Praktyczne aspekty zastosowania metody FDS w diagnostyce transformatorów. Jerzy Buchacz

Transkrypt

1 Praktyczne aspekty zastosowania metody FDS w diagnostyce transformatorów Jerzy Buchacz ZPBE Energopomiar-Elektryka Sp. z o.o. Streszczenie Metoda spektroskopii w dziedzinie częstotliwości (FDS - Frequency Domain Spectroscopy) stosowana jest najczęściej do określenia zawilgocenia układów izolacyjnych. W artykule przedstawiono przykłady jej praktycznego wykorzystania w diagnostyce transformatorów i izolatorów przepustowych. Zestawiono wyniki badań metodą FDS i innych badań izolacji papierowo-olejowej. Ponadto omówiono, wprowadzone przez Energopomiar-Elektryka, zastosowanie metody FDS do kontroli jakości wykonania zabiegów suszenia izolacji stałej jak i regeneracji oleju transformatorów. 1. Wstęp Dobry stan układu izolacyjnego jest podstawowym warunkiem bezawaryjnej pracy transformatora. Dlatego teŝ do najwcześniej wprowadzonych i najczęściej wykonywanych badań kontrolnych tych urządzeń naleŝą pomiary parametrów izolacji, które w przypadku transformatorów duŝej mocy o izolacji papierowo-olejowej obejmują: pomiary rezystancji, współczynnika strat dielektrycznych, badanie właściwości fizykochemicznych oleju, czy teŝ stopnia zestarzenia oleju i papieru [1]. Jednym z waŝnych parametrów jest zawartość wody w izolacji papierowo-olejowej, wpływająca na jej własności izolacyjne i trwałość. 2. Metody określania zawilgocenia izolacji papierowo-olejowej PoniewaŜ ponad 90% masy wody znajdującej się w izolacji papierowo-olejowej zaabsorbowane jest w papierze, najlepszym sposobem określenia zawilgocenia jest pomiar ilości wody w próbce papieru metodą elektrochemiczną Karla Fischera [2]. Niestety, w praktyce eksploatacyjnej, moŝliwość pobrania próbki papieru z transformatora jest znikoma i zastosowanie tego sposobu pomiaru ogranicza się do transformatorów w trakcie produkcji/remontu lub poddanych rewizji wewnętrznej. Zwykle więc korzysta się z metody pośredniej, bazującej na zaleŝności między wodą zawartą w papierze, a rozpuszczoną w oleju izolacyjnym [3]. W stanie równowagi

2 termodynamicznej pomiędzy wodą zaadsorbowaną przez celulozę i wodą rozpuszczoną w oleju, zawilgocenie papieru moŝna odczytać z wykresu Oommena [4] (rys. 1). Rys. 1. Krzywe równowagi między zawartością wody w oleju i w papierze Pomimo, Ŝe stosowanie metody wymaga pobierania próbki oleju gdy układ papierowoolejowy jest w stanie równowagi (czyli w zakresie temperatur C, co często nie jest zachowane), a interpretacja wyników jest utrudniona m.in. z powodu zaleŝności rozpuszczalności wody w oleju od stopnia jego zestarzenia, metoda pośrednia jest powszechnie uŝywana do oceny zawilgocenia izolacji papierowo-olejowej. Od lat 60-tych XX wieku [5, 6] próbowano wykorzystać do pomiaru zawilgocenia papieru metody oparte na zjawiskach fizycznych polaryzacji i absorpcji, zachodzących w dielektrykach. Obecnie do tego celu stosuje się metody bazujące na wykorzystaniu zjawiska polaryzacji dielektryków, takie jak metoda napięcia powrotnego (RVM), prądów polaryzacji/depolaryzacji (PDC) czy teŝ spektroskopii w dziedzinie częstotliwości (FDS). 3. Metoda spektroskopii w dziedzinie częstotliwości Metoda FDS jest obecnie coraz częściej stosowanym sposobem bezpośredniej oceny stopnia zawilgocenia izolacji papierowo-olejowej [7]. Polega ona na wyznaczeniu charakterystyk częstotliwościowych współczynnika strat dielektrycznych tgδ i pojemności izolacji. W papierowo-olejowych układach izolacyjnych charakterystyki te odzwierciedlają wpływ zaabsorbowanej wody oraz obecności polarnych produktów zestarzenia celulozy i oleju na własności dielektryczne składników izolacji. Metoda jest znana od dawna [6], jednak dopiero rozwój cyfrowej techniki pomiarowej i opracowanie modelu układu izolacyjnego pozwoliły na jej wygodne zastosowanie w praktyce. Najczęściej pomiar przeprowadza się w zakresie częstotliwości 0,001Hz-1000Hz, doprowadzając do badanego układu izolacyjnego napięcie sinusoidalne o amplitudzie V i mierząc natęŝenie prądu płynącego przez badany obiekt (tabela.1) [8].

