POLITECHNIKA OPOLSKA Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Instytut Elektroenergetyki

Transkrypt

1 POLITECHNIKA OPOLSKA Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Instytut Elektroenergetyki mgr inż. Andrzej Cichoń WPŁYW PARAMETRÓW FIZYKOCHEMICZNYCH OLEJU IZOLACYJNEGO NA DESKRYPTORY CHARAKTERYZUJĄCE SYGNAŁY EMISJI AKUSTYCZNEJ GENEROWANEJ PRZEZ WYŁADOWANIA NIEZUPEŁNE Autoreferat rozprawy doktorskiej Promotor: dr hab. inż. Tomasz Boczar, prof. PO Praca powstała przy współfinansowaniu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach grantu promotorskiego nr 3T10A oraz Europejskiego Funduszu Społecznego i środków budżetu państwa. Opole 2006

2 Spis treści 1 Wstęp Cel i zakres pracy Sformułowanie problemu podjętego w rozprawie i metodyka jego rozwiązania 5 4 Charakterystyka wykorzystanych w badaniach olejów izolacyjnych Charakterystyka układów pomiarowych Wybór deskryptorów charakteryzujących rejestrowane sygnały emisji akustycznej w dziedzinie częstotliwości Omówienie wyników Określenie wpływu zmian parametrów fizykochemicznych Określenie wpływu zmian temperatury oleju Określenie wpływu zmian prędkości przepływu oleju Określenie wpływu grubości olejowej warstwy izolacyjnej Analiza porównawcza uzyskanych wyników Podsumowanie Wybrane pozycje literaturowe Wykaz dorobku naukowego autora Str. 2

3 1. Wstęp W ostatnich latach szeroko pojęta diagnostyka transformatorów elektroenergetycznych jest bardzo ważnym i dynamicznie rozwijającym się obszarem działalności przedsiębiorstw energetycznych, a także ośrodków naukowo badawczych. Ważną częścią kompleksowej oceny stanu technicznego transformatorów elektroenergetycznych jest detekcja i lokalizacja wyładowań niezupełnych (WNZ). W praktyce do oceny stanu izolacji transformatorów stosowane są różne metody diagnostyczne, których ważnym uzupełnieniem jest dynamicznie rozwijająca się w ostatnich latach metoda emisji akustycznej (EA). Rozwój tej metody spowodowany jest głównie postępem techniki pomiarowej, jak również nowoczesnych metod przetwarzania i analizy sygnałów. Wprowadzenie szerokopasmowych przetworników piezoelektrycznych, wielokanałowych kart pomiarowych oraz nowoczesnych układów wzmacniająco filtrujących do pomiaru sygnałów EA generowanej przez WNZ, umożliwiło: zwiększenie częstotliwości próbkowania oraz ilości rejestrowanych próbek i skuteczniejszą eliminację zakłóceń, jakie mogą występować podczas pomiarów. W celu dokładniejszej interpretacji wyników pomiarowych, do opisu sygnałów EA od WNZ wprowadzono analizę czasowo częstotliwościową, która umożliwia wydobycie z sygnału większej ilości informacji niż podczas interpretacji mierzonych sygnałów osobno w dziedzinie czasu i częstotliwości [13, 15, 16, 17]. Fala akustyczna generowana przez WNZ rozchodząc się wewnątrz transformatora podlega zjawiskom ugięcia, załamania, pochłaniania, rozproszenia i tłumienia. Zjawiska te mają wpływ na wyniki analizy sygnałów EA od WNZ w dziedzinie czasu, co scharakteryzowano m. in. w publikacjach [37, 38, 73, 93]. W pracach tych wyznaczano prędkości rozchodzenia się fali akustycznej w olejach izolacyjnych o różnych parametrach fizykochemicznych. Obliczono również wartości współczynników tłumienia zmieniające się wraz z parametrami badanych olejów oraz ich temperaturą. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że zmiana parametrów fizykochemicznych oleju izolacyjnego ma wpływ na wyniki analizy czasowej. Zastosowanie nowoczesnych metod analizy sygnału jak również przytoczone doniesienia literaturowe stanowiły genezę podjęcia badań nad wpływem różnych czynników oddziałujących na środowisko propagacji fali akustycznej wewnątrz urządzenia, na wyniki analizy czasowo częstotliwościowej sygnałów EA od WNZ. W przypadku transformatora z izolacją papierowo olejową środowiskiem tym jest olej izolacyjny charakteryzujący się: różnymi wartościami parametrów fizykochemicznych, które zależne są m. in. od czasu eksploatacji i rodzaju oleju, szerokim zakresem temperatur pracy oraz różną prędkością przepływu. Oprócz wymienionych wyżej czynników istotnym zagadnieniem jest określenie wpływu grubości izolacyjnej warstwy olejowej, gdyż odległości między miejscem generacji WNZ i miejscem rejestracji sygnału EA od WNZ w dużych jednostkach mogą wynosić nawet kilka metrów. Przeprowadzone badania mają określić czy uzyskiwane wyniki analiz czasowo częstotliwościowych rejestrowanych w warunkach przemysłowych sygnałów EA od WNZ zależą od parametrów fizykochemicznych, temperatury i prędkości przepływu oleju oraz od grubości izolacyjnej warstwy olejowej. Ma to istotne i decydujące znaczenie dla poprawności interpretacji uzyskanych wyników i w konsekwencji decyduje o ocenie stanu badanej izolacji. Przedstawione w rozprawie wyniki prac naukowo badawczych stanowią więc próbę potwierdzenia przydatności najnowszych metod przetwarzania sygnału do diagnostyki transformatorów elektroenergetycznych metodą EA. Badania te mają również istotne znaczenie techniczne, gdyż wskazują nowe metody interpretacji czasowo częstotliwościowej sygnałów EA generowanej przez WNZ, które mogą być pomocne przy wdrożeniu metody EA na stałe do diagnostyki transformatorów. 3

4 2. Cel i zakres pracy Ogólnym celem niniejszej rozprawy jest określenie wpływu czynników charakteryzujących właściwości oleju izolacyjnego wykorzystywanego w transformatorach elektroenergetycznych na wyniki analizy częstotliwościowej i czasowo częstotliwościowej sygnałów EA od wyładowań niezupełnych w układzie powierzchniowym (WNZP). Ponadto wyniki badań zrealizowanych w ramach niniejszej rozprawy umożliwiają określenie stopnia przydatności prezentowanych analiz w celu uzyskania poprawnej interpretacji sygnałów EA generowanej przez WNZP w transformatorach elektroenergetycznych. Szczegółowe cele przeprowadzonych prac naukowo badawczych dotyczą wpływu zmian następujących czynników: parametrów fizykochemicznych oleju, temperatury oleju izolacyjnego, prędkości przepływu oleju, grubości izolacyjnej warstwy olejowej, na wyniki analizy częstotliwościowej i czasowo częstotliwościowej sygnałów EA generowanej przez WNZP. W pracy przyjęto następującą tezę: Wyniki analiz częstotliwościowych i czasowo częstotliwościowych sygnałów emisji akustycznej generowanej przez wyładowania niezupełne w układzie powierzchniowym nie zależą od parametrów fizykochemicznych, temperatury i prędkości przepływu oleju mineralnego oraz od grubości olejowej warstwy izolacyjnej. W celu udowodnienia przyjętej tezy w rozprawie podjęto następujące zagadnienia: przedstawiono możliwości opisu sygnałów EA generowanej przez WNZP w dziedzinie czasu, częstotliwości i czasowo częstotliwościowej; scharakteryzowano rodzaje olejów izolacyjnych oraz omówiono podstawowe parametry fizykochemiczne stosowane do określania właściwości olejów pracujących w transformatorach elektroenergetycznych; pobrano próbki oleju izolacyjnego z transformatorów charakteryzujących się różnym czasem i warunkami eksploatacji; dla pobranych próbek oleju zmierzono podstawowe parametry fizykochemiczne tj.: gęstość w 20 C, temperaturę zapłonu, liczbę kwasową, zawartość wody, współczynnik stratności dielektrycznej tgδ przy 50 C i 50 Hz, rezystywność przy 50 C, napięcie przebicia przy 20 C, lepkość dynamiczną oraz określono ich wygląd zewnętrzny; zbudowano dwa układy pomiarowe: pierwszy do wyznaczenia wpływu parametrów fizykochemicznych oraz temperatury i prędkości przepływu olejów izolacyjnych, drugi do badania wpływu grubości izolacyjnej warstwy olejowej na wyniki analizy sygnałów EA od WNZP w dziedzinie częstotliwościowej i czasowo częstotliwościowej; dokonano doboru parametrów metrologicznych toru pomiarowego z uwzględnieniem rodzaju zastosowanego przetwornika i karty pomiarowej, filtracji i wzmocnienia sygnału oraz częstotliwości próbkowania; wykonano analizę częstotliwościową sygnałów EA od WNZP wyznaczając widmo amplitudowe oraz obliczając wartości deskryptorów opisujących sygnały EA w dziedzinie częstotliwości; przeprowadzono analizę czasowo częstotliwościową sygnałów EA od WNZP z zastosowaniem krótkoczasowego przekształcenia Fouriera (STFT) wyznaczając dwu 4

