LOKALIZACJA WYŁADOWAŃ NIEZUPEŁNYCH W OLEJOWYCH TRANSFORMATORACH ENERGETYCZNYCH METODĄ EMISJI AKUSTYCZNEJ Z WYKORZYSTANIEM DESKRYPTORA ADP

Transkrypt

1 ELEKTRYKA 2014 Zeszyt 2-3 ( ) Rok LX Aneta OLSZEWSKA Politechnika Śląska w Gliwicach LOKALIZACJA WYŁADOWAŃ NIEZUPEŁNYCH W OLEJOWYCH TRANSFORMATORACH ENERGETYCZNYCH METODĄ EMISJI AKUSTYCZNEJ Z WYKORZYSTANIEM DESKRYPTORA ADP Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki lokalizacji źródeł wyładowań niezupełnych (WNZ) w wybranym olejowym transformatorze energetycznym. Lokalizacja ta została przeprowadzona metodą stopnia zaawansowania sygnałów opartą na obliczeniu specjalnie zdefiniowanych deskryptorów, wyznaczeniu map tych deskryptorów na ścianach bocznych badanych transformatorów w różnych pasmach częstotliwości, a następnie przeprowadzeniu analizy sygnałów emisji akustycznej (EA) zarejestrowanych w obszarach o większym stopniu zaawansowania sygnałów na mapie wybranego deskryptora. W niniejszym artykule do lokalizacji źródeł WNZ wykorzystano deskryptor o akronimie ADP. Słowa kluczowe: wyładowania niezupełne, metoda emisji akustycznej, lokalizacja WNZ, deskryptor ADP LOCATION OF PARTIAL DISCHARGES IN POWER OIL TRANSFORMERS USING ACOUSTIC EMISSION METHOD AND ADP DESCRIPTOR Summary. The study presents results of the location of partial discharge (PD) sources in selected power oil transformer. This location has been carried out by the method of degree of advancement of acoustic emission (AE) signals, the method is based on the calculation of specially defined descriptors, designation of maps of these descriptors on lateral walls of transformers in different frequency bands, and then the analysis of AE signals recorded in areas with a greater degree of advancement of the signals on the map of the descriptor. In this article the location of PD sources using ADP descriptor is presented. Keywords: partial discharges, acoustic emission method, PD s location, ADP descriptor 1. WPROWADZENIE Metoda emisji akustycznej, oprócz możliwości stwierdzenia, czy w danym obiekcie występują wyładowania niezupełne, pozwala na lokalizację źródeł tych wyładowań. Wykorzystanie sygnałów EA do lokalizacji WNZ jest realizowane na dwa sposoby [1]:

2 74 A. Olszewska metodą największej głośności (MNG) przez pomiar amplitud sygnałów EA w różnych odległościach od źródła WNZ, metodą triangulacyjną (MT) przez pomiar czasów dojścia sygnałów EA do przetworników rozmieszczonych w różnych punktach badanego urządzenia. Najprostszym sposobem lokalizacji wyładowań niezupełnych jest metoda największej głośności, zwana również metodą osłuchową. W ramach badań mierzone są wielkości amplitud sygnałów EA w różnych miejscach na kadzi badanego transformatora. Następnie, uwzględniając tłumienie fal sprężystych EA, lokalizuje się miejsce w badanym transformatorze (zwane miejscem największej słyszalności sygnałów EA). To miejsce lokalizuje źródło WNZ. Metoda triangulacyjna stosowana jest w metodzie EA w celu lokalizacji obszarów generacji WNZ w transformatorach energetycznych. Lokalizacja tą metodą oparta jest na pomiarach czasów opóźnienia, z jakimi sygnały EA docierają do czujników pomiarowych rozmieszczonych w różnych punktach badanego obiektu. Wyznaczenie czasów propagacji sygnałów EA stanowi podstawowy problem w zastosowaniu metody triangulacyjnej przy badaniach metodą EA. Lokalizacja źródeł WNZ przy wykorzystaniu obu metod nie stwarza problemu w warunkach laboratoryjnych, gdzie pomiary przeprowadzane są na nieskomplikowanych obiektach, a sygnał EA od źródła do przetwornika pomiarowego propaguje się w jednorodnym ośrodku. W przypadku pomiarów na rzeczywistych obiektach energetycznych charakteryzujących się niejednorodnym ośrodkiem prawidłowe wyznaczenie długości drogi i czasów propagacji sygnałów EA generowanych przez wyładowania niezupełne może być utrudnione. Skomplikowana i niejednorodna materiałowo budowa wewnętrzna transformatora wpływa nie tylko na odbijanie się fal EA czy zmianę prędkości propagacji, ale powoduje również znaczne ich tłumienie. Docierające do przetwornika pomiarowego sygnały EA pochodzące od WNZ są znacznie wytłumione i odkształcone, co może wprowadzać błędy w lokalizacji ich źródeł. W trakcie badań nad metodami lokalizacji WNZ metodą EA, powstały różne modyfikacje i udoskonalenia opisanych wyżej metod [2, 3], które przyczyniły się do zwiększenia dokładności lokalizacji WNZ. W niniejszej pracy do lokalizacji sygnałów EA pochodzących od WNZ rejestrowanych w rzeczywistym transformatorze energetycznym wykorzystano metodę stopnia zaawansowania sygnałów, która jest zmodyfikowaną metodą największej głośności. 2. PRZEDMIOT BADAŃ Przedstawiona w pracy lokalizacja źródeł WNZ została przeprowadzona na podstawie wyników pomiarów sygnałów EA w olejowym transformatorze energetycznym o przekładni