3 Tabela 1. Schemat układu pomiarowego metody FDS i przykład wzorów stosowanych do wyznaczania charakterystyk częstotliwościowych Schemat ideowy Układy pomiarowe dla transformatora 2-uzwojeniowego Układ zastępczy Sposób obliczania wartości tgδ i pojemności C p 1 R p = Re{ Z} 1 tgδ = = Re Im Z ω 1p U Z R C Z = I 1 ε" C p = Re tgδ = jωz ε' { } p W przypadku transformatora 2-uzwojeniowego, stan izolacji papierowo-olejowej najlepiej opisany jest przez charakterystyki układu C GN-DN, jednak dane otrzymane w pozostałych układach mogą równieŝ dostarczyć interesujących informacji: C GN-K charakteryzuje stan oleju (rys. 2), a C DN-K stan izolacji między uzwojeniem DN, rdzeniem i kadzią. Charakterystyka tgδ(f), C GN-K Charakterystyka tgδ(f), C GN-DN Rys.2. Wpływ obróbki oleju na charakterystykę tgδ(f) w układach C GN-K i C GN-DN (transformator 160MVA/220kV) Określenie zawartości wody w układzie izolacyjnym dokonuje się przez porównanie charakterystyk częstotliwościowych tgδ otrzymanych w trakcie pomiaru z charakterystykami modelowymi, przy uŝyciu programu komputerowego [9, 10]. Przy stosowaniu metody FDS głównie zwraca się uwagę na charakterystykę tgδ(f). Jednak istotne informacje dotyczące układu izolacyjnego moŝna uzyskać posługując się charakterystyką częstotliwościową pojemności układu izolacyjnego. Właśnie ta charakterystyka w widoczny sposób pokazuje wpływ składników polarnych, takich jak woda, produkty zestarzenia izolacji oraz niektóre zanieczyszczenia na własności izolacji.

4 Stosuje się równieŝ wskaźnik C2/C50 [1] (czyli stosunek pojemności układu izolacyjnego mierzonej przy częstotliwości 2Hz do pojemności przy 50Hz) do oceny zawilgocenia, jednak obecnie, wskutek uŝywania materiałów izolacyjnych o lepszych parametrach, przestał on być uŝyteczny, poniewaŝ zmiany stosunku pojemności stają się widoczne przy częstotliwościach poniŝej 0,1Hz (rys. 3). tgδ(f), GN-DN C GN-DN (f) Cf/C50 Rys.3. Charakterystyki tgδ(f), C GN-DN (f) oraz stosunek Cf/C50; układ izolacyjny o duŝym stopniu zestarzenia, lecz niewielkiej zawartości wody (1%) 4. Przykłady zastosowania metody FDS Podano przykłady zastosowania metody FDS do pomiaru zawilgocenia izolacji papierowo-olejowej transformatorów w warunkach, gdy stan równowagi między wodą zawartą w papierze i rozpuszczoną w oleju nie został osiągnięty. Zwykle ma to miejsce, gdy dokonywana jest obróbka próŝniowa oleju lub w procesie suszenia izolacji transformatora Przykłady pomiaru zawartości wody w izolacji papierowej podczas procesu suszenia Transformator 290MVA/400kV; suszenie w procesie produkcyjnym Część aktywna nowego transformatora była suszona w piecu próŝniowym. Następnie została umieszczona w kadzi i zalana świeŝym olejem elektroizolacyjnym. Pobrano próbki izolacji stałej oraz oleju, w których zbadano zawartość wody metodą Karla Fischera. Po próbach transformatora wykonano badanie metodą FDS. Wyniki przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Wyniki badań zawilgocenia materiałów i układu izolacyjnego transformatora Rodzaj próbki Zawartość wody Zawartość wody Układ pomiarowy met. K-F (FDS, model) papier cienki gładki 0,41% GN-K 1% papier cienki marszczony 0,47% GN-DN 1% preszpan szorstki 0,58% DN-K 1,1% preszpan gładki 0,66% zawartość wody w oleju met. K-F 1 ppm w 30 C