5 i trójwymiarowe spektrogramy widma gęstości mocy i trójwymiarowe spektrogramy widma amplitudowego; wykonano analizę falkową obliczając skalogramy ciągłej transformaty falkowej (CWT); wykonano analizę falkową z wykorzystaniem dyskretnej transformaty falkowej (DWT) przedstawiając przebiegi sygnałów na siedmiu poziomach dekompozycji oraz diagramy kolumnowe obrazujące ilość energii przenoszonej przez poszczególne detale; na podstawie uzyskanych wyników określono wpływ parametrów fizykochemicznych, temperatury, prędkości przepływu oleju izolacyjnego oraz grubości izolacyjnej warstwy olejowej na wyniki analizy częstotliwościowej i czasowo częstotliwościowej sygnałów EA od WNZP. 3. Sformułowanie problemu podjętego w rozprawie i metodyka jego rozwiązania Wprowadzenie wolnego rynku energii elektrycznej w Polsce spowodowało powstanie konkurujących między sobą przedsiębiorstw wytwórczych i dystrybucyjnych. Wraz z uwolnieniem rynku energii zwiększyły się wymagania dotyczące jakości dostarczanej energii elektrycznej jak również niezawodności jej dostaw. Zwiększenie niezawodności systemu elektroenergetycznego wiąże się m. in. z prowadzeniem precyzyjnej diagnostyki poszczególnych elementów układu sieciowego. Jednym z najbardziej newralgicznych miejsc systemu elektroenergetycznego są transformatory, których awarie generują znaczne straty finansowe związane z remontem lub koniecznością zakupu nowej jednostki oraz przerwą w dostawie energii. Aktualnie badania diagnostyczne stanu izolacji transformatorów elektroenergetycznych wykonuje się przy wykorzystaniu kilku metod nieniszczących: chromatografii gazowej, metody elektrycznej oraz metody EA. Wykonanie badań transformatora kilkoma metodami i porównanie uzyskanych wyników zwiększa możliwości dokładnej oceny stanu badanej izolacji. Prowadzenie prac naukowo badawczych zmierzających do rozwoju nieniszczących metod diagnostycznych jest więc uzasadnione zarówno ze względów finansowych jak również naukowo poznawczych [35, 58, 88]. W ciągu ostatnich dwudziestu lat prace związane z diagnostyką układów izolacyjnych transformatorów elektroenergetycznych wykonywaną przy zastosowaniu metody EA dotyczyły m. in. następujących aspektów: wyjaśnienia fizycznych mechanizmów generacji sygnałów EA od WNZ w różnych dielektrykach, matematycznego opisu propagacji EA generowanej przez WNZ w pojedynczych dielektrykach i złożonych układach izolacyjnych, doboru i doskonalenia aparatury pomiarowej, analizy możliwości lokalizacji WNZ w złożonych układach izolacyjnych, analizy widm częstotliwościowych pod kątem określenia możliwości rozpoznawania podstawowych form WNZ, zastosowanie analiz czasowo częstotliwościowych, korelacyjnych i statystycznych do klasyfikacji i rozpoznawania podstawowych form WNZ, porównania wyników uzyskiwanych metodą EA z rezultatami uzyskiwanymi innymi metodami diagnostycznymi [93]. W ostatnim czasie rozwój metody EA wywołany był głównie przez doskonalenie techniki pomiarowej i zastosowanie do analizy uzyskanych wyników cyfrowych metod przetwarzania sygnałów. Wykorzystanie szerokopasmowych przetworników piezoelektrycznych oraz wielokanałowych kart pomiarowych umożliwiających równoczesną rejestrację sygnałów z kilku przetworników i zapis danych na dysku komputera 5

6 spowodowały, że wykonywanie pomiarów nie stanowi obecnie poważniejszych problemów. Równocześnie z doskonaleniem techniki pomiarowej do opisu sygnałów EA od WNZ wprowadzono w szerokim zakresie analizę czasowo częstotliwościową, wykonywaną przy pomocy STFT oraz CWT i DWT. Interpretacja wyników pomiarowych prowadzona jest również w dziedzinie częstotliwościowej, w oparciu o analizę przebiegów widm gęstości mocy i amplitudowego oraz deskryptorów je charakteryzujących. Metoda EA wykorzystuje zjawisko powstawania fali akustycznej podczas generacji WNZ. Propagacja fali akustycznej wewnątrz transformatora jest związana z procesami fizycznymi, zależnymi od rodzaju i właściwości oleju izolacyjnego, w którym występują WNZ. Cząstki oleju wykonując drgania wokół położenia równowagi oddziałują na sąsiednie atomy poprzez wiązania międzycząsteczkowe i w ten sposób przekazują ruch falowy. Oddziaływania te są zależne m. in. od wielkości ciśnienia, gęstości i temperatury ośrodka, w którym zdarzenie akustyczne występuje [33, 34, 83]. W czasie eksploatacji transformatorów olej podlega procesom starzenia. Związane jest to ze zmianami jego parametrów fizykochemicznych, na które mają wpływ: rodzaj oleju izolacyjnego oraz czas i warunki w jakich był eksploatowany transformator. Zmiana parametrów fizykochemicznych oleju elektroizolacyjnego może wpływać na właściwości propagacji fali akustycznej generowanej przez WNZ. Zmianę warunków rozchodzenia się fali akustycznej można opisać za pomocą dwóch podstawowych parametrów tj.: współczynnika tłumienia i prędkości rozchodzenia się fali. Bazując na doniesieniach literaturowych można stwierdzić, że wraz ze zmianą temperatury olejów elektroizolacyjnych zmienia się prędkość rozchodzenia fali akustycznej [38, 93]. Współczynnik tłumienia jest zależny od właściwości fizykochemicznych oleju oraz od częstotliwości sygnału EA, natomiast temperatura oleju nie wpływa na wartość współczynnika tłumienia fali akustycznej generowanej przy stałej częstotliwości. Natomiast zarówno zmiana prędkości jak i tłumienie fali akustycznej mają wpływ na deskryptory czasowe sygnałów EA od WNZ rejestrowane przetwornikiem piezoelektrycznym [37, 39, 93, 95]. Wprowadzenie do metody EA nowoczesnych sposobów przetwarzania sygnałów i narzędzi służących do interpretacji wyników pomiarowych spowodowało konieczność przeprowadzenia badań nad wpływem parametrów fizykochemicznych olejów izolacyjnych na wartości deskryptorów opisujących rejestrowane sygnały EA w dziedzinie częstotliwościowej i czasowo częstotliwościowej. Badania te stanowią tematykę niniejszej pracy a uzyskane wyniki pozwolą określić przydatność łącznej analizy czasowo częstotliwościowej (JTFA) do interpretacji sygnałów EA generowanej przez WNZ w urządzeniach elektroenergetycznych z izolacją papierowo olejową. Ze względu na złożoną strukturę fizykochemiczną olejów izolacyjnych, skomplikowany mechanizm starzenia olejów, jak również przebieg samego zjawiska WNZ, postanowiono tezę pracy udowodnić na podstawie badań laboratoryjnych. W celu przeprowadzenia pomiarów zbudowano dwa układy pomiarowe. Pierwszy etap prac badawczych obejmował pozyskanie do badań próbek olejów izolacyjnych i zmierzenie ich parametrów fizykochemicznych. Do badań wykorzystano próbki olejów pobrane z pracujących transformatorów, które charakteryzowały się różnymi czasami i warunkami eksploatacji. Dla pobranych próbek zmierzono parametry fizykochemiczne, takie jak: napięcie przebicia, zawartość wody, liczba kwasowa, współczynnik strat dielektrycznych tgδ, rezystywność, lepkość, gęstość, temperatura zapłonu oraz określono kolor i wygląd. W drugim etapie przeprowadzono badania, których celem było określenie wpływu parametrów fizykochemicznych oleju izolacyjnego na wyniki analizy czasowo częstotliwościowej sygnałów EA generowanej przez WNZP. W tym celu pozyskane do badań próbki olejów izolacyjnych kolejno umieszczano w układzie pomiarowym przedstawionym 6

