dr hab. inż. Paweł Węgierek, prof. PL Lublin, 15.11.2018 r. Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Wysokich Napięć 20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 38A R E C E N ZJ A rozprawy doktorskiej mgra inż. Arkadiusza Kulika pod tytułem: "Wykorzystanie metod optycznych w diagnostyce izolacji transformatorów dużej mocy" Promotor: dr hab. inż. Sebastian Borucki, prof. PO Podstawa formalna opracowania recenzji Recenzja została opracowana na zlecenie Dziekana Wydziału Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej, Pana prof. dra hab. inż. Tomasza Boczara, zgodnie z uchwałą Rady Wydziału WEAiI PO z dnia 18 października 2018 roku. 1. Ogólna charakterystyka rozprawy Rozprawa zawiera 126 stron i składa się ze spisu treści, wykazu ważniejszych skrótów i oznaczeń, wstępu, ośmiu rozdziałów, wniosków końcowych, podsumowania, spisu literatury oraz streszczenia w języku angielskim. Całość pracy, wyłączając wstęp oraz wnioski końcowe i podsumowanie, została podzielona na dwie zasadnicze części. Pierwsza z nich obejmuje rozdziały od 1 do 3 i dotyczy zagadnień teoretycznych, natomiast druga, w skład której wchodzą rozdziały 4 8 dotyczy aspektów konstrukcyjno-badawczych i stanowi bezpośredni, autorski wkład doktoranta. We Wstępie Autor uzasadnia aktualność podjętej tematyki w aspekcie znaczenia monitoringu temperatury części aktywnej transformatorów dużej mocy oraz oleju izolacyjnego wypełniającego ich kadź. Zjawiska cieplne występujące w transformatorach z jednej strony są bezpośrednio związane z ich obciążeniem, a z drugiej z procesami starzeniowymi izolacji, co ostatecznie w istotny sposób wpływa na niezawodność pracy transformatora i tzw. projektowany czas życia. Mając powyższe na uwadze, Autor zaproponował innowacyjny sposób monitoringu temperatury części czynnych transformatorów, polegający na wykorzystaniu optycznych czujników temperatury zainstalowanych bezpośrednio w uzwojeniach górnego i dolnego napięcia. Jednym z najważniejszych problemów w praktycznym stosowaniu tej metody, którego rozwiązania podjął się Autor rozprawy, jest prawidłowe określenie punktów instalacji czujników. 1
Z uwagi na kluczową rolę transformatorów w systemie przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej oraz coraz większe znaczenie monitoringu on-line parametrów poszczególnych jego elementów, uważam, że podjęta tematyka jest aktualna i ma duże znaczenie praktyczne. W pierwszym rozdziale Autor zdefiniował cel ogólny i cele szczegółowe rozprawy, postawił dwie tezy oraz określił zakres badań, które zamierza wykonać na potrzeby ich udowodnienia. Celem ogólnym recenzowanej rozprawy jest określenie możliwości wykorzystania metody optycznej pomiaru temperatury w diagnostyce izolacji transformatorów dużej mocy. Do celów szczegółowych zaplanowanych prac naukowo-badawczych należą: rozpoznanie cech i analiza możliwości różnych systemów pomiarowych opartych na czujnikach optycznych (światłowodowych), wykonanie obliczeń cieplnych dla wybranych transformatorów, które będą podstawą do dokładnego określenia lokalizacji punktów gorących w uzwojeniach badanych jednostek transformatorowych, praktyczne zaimplementowanie systemu optycznego pomiaru temperatury elementów części aktywnej wybranych transformatorów podczas ich produkcji (instalacja czujników optycznych we wcześniej wyznaczonych obliczeniowo punktach pomiarowych), ustalenie wytycznych technologicznych pozwalających na bezpieczną instalację czujników