,07 7,68 6,91 3,35 7 Zakres dominujących częstotliwości; 0-11,2 0-12,2 0-30,8; 0-39, ,9 42 piki wąskopasmowe [khz] gdzie: A-E opis ten sam jak w tablicy 8.1. Podsumowując, należy stwierdzić, że wszystkie badane formy zakłóceń, ze względu na zakresy dominujących częstotliwości, mogą mieć wpływ na wyniki pomiarów wnz metodą EA. Pasmo częstotliwości, w którym mieszczą się badane sygnały zakłócające, zarejestrowane w warunkach technicznych, wynosi ( ) Hz. 9. Możliwości identyfikacji i eliminacji zakłóceń występujących podczas pomiarów wyładowań niezupełnych metodą emisji akustycznej ujęcie syntetyczne 9.1 Możliwości identyfikacji sygnałów zakłócających Wyznaczenie deskryptorów czasowych opisujących przebiegi czasowe umożliwia opis badanego sygnału w dziedzinie czasu i daje możliwość porównania go z innymi zarejestrowanymi sygnałami. Wartość maksymalna, średnia i skuteczna sygnału to podstawowe wielkości opisujące intensywność sygnału a współczynnik szczytowy i współczynnik kształtu określają kształt przebiegu. Duże znaczenie w procesie identyfikacji zakłóceń ma wyznaczenie histogramów zarejestrowanych przebiegów. Kształt histogramu może wskazywać czy badany sygnał ma charakter przypadkowy bądź okresowy. Świadczy o tym szczytowość lub płaskość rozkładu, którą określa wartość kurtozy. Dodatnia kurtoza oznacza rozkład o stosunkowo dużej szczytowości. Ujemna kurtoza oznacza rozkład stosunkowo płaski. Stopień asymetrii rozkładu wokół jego średniej podaje wartość skośności. Skośność dodatnia oznacza rozkład z asymetrycznym ogonem rozciągającym się w kierunku do wartości dodatnich. Skośność ujemna oznacza rozkład z asymetrycznym ogonem rozciągającym się w kierunku wartości ujemnych. Odpowiedni dobór deskryptorów czasowych oraz analiza przebiegów czasowych może zatem umożliwić pełny opis sygnału w dziedzinie czasu oraz wstępną identyfikację podstawowych form zakłóceń. Kolejnym etapem identyfikacji sygnałów zakłócających jest ich analiza w dziedzinie częstotliwości. Wyznaczenie widma amplitudowego i gęstości mocy badanego sygnału daje możliwość oceny udziału poszczególnych składowych częstotliwościowych. Intensywność tych składowych oraz kształt widm określają wyznaczone deskryptory widmowe. Najważniejsze z nich to częstotliwość odpowiadająca wartości maksymalnej oraz zakres dominujących częstotliwości dla zadanego progu dyskryminacji i częstotliwości pików wąskopasmowych. Analiza widm częstotliwościowych i gęstości mocy oraz wartości opisujących je deskryptorów widmowych stanowi kolejny ważny etap w procesie identyfikacji sygnałów zakłócających. Należy mieć jednak świadomość, że do pełnej identyfikacji zarejestrowanego przebiegu należy dysponować bazą danych, zawierającą reprezentatywne wartości deskryptorów dla tego typu sygnałów. Zarejestrowany sygnał zakłóceń poddany może być wówczas procedurze numerycznej, w wyniku której zostaje przydzielony do odpowiedniej formy sygnałów zakłócających; może nastąpić zatem jego pełna identyfikacja. Inne możliwości identyfikacji sygnałów zakłócających stwarza ich analiza w obszarze czasowoczęstotliwościowym. Spektrogram lub skalogram CWT badanego sygnału, określa udział składowych częstotliwościowych sygnału w czasie i w naturalny sposób odzwierciedla jego własności czasowoczęstotliwościowe. Ponadto stanowi indywidualny obraz sygnału w dziedzinie czasowo-częstotliwościowej, jego swoisty odcisk palca, który zawiera wiele cennych informacji o sygnale i może zostać użyty do jego identyfikacji. 15