7 na rys. 1 w rozdziale 5 i dla każdej z nich generowano WNZP. Pomiary wykonywano przy stałej temperaturze oleju izolacyjnego wynoszącej 50 C. Trzeci etap badań obejmował wyznaczenie wpływu temperatury na wyniki analizy czasowo częstotliwościowej sygnałów EA generowanej przez WNZP. Prace badawcze przeprowadzono w tym samym układzie pomiarowym. W tym przypadku kadź pomiarową wypełniono fabrycznie nowym olejem izolacyjnym, którego temperaturę zmieniano w przedziale (30 85) C. Tak dobrany zakres temperaturowy pozwalał na odzwierciedlenie rzeczywistych warunków termicznych panujących w czasie normalnej pracy transformatora. Temperaturę zmieniano w sposób ciągły co 10 C. W celu zapewnienia tej samej temperatury w całej objętości cieczy izolacyjnej w czasie podgrzewania oleju wymuszano w sposób sztuczny jego przepływ, natomiast podczas wykonywania pomiarów pompę wymuszającą przepływ wyłączano. Czwarta część prac naukowo badawczych związana była z określeniem wpływu prędkości przepływu oleju izolacyjnego na wyniki analizy w dziedzinie czasowo częstotliwościowej sygnałów EA generowanej przez WNZP. Badania te wykonano generując sygnały EA od WNZP w oleju fabrycznie nowym, zmieniając prędkość przepływu w zakresie od 0 do 3,7 m 3 /min. Prędkość przepływu mierzono przepływomierzem stanowiącym wyposażenie układu pomiarowego, natomiast regulację dokonywano w sposób skokowy przełącznikiem umieszczonym na pompie lub płynnie za pomocą połączenia obejściowego z zaworem sterującym. Zastosowany w badaniach zakres prędkości przepływu odpowiada rzeczywistym wartościom, jakie mogą występować w transformatorach blokowych dużej mocy. W celu określenia wpływu grubości izolacyjnej warstwy olejowej na wyniki analizy w dziedzinie czasowo częstotliwościowej sygnałów EA generowanej przez WNZP wykonano drugi układ pomiarowy przedstawiony na rys. 5 i opisany w rozdziale 5. W układzie tym zamodelowano rzeczywiste długości drogi propagacji występujące w transformatorach dużych mocy. Układ pomiarowy wypełniono olejem nowym oznaczonym numerem 11. Do rejestracji sygnałów EA generowanej przez WNZP wykorzystano dwa hydrofony, z których jeden umieszczono w miejscu generacji wyładowań, natomiast położenie drugiego zmieniano względem iskiernika w zakresie od 30 do 200 cm. Dla wszystkich zarejestrowanych sygnałów EA od WNZP przeprowadzono analizę w dziedzinie częstotliwościowej i czasowo częstotliwościowej. Analiza sygnałów EA w dziedzinie częstotliwości polegała na wyznaczeniu widma amplitudowego oraz trzech deskryptorów: współczynnika kształtu, współczynnika szczytu i częstotliwości medianowej obliczonych dla widma gęstości mocy i widma amplitudowego. Analizę czasowo częstotliwościową wykonano przy STFT oraz CWT i DWT. Wyniki STFT przedstawiono na dwu- i trójwymiarowych spektrogramach widmowej gęstości mocy i widma amplitudowego. Wyniki CWT przedstawiono przy pomocy skalogramów, natomiast rezultaty DWT zobrazowano wyznaczając przebiegi czasowe na kolejnych poziomach dekompozycji. Dodatkowo w celu zobrazowania ilości energii przenoszonej przez poszczególne detale sporządzono diagramy kolumnowe. 4. Charakterystyka wykorzystanych w badaniach olejów izolacyjnych W celu przeprowadzenia badań zmierzających do określenia wpływu parametrów fizykochemicznych oleju izolacyjnego na wyniki analizy czasowo częstotliwościowej sygnałów EA generowanej przez WNZ pobrano próbki olejów, które pochodziły ze znajdujących się w eksploatacji transformatorów rozdzielczych, będących własnością Koncernu Energetycznego EnergiaPro S.A. Oddział w Opolu. Szczegółowe dane dotyczące parametrów transformatorów, z których pobrano próbki olejów izolacyjnych przedstawiono w tablicy 1. 7

8 8

9 9

10 Oprócz olejów pobranych z jednostek znajdujących się w eksploatacji do badań włączono dwie dodatkowe próbki olejów. Pierwszy olej pozyskano dzięki współpracy ze szwedzką firmą NYNAS, która udostępniła olej fabrycznie nowy typu NYTRO 10 GBN, w pracy oznaczony numerem 11. Drugą próbką był olej silnie zestarzony i zanieczyszczony oznaczony numerem 12. Badania parametrów fizykochemicznych pobranych próbek olejów izolacyjnych wykonano w laboratorium Koncernu Energetycznego EnergiaPro S.A. Oddział w Opolu. Wyniki przeprowadzonych badań olejów izolacyjnych przedstawiono w tabeli 2. Zaproponowane do badań próbki mineralnych olejów izolacyjnych różnią się między sobą czasem pracy oraz parametrami fizykochemicznymi. Duże zróżnicowanie parametrów fizykochemicznych badanych olejów pozwala na wykonanie w szerokim zakresie oceny ich wpływu na wyniki analizy czasowo częstotliwościowej sygnałów EA generowanej przez WNZ. 5. Charakterystyka układów pomiarowych Dla realizacji przyjętych w rozprawie celów zbudowano dwa układy pomiarowe do generacji i rejestracji sygnałów EA od WNZP. Pierwszy układ pomiarowy wykorzystano w celu określenia wpływu zmian parametrów fizykochemicznych, temperatury i prędkości przepływu oleju izolacyjnego na wyniki analizy czasowo częstotliwościowej uzyskiwane za pomocą metody EA. Natomiast drugi układ umożliwia zbadanie wpływu grubości izolacyjnej warstwy olejowej na rezultaty interpretacji sygnałów EA generowanej przez WNZP w dziedzinie czasowo częstotliwościowej. Rys. 1 Układ pomiarowy do wyznaczenia wpływu zmian parametrów fizykochemicznych oleju izolacyjnego, jego temperatury i prędkości przepływu na wyniki analizy czasowo częstotliwościowej sygnałów EA generowanych przez WNZP Układ przedstawiony na rys. 1 składa się z dwóch podstawowych elementów. Pierwszy stanowi kadź, którą wypełniano kolejnymi próbkami oleju izolacyjnego, natomiast drugim członem jest układu do regulacji i stabilizacji przepływu oraz temperatury. Kadź o wymiarach 20 cm x 20 cm x 50 cm wykonano z blachy stalowej o grubości 6 mm. Jej konstrukcja i wymiary zdeterminowane są ograniczoną objętością pobranych próbek olejów transformatorowych. Na bocznych ściankach kadzi zamontowano zawory umożliwiające 10