5 Wyniki zawartości wody w próbkach izolacji stałej są niŝsze niŝ otrzymane metodą FDS. Z uwagi na uŝycie nowych materiałów (blachy rdzenia, przewody nawojowe, izolacja), zawilgocenie jest jednorodne i dobrze koresponduje z zawartością wody w oleju (wykres Oommena) Transformator modernizowany 270MVA/400kV, suszenie w procesie produkcyjnym Przy modernizacji zachowano rdzeń transformatora, wykonując nowy układ izolacyjny oraz uzwojenia. Przeprowadzono proces suszenia w piecu próŝniowym. Pobrano próbki izolacji stałej i oleju, w których zbadano zawartość wody metodą Karla Fischera. Następnie wykonano badanie transformatora metodą FDS. Wyniki przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Wyniki badań zawilgocenia materiałów i układu izolacyjnego transformatora Rodzaj próbki Zawartość wody Zawartość wody Układ pomiarowy met. K-F (FDS, model) papier cienki gładki 1,53% GN-K 1,6% papier cienki marszczony 1,55% GN-DN 1,4% preszpan szorstki 0,61% DN-K 2,4% papier cienki zawartość wody 0,68% wzmocniony nitką w oleju met. K-F 6 ppm w 30 C Wyniki zawartości wody w próbkach papieru cienkiego są zbliŝone do otrzymanych metodą FDS w układach GN-K i GN-DN. WyŜszy wynik w układzie DN-K moŝna tłumaczyć pozostawieniem starego rdzenia, w którym zachowała się trudna do usunięcia wilgoć Transformator prostowniczy, moc 30,6MVA, napięcia 110/30/0,4/0,2kV Wskutek awarii zewnętrznego układu chłodzenia, do kadzi transformatora przedostała się woda. W celu jej usunięcia przeprowadzono obróbkę oleju, a następnie wykonano pomiary rezystancji izolacji (tabela 4) oraz badanie zawilgocenia metodą FDS (tabela 5). Tabela 4. Wartości rezystancji izolacji (po przeliczeniu na temp. 30 C) Układ Rezystancja w [MΩ] po czasie w [s] R60/R15 R300/R15 GN-SN, DN1, DN2, Z ,39 2,21 SN-GN, DN1, DN2, Z ,32 1,89 DN1-GN, SN, DN2, Z ,10 1,42 DN2-GN, SN, DN1, Z 1,07 1,07 1,07 1,07 1,07 1,00 1,00 Oznaczenia: GN uzwojenie 110kV, SN uzwojenie 30kV, DN1 uzwojenie 400V, DN2 uzwojenie 200V