i ich wyprowadzenie poprzez wysokonapięciowy układ izolacyjny do urządzenia rejestrującego, wykonanie numerycznych obliczeń cieplnych wybranych jednostek, które pozwolą na możliwie precyzyjne wyznaczenie punktów gorących uzwojeń, w których zostaną umieszczone czujniki światłowodowe, wykonanie pomiarów prowadzonych w sposób ciągły on-line w ramach próby cieplnej transformatora podczas końcowych prób fabrycznych, analiza porównawcza otrzymanych wyników pomiarów z wykonanymi numerycznie obliczeniami spodziewanych przyrostów temperatur w poszczególnych częściach uzwojeń i rdzenia wybranych jednostek transformatorowych. Zakres planowanych badań został precyzyjnie określony na stronie 9 rozprawy. W rozprawie przyjęto dwie następujące tezy: Możliwe jest efektywne wykorzystanie czujników światłowodowych do pomiaru temperatury w punktach gorących części aktywnej transformatorów dużej mocy i precyzyjne określenie rzeczywistej temperatury części aktywnej transformatorów oraz Na podstawie wyników modelowania rozkładu pola temperaturowego w izolacji głównej transformatora możliwe jest wskazanie właściwych punktów instalacji światłowodowych czujników optycznych do pomiaru temperatury w tzw. punktach gorących. 2
Rozdział drugi pt. Określenia czasu życia transformatora i pomiar stopnia zestarzenia izolacji (moim zdaniem powinno być Określenie czasu życia ) zawiera krótką charakterystykę izolacji celulozowej w różnych odmianach (izolacja papierowa nieulepszona oraz termicznie ulepszona, transformerboard, pressboard) stosowanych w transformatorach dużych mocy z uwzględnieniem zagadnienia tzw. czasu życia transformatora, który bezpośrednio jest związany z czasem życia układu izolacyjnego, a ten z kolei zależy przede wszystkim od temperatury, jako pochodnej wielkości charakteru i dynamiki zmian obciążenia transformatora. Zasadnicza część rozdziału została poświęcona analizie metod pomiarowych wykorzystywanych do określania stopnia zestarzenia izolacji papierowo-olejowej. Autor przybliżył następujące metody: chromatografia gazowa DGA, chromatografia cieczowa wysokiej rozdzielczości HPLC, pomiar prądów polaryzacji i depolaryzacji PDC, metoda napięcia powrotnego RVM, spektroskopia dielektryczna FDS, ocena stopnia polimeryzacji DP. Wymienione metody pomiarowe pozwalają na dobrą ocenę aktualnego stanu izolacji celulozowej i olejowej oraz umożliwiają podjęcie decyzji dotyczącej dalszego przebiegu eksploatacji transformatora lub skierowania go do remontu, czy ewentualnej regeneracji lub wymiany oleju. Niestety w zasadzie wszystkie opisane metody, za wyjątkiem DGA, wymagają wyłączenia transformatora i nie umożliwiają prowadzenia diagnostyki w sposób on-line, co może powodować zwiększenie czasu trwania i liczby przerw w dostawie energii do odbiorcy końcowego, co jest niezgodne z aktualnie obowiązującymi Operatorów Systemów Dystrybucyjnych standardami jakościowymi. Rozdział trzeci pt. Aktualnie stosowane metody pomiaru temperatury części aktywnej transformatorów z izolacją papierowo-olejową, zgodnie z tytułem dotyczy problematyki pomiaru temperatury rdzenia i uzwojeń transformatora. W pierwszym przypadku Autor skoncentrował się na rozwiązaniach opartych na wykorzystaniu czujników rezystancyjnych Pt100, natomiast w drugim na metodach pośrednich WTI (ang. Winding Temperature Indicator) oraz OTI (ang. Oil Temperature Indicator). W przypadku metod wykorzystywanych do pomiaru temperatury uzwojeń podstawową wadą jest ich pośredni charakter, a