11 podłączenie układu do regulacji i stabilizacji przepływu oraz temperatury. Oba układy sprzężono ze sobą za pomocą węży wykonanych z materiału odpornego na działanie oleju i wysokiej temperatury. Wewnątrz kadzi umieszczono: iskiernik generujący WNZP, hydrofon rejestrujący sygnały EA oraz czujnik połączony z elektronicznym przyrządem do pomiaru temperatury [27, 28]. Iskiernik zanurzono w oleju izolacyjnym w ten sposób, aby znajdował się w centralnym miejscu kadzi. Hydrofon umieszczono wewnątrz kadzi, w odległości 10 cm od iskiernika. Można wiec przyjąć, że sygnały EA rejestrowano bezpośrednio w miejscu generacji WNZ, gdyż tłumienie 10-cio centymetrowej warstwy oleju izolacyjnego jest praktycznie pomijalne. Położenie hydrofonu stabilizował uchwyt przymocowany do układu pomiarowego zapewniający powtarzalność jego usytuowania względem miejsca generacji WNZP. Głównym zadaniem układu do regulacji i stabilizacji przepływu oraz temperatury jest odtworzenie rzeczywistych warunków termicznych panujących w transformatorze oraz wymuszenie przepływu oleju izolacyjnego. Widok tego układu przedstawiono na rys. 2. Rys. 2 Układ do regulacji i stabilizacji przepływu oraz temperatury oleju izolacyjnego 1 pompa, 2 połączenie obejściowe, 3 zawory sterujące, 4 przepływomierz, 5 układ grzewczy, 6 termostat W układzie zilustrowanym na rys. 2 w celu wymuszenia przepływu oleju zastosowano pompę DAB VA 55/180. Pompa ta posiada trójstopniową skokową regulację przepływu. Dodatkowo w celu zwiększenia możliwości regulacyjnych układu zastosowano połączenie obejściowe (2), które dzięki zaworom sterującym (3) umożliwia płynną regulację przepływu w zakresie od 0 do 3,7 m 3 /min. Prędkość przepływu mierzono za pomocą przepływomierza (4). Olej izolacyjny o niższej temperaturze znajdujący się w kadzi przetłaczano przy pomocy pompy do układu grzewczego (5), gdzie zwiększa się jego temperatura a następnie z powrotem do kadzi. Element grzewczy współpracuje z termostatem (6), który stabilizuje warunki termiczne w kadzi. Wymuszony przepływ oleju pozwala na zapewnienie stałej temperatury oleju w całej jego objętości, w czasie wykonywania pomiarów [24, 59]. Kadź, wraz z transformatorem probierczym umieszczono w celce pomiarowej, która jest wydzielonym i izolowanym akustycznie pomieszczeniem. Z transformatora probierczego doprowadzono do iskiernika generującego WNZP napięcie o wartości 15,6 kv. Napięcie to stanowiło 0,8 U p. Układ do regulacji i stabilizacji temperatury i przepływu umieszczono na zewnątrz celki pomiarowej ze względu na konieczność regulacji zarówno prędkości przepływu jak i temperatury oleju izolacyjnego w czasie wykonywania pomiarów. 11

12 W celu określenia wpływu grubości warstwy oleju izolacyjnego na wyniki analizy sygnałów EA generowanej przez WNZP w dziedzinie czasowo częstotliwościowej, zbudowano drugi układ pomiarowy, który uwzględnia rzeczywiste długości drogi propagacji sygnałów EA, jakie mogą występować w transformatorach elektroenergetycznych. Widok tego układu przedstawiono na rys. 3. Rys. 3 Widok układu modelującego drogę propagacji sygnałów EA od WNZP Głównym elementem układu jest model drogi propagacji wykonany w postaci rury z tworzywa sztucznego o średnicy 160 cm i długości 300 cm. Rurę umieszczono w celce pomiarowej za pomocą specjalnych stojaków umożliwiających bezpieczne jej zamocowanie. Wzdłuż rury wykonano szereg okien o szerokości 10 cm umożliwiających wprowadzenie do jej środka iskiernika oraz hydrofonów, a zarazem dających możliwość regulacji odległości hydrofonu względem iskiernika. Schemat zastosowanego układu pomiarowego przedstawia rys. 4 Komputer z kartą pomiarową Układ wzmacniający i filtrujący Układ wzmacniający i filtrujący Układ modelujący drogę propagacji WN Iskiernik do generacji WNZP Hydrofon umieszczony w miejscu generacji Hydrofon umieszczony w określonej odległości od iskiernika Rys. 4 Schemat układu pomiarowego do wyznaczania wpływu grubości izolacyjnej warstwy olejowej na wyniki analizy czasowo częstotliwościowej sygnałów EA generowanych przez WNZP 12