3 Lokalizacja wyładowań niezupełnych /20/6 kv i mocy znamionowej 25 MVA. Przez cały okres eksploatacji badany transformator pracował bez zakłóceń. Pomiary zostały przeprowadzone na stacji elektroenergetycznej w trakcie normalnej pracy tego transformatora. Do badań wykorzystano system pomiarowy EA DEMA-COMP [4] oraz czujniki D9241A firmy Euro Physical Acoustics SA. Sygnały EA zarejestrowano w wybranych, dostępnych do pomiarów, punktach pomiarowych. Punkty te stanowią sieć pomiarową na ścianach bocznych kadzi transformatorów. W każdym punkcie pomiarowym sygnały były rejestrowane kilkakrotnie, przy czym każdorazowo była to rejestracja sygnałów o czasie trwania 2 sekundy (100 okresów napięcia zasilania). 3. LOKALIZACJA WNZ METODĄ STOPNIA ZAAWANSOWANIA SYGNAŁÓW Metoda stopnia zaawansowania sygnałów opiera się na zaawansowanych deskryptorach EA [5], które nie bazują na wartościach bezwzględnych rejestrowanego sygnału, określając stopień zawansowania sygnału, który powiązany jest ze stopniem zaawansowania procesu deformacyjnego. Do deskryptorów tych należy m.in. deskryptor ADP. Sposób definiowania tego deskryptora został przedstawiony na rysunku 1. Na rozkładach amplitudowych mocy sygnału oznaczany jest fragment rozkładu, odpowiadający zakresowi progu dyskryminacji Ud (minimum pochodnej rozkładu liczonej względem progu dyskryminacji), Ug (90% maksymalnej wartości zarejestrowanego sygnału). Następnie wyznaczony fragment krzywej aproksymowany jest linią prostą, a deskryptor ma wartość współczynnika kierunkowego tej prostej. Większa wartość deskryptora (bardziej płaski fragment krzywej) oznacza wyższy (bardziej zaawansowany) stopień zaawansowania sygnału EA. Obliczone wartości deskryptorów stanowią dane wejściowe do wyznaczenia map deskryptorów na ścianach bocznych kadzi transformatora. Na mapach tych można wyznaczyć obszary, dla których deskryptor posiada lokalne maksima o dużych wartościach. Sygnały zarejestrowane w punktach pomiarowych znajdujących się w tak zdefiniowanych obszarach charakteryzują się większym stopniem zaawansowania. Szczegółowy opis oraz sposób wyznaczania map deskryptorów został przedstawiony w pracy [6].

4 76 A. Olszewska Rys. 1. Obliczanie deskryptora ADP: a) rozkład amplitudowy mocy sygnału, b) pochodna rozkładu amplitudowego mocy sygnału, c) rozkład amplitudowy mocy sygnału z krzywą aproksymacji i zakresem progu dyskryminacji (U d i U g ), d) deskryptor ADP dla rozkładu amplitudowego z rys. a Fig. 1. Calculation of ADP descriptor: a) amplitude distribution of signal power, b) derivative of amplitude distribution of signal power, c) amplitude distribution with approximation curve and range of threshold (U d, U g ), d) ADP descriptor for amplitude distribution from fig. a Mapy deskryptora ADP obliczane są dla analizy sygnałów EA w różnych pasmach częstotliwości. Zastosowane do filtracji sygnałów pasma częstotliwości zostały tak dobrane, aby możliwe było rozróżnienie sygnałów pochodzących od różnych źródeł występujących w olejowych transformatorach energetycznych. Mapa deskryptora ADP przy analizie zarejestrowanych sygnałów EA w paśmie khz opisuje sygnały EA od wszystkich źródeł. W paśmie khz występują składowe harmoniczne sygnałów EA pochodzących od WNZ oraz sygnały pochodzące od innych zjawisk akustycznych. Do obserwacji i lokalizacji źródeł WNZ w transformatorach metodą EA wybrano zakres khz. Mapy deskryptora ADP dla badanego transformatora w wybranych pasmach częstotliwości zostały przedstawione na rysunku 2. Bazując na mapie deskryptora ADP, na ścianach bocznych kadzi badanego transformatora w paśmie khz (rys. 2c) wyznaczono obszary, dla których deskryptor posiada lokalne maksima o dużych wartościach. Dla sygnałów zarejestrowanych w punktach pomiarowych znajdujących się w tak zdefiniowanych obszarach przeprowadzono podstawową i zaawansowaną analizę danych, prowadzącą do lokalizacji źródeł WNZ w badanym transformatorze.