16 9.2 Możliwości eliminacji zakłóceń z sygnału pomiarowego emisji akustycznej wyładowań niezupełnych Podczas pomiarów wnz metodą EA zakłócenia mogą wnikać do układu pomiarowego kanałem akustycznym w postaci zakłóceń elektrycznych lub mechanicznych. Sygnały zakłóceń mogą pochodzić od badanego obiektu jak również od otoczenia, w którym przeprowadzane są pomiary. Duże znaczenie w procesie eliminacji zakłóceń ma ich wczesne wykrycie oraz właściwa identyfikacja. Często usunięcie źródła zakłóceń podczas pomiarów sprawia mniej trudności, niż późniejsza eliminacja zarejestrowanego sygnału zakłócającego z sygnału użytecznego. Zatem podczas pomiarów wnz metodą EA należy podjąć wszelkie możliwe środki, aby rejestrowany sygnał EA od wnz był pozbawiony zakłóceń. Eliminacja zakłóceń akustycznych pochodzących od badanego obiektu (wewnętrznych) stanowi największą trudność. Głównym źródłem zakłóceń akustycznych, powstających podczas pracy transformatorów są drgania magnetostrykcyjne rdzenia i uzwojeń. Dokładna znajomość konstrukcji urządzenia i właściwe umieszczenie aparatury pomiarowej (w szczególności przetwornika pomiarowego) może jednak znacznie zmniejszyć poziom tych zakłóceń. Zniekształcenia sygnału pomiarowego EA od wnz mogą następować na skutek jego tłumienia, odbić i załamań podczas przenikania przez ośrodki o różnej gęstości. Doświadczenie osoby przeprowadzającej pomiary oraz znajomość budowy badanego urządzenia pozwala zazwyczaj na właściwą interpretację wyników pomiarowych. Aby uniknąć wpływu zakłóceń wewnętrznych elektrycznych na wyniki pomiarów wnz metodą EA, należy pomiary te przeprowadzać w czasie, gdy przełącznik zaczepów badanego transformatora nie jest uruchamiany. Pracujący przełącznik zaczepów może być znaczącym źródłem zakłóceń. Wewnętrzne zakłócenia elektryczne mogą pochodzić również od metalicznego połączenia przetwornika pomiarowego z kadzią transformatora, na skutek działania galwanicznego między dwoma metalami. Podczas montażu przetwornika pomiarowego należy oczyścić i osuszyć miejsca połączenia obu metalowych powierzchni. Stosowanie oleju lub towotu, jako medium akustycznie sprzęgającego przetwornik pomiarowy z badanym obiektem, przeważnie pozwala uniknąć powstawania tego rodzaju zakłóceń. Źródłem silnych zakłóceń zewnętrznych akustycznych jest w pierwszej kolejności EA generowana przez układy chłodzące transformatorów. Pracujące pompy i wentylatory są źródłem hałasu o dużym natężeniu. Eliminacja tych zakłóceń jest trudna, zatem jeżeli jest możliwość wyłączenia układów chłodzących badane urządzenie na czas wykonywania pomiarów wnz metodą EA, to należy z tej możliwości skorzystać. Bardzo ważnym źródłem zewnętrznych zakłóceń akustycznych może być EA od wyładowań ulotowych w napowietrznych elementach urządzeń. Intensywność ulotu może ulec zmniejszeniu przez oczyszczenie poszczególnych elementów urządzeń lub np. z powodu zmiany warunków atmosferycznych (zmniejszenie wilgotności powietrza). Gdy poziom EA od wyładowań ulotowych jest wysoki z powodu dużej wilgotności powietrza lub gdy istnieje możliwość wystąpienia opadów lub wyładowań atmosferycznych, zasadne jest przełożenie wykonania pomiarów na inny dogodny termin. Oddziaływania mechaniczne na przewód transmisyjny lub przetwornik pomiarowy mogą być źródłem silnych zakłóceń. Pod wpływem odkształceń mechanicznych w kablach koncentrycznych może indukować się ładunek elektryczny na skutek efektu piezoelektrycznego. Osuwający się przetwornik pomiarowy może generować silne zakłócenia akustyczne na skutek tarcia o powierzchnię mierzonego obiektu. Poprawny sposób zamocowania przetwornika pomiarowego jak również ograniczenie zewnętrznych oddziaływań mechanicznych ma zasadnicze znaczenie na wyniki pomiarów EA od wnz. Gdy pomiary są przeprowadzane w pomieszczeniach zamkniętych (np. na stacji prób), należy sprawdzić stan techniczny oświetlenia fluorescencyjnego. Wadliwe oświetlenie może być