3. Metody identyfikacji defektów 3.1. Wprowadzenie

3. Metody identyfikacji defektów 3.1. Wprowadzenie Uzyskanie informacji na temat rodzaju defektu, a co za tym idzie stopnia zagrożenia dla poprawnego działania systemu izolacyjnego, pozwala na podjęcie prawidłowej decyzji dotyczącej wyłączenia z pracy zdefektowanego elementu. Posiadanie tej informacji umożliwia przeprowadzenie planowych, nie wymuszonych awarią oraz najmniej kosztownych i uciążliwych remontów. Identyfikacja defektów prawie zawsze sprowadza się do porównywania cech badanego obiektu z cechami skatalogowanych defektów, znajdującymi się we wcześniej przygotowanej bazie danych. Wymaga to zbudowania bazy danych zawierającej maksymalnie bogatą listę różnorodnych defektów. Dotychczas stworzono wiele różnych metod identyfikacji defektów, między innymi: chemiczne, optyczne, akustyczne i elektryczne. Każda z nich ma zastosowanie w odniesieniu do specyficznych obiektów i warunków badań oraz może służyć wykrywaniu tylko pewnych rodzajów defektów. Metody chemiczne, na przykład bazujące na badaniu oleju pozwalają wywnioskować o lokalnym przegrzaniu, utożsamianym z punktowym defektem. Metoda termowizyjna, jako jedna z metod optycznych, pozwala wykryć dużą rezystancję przejścia we wszelkiego rodzaju urządzeniach, natomiast metoda fotograficzna pozwala wykryć tylko sam fakt występowania wyładowań niezupełnych w widocznym miejscu [50]. Metody akustyczne umożliwiają nie tylko wykrycie wyładowań niezupełnych, lecz także umiejscowienie ich, np. w kadzi transformatora. Podstawą metody elektroakustycznej (EA) jest analiza sygnału akustycznego generowanego przez wyładowania niezupełne (wnz) [41, 75, 73, 74, 76, 82]. Większość energii wyładowania niezupełnego zamieniana jest w energię elektryczną, cieplną i chemiczną. Przyjmuje się, że w czasie wyładowania niezupełnego następuje impulsowa przemiana części energii elektrycznej na energię mechaniczną, ze sprawnością 1 5 %. Od strony fizykalnej, pojedyncze wyładowanie niezupełne można porównać do mikroeksplozji, która ma miejsce w dielektryku. Przy założeniu, że wyładowanie niezupełne ma miejsce w ośrodku jednorodnym, można je traktować jak punktowe źródło 33

zaburzeń sprężystych. Drgania te są przenoszone w postaci fali akustycznej. Zakres stosowania metody EA do identyfikacji defektów jest ograniczany przez wysoki poziom zakłóceń akustycznych lub elektromagnetycznych, złożoną geometrię obiektu badań uniemożliwiającą zamocowanie przetworników pomiarowych, stosowanie w badanych obiektach dielektryków lub układów izolacyjnych o niskim współczynniku sprężystości. Dlatego użycie metody EA zwykle nie umożliwia identyfikacji rodzaju defektu. Jest ona jednak szczególnie przydatna do lokalizacji wyładowań niezupełnych a najważniejszą jej zaletą jest możliwość stosowania w bardzo trudnych warunkach eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych. Bardzo szeroko rozpowszechnione sposoby identyfikacji defektów opierają się na różnych metodach elektrycznych. Niniejsza praca bazuje na metodach elektrycznych związanych z pomiarem i analizą wyładowań niezupełnych. Poniżej przedstawione są różne metody identyfikacji defektów oparte na pomiarach wielkości elektrycznych charakteryzujących wyładowania niezupełne generowane przez defekty. 3.2. Metoda tradycyjna, oparta na pomiarze wielkości podstawowych charakteryzujących wyładowania niezupełne Schemat podstawowego układu do detekcji wyładowań niezupełnych (wnz) przedstawia rysunek 3.1.a [58, 80, 85]. Każde wyładowanie (wewnętrzne lub powierzchniowe) powoduje niewielki spadek napięcia na obiekcie badań OB. W wyniku tego z kondensatora sprzęgającego C s do obiektu badań dopływa skokowo niewielki ładunek pozorny Q p. Przepływ tego ładunku wymusza spadek napięcia U na impedancji pomiarowej Z m. Impuls ten jest wzmacniany i rejestrowany przez miernik wyładowań niezupełnych MWN. Pod wpływem tych zmian ze źródła dopływa do kondensatora uzupełniający ładunek, w wyniku czego do układu doprowadzona jest energia Q p U. Zastosowany kondensator sprzęgający C s powinien być wolny od wyładowań niezupełnych aby sam nie był ich źródłem i w ten sposób nie fałszował wyników pomiaru. Jako impedancję pomiarową Z m stosuje się rezystor lub cewkę o odpowiednich wartościach. Zastosowanie cewki może jednak spowodować, że sygnał rejestrowany będzie miał charakter oscylacyjny. 34

