Zbigniew Gacek, Marek Szadkowski, Krzysztof Maźniewski, Dominik Duda, Grzegorz Malitowski 1) Franciszek Witos, Aneta Olszewska 2) 1) Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów, 2) Katedra Optoelektroniki, Politechnika Śląska DIAGNOZOWANIE TRANSFORMATORÓW WN METODĄ ŁĄCZNĄ POMIARU WYŁADOWAŃ NIEZUPEŁNYCH Streszczenie. Referat jest informacją o badaniach prowadzonych na Wydziale Elektrycznym Politechniki Śląskiej, których celem jest diagnozowanie stanu transformatorów energetycznych olejowych WN na stacjach prób. Ocena stanu transformatorów dokonywana jest poprzez analizę wyników pomiarów wyładowań niezupełnych. Do pomiarów autorzy wykorzystują jednocześnie metody: elektryczną, emisji akustycznej i chromatografii gazowej. Zastosowana metoda emisji akustycznej jest metodą autorską. Proponuje się takŝe niekonwencjonalne zastosowanie metody elektrycznej. W ramach przyjętej metodyki prowadzone są pomiary wyładowań niezupełnych, następnie prowadzone są obliczenia wielkości opisujących zjawiska wyładowań niezupełnych w ramach poszczególnych metod i tworzony jest opis zjawisk wspólny dla metody elektrycznej i metody emisji akustycznej. W ramach wspólnego opisu źródłem informacji o poziomie i rodzaju występujących wyładowań niezupełnych są wyniki pomiarów metodą elektryczną, natomiast informacja o miejscu występowania wyładowań niezupełnych jest zawarta w wynikach pomiarów przeprowadzonych metodą emisji akustycznej. W referacie autorzy zaprezentują wybrane wyniki stosowania takiej łącznej metody pomiarów. 1. WPROWADZENIE W ciągu ostatnich kilkunastu lat zaobserwowano, Ŝe diagnostyka transformatorów będących w eksploatacji staje się coraz bardziej waŝna dla ich uŝytkowników. Składa się na to wiele czynników, ale najwaŝniejszymi z nich są: coraz większy odsetek transformatorów, które przekroczyły przewidziany przez konstruktorów czas eksploatacji (25 do 30 lat) oraz wprowadzanie,,oszczędności w projektowaniu i budowie układów izolacyjnych nowych transformatorów, skutkujące ich większą podatnością na awarie. NaleŜy podkreślić, Ŝe kaŝda awaria transformatora związana jest nie tylko z powaŝnymi stratami finansowymi i podwaŝeniem zaufania do jego właściciela, ale moŝe być przyczyną zagroŝenia Ŝycia ludzkiego i skaŝenia środowiska. Mimo to wielu właścicieli transformatorów stara się odsunąć w czasie wymianę wysłuŝonych jednostek na nowe, a w sytuacji gdy taka wymiana nastąpi, chce wiedzieć jaka jest,,pewność bezawaryjnego działania nowych transformatorów. W obu wymienionych sytuacjach poszukuje się więc miarodajnych, lecz nie powodujących zakłóceń w eksploatacji metod diagnostycznych. W wielu krajach regułą staje się prowadzenie okresowych pomiarów kontrolnych i gromadzenie dokumentacji eksploatacyjnej poszczególnych transformatorów [4]. Często zadanie to powierza się firmom