źródłem intensywnych zakłóceń i powodować zniekształcenia wyników pomiarowych. Eliminacja tych zakłóceń wiąże się przede wszystkim z wymianą uszkodzonych dławików, zapłonników oraz lamp fluorescencyjnych. Wysoki poziom zakłóceń akustycznych podczas pomiarów wnz metodą EA może pochodzić z otoczenia. Źródłem tych zakłóceń jest zazwyczaj hałas wynikający z pracy generatorów, maszyn elektrycznych, ruchu pojazdów mechanicznych, dzwonków, itp. Całkowita eliminacja tych zakłóceń zazwyczaj nie jest możliwa podczas przeprowadzania pomiarów w warunkach przemysłowych, ponieważ nie ma możliwości bezpośredniej ingerencji w niektóre źródła zakłóceń, np. na ruch pojazdów mechanicznych. Ograniczanie intensywności tych zakłóceń możliwe jest jednak przez stosowanie ekranów, przegród i materiałów akustycznych. Zasada działania ekranu wiąże się ze zjawiskiem uginania się fal dźwiękowych. W celu zmniejszenia udziału fal odbitych, powierzchnię ekranu zwróconą w kierunku źródła hałasu pokrywa się zazwyczaj materiałem dźwiękochłonnym. Ograniczenie poziomu zewnętrznych zakłóceń elektrycznych wiąże się przede wszystkim z uzyskaniem wysokiej jakości napięcia zasilającego, stosowaniem odpowiednich uziemień układu pomiarowego oraz ekranowaniem aparatury pomiarowej. Zagadnienia te są określane mianem konfiguracji środowiska pomiarowego, a od stopnia ich realizacji zależy jakość uzyskiwanych wyników pomiarowych. Filtracja napięcia zasilającego ogranicza przenikanie do układu pomiarowego wyższych harmonicznych sieciowych oraz zakłóceń 16

17 związanych z pracą innych urządzeń, np. silników komutatorowych lub lamp wyładowczych. Na zewnętrzne zakłócenia elektryczne pochodzące między innymi od ulotu, wyładowań atmosferycznych jest narażony w pierwszej kolejności przewód transmisyjny. Skuteczne ekranowanie tego przewodu lub zastosowanie transmisji światłowodowej zmniejsza udział tych zakłóceń w rejestrowanym sygnale. Aparatura pomiarowa stosowana do pomiarów wnz metodą EA powinna charakteryzować się możliwie niskim poziomem szumów własnych i wskazane jest, aby poszczególne jej układy były wykonane z wykorzystaniem wysokiej jakości elementów elektronicznych. Ponadto aparatura ta powinna umożliwić rejestrację sygnału pomiarowego z odpowiednią rozdzielczością i częstotliwością próbkowania. Aby wyeliminować mikroprądy wyrównawcze płynące w ekranach kabli pomiarowych i przyrządów należy wykonać poprawne i skuteczne ekranowanie okablowania aparatury pomiarowej oraz unikać powstawania pętli mas. Od zewnętrznych pól elektromagnetycznych aparaturę pomiarową chroni odpowiednio wykonane ekranowanie. Konfiguracja środowiska pomiarowego dotyczy również usunięcia wszystkich ewentualnych źródeł wyładowań poza badanym obiektem, w tym usunięcie wszelkich nieuziemionych przedmiotów metalowych. Środowisko, w którym przeprowadzane są pomiary wnz metodą EA ma często charakter wibracyjny. W tych warunkach aparatura pomiarowa narażona jest na oddziaływania mechaniczne, które mogą zniekształcać wyniki pomiarów. Przy wyborze miejsca mocowania przetwornika pomiarowego należy nie dopuścić, aby znalazł się on w miejscu działania niepożądanych wibracji. Podczas układania przewodów transmisyjnych powinno się zapobiegać ich ewentualnym poruszeniom przez stosowanie zacisków kablowych lub innych środków mocujących. Również miejsce ustawienia aparatury pomiarowej nie powinno być przypadkowe lecz wybrane z uwzględnieniem eliminacji oddziaływań mechanicznych. Uwzględnienie przedstawionych środków zapobiegających przenoszeniu się wibracji na poszczególne elementy układu pomiarowego zazwyczaj pozwala na uzyskanie wyników pomiarów pozbawionych tego typu zakłóceń. Przedstawione metody eliminacji zakłóceń