5 Lokalizacja wyładowań niezupełnych Rys. 2. Mapy deskryptora ADP na ścianach bocznych kadzi badanego transformatora dla analizy sygnałów w wybranych pasmach częstotliwości: (a) khz, (b) khz, (c) khz. Współrzędne punktów kadzi transformatora (X, Y) w centymetrach: X - położenie bieżące wzdłuż kadzi transformatora, 0 środek przełącznika zaczepów, dodatnie wartości X część kadzi od strony górnego napięcia (GN), ujemne wartości X część kadzi od strony dolnego napięcia (DN), Y wysokość bieżąca na kadzi transformatora, + - naniesione punkty pomiarowe Fig. 2. Maps of ADP descriptor on lateral walls of the tank of transformer within chosen frequency bands: (a) khz, (b) khz, (c) khz. Tank dimensions (X, Y) in centimeters: X running position along the transformer tank, 0 the center of the tap changer, positive X values part of the tank from higher voltage side, negative X values part of the tank from lower voltage side, + - marked measuring points

6 78 A. Olszewska 4. ANALIZA SYGNAŁÓW EA Z WYBRANYCH OBSZARÓW NA MAPIE DESKRYPTORA ADP Na mapie deskryptora ADP obliczonego w paśmie khz (rys. 2c) widoczne są dwa obszary, dla których zarejestrowane sygnały mają największe wartości deskryptora ADP. Są to obszary, do których docierają sygnały generowane w źródłach WNZ. Maksymalne wartości deskryptora ADP występują w obszarze znajdującym się w dolnej części przełącznika zaczepów (PZ) i są to wartości wskazujące na działanie źródła WNZ odpowiedzialnego za zaawansowany proces deformacyjny. Drugi obszar o dużych wartościach deskryptora ADP występuje od strony dolnego napięcia (DN) o współrzędnych X= cm, Y= cm. W celu określenia właściwości sygnałów pochodzących od zidentyfikowanych źródeł WNZ przeprowadzono analizę sygnałów EA zarejestrowanych w wybranych punktach pomiarowych, znajdujących się we wskazanych obszarach. W ramach pracy przedstawiono wyniki analizy sygnałów EA zarejestrowanych w punkcie pomiarowym PA072(2) (X=0 cm; Y=95 cm) w obszarze PZ oraz w punkcie pomiarowym PA116(3) (X=-415 cm; Y=235 cm) w obszarze zlokalizowanym od strony DN. Charakterystyki podstawowe, należące do sygnału zarejestrowanego w punkcie pomiarowym PA072 przedstawione są na rysunku 3. Obrazują one właściwości sygnałów pochodzących od zlokalizowanego w obszarze przełącznika zaczepów źródła WNZ. Sygnał zarejestrowany w punkcie pomiarowym PA072 ma następujące właściwości: jest okresowy, jego główne pasma częstotliwości to khz oraz khz, występuje on dwukrotnie w czasie trwania jednego okresu napięcia zasilania w fazach różniących się o i jest bardzo dobrze zlokalizowany w fazie. Okresowy charakter tego sygnału uwidaczniają wąskie tunele na charakterystyce fazowo-czasowej (rys. 3c). Charakterystyki podstawowe dla sygnału pochodzącego od źródła WNZ zlokalizowanego w okolicy punktu pomiarowego PA116(3) badanego transformatora przedstawione są na rysunku 4. Główne pasma częstotliwości są identyczne jak dla sygnału przedstawionego na rysunku 3, ale lokalizacja w fazie dla tego sygnału jest inna. Przedziały, w których sygnał jest rejestrowany, są szerokie, co może świadczyć o tym, że jest to rozległe źródło WNZ. Wartość deskryptora ADP dla tego sygnału wskazuje na jego mniejszy stopień zaawansowania (ADP=-3,78).