wyspecjalizowanym w wykonywaniu takich badań diagnostycznych. Firmy te są zobowiązane do ostrzeŝenia energetyki o konieczności remontu lub wymiany jednostki zagroŝonej awarią. Postępowanie takie jest pomocne wtedy, gdy pogarszanie się stanu izolacji transformatora następuje powoli, co dotyczy duŝej liczby analizowanych awarii transformatorów. Znane są jednak teŝ awarie, które rozwijają się bardzo szybko w ciągu tygodni, dni, a nawet godzin. Wtedy jedynym sposobem przewidzenia takich zdarzeń jest diagnostyka prowadzona w sposób ciągły (on-line). Znanych jest wiele metod diagnostycznych stosowanych zarówno w ocenie okresowej, jak i ciągłej transformatorów. Niestety większość z tych metod dostarcza co najwyŝej fragmentarycznej wiedzy o stanie transformatora, głównie o stanie jego układów izolacyjnych. Do grupy metod, za pomocą których moŝna selektywnie wykrywać i lokalizować miejsca zagroŝone przebiciem któregoś z układów izolacyjnych, są metody pomiaru wyładowań niezupełnych (wnz). Stosowane obecnie metody emisji akustycznej do wykrywania wnz w transformatorach podczas ich eksploatacji są coraz bardziej skuteczne. Przy ich pomocy moŝna stwierdzić występowanie źródeł wnz i podać lokalizację tych źródeł. Niestety w dalszym ciągu problemem jest ocena stopnia zagroŝenia izolacji ze strony wykrytych źródeł. W tym przypadku bardzo przydatna staje się metoda elektryczna pomiaru wnz. Niestety obecnie ze względu na brak uregulowań prawnych i brak opracowanej metodyki stosowania metody elektrycznej w przypadku transformatorów będących w eksploatacji metoda elektryczna moŝe być wykorzystywana tylko w przypadku transformatorów znajdujących się na stacjach prób firm produkujących i remontujących transformatory. Autorzy mają nadzieję stworzenia moŝliwości stosowania tej metody takŝe w przypadku przynajmniej niektórych transformatorów będących w eksploatacji. Jednym z istotnych warunków prawidłowej diagnostyki stanu izolacji transformatorów metodami pomiaru wnz jest świadomość istnienia zakłóceń zewnętrznych i ich wpływu na wyniki pomiarów wnz. W sytuacji gdy wyeliminuje się lub co najmniej znacząco zmniejszy ten niekorzystny wpływ, istnieje moŝliwość zastosowania wyników pomiaru wnz w celach diagnostycznych. Jednym ze sposobów oddzielania zewnętrznych zakłóceń od impulsów diagnostycznych wytwarzanych przez wnz w izolacji transformatora jest zbadanie stopnia skorelowania sygnałów elektrycznych mierzonych na przepuście i sygnałów akustycznych, zarejestrowanych specjalnymi czujnikami (umocowanymi w róŝnych miejscach kadzi transformatora). JeŜeli przyjmie się, Ŝe wykrycie sygnałów elektrycznych i nie wykrycie sygnałów akustycznych spowodowane jest zakłóceniami zewnętrznymi (np. ulotem), a wykrycie sygnałów akustycznych i nie wykrycie sygnałów elektrycznych spowodowane jest źródłami dźwięku niezwiązanymi z wnz (drganiami mechanicznymi, uderzeniami ziaren piasku niesionych wiatrem, padającym deszczem itp.), to jednoczesne zastosowanie do pomiarów tzw. metody elektrycznej i metody emisji akustycznej moŝe skutkować uzyskaniem dobrej jakości informacji o stanie układów izolacyjnych transformatora. W przypadku uwzględnienia równieŝ wyników pomiarów diagnostycznych pochodzących z trzeciej pośredniej metody wykrywania i pomiaru wnz, jaką jest metoda chromatografii gazowej, informacja taka moŝe być podstawą podjęcia 2