są zazwyczaj skuteczne, proste w realizacji i nie wymagają wielkich nakładów finansowych. Stosowanie ich podczas pomiarów wnz metodą EA powinno umożliwić uzyskanie niezakłóconych wyników pomiarowych. W sytuacji, gdy środki te nie są wystarczające lub gdy zakłócenia są rejestrowane w sposób przypadkowy należy stosować inne techniki służące ich eliminacji. Jeżeli sygnały zakłócające mają charakter pasmowy i liczba tych zakłóceń jest niewielka, użyteczne mogą być metody filtracji analogowej. Do eliminacji zakłóceń impulsowych lub zakłóceń o charakterze szumu szerokopasmowego należy zastosować metody cyfrowej obróbki sygnału. Filtracja cyfrowa sygnałów jest procesem podobnym do tego, jaki zachodzi w klasycznych filtrach analogowych. Przez zastosowanie układu filtru cyfrowego zmianie ulega dyskretna charakterystyka widmowa wejściowego sygnału cyfrowego. Własności takiego filtru mogą być opisane zarówno w dziedzinie dyskretnego czasu jak i przez opis dyskretnej charakterystyki częstotliwościowej. Wyróżnia się filtrację cyfrową sygnałów w dziedzinie czasu, częstotliwości oraz cyfrową filtracją falkową. Do stosowania tych technik w procesie eliminacji zakłóceń z sygnału EA od wnz, oprócz znajomości metod cyfrowej obróbki sygnałów, należy w odpowiedni sposób identyfikować sygnały zakłóceń i wnz. Wiedza ta jest niezbędna do tego aby, z sygnału użytecznego zostały usunięte sygnały zakłócające lub nadmiarowe i aby nie doszło do sytuacji odwrotnej. 9.3 Metrologiczne konsekwencje uzyskanych wyników Tematyka podjęta w rozprawie stanowi ważne uzupełnienie problematyki związanej z metrologią impulsów EA od wnz, występujących w układach izolacyjnych urządzeń elektroenergetycznych. Zagadnienia dotyczące metody EA, wykorzystywanej w pomiarach wnz, są często podejmowane w najnowszych doniesieniach literaturowych [11, 12, 19, 23, 55, 56, 60, 70], co świadczy o tym, że metoda ta jest aktualna i zyskuje coraz większe uznanie. Zakres technicznego stosowania metody EA może być jednak ograniczony ze względu na występowanie zakłóceń, które zniekształcają wyniki pomiarów wnz. W takiej sytuacji prawidłowa interpretacja wyników rejestracji i analizy impulsów EA od wnz może być utrudniona. Uzyskane wyniki analiz zakłóceń, zamieszczone w rozprawie, mogą pozwolić na dobór odpowiednich warunków metrologicznych podczas pomiarów wnz metodą EA, ze względu na występowanie sygnałów zakłócających. Ponadto wyniki te umożliwiają rozróżnianie podstawowych form zakłóceń. Określenie zakresów dominujących częstotliwości badanych typów zakłóceń, może ułatwić ustalenie właściwego pasma pomiarowego impulsów EA od wnz. Wyniki badań zakłóceń, przedstawione w niniejszej pracy mogą pozwolić na doskonalenie laboratoryjnych i technicznych układów pomiarowych wnz metodą EA. Ze względu na obecność różnych typów sygnałów zakłócających i na podstawie znajomości zakresów ich dominujących częstotliwości możliwy jest właściwy dobór poszczególnych elementów układu pomiarowego wnz metodą EA. Ponadto przedstawione w pracy wyniki analiz zakłóceń pozwalają na rozróżnianie podstawowych form sygnałów zakłócających i wybór odpowiedniej metody ich eliminacji. 17