7 Lokalizacja wyładowań niezupełnych Rys. 3. Podstawowy opis sygnału EA zarejestrowanego w punkcie pomiarowym PA072(2) przy filtracji w paśmie khz: (a) sygnał, (b) charakterystyka częstotliwościowa, (c) charakterystyka fazowo-czasowa, (d) uśredniona charakterystyka fazowa, (e), (f) uśrednione spektrogramy STFT; ADP = -2,04 Fig. 3. Basic description of AE signal recorded at measuring point PA072(2) within the band of khz: (a) signal, (b) frequency characteristic, (c) phase time characteristic, (d) averaging phase characteristic, (e) and (f) averaging STFT spectrograms, ADP = -2,04 Przeprowadzone badania i analizy sygnałów EA dla badanego transformatora wykazały występowanie: wyładowania zlokalizowanego w obszarze PZ okolice punktu pomiarowego PA072 o współrzędnych X=0 cm; Y=95 cm, dodatkowego źródła WNZ od strony DN okolice punktu pomiarowego PA116 o współrzędnych X=-415 cm; Y=235 cm. Wartości deskryptorów w obszarze znajdującym się w dolnej części PZ wskazują na działanie źródła WNZ odpowiedzialnego za zaawansowany proces deformacyjny. Konsultacje z konstruktorami wykazały, że źródłem sygnałów WNZ zarejestrowanych w okolicy punktu pomiarowego PA116 jest metalowy element konstrukcyjny występujący w tym obszarze.

8 80 A. Olszewska Rys. 4. Podstawowy opis sygnału EA zarejestrowanego w punkcie pomiarowym PA116(3) przy filtracji w paśmie khz: (a) sygnał, (b) charakterystyka częstotliwościowa, (c) charakterystyka fazowo-czasowa, (d) uśredniona charakterystyka fazowa, (e), (f) uśrednione spektrogramy STFT; ADP = -3,78 Fig. 4. Basic description of AE signal recorded at measuring point PA116(3) within the band of khz: (a) signal, (b) frequency characteristic, (c) phase time characteristic, (d) averaging phase characteristic, (e) and (f) averaging STFT spectrograms, ADP = -3,78 5. PODSUMOWANIE Metoda EA jest szczególnie przydatna do lokalizacji źródeł WNZ, głównie ze względu na możliwość wykonania pomiarów w warunkach przemysłowych, bez konieczności wyłączania badanego transformatora z eksploatacji. W pracy przedstawiono przykład skutecznej lokalizacji źródeł WNZ w olejowym transformatorze energetycznym metodą stopnia zaawansowania sygnałów. Przeprowadzone w ramach pracy badania dostarczają informacji o występowaniu w transformatorze źródeł WNZ, pozwalają na ich lokalizację, jak również określają stopień zaawansowania rejestrowanych sygnałów EA. Możliwość określenia miejsca generacji wyładowań niezupełnych i powiązania ich z określoną częścią układu izolacyjnego może przyczynić się do podjęcia właściwej decyzji

9 Lokalizacja wyładowań niezupełnych dotyczącej badanego układu. Właściwa lokalizacja miejsc występowania WNZ pozwala wnioskować o ich stopniu szkodliwości dla badanej izolacji. W zależności od umiejscowienia WNZ mogą zostać podjęte działania, zmierzające do wyeliminowania ich przyczyny. W przypadku transformatora przeznaczonego do remontu, zlokalizowanie miejsca wystąpienia WNZ może ukierunkować remont, a tym samym skrócić czas jego trwania. BIBLIOGRAFIA 1. Skubis J.: Emisja akustyczna w badaniach izolacji urządzeń elektroenergetycznych. IPPT PAN, Warszawa Markalous S.M., Tenbohlen S., Feser K.: Detection and location of partial discharges in power transformers using acoustic and electromagnetic signals. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 15, 6, 2008, p Sikorski W., Siodła K., Morańda H., Ziomek W.: Location of partial discharge sources in power transformers based on advanced auscultatory technique. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 19, 6, 2012, p Witos F., Olszewska A.: System do analizy sygnałów emisji akustycznej generowanych przez wyładowania niezupełne w izolacji transformatorów elektroenergetycznych. Przegląd Elektrotechniczny 2012, R. 88, nr 11b, s Witos F.: Badania wyładowań niezupełnych metodą emisji akustycznej i metodą elektryczną. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Olszewska A.: Identyfikacja i lokalizacja sygnałów emisji akustycznej w olejowych transformatorach energetycznych. Rozprawa doktorska, Gliwice Dr inż. Aneta OLSZEWSKA Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Elektryczny, Katedra Optoelektroniki ul. Akademicka , Gliwice Tel ; aneta.olszewska@polsl.pl