W przypadku, gdy tych sygnałów jest wiele, mogą one się na siebie nakładać i wzajemnie znosić lub wzmagać - dlatego zastosowania cewki nie zaleca się do oceny intensywności wnz. Natomiast z powodu dużej czułości, układ taki dobrze spełnia zadanie przy pomiarze napięcia początkowego wyładowań niezupełnych. Celowe jest w tym przypadku zastosowanie wzmacniacza o wąskim paśmie przenoszenia, nastrojonego na częstotliwość drgań własnych układu. Jeżeli podczas pomiaru wyładowań istnieje niebezpieczeństwo wystąpienia w obiekcie badanym przeskoków, wtedy w celu ochrony impedancji pomiarowej i przyrządu pomiarowego przed niedopuszczalnie wysokimi przepięciami należy zestawić układ równoległy według rysunku 3.1.b. Układ równoległy ma zastosowanie także w przypadku, gdy obiekt badań ma jedną elektrodę trwale uziemioną. Jeżeli w miejscu pomiaru wnz występują duże zakłócenia zewnętrzne przenoszone przez fale elektromagnetyczne zaleca się ekranowanie układu pomiarowego od wpływu obcych pól (np. klatka Faradaya) lub gdy jest to niemożliwe, należy zastosować układ mostkowy z rysunku 3.1.c. Metoda tradycyjna identyfikacji defektów opiera się na pomiarze napięcia początkowego wyładowań niezupełnych oraz wartości maksymalnego ładunku pozornego wyładowań i porównywaniu ich z bazą danych [36]. Zupełnie pomijany jest obraz oscylograficzny impulsów. Metoda ta nie daje zadowalających rezultatów tylko w wyjątkowych przypadkach rozpoznanie defektu jest poprawne [60]. 35

a) b) OB C s OB C s U U Z m MWN Z m MWN c) OB C s U Z m MWN Z m Rys. 3.1. Podstawowe układy do detekcji wyładowań niezupełnych: a) szeregowe połączenie impedancji pomiarowej z obiektem badanym, b) równoległe połączenie impedancji pomiarowej z obiektem badanym, c) układ mostkowy; OB - obiekt badany, Z m impedancja pomiarowa, C s - kondensator sprzęgający, MWN miernik wnz [28, 58, 80, 85] 3.3. Metoda wykorzystująca obraz oscylograficzny Przy pomocy metody wykorzystującej obraz oscylograficzny można badać zarówno próbki określonego dielektryka jak i cały układ izolacyjny. Do identyfikacji defektów najczęściej wykorzystuje się obraz oscylograficzny impulsów wnz na tle eliptycznej podstawy czasu [15, 80], która wynika z przesunięcia o π/2 napięcia na impedancji Z m względem napięcia na rezystancji R 2 (rys. 3.2.). Wielkościami porównywanymi, odnoszonymi do bazy danych, są: ładunek maksymalny wyładowań niezupełnych, napięcie zapłonu, napięcie gaśnięcia i przedział kątowy na eliptycznej podstawie czasu występowania wyładowań niezupełnych [15, 58, 69, 70]. 36

Baza danych składa się z szeregu oscylogramów odpowiadających poszczególnym defektom (rys. 3.3. i rys. 3.4.). Identyfikacja defektu polega na porównaniu zarejestrowanego przebiegu wyładowań w obiekcie badań z przebiegami znajdującymi się w bazie danych. Ponieważ jest to czynność wykonywana przez człowieka, istnieje pewne prawdopodobieństwo złego rozpoznania defektu tym większe im mniejsze jest doświadczenie osoby dokonującej identyfikacji. a) b) F U C R C x 1 s Z R 2 Y X 0 Y 0 π/2 3/2 π π U Y 0 U X π t 2π π 2π t Rys. 3.2. Metoda oscylograficzna badania wnz: a) schemat układu, b) przebiegi napięcia odchylającego X i Y oraz eliptyczny obraz podstawy czasu [15] a) b) c) d) e) Rys. 3.3. Charakterystyczne przypadki wyładowań: a) ulot z ostrza w powietrzu; b) iskrzenie w obwodzie; c) wyładowania we wtrącinie przyelektrodowej; d) wyładowania w pojedynczej wtrącinie; e) wyładowania w licznych wtrącinach [15, 58] 37