18 Do rozprawy załączono (na płycie CD-R) procedury numeryczne napisane w programach Visual Basic i Matlab, umożliwiające przeprowadzenie analizy w dziedzinie czasu, częstotliwości i w obszarze czasowoczęstotliwościowym innych, zarejestrowanych przebiegów. Procedury te stanowią uniwersalne narzędzie pozwalające na bezpośrednie porównanie sygnałów zakłócających, zarejestrowanych w dalszych badaniach z wynikami analiz zakłóceń, które zostały przedstawione w niniejszej pracy (oczywiście przy zastosowaniu tej samej aparatury pomiarowej). Rozprawa nie wyczerpuje tematyki zakłóceń, a jedynie poszerza ją o dodatkowe elementy. Otwartą kwestią pozostaje analiza zakłóceń wieloźródłowych, wielokrotnych i różnych typów, występujących w technicznych warunkach pomiarowych. Wyniki tych badań poszerzyłyby stan wiedzy z zakresu analizy zakłóceń różnych typów, występujących w złożonych układach pomiarowych wnz wykonywanych metodą EA. 10. Podsumowanie W doniesieniach literaturowych problematyka zakłóceń pojawia się często w kontekście pomiarów wibroakustycznych maszyn i urządzeń elektrycznych oraz metod zwalczania hałasu w przemyśle. Opisy zakłóceń elektrycznych dotyczą zazwyczaj elektrycznych metod pomiarowych wnz. Wynika to przede wszystkim z braku jednoznacznej klasyfikacji i podziału zakłóceń występujących podczas pomiarów wnz metodą EA. Ponadto w wielu publikacjach wyniki badań zakłóceń są przedstawiane bez podania warunków metrologicznych w jakich wykonywano pomiary. Dotyczy to w szczególności dokładnej charakterystyki stosowanej aparatury pomiarowej oraz sposobu wykonywania dalszej analizy zarejestrowanych przebiegów. Zatem przeprowadzenie ścisłej analizy porównawczej wyników uzyskanych w pracy z danymi literaturowymi jest utrudnione i zostało przedstawione w ograniczonym zakresie. Wyniki analiz zakłóceń przedstawione w rozprawie umożliwiają wyznaczenie zakresów dominujących częstotliwości oraz rozróżnianie podstawowych form sygnałów zakłócających. Dla wybranych zakłóceń oraz impulsów EA od wnz, zarejestrowanych w warunkach laboratoryjnych przy ściśle zdefiniowanych warunkach metrologicznych, przeprowadzono analizę w dziedzinie czasu, częstotliwości i w obszarze czasowoczęstotliwościowym. Wyniki badań laboratoryjnych zostały zweryfikowane pomiarami zakłóceń, przeprowadzonymi w warunkach technicznych. Reasumując przedstawione w rozprawie wyniki badań należy stwierdzić, że wszystkie zarejestrowane formy zakłóceń, ze względu na zakresy dominujących częstotliwości, mogą mieć wpływ na wyniki pomiarów wnz metodą EA. Pasmo częstotliwości, w którym mieszczą się sygnały zakłócające, zarejestrowane w warunkach laboratoryjnych i technicznych, wynosi ( ) Hz. Takie pasmo częstotliwości występowania zakłóceń sugeruje użycie podczas pomiarów wnz metodą EA filtra górnoprzepustowego o dolnej częstotliwości granicznej równej 40 khz. Ponadto duże znaczenie podczas interpretacji wyników badań impulsów EA od wnz mogą mieć piki wąskopasmowe, pochodzące od zakłóceń generowanych przez wentylator, wyładowania ulotowe, zapłonnik świetlówki fluorescencyjnej i wyższe harmoniczne sieci zasilającej. Załączone do rozprawy na płycie CD-R, procedury numeryczne napisane w programach Visual Basic i Matlab, umożliwiają przeprowadzenie analizy w dziedzinie czasu, częstotliwości i w obszarze czasowoczęstotliwościowym innych, zarejestrowanych przy zastosowaniu tej samej aparatury pomiarowej zakłóceń oraz porównanie ich przebiegów z wynikami analiz zakłóceń, przedstawionych w niniejszej pracy. 18

19 Literatura Literatura rozprawy obejmuje 111 pozycji. Poniżej zestawiłem wybranych 70 pozycji literaturowych, które uważam za najważniejsze i spis publikacji własnych (10 pozycji). Spis publikacji własnych: [1] Dąbrowska J., Dąbrowski A., Kajura A.: Koncepcja i realizacja katalogu urządzeń elektrycznych w celu wykorzystania w internecie. ZN PO, Elektryka nr 261/2000 z.50, str , [2] Boczar T., Dąbrowski A.: Analiza częstotliwościowa zakłóceń towarzyszących pomiarom wyładowań niezupełnych w warunkach laboratoryjnych przy wykorzystaniu metody emisji akustycznej. V Ogólnopolskie Sympozjum IWN IW-2000, str , Poznań-Kiekrz, 2000 (referat wyróżniony w Sesji Młodych Doktorantów). [3] Boczar T., Dąbrowski A.: Wyniki analizy