6 Tabela 5. Wyniki badania zawilgocenia metodą FDS Układ pomiarowy tgδ C x Zawartość wilgoci [%] [pf] [%] GN-K 0, ,2 SN-K 6, >5,0 DN1-K 0, ,5 DN2-K 74, poza zakresem moŝliwości dopasowania modelu Wyniki badań wskazują, Ŝe mimo pozornie dobrych wartości rezystancji izolacji i wskaźników Rx/Ry [1, 11], obróbka oleju nie usunęła wody z izolacji stałej. Dopiero suszenie części aktywnej transformatora w zakładzie remontowym przyniosło pozytywne rezultaty (tabela 6, rys. 4). Tabela 6. Wyniki badania zawilgocenia metodą FDS po suszeniu Układ pomiarowy tgδ C x Zawartość wilgoci [%] [pf] [%] GN-K 0, ,3 SN-K 0, ,4 DN1-K 0, ,5 DN2-K 0, ,3 GN-K GN-SN (E) SN-K Rys.4. Porównanie charakterystyk częstotliwościowych tgδ(f) i Cx(f) przed i po suszeniu

7 Transformator rozdzielczy 25MVA/110kV Na podstawie badania metodą FDS stwierdzono wysoki stopień zawilgocenia izolacji papierowo-olejowej, który wynosił od 3% do 3,9%, co spowodowało podjęcie decyzji o suszeniu jednostki w miejscu zainstalowania. Metoda FDS została wykorzystana do kontroli postępów procesu suszenia, który zakończono po trzech cyklach, w chwili osiągnięcia zadowalającego poziomu zawartości wody w izolacji. Ze względu na zestarzenie oleju, po zakończeniu suszenia izolacji stałej, wykonano regenerację oleju. Wyniki zabiegów przedstawiono na rys. 5. Rys.5. Kontrola procesu suszenia z wykorzystaniem metody FDS NaleŜy nadmienić, Ŝe idea kontroli procesu suszenia izolacji stałej metodą FDS znalazła odzwierciedlenie w wyprodukowaniu przez austriacką firmę Omicron przyrządu pomiarowego dedykowanego do tego celu [12] Regeneracja oleju transformatora w miejscu zainstalowania W transformatorze odczepowym o mocy 16MVA przeprowadzono regenerację oleju w celu usunięcia siarki potencjalnie korozyjnej. Oprócz standardowych badań korozyjności oleju wg [13], przeprowadzonych przed i po regeneracji, wykonano pomiar izolacji transformatora metodą FDS. Regeneracja usunęła korozyjne składniki z oleju (rys. 6), poprawiając jednocześnie jego właściwości dielektryczne. Przed regeneracją Po regeneracji Rys.6.Wygląd próbek miedzi i papieru po kontakcie z olejem przed i po regeneracji

8 Zaobserwowano równieŝ znaczną poprawę (obniŝenie wartości) charakterystyki tgδ(f), a szczególnie zmianę przebiegu C(f) rys. 7, co spowodowane było usunięciem polarnych składników zawartych w oleju. Charakterystyka tgδ(f), GN-DN Charakterystyka C1(f), GN-DN Rys.7. Zmiana charakterystyk częstotliwościowych układu izolacyjnego (GN-DN) w procesie regeneracji oleju 4.3. Wykrycie zawilgoconego izolatora i próba jego suszenia Metoda FDS pozwala równieŝ na badanie zawilgocenia izolatorów przepustowych, szczególnie typu OIP [1]. Podczas rutynowych pomiarów transformatora 250MVA 400/123kV stwierdzono przekroczoną wartość tgδ jednego z izolatorów 123kV. Porównanie charakterystyk częstotliwościowych wykazało duŝe róŝnice między izolatorami tego samego typu (tabela 7). Tabela 7. Zestawienie charakterystyk i parametrów izolatora sprawnego (1) i uszkodzonego (2) Charakterystyka tgδ(f) C1 Charakterystyka C1(f) Izolator 123kV tgδ [%] 50Hz Zawilgocenie [%] 1 0,21 1,3 2 1,0 3,8