a) b) Rys. 3.4. Przykładowe obrazy oscyloskopowe mikrowyładowań w komorze gaszeniowej wyłącznika próżniowego; a) mikrowyładowania przy odstępie elektrod d=12 mm, b) wyładowania ślizgowe po powierzchni bocznej osłony izolacyjnej [69] 3.4. Metody wykorzystujące rozkłady uzyskane z wielokanałowego analizatora amplitudy Wielokanałowy analizator amplitudy (WAA) jest urządzeniem, które umożliwia zliczanie wprowadzanych impulsów napięciowych w poszczególnych kanałach, tj. w przedziałach amplitud tych impulsów [60]. Schemat przykładowego układu wykorzystującego wielokanałowy analizator amplitudy przedstawia rysunek 3.5. [48, 88]. WAA tworzy statystyczny rozkład, w którym każdemu z pojedynczych kanałów odpowiada konkretny przedział wartości ładunku wnz (rys. 3.6.). Całkowita liczba impulsów w każdym kanale równa jest liczbie dyskretnych impulsów, których amplituda odpowiada temu kanałowi. Szerokość wszystkich kanałów jest jednakowa. Zmianę jej uzyskuje się przez regulację wzmocnienia wzmacniacza. Liczba kanałów wynosi zwykle 2 n przy n 7. Pojemność poszczególnych kanałów może być stała lub regulowana do wartości 10 4 10 5 [85]. Zaletą metody wykorzystującej WAA jest możliwość: - określenia dynamiki zmian intensywności wyładowań niezupełnych w czasie pomiaru wyładowań o bardzo małej częstości powtarzania, - pomiaru różnych wielkości związanych z intensywnością wyładowań niezupełnych (średni prąd wyładowań, średni kwadrat ładunku pozornego, moc, itp.), nawet przy dużej wartości stosunku q max /q min wynoszącej ponad sto [60]. 38

R 1 F U C Z m Obiekt badań MWN WAA Rys. 3.5. Schemat typowego układu do pomiaru wyładowań niezupełnych przy użyciu WAA; R 1 rezystor ograniczający; F filtr przeciwzakłóceniowy, Z m impedancja pomiarowa, MWN miernik wyładowań niezupełnych, WAA wielokanałowy analizator amplitudy [88, 48] liczba impulsów N 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 ładunek Q [pc] Rys. 3.6. Przykładowy przebieg częstościowo amplitudowy ładunku uzyskany z WAA [48] Niestety, korzystając z WAA nie jesteśmy w stanie uzyskać informacji na temat rozkładu impulsów wyładowań względem fazy napięcia na obiekcie badanym. Mankament ten można obejść poprzez użycie oscyloskopu, dzięki któremu jesteśmy tę informację w stanie odczytać. Wielokanałowy analizator amplitudy, będąc urządzeniem cyfrowym, umożliwia w łatwy sposób przesłanie wyników pomiaru do pamięci komputera. Tak uzyskane wyniki mogą być w dowolny sposób 39

przetworzone przez komputer, w wyniku czego można uzyskać matematyczny model wzorcowego defektu. Model ten, po umieszczeniu w bazie danych, idealnie nadaje się do identyfikowania defektów. Jedna ze stosowanych metod identyfikacji defektów opiera się na modelu defektu zbudowanym z szeregu parametrów statystycznych, opisujących rozkład częstościowo amplitudowy, uzupełnionych o parametry opisujące położenie impulsów względem fazy napięcia [87]. Proces rozpoznania polega na dopasowaniu parametrów wyładowań niezupełnych uzyskanych w trakcie pomiarów do parametrów umieszczonych w uprzednio stworzonym katalogu defektów. Dopasowanie badanego modelu do zgromadzonych w bazie danych defektów wzorcowych oparte jest na następujących założeniach: - każdy obiekt wzorcowy jest opisany zbiorem kilkudziesięciu parametrów statystycznych, - każdy parametr statystyczny posiada miary tendencji centralnej i rozproszenia, które powinny być ustalone na podstawie wielokrotnych pomiarów na licznych próbkach, - parametry statystyczne opisujące obiekt badany porównywane są z odpowiednimi parametrami opisującymi obiekt wzorcowy, przy czym największe dopasowanie pojawia się wówczas, gdy wartość parametru opisującego obiekt badany pokrywa się z tendencją centralną parametru defektu wzorcowego, - prawdopodobieństwo dopasowania parametrów opisujących obiekt badany do zapamiętanych parametrów defektów wzorcowych jest ważoną sumą dopasowań poszczególnych parametrów; jeżeli badany obiekt charakteryzowany jest parametrami, których wartość odpowiada dokładnie tendencjom centralnym poszczególnych parametrów jednego z obiektów wzorcowych, to nastąpi stuprocentowe dopasowanie obiektu badanego do tego defektu: dopasowanie = n i= 1 ( w i p i ) (3.1) gdzie: w i waga i tego parametru w modelu matematycznym defektu, p i wartość i tego parametru opisującego rozpoznawany defekt. 40