częstotliwościowej sygnałów zakłócających generowanych przez wyładowania ulotowe. V Ogólnopolskie Sympozjum IWN IW-2000, str , Poznań-Kiekrz, [4] Dąbrowski A.: Frequency analysis of disturbances generated by sliding discharges in the voltage function in the acoustic method of PD measurement. II International Symposium NEET 2001, str , Kazimierz Dolny, [5] Dąbrowski A.: The influence of a measuring setup configuration on the level of acoustic disturbances accompanying the measurements of partial discharges. II International Symposium NEET 2001, str , Kazimierz Dolny, [6] Dąbrowski A.: Dobór układu pomiarowego do badań zakłóceń towarzyszących pomiarom wyładowań niezupełnych z wykorzystaniem metody emisji akustycznej. Konferencja Naukowo-Techniczna, Transformatory w eksploatacji, str , Sieniawa, [7] Dąbrowski A.: Analiza widm emisji akustycznej zakłóceń z wykorzystaniem karty pomiarowej TAD-05. Konferencja Naukowo-Techniczna, Transformatory w eksploatacji, str , Sieniawa, [8] Dąbrowski A.: Deskryptory widmowe zakłóceń towarzyszących pomiarom wyładowań niezupełnych metodą emisji akustycznej. Konferencja Naukowo-Techniczna, Transformatory w eksploatacji, str , Sieniawa, [9] Dąbrowski A., Zmarzły D.: Analiza falkowa zakłóceń występujących przy pomiarach wyładowań niezupełnych metodą emisji akustycznej. Konferencja Naukowo-Techniczna, Transformatory w eksploatacji, str , Sieniawa, [10] Dąbrowski A.: Analiza zakłóceń występujących przy pomiarach wyładowań niezupełnych metodą emisji akustycznej ujęcie syntetyczne. Energetyka, Zeszyt tematyczny nr VI, str , Spis literatury: [1] Aggarwal R., Mao P. L.: A wavelet transform based decision making logic method for discrimination between iternal faults and inrush currents in power transformers. Electric Power and Energy Systems, no. 22, pp , [2] Basztura Cz.: Komputerowe systemy diagnostyki akustycznej. PWN, Warszawa, [3] Basztura Cz.: Źródła, sygnały i obrazy akustyczne. WKiŁ, Warszawa, [4] Bendat J.S., Piersol A.G.: Metody analizy i pomiaru sygnałów losowych. PWN, Warszawa, [5] Bengtsson T., Häkan K., Jônssn B.: Transformer PD diagnosis using AE technique. 10th Int. Symp. on High Vol. Eng., Montreal, Quebec, Canada, pp , [6] Bengtsson T., Leijon M., Ming L., Jônssn B.: Directivity of acoustic signals from PD in oil. IEE Proc. Sci. Meas. Technol., vol. 142, no. 1, [7] Bengtsson T., Leijon M., Ming L.: Acoustic frequencies by PD in oil. 8th Int. Symp. on High Vol. Eng., Yokohama, Japan, pp , [8] Beyer M., Borsi H., Hartje M.: Some aspect about possibilities and limitation of acoustic PD mesurements in insulating fluids. V Int. Symp. on High Vol. Eng. Braunschweig, Germany, pp. 1-4, [9] Białasiewicz J.T.: Falki i aproksymacje. WNT, Warszawa, [10] Boczar T.: Identyfikacja formy wyładowania niezupełnego na podstawie jego widm częstotliwościowych emisji akustycznej. Rozprawa doktorska, Pol. Śląska, Gliwice, [11] Boczar T.: Obiektywizacja wyników akustycznej metody oceny wnz przy zastosowaniu do opisu sygnałów analizy statystycznej i cyfrowych metod przetwarzania. Studia i Monografie Wydawnictwa Pol. Op., z.149, Opole,

20 [12] Boczar T.: Widma emisji akustycznej generowanej przez wyładowania niezupełne w izolacji olejowej. Studia i Monografie Wydawnictwa Pol. Op., z.114, Opole, [13] Chui C. K.: An itroduction to wavelets. Academic Press, New York, [14] Collineau S, Brunet Y.: Detection of turbulent coherent motions in a forest canopy. Part I: Wavelet analysis. Boundary-Layer Meteorology, vol. 65, pp , [15] Daubechies I.: Ten lectures on wavelets. SIAM, Philadelphia, [16] Davis G. M., Nosratinia A.: Wavelet-based image coding: an overviev. Applied and Computational Control, Signals, and Circuits, 1(1), [17] Deheng