właściwych działań w stosunku do diagnozowanego transformatora. Taka idea diagnozowania transformatorów energetycznych olejowych jest tematem artykułu. 2. ŁĄCZNA METODA POMIARU WYŁADOWAŃ NIEZUPEŁNYCH Łączna metoda pomiaru wyładowań niezupełnych oznacza metodę diagnostyczną, w ramach której: prowadzone są pomiary wnz jednocześnie metodami: elektryczną, emisji akustycznej i DGA; wykonywane są obliczenia miar wielkości opisujących zjawiska wnz w ramach poszczególnych metod, wyniki uzyskiwane trzema metodami wykorzystywane są do wzajemnej weryfikacji i ustalenia opisu końcowego stanu układu izolacyjnego. Takie podejście pozwala na lokalny i globalny opis zjawisk wnz, znacząco zwiększając jakość informacji o źródłach wnz, a jednocześnie zmniejszając moŝliwość błędnej interpretacji wyników uzyskiwanych tylko jedną metodą pomiarową. W ramach określonej wyŝej tematyki sformułowano następujące cele szczegółowe: rozpoznanie moŝliwości adaptacji zintegrowanej metodyki do stworzenia koncepcji mobilnego systemu pomiarowego; opracowanie algorytmu (metody) postępowania przy ocenie stanu technicznego układów izolacyjnych wysokonapięciowych transformatorów olejowych w oparciu o trzy róŝne metody diagnostyczne; sprawdzenie moŝliwości wspólnego zastosowania trzech metod diagnozowania układów izolacyjnych transformatorów; weryfikacja zbieŝności wyników diagnostycznych uzyskiwanych róŝnymi metodami; uzyskanie komplementarności zastosowanych metod w zintegrowanej diagnostyce transformatorów; zbadanie moŝliwości wzajemnego eliminowania wad poszczególnych metod; zastosowanie dekompozycji falkowej sygnałów EA do opisu zjawisk wnz; zastosowanie sieci neuronowych z nadzorowanym uczeniem (dla sygnałów elektrycznych i akustycznych oraz danych chromatograficznych) do opisu wnz; opracowanie narzędzia interpretacyjnego systemu eksperckiego - opartego na trzech wymienionych metodach diagnostycznych. Dzięki badaniom wykonanym na obiektach rzeczywistych tworzona jest obecnie coraz bardziej rozbudowana baza danych, zawierająca wyniki testów rzeczywistych transformatorów wysokiego napięcia. Badania są i będą przeprowadzane zarówno na jednostkach nowych, jak i odstawianych do remontu. 3
3. WYBRANE WYNIKI POMIARÓW UZYSKANE ŁĄCZNĄ METODĄ POMIARU WNZ PoniŜej zaprezentowano wyniki pomiarów uzyskanych w trakcie badania dwu transformatorów. Jeden z badanych transformatorów to typowy transformator 16 MVA 110 kv po długim okresie eksploatacji (na potrzeby referatu oznaczono go jako T1). Drugi transformator był transformatorem nowym 25 MVA 220 kv (na potrzeby referatu oznaczono go jako T2). W układzie izolacyjnym transformatora T1 (rys. 1), w wyniku badań przeprowadzonych metodą DGA, stwierdzono moŝliwość istnienia wyładowań niezupełnych. Rys.1. Szkic transformatora T1. Celem potwierdzenia istnienia wnz oraz określenia ich rodzaju, intensywności a takŝe miejsc występowania, zastosowano łączną metodę pomiaru (jednocześnie elektryczną i akustyczną). Pomiarów wnz w układach izolacyjnych transformatorów dokonuje się na stacjach diagnostycznych metodą elektryczną zgodnie z normą PN-EN 60270: zasila się jedną z faz transformatora po stronie niskiego napięcia (pozostałe 2 fazy są w tym czasie uziemione), na przepustach po stronie górnego napięcia zakłada się ekrany w celu eliminacji powstawania ulotu na wyprowadzeniach, kaŝda z faz badana jest osobno, poziom napięcia regulowany jest wg odpowiedniego grafiku w zdefiniowanych przedziałach czasowych. W celu symulacji warunków panujących w miejscu eksploatacji transformatora, autorzy zdecydowali się na inny, niekonwencjonalny sposób wykonywania pomiarów: zasilano wszystkie 3 fazy transformatora po stronie niskiego napięcia, nie stosowano ekranów na przepustach po stronie wysokiego napięcia, 4