13 Podobnie jak w przypadku pierwszego układu pomiarowego do iskiernika doprowadzono napięcie 15,6 kv. Do badań wpływu grubość izolacyjnej warstwy olejowej na wyniki analizy sygnałów EA od WNZP zastosowano dwa hydrofony typu 8103, firmy Brüel&Kjær. Pierwszy z nich umieszczono w miejscu generacji WNZP, natomiast położenie drugiego hydrofonu zmieniano przemieszczając go wzdłuż długości rury. W ten sposób uzyskano zmiany odległości od źródła WNZP w zakresie od 30 do 200 cm. Iskiernik umieszczono w odległości 100 cm od końca rury. Wewnętrzne ścianki kadzi pokryto materiałem dźwiękochłonnym w celu zmniejszenia wpływu odbić powstających podczas generacji WNZP na sygnały EA. Tak przygotowany model drogi propagacji wypełniono fabrycznie nowym olejem izolacyjnym. Sygnały EA generowane przez WNZP rejestrowano dwoma równoległymi torami pomiarowymi [26, 28]. Pomiary sygnałów EA generowanej przez WNZP wykonywano przy pomocy hydrofonów firmy Brüel&Kjær, typu Zasadniczą zaletą hydrofonów w porównaniu z przetwornikami stykowymi jest możliwość rejestracji sygnałów EA bezpośrednio w miejscu generacji WNZ. Pomiary szerokopasmowymi przetwornikami stykowymi, wykonywane na zewnątrz kadzi, są obarczone błędem, który wynika z faktu, że sygnał który dociera do przetwornika jest rozmyty i dodatkowo wytłumiony przez stalową kadź. W badaniach wpływu parametrów fizykochemicznych oleju izolacyjnego na sygnały EA generowanej przez WNZP, należało rejestrować sygnały niewytłumione występujące wewnątrz kadzi pomiarowej tj. bezpośrednio w miejscu generacji WNZP. W tym celu podczas badań zastosowano przetwornik o węższym paśmie przenoszenia w porównaniu z przetwornikiem stykowym, który jednak może być umieszczony wewnątrz ośrodka, gdzie propaguje fala akustyczna pochodząca od WNZP. Hydrofony firmy Brüel&Kjær, typu 8103 odznaczają się wysoką czułością 30 μv/pa (-211 db w odniesieniu do 1 V/μPa). Powłoka przetwornika wykonana jest z polipropylenu, który umożliwia stosowanie hydrofonu w szerokim zakresie temperatur pracy od 40 C do 120 C [43]. Hydrofony rejestrujące sygnały EA generowanej przez WNZP podłączono do układów wzmacniających i filtrujących AE SIGNAL ANALYSER firmy EA SYSTEM. Przyrządy te są wyposażone w filtr pasmowo przepustowy o częstotliwościach od 10 do 700 khz. Sygnał z przetwornika piezoelektrycznego wzmacniano o 34 db. Układy te są przeznaczone do współpracy z kartą pomiarową podczas rejestracji sygnałów EA przy dołączonym przetworniku piezoelektrycznym jednoprzewodowym lub sensorze dwuprzewodowym [29, 79]. Sygnały EA generowane przez WNZP rejestrowano czterokanałową kartą pomiarową CH 3160 firmy Acquitek. Podczas wykonywania pomiarów sygnały EA generowane przez WNZP próbkowano z częstotliwością 2,56 MHz, rejestrowano próbek co pozwoliło na obserwację sygnału w czasie 20 ms. 6. Wybór deskryptorów charakteryzujących rejestrowane sygnały emisji akustycznej w dziedzinie częstotliwości Z pośród dużej liczby deskryptorów, które mogą znaleźć zastosowanie w opisie sygnałów EA od WNZ, w badaniach wykorzystano tylko trzy, które są najczęściej wykorzystywane w analizie częstotliwościowej i stosowane są do rozpoznawania podstawowych form WNZ. Wyznaczono więc: współczynnik kształtu, współczynnik szczytu oraz częstotliwość medianową. Deskryptory te obliczono dla zarejestrowanych sygnałów EA oddzielnie dla widma gęstości mocy oraz widma amplitudowego. 13

14 Współczynnik kształtu K{E(f)} obliczono za pomocą wzoru: E K = E RMS { E( f )}, ŚR gdzie: E(f) wartość widma gęstości mocy lub widma amplitudowego, E RMS wartość skuteczna obliczona z zależności: f 2 f 1 RMS = f 2 2 E ( f ) df E, f 1 E ŚR wartość średnia wyznaczono ze wzoru: f 2 f 1 = ŚR f 2 f 1 df E( f ) df E. Współczynnik szczytu W{E(f)} wyrażono w postaci: EMAX W { E( f )} =, ERMS gdzie: E MAX wartość maksymalna. Częstotliwość medianowa f MED wyrażona jest zależnością: f MED f MED df = 2 E( f ) df = E( f ) df. f 1 f 2 f 1 7. Omówienie wyników W celu zwięzłego przedstawienia rezultatów prowadzonych prac badawczych w ramach autoreferatu przedstawiono przykładowe wyniki w następujący sposób: - ocenę wpływu parametrów fizykochemicznych omówiono na podstawie wyników analizy częstotliwościowej, - ocenę wpływy temperatury przedstawiono z wykorzystaniem krótkoczasowego przekształcenia Fouriera, - ocenę wpływu prędkości przepływu omówiono za pomocą ciągłej transformaty falkowej, - ocenę wpływu grubości izolacyjnej warstwy przedstawiono z wykorzystaniem dyskretnej transformaty falkowej. 7.1 Określenie wpływu zmian parametrów fizykochemicznych W celu określenia wpływu zmian parametrów fizykochemicznych oleju izolacyjnego na wyniki analizy częstotliwościowej i czasowo częstotliwościowej sygnałów EA 14

15 generowanej przez WNZP wykorzystano 12 próbek olejów. W każdej z badanych próbek oleju generowano WNZP. Do rejestracji sygnałów EA od WNZP wykorzystano układ przedstawiony na rys. 1 i szczegółowo opisany w rozdz. 5. Każdorazowo zbiornik modelujący kadź transformatora wypełniano 30 l oleju, a następnie przed wykonywaniem pomiarów próbkę oleju podgrzewano do temperatury 50ºC. Temperaturę oleju mierzono w pobliżu iskiernika umieszczonego w centralnym miejscu pojemnika modelującego kadź transformatora. Zarejestrowane za pomocą karty pomiarowej sygnały zapisywano w postaci plików tekstowych, a następnie po ich odpowiednim przygotowaniu wykonywano analizę częstotliwościową. Dla zarejestrowanych sygnałów EA generowanej przez WNZP w badanych próbkach olejów izolacyjnych wyznaczono widma amplitudowe, które przedstawiono na rys. 5. a) A [db] f [khz] olej nr 1 olej nr 2 olej nr 3 olej nr 4 olej nr 5 olej nr 6 b) A [db] f [khz] olej nr 7 olej nr 8 olej nr 9 olej nr 10 olej nr 11 olej nr 12 Rys. 5 Przebieg widma amplitudowego sygnałów EA generowanej przez WNZ w olejach izolacyjnych o numerach: a) 1 do 6, b) 7 do 12 15

16 Zilustrowane na rys. 5 widma amplitudowe odpowiadające sygnałom EA generowanej przez WNZP w poszczególnych olejach izolacyjnych charakteryzują się podobnym kształtem przebiegu. Zaprezentowane widma amplitudowe zawierają częstotliwości z przedziału od 20 khz do 350 khz. W widmach tych można wyróżnić jednak dwa zakresy dominujących częstotliwości, które mają większą wartość amplitudy. Pierwszy zakres zawiera częstotliwości w przedziale od 20 do 180 khz, natomiast drugi od 220 do 340 khz. Największy udział amplitudowy w prezentowanym widmie mają częstotliwości z pierwszego zakresu. Ich wartości dochodzą do 35 db. Amplituda widma w drugim przedziale jest niższa i nie przekracza 30 db. Różnice między analizowanymi widmami dotyczą jedynie ich amplitudy i szczególnie widoczne są w widmach wyznaczonych dla olejów nr 6, 8 i 9, natomiast kształt przebiegu jest podobny dla każdej z badanych próbek. Dla zarejestrowanych sygnałów EA od WNZP wyznaczono również widma gęstości mocy, które w pracy nie zostały zamieszczone ze względu na fakt, iż ich analiza prowadziła do podobnych wniosków. Tabela 3 Zestawienie porównawcze wybranych deskryptorów widmowej gęstości mocy i widma amplitudowego sygnałów EA generowanej przez WNZP w olejach izolacyjnych o różnych parametrach fizykochemicznych Deskryptor Deskryptory widmowej gęstości mocy Deskryptory widma amplitudowego Nr oleju Współczynnik szczytu [-] Współczynnik kształtu [-] Częstotliwość medianowa [khz] Współczynnik szczytu [-] Współczynnik kształtu [-] Częstotliwość medianowa [khz] 1 24,91 4,86 120,06 11,39 3,15 130, ,81 4,69 102,05 11,14 2,75 119, ,62 4,71 127,50 10,69 3,00 136, ,63 4,72 107,59 10,93 2,77 123, ,96 4,77 128,18 11,33 2,92 136, ,01 4,70 107,59 10,52 2,79 122, ,88 4,21 94,80 10,23 2,66 107, ,41 5,02 117,15 11,48 2,99 133, ,18 4,24 91,29 10,10 2,71 102, ,25 4,51 113,07 10,59 2,69 130, ,42 4,27 100,69 10,19 2,71 110, ,60 4,94 90,18 11,14 2,85 111,94 Wartość średnia Odchylenie standardowe Odchylenie standardowe wyrażone w % wartości średniej 24,14 4,64 108,34 10,81 2,83 122,06 0,94 0,27 13,15 0,49 0,15 11,63 3,89 5,87 12,13 4,53 5,38 9,53 16