9 Podjęto próbę uzdatnienia izolacji przepustu poprzez podsuszenie części kondensatorowej i wymianę oleju. Zawilgocenie obniŝyło się do 2% (odpowiednio tgδ wyniósł 0,74%), oraz uzyskano niewielką poprawę charakterystyki tgδ(f) (rys. 8). Charakterystyka tgδ(f) C1 Charakterystyka C1(f) Rys.8. Charakterystyki izolatora 123kV przed i po zabiegu uzdatniania izolacji 5. Podsumowanie Metoda spektroskopii w dziedzinie częstotliwości znajduje szerokie zastosowanie w badaniach zawilgocenia papierowo-olejowych układów izolacyjnych w transformatorach oraz izolatorach przepustowych. W interpretacji wyników pomiarów pomaga znajomość konstrukcji mierzonego obiektu, jak równieŝ rezultaty innych badań. Oprócz określenia zawilgocenia, metoda FDS daje obraz zestarzenia izolacji oraz pozwala na kontrolę przebiegu zabiegów suszenia izolacji papierowo-olejowej oraz regeneracji oleju, a takŝe ich skuteczności. Z tego względu naleŝy prowadzić prace zmierzające do wyjaśnienia, w jakim stopniu zmiany charakterystyk częstotliwościowych zaleŝą od zawartości wilgoci, a w jakim od obecności innych produktów polarnych. Przytoczone przykłady stanowią tylko niewielki fragment doświadczeń ZPBE Energopomiar-Elektryka w stosowaniu metody FDS i nie poruszają tematyki badania przekładników prądowych i napięciowych, w których równieŝ jest uŝyteczna. Ze względu na moŝliwość wykorzystania metody w róŝnych aspektach diagnostyki układów izolacyjnych, naleŝy dąŝyć do zbadania jej korelacji z innymi, dotychczas stosowanymi metodami badań.

10 Literatura: [1] Ramowa Instrukcja Eksploatacji Transformatorów, ZPBE Energopomiar-Elektryka, Gliwice 2012 [2] PN-EN 60814:2002: Ciecze izolacyjne - Papier i preszpan nasycane olejem - Oznaczanie wody za pomocą automatycznego miareczkowania kulometrycznego Karla Fischera [3] PN-EN 60422:2006: Mineralne oleje izolacyjne w urządzeniach elektrycznych - Zalecenia dotyczące nadzoru i konserwacji [4] Oommen T.V.: Moisture equilibrium charts for transformer insulation drying practice. IEEE Trans. on Power Apparatus and System, Vol. PAS-103, no. 10, October 1984 [5] Praca zbiorowa: Badanie wpływu śladowych zawilgoceń na własności dielektryczne papieru impregnowanego olejem. Energopomiar, Gliwice 1962 [6] Szuta J.: Zjawiska dielektryczne w izolacji olejowo-papierowej i ich wykorzystanie do oceny stanu izolacji transformatorów. Rozprawa doktorska, Katedra Miernictwa Elektrycznego Pol. Śl., ZPBE Energopomiar, Gliwice 1969 [7] Broszura nr 414: Dielectric Response Diagnoses For Transformer Windings. WG D1.01 CIGRE, April 2010 [8] IDAX User s Manual, Megger AB, 2008 [9] MODS manual, PAX Diagnostics AB [10] Morańda H., Koch M.: Program do analizy odpowiedzi częstotliwościowej (FDS) dielektryków. Przegląd Elektrotechniczny, Konferencje ISSN v.4 1/2006 [11] Jackowicz-Korczyński A.: Analiza procesów polaryzacyjnych w polimerowych układach izolacyjnych wysokiego napięcia dla celów diagnostyki wysokonapięciowej. Rozprawa doktorska, Katedra Elektroenergetyki, AGH, Kraków 2003 [12] Raetzke S., Koch M., Anglhuber M.: Monitoring the Drying Process of Power Transformers Using Dielectric Response Analysis. OMICRON electronics, 2012 [13] PN-EN 62535:2009: Ciecze elektroizolacyjne - Metoda wykrywania siarki potencjalnie korozyjnej w świeŝych i uŝywanych olejach elektroizolacyjnych