co za tym idzie błędy wynikające z kalibracji układu w metodzie WTI, czy duża stała czasowa ustalenia się temperatury oleju pod pokrywą oraz wpływ nasłonecznienia na wynik pomiaru w metodzie OTI. Relatywnie nową techniką pomiarową opisaną w pracy są pomiary termowizyjne, które są bezinwazyjne i proste w realizacji, natomiast nie dają możliwości pomiaru temperatury uzwojeń transformatora. Podsumowując tę część rozprawy, należy stwierdzić, że Autor dokonał rzetelnej analizy metod pomiarowych aktualnie stosowanych w praktyce eksploatacyjnej transformatorów dużej mocy, na potrzeby oceny stanu izolacji papierowo-olejowej oraz temperatury części aktywnych transformatorów, czyli rdzenia i uzwojeń. Wynikiem tej analizy jest wykazanie, że istnieje realna potrzeba poszukiwania nowych rozwiązań, pozwalających na bezpośredni pomiar temperatury w tzw. punkach gorących, prowadzony w sposób ciągły. Rozdziały od 4 do 8 zawierają opis i wyniki przeprowadzonych przez Autora rozprawy prac badawczo-konstrukcyjnych, które obejmowały m.in.: analizę możliwości wykorzystania istniejących światłowodowych systemów pomiarowych do bezpośredniego pomiaru temperatury części aktywnej transformatorów energetycznych (rozdział 4), połączoną z charakterystyką części 3
składowych tych systemów, przy szczególnym zwróceniu uwagi na czujniki optyczne, jako najważniejszych elementów systemu (rozdział 5), opracowanie praktycznego sposobu realizacji instalacji systemu, uwzględniającego montaż poszczególnych czujników w uzwojeniach, wyprowadzenie światłowodów poprzez wysokonapięciowy układ izolacyjny uzwojeń transformatora, optymalną lokalizację płyty przepustów wyprowadzających sygnał świetlny na zewnątrz kadzi transformatora (rozdział 5), wykonanie komputerowych obliczeń cieplnych dla uzwojeń dwóch typów transformatorów: TONRLc 31500/120 o mocy 31,5 MVA i TONRLa 120000/225 o mocy 120 MVA z różnymi typami chłodzenia, w celu wyznaczenia tzw. punktów gorących, jako optymalnego miejsca montażu czujników. Symulacje przeprowadzono z wykorzystaniem program SAPR TON, narzędzia dedykowanego do projektowania, optymalizacji konstrukcji i obliczania parametrów transformatorów (rozdział 6), instalację czujników światłowodowych w uzwojeniach wyżej wymienionych transformatorów oraz wykonanie pomiarów temperatury uzwojeń w ramach fabrycznych prób końcowych (rozdział 7), opracowanie wyników badań i wykonanie analizy porównawczej wyników obliczeń i rzeczywistych pomiarów zrealizowanych z użyciem czujników światłowodowych z pomiarami wykonanymi konwencjonalnymi metodami, wykorzystującymi czujniki rezystancyjne typu Pt100 (rozdział 8). Kluczowy dla ocenianej rozprawy jest rozdział ósmy, który zawiera wyniki badań cieplnych przeprowadzonych dla dwóch transformatorów z zastosowaniem czujników optycznych zlokalizowanych w różnych miejscach uzwojeń górnego i dolnego napięcia. Liczba czujników i miejsca ich montażu zostały określone na podstawie symulacji komputerowych. Uzyskane wyniki zostały porównane z rezultatami pomiarów temperatury górnej warstwy oleju wykonanymi z wykorzystaniem czujników Pt100. Analiza porównawcza wykazała dużą zbieżność wyników badań. 