17 Zarówno dla widma gęstości mocy jak i widma amplitudowego wyznaczono wartości następujących deskryptorów: współczynnika kształtu, współczynnika szczytu i częstotliwości medianowej. Ich wartości średnie obliczone oddzielnie dla każdej serii pomiarowej przedstawiono w tabl. 3. Dla poszczególnych deskryptorów obliczono wartość średnią, a następnie wyznaczono odchylenie standardowe. Ponadto w celu określenia bezwzględnej różnicy między analizowanymi sygnałami odchylenie standardowe wyrażono w procentach wartości średniej. Dla badanych olejów izolacyjnych wartość częstotliwości medianowej, dzielącej analizowane widmo na części o równej energii przenoszonej przez poszczególne harmoniczne, zawiera się w granicach od 90,18 do 128 khz dla widma gęstości mocy oraz od 102,99 do 136,60 khz dla widma amplitudowego. Jest to deskryptor, którego wartości najbardziej różniły się między sobą, co potwierdzają obliczone wartości odchylenia standardowego wynoszące odpowiednio: 12,13 % dla widma amplitudowego i 9,53 % dla widma gęstości mocy. Średnia wartość współczynnika szczytu dla poszczególnych olejów jest równa 4,64 dla widma gęstości mocy i 2,83 dla widma amplitudowego, a odchylenie standardowe przyjmuje wartości odpowiednio 3,89 % i 4,53 %. Odchylenie standardowe obliczone dla wyznaczonych wartości współczynnika kształtu wynosi 5,87% dla widma gęstości mocy i 5,38 % dla widma amplitudowego Określenie wpływu zmian temperatury oleju Na właściwości fizykochemiczne olejów izolacyjnych pracujących w transformatorach elektroenergetycznych istotny wpływ ma ich temperatura. W zależności od warunków pracy transformatora, zastosowanego sposobu chłodzenia i miejsca zainstalowania, temperatura oleju izolacyjnego w tzw. gorących punktach (ang. hot spots) może osiągnąć wartość nawet do 90 ºC. W celu określenia wpływu temperatury na wyniki analizy częstotliwościowej i czasowo częstotliwościowej przeprowadzono badania w zaprojektowanym i wykonanym układzie pomiarowym do wyznaczania wpływu temperatury i prędkości przepływu, który przedstawiono na rys. 1 i szczegółowo scharakteryzowano w rozdz. 5. Podczas wykonywania pomiarów temperaturę oleju zmieniano w zakresie od 30 do 85 ºC, z gradacją co 10 ºC. Przyjęty do badań zakres temperaturowy odpowiada rzeczywistym wartościom temperatur, jakie mogą występować podczas pracy transformatora elektroenergetycznego w warunkach przemysłowych. WNZP generowano w oleju fabrycznie nowym oznaczonym nr 11. Zmiany temperatury rejestrowano termometrem elektronicznym wyposażonym w sondę pomiarową, którą umieszczano w centralnym miejscu kadzi. W ramach autoreferatu przedstawiono rezultaty badań nad wpływem temperatury na wyniki analizy czasowo częstotliwościowej z wykorzystaniem STFT przedstawiając dwu i trójwymiarowe spektrogramy widma gęstości mocy i trójwymiarowe spektrogramy widma amplitudowego. Zamieszczono jedynie przykładowe spektrogramy wyznaczone dla temperatury 30 ºC. 17

18 Rys. 6 Dwuwymiarowy spektrogram widmowej gęstości mocy sygnałów EA generowanej przez WNZP wyznaczony dla temperatury oleju 30 ºC Na dwuwymiarowych spektrogramach widmowej gęstości mocy odpowiadających zmianom temperatur z zakresu (30 85) ºC, widoczne są struktury czasowo częstotliwościowe występujące w dwóch zakresach częstotliwości: (20 180) khz i ( ) khz. Czas trwania wyznaczonych struktur nie przekracza 4,5 ms dla temperatur mniejszych od 50 ºC i wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się, co związane jest ze wzrostem intensywności występowania wyładowań. Struktury powstające w paśmie częstotliwości (20 180) khz charakteryzują się dłuższym czasem trwania w porównaniu ze strukturami z zakresu ( ) khz. Ponadto wraz ze wzrostem temperatury można również zauważyć zjawisko łączenia się obu zakresów częstotliwości w obszar rozciągający od 20 do 350 khz. Zjawisko to spowodowane jest zwiększeniem się wartości amplitud w analizowanych strukturach widma gęstości mocy. Rys. 7 Trójwymiarowy spektrogram widmowej gęstości mocy sygnałów EA generowanej przez WNZP wyznaczony dla temperatury oleju 30 ºC Wyniki uzyskane przy zastosowaniu dwuwymiarowych spektrogramów widma gęstości mocy uzupełniono o spektrogramy trójwymiarowe. Największe wartości amplitud mają składowe częstotliwościowe z zakresu od 20 khz do 180 khz. Wraz ze zwiększaniem temperatury, można zaobserwować nieznaczny wzrost wartości amplitud w analizowanych widmach. Jest on widoczny i proporcjonalny zarówno dla składowych nisko jak i wysokoczęstotliwościowych. Dlatego zwiększenie się wartości amplitudy wraz ze wzrostem temperatury nie wpływa na wyniki pomiarowe uzyskane za pomocą metody EA. Wzrost intensywności WNZP, jak również wzrost czasu trwania analizowanych struktur czasowo częstotliwościowych może być spowodowany zmianą charakteru 18

19 powstających wyładowań. Przy wyższych temperaturach rejestrowane WNZP wykazują cechy wyładowań podtrzymywanych. Analiza przedstawionych spektrogramów widma amplitudowego potwierdza udział częstotliwości z zakresu od 20 do 350 khz. Niezależnie od wielkości temperatury oleju izolacyjnego z zakresu (30 85)ºC amplitudy w wyznaczonych spektrogramach nie różnią się znacząco między sobą. Rys. 8 Trójwymiarowy spektrogram widma amplitudowego sygnałów EA generowanej przez WNZP wyznaczony dla temperatury oleju 30 ºC 7.3. Określenie wpływu zmian prędkości przepływu oleju W transformatorach elektroenergetycznych olej izolacyjny znajduje się w ciągłym ruchu. Ruch oleju może odbywać się w sposób naturalny, powstający na skutek różnicy temperatur, lub w sposób wymuszony przez zespół pomp. Prędkość przepływu oleju podczas pracy transformatorów elektroenergetycznych nie jest stała i zależy od szeregu czynników, do których można zaliczyć: moc transformatora, sposób chłodzenia, ilość i wydajność zastosowanych pomp, chwilowe wartości obciążenia itp. Podczas pracy danego transformatora prędkość przepływu oleju ulega więc ciągłym zmianom [42, 66, 72]. Ciągły przepływ oleju izolacyjnego w miejscu występowania WNZ powoduje zmianę warunków generacji wyładowań i rozchodzenia się powstającej fali akustycznej. Ze względu na ciągły ruch cząsteczek oleju, za pomocą których propaguje fala akustyczna, powstający podczas WNZP sygnał EA może zostać zniekształcony. Dlatego w ramach niniejszej pracy wykonano badania mające na celu określenie wpływu prędkości przepływu oleju izolacyjnego na wyniki analizy częstotliwościowej i czasowo częstotliwościowej sygnałów EA generowanej przez WNZP. Prędkość przepływu oleju zmieniano w zakresie (0 3,7) m 3 /min z gradacją 0,5 m 3 /min. Badania przeprowadzono w układzie pomiarowym, którego schemat przedstawiono na rys. 1 i scharakteryzowano w rozdz. 5. Pomiary wykonano podobnie jak przy zmianach temperatury z wykorzystaniem fabrycznie nowego oleju izolacyjnego oznaczonego numerem 11, który w czasie pomiarów podgrzewano do temperatury 50 ºC. W ramach autoreferatu ocenę wpływu prędkości przepływu oleju izolacyjnego na wyniki analizy czasowo częstotliwościowej przedstawiono z wykorzystaniem skalogramów CWT. Analizę falkową przeprowadzono przy wykorzystaniu falki Morleta. Zilustrowano również przykładowy skalogram CWT dla sygnałów EA generowanej przez WNZP w oleju przepływającym z prędkością 3,7 m 3 /min. Zagadnienia teoretyczne związane z analizą falkową opisane są m. in. w pracach [3, 7, 46, 57, 61]. 19