wnz mierzono na kaŝdej fazie osobno, jednak sygnał pomiarowy zawierał równieŝ sygnały wnz występujących w pozostałych 2 fazach, pomiary wykonywano przy napięciu o częstotliwości sieciowej nie większym niŝ napięcie znamionowe transformatora. W wyniku przeprowadzonych pomiarów uzyskano dla kaŝdej z faz pokaźny zbiór parametrów charakteryzujących wyładowania niezupełne. Na tej podstawie, moŝna było stwierdzić, Ŝe w badanym transformatorze występuje bardzo intensywne źródło wewnętrznego wnz (o poziomie ładunku pozornego ok. 20 nc) związane z fazą L3 (rys. 1) transformatora oraz jedno źródło wewnętrznego wnz (o poziomie ładunku pozornego ok. 2,5 nc) związane z fazą L1. Jednocześnie rejestrowano sygnał generowany przez ulot na końcach nieekranowanych izolatorów przepustowych (rys. 2). Obrazy fazowe D(q,ϕ,n) i rozkłady fazowe Dq(ϕ) pokazane na rysunku 2 wymagają komentarza. Rys. 2. Obrazy fazowe D(q,ϕ,n) i rozkłady fazowe Dq(ϕ) wnz w fazach L1, L2 i L3 diagnozowanego transformatora Analiza wyników pomiarów wnz dla fazy L3 diagnozowanego transformatora wykazała, Ŝe z fazą tą związane jest źródło wyładowań niezupełnych umiejscowione wewnątrz układu izolacyjnego tej fazy. Zarejestrowano m.in. klasyczny dla takiego rodzaju wyładowań obraz fazowy intensywności wnz [2, 3]. Zakres fazowy wyładowań w okresie napięcia probierczego zawiera się od 0 o do 90 o oraz od 180 o do 270 o a intensywność wyładowań jest symetryczna w kaŝdym z wymienionych zakresów. Dla faz L2 i L3 zarejestrowano rozkłady i obrazy wnz dla tego samego źródła. Wniosek taki wynikał z faktu, Ŝe w przypadku fazy L2 rozkład fazowy wnz był przesunięty o 120 o a w przypadku fazy L3 o 240 o w odniesieniu do 5
klasycznego rozkładu zarejestrowanego dla fazy L1. Jednocześnie dla fazy L3 zarejestrowano m.in. typowy obraz fazowy wewnętrznego wnz innego źródła związanego z układem izolacyjnym fazy L3. Interesujące było porównanie tych wyników z wynikami uzyskanymi metodą EA (emisji akustycznej). Sygnały emisji akustycznej rejestrowano w kilkudziesięciu wybranych dla pomiarów punktach na powierzchniach bocznych kadzi transformatora. Zarejestrowane sygnały poddano obróbce numerycznej, wykorzystując do tego celu oryginalną metodę dr hab. Witosa nazwaną przez autora zmodyfikowaną metodą największej głośności [9]. Wynikiem powyŝszych działań były mapy deskryptorów ADC (rys. 3) dla zakresu częstotliwości 100-200 khz i 50-100 khz. Rys. 3. Mapy deskryptorów ADC dla transformatora T1 Mapy deskryptorów pokazano na tle rozwiniętych ścian bocznych transformatora. Ściana widoczna po lewej stronie rysunku 3 ( ujemne wartości odległości od środka przełącznika zaczepów) to ściana transformatora od strony izolatorów przepustowych SN a ściana widoczna po prawej stronie rysunku (dodatnie odległości od środka przełącznika zaczepów) to ściana od strony izolatorów WN. Na środku rysunku pokazano ścianę z przełącznikiem zaczepów. Obszary oznaczone na rysunku 3 najbardziej intensywnym kolorem i największymi wartościami deskryptorów (-3 i -2) są obszarami o największym stopniu zaawansowania sygnałów EA. Na podstawie przeprowadzonej analizy stwierdzono, Ŝe w badanym transformatorze istnieją co najmniej dwa szczególnie niebezpieczne źródła wnz. 6