2. Główne osiągnięcia rozprawy Rozprawa ma charakter eksperymentalny z aspektami konstrukcyjnymi i odpowiada na aktualne potrzeby energetyki zawodowej. Obecnie dąży się do monitoringu on-line jak większej liczby parametrów urządzeń pracujących w systemie przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej, w tym przede wszystkim transformatorów. Właściwa eksploatacja urządzeń energetycznych, połączona z monitoringiem on-line ich parametrów zapewnia niezawodną pracę i daje możliwość ograniczenia liczby wyłączeń koniecznych do przeprowadzenia pomiarów stanu izolacji tradycyjnymi metodami. Do głównych osiągnięć Doktoranta należy zaliczyć: udowodnienie, że możliwe jest prawidłowe określenie na podstawie symulacji komputerowych tzw. punktów gorących uzwojeń, jako optymalnych miejsc montażu czujników optycznych, potwierdzenie możliwości skutecznego stosowania światłowodowego systemu pomiarowego z czujnikami optycznymi do monitoringu on-line temperatury części aktywnej w transformatorach dużej mocy o napięciu do 420 kv, 4
udowodnienie, że istnieje możliwość bezpośredniego pomiaru temperatury elementów aktywnych, znajdujących się pod napięciem, co dotychczas było niemożliwe, udowodnienie, że zastosowanie innowacyjnego systemu pomiaru temperatury cechuje mniejsza bezwładność w porównaniu do dotychczas stosowanych metod, co jest szczególnie istotne w sytuacjach krótkotrwałych przeciążeń transformatorów. W opinii recenzenta, doktorant w stopniu biegłym opanował tematykę rozprawy zarówno w zakresie teoretycznym jak i praktycznym, czego potwierdzeniem jest dobre rozeznanie problemów technologicznych i naukowych związanych z procesami starzeniowymi układów izolacyjnych oraz pomiarami wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi. 3. Ocena sposobu edycji pracy i uwagi formalne Przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska przygotowana została w sposób poprawny. Większość zamieszczonych zdjęć, rysunków, wykresów i tablic jest wyraźna, przejrzysta i wykonana z należytą starannością. Tylko niektóre z nich, np. rys. 2.4, 2.5, 2.8, 3.7, 5.12, są zbyt małe, przez co stają się mało czytelne. Praca została napisana poprawnie pod względem językowym, ale Autor nie ustrzegł się drobnych usterek edycyjnych, interpunkcyjnych i stylistycznych, do których można zaliczyć: liczne tzw. "literówki", m.in.: strona 7 jest trwałości a powinno być trwałość ; strona 9 jest chłodzeni a powinno być chłodzeniu ; strona 11 jest który jest najczęściej przyjmowany a powinno być które jest najczęściej przyjmowane ; strona 11 jest bazujących a powinno być bazującego ; strona 12 jest Zmawiający a powinno być Zamawiający ; strona 17 jest wykonanej a powinno być wykonana ; strona 19 jest oceną a powinno być oceny ; strona 43 jest transformatora a powinno być transformatorach ; strona 49 jest pomiarowym a powinno być pomiarowy ; strona 61 jest Kolejny a powinno być Kolejnym ; strona 95 jest odkładnie a powinno być dokładnie ; strona 117 jest zaliczymy a powinno być zaliczyć ; strona 117 jest Przestawione a powinno być Przedstawione ; strona 118 jest Wg. a powinno być Wg, poza tym nie powinno się zaczynać zdania od słowa według, występowanie tzw. "wdów" (np. do, na, dla, we, nad itp.) na końcach wierszy, brak konsekwencji w oznaczaniu osi na wykresach, np. na rysunkach 7.4, 7.7, 7.8, 7.15, 7.16, 8.1, 8.2, oś odciętych jest opisana jako Czas próby [minuty], a na rysunkach 7.5, 7.6, 7.13, 7.14, jako Czas pomiaru [minuty], pomimo, że we wszystkich przypadkach wykresy dotyczą wyników rejestracji wartości temperatury w funkcji czasu, brak konsekwencji w stosowaniu jednostek temperatury, w części tabel, tekstu, na niektórych rysunkach (np. 2.3, 3.7) jest [ o C], a w części [K], niefortunne oznaczenie przebiegów na rysunkach 6.15, 6.26, 7.4, 7.6, 7.7, 8.1 przy pokrywaniu się linii nie wiadomo ile tak naprawdę ich jest. 5