Z., Kexiong T., Xianche J.: The study of acoustic emission method for detection of Pd in power transformers. II Conf. Properties and App. of Diel. Mat., vol. 2, Pekin, Chiny, pp , [18] Flandrin P.: Time-frequency/time-scale analysis. Academic Press, New York, [19] Florkowska B., Florkowski M., Włodek R., Zydroń P.: Mechanizmy, pomiary i analiza wyładowań niezupełnych w diagnostyce układów izolacyjnych wysokiego napięcia. PAN Warszawa, [20] Florkowska B., Zydroń P.: Analiza widmowa ulotu elektrycznego, V Ogólnopolskie Sympozjum IWN IW 2002, Poznań Kiekrz, str , [21] Florkowski M., Zydroń P.: Pomiary wyładowań niezupełnych w diagnostyce silników wysokonapięciowych wpływ zakłóceń i wyższych harmonicznych na pomiary i interpretację wyników. Wiadomości Elektrotechniczne, nr 4, str , [22] Fuhr J., Maessig M., Boss P., Tschudi D., King R.A.: Detection and Location of Internal Defects in the Insulation of Power Transformers. IEEE Trans. On EI, Vol.28, No.6, pp , [23] Gacek Z., Witos F.: A new conception regarding evaluation of PDs for diagnosis of insulation. Int. Scientific Colloquium on High Vol. Eng., Kosice, Slovakia, pp , [24] Girgis A. A., Makram E. B., Zheng T.: Power system transient and harmonic studies using wavelet transform. IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 14, no. 4, pp , [25] Gronowski B.: Propagacja sygnałów emisji akustycznej od wnz w kondensatorach energetycznych. Rozprawa doktorska, Wydz. El. Pol. War., Warszawa, [26] Harrold R. T.: Acoustic sensing of PD and arcing in high energy density capacitors. CIGRE Report no /82-09, pp. 1-16, [27] Harrold R. T.: Acoustical technology applications in electrical insulation and dielectrics. IEEE-EI, vol. 20, no. 1, pp. 3-19, [28] Hasse L., Karkowski Z., Spiralski L., Kołodziejski J., Konczakowska A.: Zakłócenia w aparaturze elektronicznej. Radioelektronik Sp. z o.o., Warszawa, [29] Hasse L., Spiralski L.: Szumy elementów i układów elektronicznych. WNT, Warszawa, [30] Howells E., Norton E. T.: Location of PD sites in on-line transformers. IEEE-PAS-100, no. 1, pp , [31] Howells E., Norton E. T.: Parameters affecting the velocity of sound in transformer oil. IEEE-PAS, vol. 103, no. 5, pp , [32] Kaczmarek J., Nicewicz G.: Zwalczanie drgań i hałasu. Podstawy teoretyczne. Wyższa Szkoła Morska w Szczecinie, Szczecin, [33] Kahle M., Neudert K., Walli R., Eitner R., Neitz D.: A diagnostic system for ageing studies on base of AE analysis. CIGRE Symp., Report no , Vienna, pp. 1-5, [34] Kawada H., Honda M, Inoue T., Amemiya T.: PD automatic monitor for oil-filled power transformer. IEEE-PAS, vol. 103, no. 2, pp , [35] Kelley N. D., Osgood R. M., Bialasiewicz J. T., Jakubowski A.: Using time-frequency and wavelet analysis to assess turbulence/rotor interactions. W: Proceedings of the 19th ASME Wind Energy Symposium, Reno, Nevada, January [36] Kirtley J. L., Lavalle J. C., McCarthy D. J.: Acoustic monitoring of transformer structures. CIGRE Symp., Report no , Vienna, pp. 1-5, [37] Kucharska B.: Akustyczne deskryptory sygnałów emitowanych przez wyładowania niezupełne powierzchniowe. ZN PO, nr 219, Elektryka z. 44, str , [38] Kucharska B.: Parametry emisji akustycznej emitowanej przez wyładowania niezupełne. Rozprawa doktorska, Pol. Śląska, Gliwice, [39] Lee C. H., Meliopoulos A. P. S.: An alternative method for transient analysis via wavelets. IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 15, no. 1, pp , [40] Ma X., Zhou C., Kemp I. J.: Interpretation of wavelet analysis and its application in PD detection. IEEE Trans. on Diel. and El. Ins., vol. 9, no. 3, pp , [41] Malecki I., Ranachowski J.: Emisja akustyczna. Źródła, metody, zastosowania. PAN-KBN, Warszawa,