Jedno źródło (o współrzędnych -200 i 150) to źródło umiejscowione w układzie izolacyjnym uzwojenia fazy L1. Ten wynik analizy metodą EA był w pełni zbieŝny z wynikiem uzyskanym metodą elektryczną pomiaru wnz. Zagadkę stanowiło źródło zlokalizowane metodą EA w punkcie o współrzędnych 110 i 50. NaleŜy przypomnieć, Ŝe wynik uzyskany metodą elektryczną wskazywał na istnienie źródła wnz związanego z układem izolacyjnym fazy L3. Wynikiem analizy metodą EA było natomiast źródło zlokalizowane w okolicy fazy L1. RozbieŜność wyników uzyskanych obiema metodami przestała być niezrozumiała po rewizji układu izolacyjnego transformatora T1 i przyjrzeniu się konstrukcji tego transformatora. W badanym transformatorze układy połączeń uzwojeń poszczególnych faz transformatora z przełącznikiem zaczepów wyglądały jak na rysunku 4. Rys. 4. Układy połączeń uzwojeń faz transformatora T1 z przełącznikiem zaczepów i miejsca występowania źródeł wnz w diagnozowanym transformatorze Drugie źródło wnz w analizowanym transformatorze znajdowało się w izolacji przewodów łączących uzwojenie fazy L3 z przełącznikiem zaczepów. Jako podsumowanie analizy układu izolacyjnego transformatora T1 moŝna było zatem stwierdzić, Ŝe w transformatorze tym występują co najmniej dwa niebezpieczne źródła wnz: jedno w izolacji przewodów łączących uzwojenie fazy L3 z przełącznikiem zaczepów w pobliŝu przełącznika zaczepów (pełne czerwone kółko na rysunku 4) i drugie w izolacji uzwojenia fazy L1 (w miejscu oznaczonym na rysunku 4 przerywanym czerwonym kółkiem). Jak wspomniano wcześniej, drugi z badanych transformatorów był dla odmiany transformatorem nowym (rys.5). Na podstawie analizy przeprowadzonej metodą elektryczną zgodnie z zaleceniami zawartymi w normie PN-EN 60270 stwierdzono w tym transformatorze występowanie przy napięciu 1,7 U r w okolicach fazy L2 wyładowań powierzchniowych o poziomie ładunku pozornego rzędu 1 nc. Był to powód do sprawdzenia układu izolacyjnego transformatora T2 łączną metodą pomiaru wnz proponowaną przez 7
Rys. 5. Widok ogólny transformatora T2 (25 MVA 220 kv) autorów referatu. Wynik pomiarów wykonanych przy uŝyciu metody EA pokazano w postaci mapy deskryptorów ADC na rysunku 6. Łatwo zauwaŝyć, Ŝe w tym przypadku nie wykryto niebezpiecznych źródeł wnz. MoŜna co najwyŝej stwierdzić obszary o minimalnie większej wartości deskryptorów miedzy fazą L2 i L3 w górnej części kadzi transformatora. Wyniki uzyskane przy uŝyciu metody elektrycznej w sposób niekonwencjonalny (tak jak w przypadku transformatora T1) potwierdzały ten werdykt (rys. 7). Rys. 6. Mapa deskryptorów ADC 80-180 khz opracowana na podstawie pomiarów metodą EA dla transformatora T2 8