Do uwag formalnych dotyczących ocenianej pracy należy zaliczyć brak podsumowań / wniosków końcowych do poszczególnych rozdziałów. Ich istnienie, poprzez skondensowaną formę przedstawienia najważniejszych informacji i wyników badań zawartych w danym rozdziale, podniosłoby wartość merytoryczną rozprawy. Ponadto uważam, że postawianie dwóch tez jest dyskusyjne i mało zasadne. Z powodzeniem można było sformułować jedną tezę, która w pełni odpowiadałaby celowi i zakresowi rozprawy. Podobnie, umieszczenie rozdziału zatytułowanego Cel, zakres i tezy pracy w części dotyczącej zagadnień teoretycznych jest błędne. Wymienione powyżej uchybienia i uwagi nie rzutują na pozytywną ocenę strony formalnej pracy oraz sposobu jej edycji. 4. Uwagi merytoryczne Podczas lektury ocenianej rozprawy doktorskiej pojawiły się następujące uwagi, o wyjaśnienie których proszę doktoranta: 1. Z treści rozprawy wynika, że system monitoringu temperatury oparty o czujniki optyczne został zamontowany w 16-tu transformatorach, a w pracy zostały przedstawione wyniki badań dotyczące dwóch jednostek. Czym był podyktowany wybór typów i parametrów transformatorów poddanych badaniom? Czy pozostałe transformatory też były badane, a jeżeli tak, to czy wyniki pomiarów były zbieżne z tymi prezentowanymi w rozprawie? 2. Badany system monitoringu temperatury obejmował części aktywne transformatorów, tj. uzwojenia górnego i dolnego napięcia, natomiast temperatura górnej warstwy oleju w kadzi była mierzona za pomocą czujników Pt100. Pomiary wykazały różnicę temperatur na poziomie od 20 o C do 30 o C (rys. 8.1 i 8.2). Którą temperaturę i dlaczego należy przyjąć za referencyjną dla oceny stanu izolacji olejowej? 3. Kiedy i kto montował czujniki optyczne w uzwojeniach? Czy robił to osobiście Doktorant, czy pracownicy producenta transformatorów, czy doktorant wspólnie z pracownikami producenta? Kto planował proces badawczy i czy uczestniczyły w nim jeszcze inne osoby poza Doktorantem, a jeżeli tak, to jaki był podział ról i na czym polegała aktywność Doktoranta? 4. Czy Doktorant widzi możliwość i sens ekonomiczny zastosowania opracowanego systemu pomiaru temperatury z zastosowaniem czujników optycznych w transformatorach mniejszych mocy i niższych napięć, np. SN/nN? 5. Czy podczas opracowywania wyników pomiarów przeprowadzono analizę niepewności pomiarów, a jeżeli tak to jaką metodą? 5. Wnioski końcowe Przedstawione powyżej uwagi dyskusyjne i wskazane usterki edytorskie w niczym nie umniejszają pozytywnej oceny rozprawy jako całości. W recenzowanej rozprawie doktorskiej Doktorant przedstawił samodzielny dorobek naukowy, wykazał się odpowiednim zasobem wiedzy w zakresie omawianego tematu, umiejętnością samodzielnego prowadzenia badań naukowych, logicznego przedstawiania i interpretowania wyników oraz naukowego wnioskowania. 6
Uważam, że założony przez Doktoranta cel rozprawy doktorskiej został osiągnięty a postawione tezy udowodnione. Uważam, że przedłożona do recenzji rozprawa doktorska mgra inż. Arkadiusza Kulika pod tytułem "Wykorzystanie metod optycznych w diagnostyce izolacji transformatorów dużej mocy" spełnia wymagania Ustawy z dnia 14 marca 2003 roku o stopniach i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz.U. z dnia 16.04.2003 r. z późniejszymi zmianami) i tym samym wnoszę o dopuszczenie jej do publicznej obrony. Dr hab. inż. Paweł Węgierek, prof. PL 7