20 Rys. 9 Skalogram CWT sygnałów EA generowanej przez WNZP w oleju izolacyjnym przepływającym z prędkością 3,7 m 3 /min Skalogram CWT wyznaczono dla przedziału czasowego (0 2) ms. Pasmo dominujących częstotliwości przedstawione na skalogramie z rys. 9 rozciąga się w zakresie częstotliwości (25 200) khz. Zauważalny jest również udział wyższych częstotliwości w przedziale ( ) khz. Częstotliwości z pierwszego zakresu charakteryzują się znacznie większą amplitudą oraz dłuższym czasem trwania. Struktury te wraz z upływem kolejnych chwil czasowych zmniejszają swoją amplitudę. Zmniejszanie wartości amplitud w wyznaczonych strukturach falkowych powstające wraz ze wzrostem czasu związane jest z propagacją fali akustycznej w kadzi pomiarowej i powstającymi odbiciami. Największe amplitudy w prezentowanym skalogramie mają częstotliwości z zakresu (30 150) khz. Znaczący jest również udział składowych wysokoczęstotliwościowych od 250 khz do 450 khz, jednakże ich amplituda i czas trwania są mniejsze w porównaniu ze składowymi z pierwszego zakresu częstotliwości. Na skalogramach CWT wyznaczonych dla sygnałów EA od WNZP przy prędkościach przepływu z zakresu (0 3) m 3 /min widoczne są również powtarzające się struktury czasowo częstotliwościowe, których zakresy dominujących częstotliwości są zawarte w tych samych przedziałach co struktury przedstawione na rys. 9. Skalogramy te charakteryzują się również zbliżoną wartością amplitudy prezentowanych struktur oraz intensywnością ich występowania Określenie wpływu grubości olejowej warstwy izolacyjnej Rejestracji sygnałów EA od WNZ w transformatorach elektroenergetycznych towarzyszy tłumienie fali akustycznej, która przechodzi przez warstwę oleju izolacyjnego o znacznej grubości, a także przez złożony układ izolacyjny znajdujący się w jego wnętrzu. Amplituda sygnału EA od WNZ w miejscu jego generacji jest znacznie większa niż amplituda sygnału docierającego do przetwornika piezoelektrycznego umieszczonego na zewnątrz kadzi transformatora. Wpływa to na znaczne rozmycie sygnału EA oraz decyduje o rezultatach uzyskiwanych w dziedzinie czasu. W celu określenia wpływu grubości izolacyjnej warstwy olejowej na wyniki analizy częstotliwościowej i czasowo częstotliwościowej zaprojektowano i zbudowano drugi układ 20

21 pomiarowy którego schemat przedstawiono na rys. 4, a charakterystykę zawarto w rozdz. 5. Sygnały EA generowanej przez WNZP rejestrowano dwoma hydrofonami, z których pierwszy był umieszczony w miejscu generacji WNZP, natomiast położenie drugiego hydrofonu zmieniano w zakresie (30 200) cm od iskiernika. Układ pomiarowy wypełniono fabrycznie nowym olejem izolacyjnym nr 11. W ramach autoreferatu ocenę wpływu grubości izolacyjnej warstwy olejowej na wyniki analizy czasowo częstotliwościowej przedstawiono z wykorzystaniem DWT. Analizę DWT przeprowadzono z wykorzystaniem falki symlet ósmego rzędu. Wyniki przekształcenia DWT zaprezentowano w postaci przebiegów detali na siedmiu poziomach dekompozycji oraz diagramów kolumnowych obrazujących ilość energii przenoszonej przez poszczególne detale. Na rys. 10 przedstawiono przykładowe widmo gęstości mocy obliczone dla sygnałów EA od WNZP zarejestrowanych w miejscu generacji z zaznaczonymi przedziałami częstotliwości odpowiadającymi poszczególnym detalom. Rys. 10 Widmo gęstości mocy z zaznaczonymi obszarami częstotliwości odpowiadającymi poszczególnym detalom wyznaczone dla sygnałów EA generowanej przez WNZP zarejestrowanych za pomocą hydrofonu umieszczonego w miejscu generacji wyładowań Rys. 11 Dyskretna dekompozycja falkowa sygnałów EA generowanej przez WNZP zarejestrowanych za pomocą hydrofonu umieszczonego w miejscu generacji wyładowań 21

22 Rys. 12 Wielkość energii przenoszonej przez poszczególne detale wyznaczona dla sygnałów EA generowanej przez WNZP zarejestrowanych za pomocą hydrofonu umieszczonego w miejscu generacji wyładowań Analizując wyniki dekompozycji falkowej, które przedstawiono na rys. 11 można stwierdzić, że największą amplitudę mają przebiegi detali D4 D6, co odpowiada częstotliwościom z zakresu (20 160) khz. Widoczny jest również udział detali D3 i D7, jednakże amplitudy ich przebiegów są znacznie mniejsze. Fluktuacje występujące w detalach D1 i D2 mają charakter szumowy i nie przenoszą istotnych informacji dotyczących analizowanego sygnału EA. Uzyskane wyniki dekompozycji falkowej uzupełniono o przedstawiony na rys. 12, diagram kolumnowy, który obrazuje wielkość przenoszonej energii przez poszczególne detale. Największy udział energetyczny w sygnale EA od WNZP rejestrowanym w miejscu generacji wyładowania ma detal D5. Znacząca część energii przenoszona jest również przez detale D4 i D6. Niewielkie ilości energii przenoszone są przez detale D3 i D7. Analizując przebiegi dekompozycji falkowej można stwierdzić, że sygnały EA generowanej przez WNZP charakteryzują się pasmem częstotliwości w zakresie (10 320) khz, w którym ze względu na wielkość przenoszonej energii wyróżniają się częstotliwości z zakresu (20 160) khz. Uzyskane wyniki dekompozycji falkowej są analogiczne do rezultatów otrzymanych przy zastosowaniu STFT oraz CWT. Dotyczy to zarówno pasma dominujących częstotliwości oraz amplitud uzyskanych struktur czasowo częstotliwościowych. Porównując wyniki analizy czasowo częstotliwościowej przy zastosowaniu DWT sygnałów EA od WNZP, które rejestrowano przy zmianach odległości między źródłem WNZP a miejscem ich rejestracji, można zauważyć, że dla wszystkich przypadków dominujące znaczenie mają trzy detale: D4, D5, D6. Zawartość tych samych detali w przebiegu dekompozycji zdarzenia akustycznego wygenerowanego przez WNZP potwierdza fakt, że zmiana długości drogi propagacji w jednorodnym środowisku olejowym nie wpływa w sposób znaczący na zakres dominujących częstotliwości. We wszystkich analizowanych przypadkach widoczny jest także udział detali D7 i D3 ale wielkość przenoszonej przez te detale energii jest stosunkowo mniejsza. 8. Analiza porównawcza uzyskanych wyników Analizę porównawczą wartości deskryptorów charakteryzujących zarejestrowane sygnały EA od WNZP w dziedzinie częstotliwości wykonano na podstawie odchylenia standardowego wyrażonego w procentach i odniesionego do wartości średniej. Na tej podstawie określono wpływ zmian badanych parametrów na wyniki analizy 22