Rys. 7. Obrazy fazowe wnz i wynik działania programu diagnostycznego TEAS dla faz L1, L2 i L3 transformatora T2 W przypadku fazy L1 nie stwierdzono istnienia Ŝadnych źródeł wnz. W przypadku fazy L2 i L3 stwierdzono co prawda źródła wyładowań powierzchniowych ale o poziomie ładunku pozornego odpowiednio 150 i 100 pc a więc dopuszczalnym dla układu izolacyjnego transformatora. Wniosek był następujący stwierdzony wcześniej defekt układu izolacyjnego nie był defektem uniemoŝliwiającym eksploatację transformatora przy napięciu niewiększym niŝ napięcie dopuszczalne długotrwale dla tego transformatora. Ze względu jednak na moŝliwość wystąpienia przepięć postanowiono przeprowadzić jeszcze jeden eksperyment pomiarowy polegający na uŝyciu do pomiarów metody EA w sposób nietypowy przy zasilaniu tylko jednej fazy transformatora ale (za zgodą producenta) napięciem 1,7 U r przez dowolnie długi czas. Wynik tego pomiaru był dosyć zaskakujący. Przez 1,5 h nie stwierdzono występowania Ŝadnych źródeł wnz po czym pojawiła się bardzo duŝa ilość źródeł wypełniających prawie całą kadź transformatora (rys.8). Rys. 8. Mapa deskryptorów ADC 80-180 khz dla transformatora T2 po 1,5 h zasilania napięciem 1,7 U r 9
Tak duŝa ilość źródeł wnz była prawdopodobnie wynikiem gazowania oleju wypełniającego kadź transformatora, co przy przepięciach jest zjawiskiem dosyć powszechnym. Rewizja układu izolacyjnego transformatora T2 wykazała istnienie pomiędzy fazami L2 i L3 niewielkiej ścieszki wypalonej na powierzchni dielektryka stałego. 4. ZAKOŃCZENIE Badania diagnostyczne transformatorów powinny być tym pełniejsze (obszerniejsze), im większe jest techniczne znaczenie danej jednostki. Diagnozowanie transformatora jest czynnością bardzo złoŝoną, opartą na jednoczesnej ocenie wartości wielu rozmaitych wielkości cząstkowych, często sobie przeciwstawnych. Łączna metoda (tzn. rejestrująca jednocześnie aktywność" akustyczną, elektryczną i chemiczną wyładowań) pomiaru wnz w układzie izolacyjnym transformatora moŝe być jedną z waŝnych metod diagnozowania transformatora na stacjach prób a w przyszłości takŝe w miejscu eksploatacji transformatora. LTERATURA 1. Carpenter J.H., Kresge J.S., Music C.B.: Ultrasonic Corona Detection in Transformers, IEEE Trans. 1965, PAS 84, p. 647. 2. Florkowska B.: Wyładowania niezupełne w układach izolacyjnych wysokiego napięcia - analiza mechanizmów, form i obrazów. IPPT PAN, Warszawa 1997. 3. Florkowska B., Florkowski M., Włodek R., Zydroń P.: Mechanizmy, pomiary i analiza wyładowań niezupełnych w diagnostyce układów izolacyjnych wysokiego napięcia. IPPT PAN, Warszawa 2001. 4. Gulski E.: Diagnozowanie wnz w urządzeniach wn w eksploatacji. Prace Naukowe Pol. Warszawskiej, Warszawa 2003, z.128. 5. Lachman M.F.: Field measurements of transformer single-phase exciting current as a diagnostic tool, and influence of load tap changers. IEEE Trans. 1994, Vol. PWRD-9, No. 3, p. 1446. 6. Skubis J.: Emisja akustyczna w badaniach izolacji urządzeń elektroenergetycznych, IPPT PAN, Warszawa 1993. 7. Skubis J.: Charakterystyka akustycznej metody WNZ i przewoźnego laboratorium diagnostycznego zbudowanego dla jej potrzeb, Konf. Izolacja Transformatorów, Rudy Raciborskie 1992, 4-5.06., s. 40-54. 8. Skubis J.: Stan opracowania metody EA w WSI Opole i kierunki jej rozwoju, ZN WSI Opole nr 184, Elektryka z.36, Opole 1992, s. 5-30. 9. Witos F.: Badania wyładowań niezupełnych metodą emisji akustycznej i metodą elektryczną, monografia, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2008. 10. Ramowa Instrukcja Eksploatacji Transformatorów, opracowana przez Energopomiar Elektryka, Gliwice 2001. 10