23 częstotliwościowej. W tabeli 4 przedstawiono zbiorcze zestawienie wartości odchylenia standardowego wyrażonego w procentach wartości średniej dla analizowanych deskryptorów, które wyznaczono dla sygnałów EA od WNZP przy zmianach badanych w pracy czynników oddziałujących na olej izolacyjny. Tabela 4 Rodzaj deskryptora Wartości odchylenia standardowego wyrażonego w procentach wartości średniej wyznaczone dla deskryptorów opisujących sygnały EA generowane przez WNZP przy zmianach badanych w pracy czynników oddziałujących na olej izolacyjny Deskryptory widmowej gęstości mocy Deskryptory widma amplitudowego Rodzaj badanego czynnika Współczynnik szczytu Współczynnik kształtu Częstotliwość medianowa Współczynnik szczytu Współczynnik kształtu Częstotliwość medianowa Parametry fizykochemiczne 3,89 % 5,87 % 12,13 % 4,53 % 5,38 % 9,53 % Temperatura 8,59 % 8,84 % 4,93 % 7,27 % 6,08 % 2,24 % Prędkość przepływu Grubość izolacyjnej warstwy olejowej 8,10 % 3,70 % 5,26 % 5,67 % 1,33 % 3,36 % 12,85 % 9,75 % 5,83 % 11,19 % 7,07 % 5,54 % Badając wpływ parametrów fizykochemicznych na uzyskane wyniki analizy częstotliwościowej sygnałów EA od WNZP, największe wartości odchylenia standardowego otrzymano dla częstotliwości medianowej. Deskryptor ten wykazywał największe różnice zarówno dla widma gęstości mocy, jak i dla widma amplitudowego. Najbardziej zróżnicowane wartości współczynnika kształtu i szczytu zaobserwowano przy zmianach grubości olejowej warstwy izolacyjnej. Dla wszystkich analizowanych deskryptorów wyznaczonych przy zmianach temperatury i prędkości przepływu wartości odchylenia standardowego nie przekraczały 10 %. W pozostałych przypadkach największe odchylenie standardowe przyjmowało wartości mniejsze od 13 %. Dlatego można przyjąć, że dla sygnałów silnie niestacjonarnych różnice między wyznaczonymi deskryptorami nie są znaczące i nie wpływają na możliwości poprawnej interpretacji uzyskiwanych wyników w dziedzinie częstotliwości. Znalazło to również potwierdzenie dla przebiegów uśrednionych widm amplitudowych. Najmniejsze różnice w kształcie wyznaczonych widm amplitudowych sygnałów EA od WNZP uzyskano przy zmianach prędkości przepływu oleju. W tym przypadku zarówno pasmo dominujących częstotliwości jak również wartości amplitud odpowiadających kolejnym częstotliwościom wykazują bardzo duże podobieństwo. W pozostałych przypadkach widma różnią się nieznacznie wartościami amplitud, natomiast pasma dominujących częstotliwości oraz kształt widm pozostają takie same. Analiza czasowo częstotliwościowa wykonana z wykorzystaniem przekształcenia STFT pozwoliła na ocenę intensywności powstających WNZP w rozpatrywanym przedziale czasowym i jednocześnie umożliwiła ocenę powstałych struktur czasowo częstotliwościowych. Największy wpływ na intensywność generowanych WNZP miała wielkość temperatury oleju. Wzrost temperatury powodował zwiększenie liczby zdarzeń akustycznych w analizowanym okresie czasu. Większa częstość występowania struktur czasowo częstotliwościowych nie wpływała na zmianę zakresu dominujących 23

24 częstotliwości. Zróżnicowana intensywność występowania struktur czasowo częstotliwościowych występowała również dla sygnałów EA od WNZP generowanych w olejach o różnych parametrach fizykochemicznych. Podczas analizy wpływu prędkości przepływu oraz grubości izolacyjnej warstwy olejowej intensywność powstawania WNZP nie ulegała istotnym zmianom. Zastosowanie CWT do opisu sygnałów EA generowanej przez WNZP dało możliwość dokładniejszej obserwacji struktur czasowo częstotliwościowych szczególnie w zakresie niskich częstotliwości. Niewielkie różnice w analizowanych skalogramach dotyczyły struktur falkowych powstających w paśmie częstotliwości (0 50) khz, które szczególnie widoczne są przy zmianach temperatury oleju izolacyjnego. Analiza falkowa pozwoliła również zaobserwować krótszy czas trwania struktur z zakresu wyższych częstotliwości, co może wskazywać na ich większe tłumienie. Największe różnice między badanymi sygnałami EA zaobserwowano dla przebiegów dekompozycji falkowej. Na podstawie wyznaczonych detali można zauważyć, że poszczególne sygnały EA generowanej przez WNZP różnią się znacząco przebiegami detalu D7 oraz ilością przenoszonej przez niego energii. Różnice te dotyczą częstotliwości od 10 do 20 khz, które nie są wykorzystywane podczas oceny WNZ mierzonych metodą EA. W tym zakresie częstotliwości występują szumy i zakłócenia o charakterze akustycznym. Różnic tych nie zaobserwowano tylko przy ocenie wpływu grubości izolacyjnej warstwy olejowej. 9. Podsumowanie Na podstawie wyników prac naukowo badawczych uzyskanych podczas realizacji rozprawy wykazano, że parametry fizykochemiczne olejów izolacyjnych oraz ich temperatura, prędkość przepływu i grubość izolacyjnej warstwy olejowej nie mają znaczącego wpływu na rezultaty analizy częstotliwościowej i czasowo częstotliwościowej sygnałów EA od WNZP. Wyniki przeprowadzonych prac potwierdzają przydatność zastosowania przekształceń wykonanych przy pomocy FFT, STFT, CWT i DWT do przetwarzania i analizy sygnałów EA generowanej przez WNZ. Pomiary sygnałów EA generowanej przez WNZP wykonano z zastosowaniem hydrofonów umieszczonych wewnątrz badanej kadzi. Umożliwiło to analizę sygnałów EA bezpośrednio przy źródle WNZP i pozwoliło wyeliminować wpływ tłumienia, jakie może wprowadzać podczas pomiarów przetwornikiem stykowym metalowa konstrukcja kadzi. Należy jednak podkreślić, że uzyskane wyniki badań dotyczą pomiarów sygnałów EA od WNZ wykonywanych w warunkach laboratoryjnych, w układach modelujących jednoźródłowe WNZP oraz w środowisku pozbawionym zakłóceń typowych dla pomiarów wykonywanych w warunkach przemysłowych podczas normalnej pracy transformatora. Kierunki prowadzenia dalszych prac naukowo badawczych związane są z określeniem wpływu poszczególnych elementów konstrukcyjnych znajdujących się wewnątrz kadzi transformatora, takich jak: papier izolacyjny, preszpan, uzwojenia itp. na warunki propagacji, a w konsekwencji na uzyskiwane wyniki analizy czasowo częstotliwościowej zarejestrowanych sygnałów EA. Celem realizowanych badań dotyczących określenia wpływu drogi propagacji sygnałów EA od WNZ powinno być opracowanie modelu akustycznego transformatora elektroenergetycznego. Opracowany model uwzględniający zjawiska: tłumienia, odbicia, załamania i rozproszenia sygnału EA może być pomocny przy dokładnej ocenie wyników pomiarowych uzyskanych za pomocą przetwornika stykowego umieszczonego na zewnętrznej ścianie transformatora. 24