Wagi w i mówiące o udziale poszczególnych parametrów w budowanym modelu defektu wzorcowego, a także miary tendencji centralnych i rozproszenia tych parametrów, są obliczane metodą regresji wielokrotnej na podstawie dużej liczby pomiarów na układach modelowych. Z racji cyfrowego zapisu wyników pomiaru pochodzących z WAA, stosunkowo łatwe jest zautomatyzowanie procesu identyfikacji przez zastosowanie stworzonych specjalnie w tym celu programów komputerowych [31, 87]. 3.5. Metody wykorzystujące rozkłady fazowe impulsów wyładowań niezupełnych Rozkłady fazowe wyładowań niezupełnych można uzyskać tylko wtedy, gdy układ pomiarowy umożliwia zarejestrowanie impulsów wyładowań niezupełnych równocześnie z fazą napięcia (rys. 3.7.) [16, 17, 18, 32]. Przebiegi uzyskane w czasie pomiarów umożliwiają stworzenie rozkładu częstościowo fazowego impulsów, jak to pokazano na rysunku 3.8. lub rozkładu ładunku impulsów w zależności od kąta fazowego, co przedstawiono na rysunku 3.9. Ze względu na czas obserwacji poszczególne parametry wyładowań niezupełnych można podzielić na trzy główne grupy [23]: - wielkości podstawowe obserwowane podczas jednego cyklu napięcia, - wielkości wywnioskowane zintegrowane wartości wielkości podstawowych zaobserwowane przez wiele okresów napięcia, - operatory statystyczne operatory stosowane do statystycznej analizy wielkości wywnioskowanych. 41

R 1 F U R 2 R 3 C Z m Obiekt badań MWN Q [pc] U [V] Rys. 3.7. Przykładowy schemat układu do badania rozkładu częstościowofazowego wyładowań niezupełnych; R 1 rezystor ograniczający; F filtr przeciwzakłóceniowy, R 2 R 3 dzielnik napięcia; Z m impedancja pomiarowa; MWN miernik wyładowań niezupełnych [49] liczba impulsów N 400 300 200 100 0 0 90 180 270 360 kąt fazowy α [deg] Rys. 3.8. Przykładowy rozkład częstościowo-fazowy wyładowań [49] Pomiar impulsów generowanych przez defekty jest wykonywany w oknach fazowych, reprezentujących kąt fazowy 0 360. Jeśli rozkład wnz jest zmienny w czasie, wówczas ważny jest czas trwania pomiarów. Zadowalające wyniki daje pomiar wnz przez dwadzieścia minut [22], choć wykonuje się pomiary przez dziesięć minut [36]. Do obliczenia wielkości wywnioskowanych wystarcza seria tysiąca okien fazowych (tysiąc pełnych sinusoid napięcia) zebranych w czasie jednego pomiaru [25]. Aby zmieścić się w 90 % lub 95 % przedziale ufności dla każdego z operatorów statystycznych wystarczy, 8 23 pomiarów [22]. 42

ładunek Q [pc] 500 400 300 200 100 0 0 90 180 270 360 kąt fazowy α [deg] Rys. 3.9. Przykładowy rozkład ładunku wyładowań niezupełnych w zależności od kąta fazowego [49] Po zarejestrowaniu wyładowań w serii pewnej liczby okien fazowych można wygenerować dwa rozkłady: - H n (ϕ) rozkład liczby wyładowań w funkcji kąta fazowego (zwany rozkładem częstościowo fazowym), - H qn (ϕ) rozkład średniej wartości ładunku impulsów w funkcji kąta fazowego. Dodatkowo rozkłady te dzielą się na dotyczące dodatniej połowy cyklu napięciowego (H + n (ϕ), H + qn (ϕ)) oraz na dotyczące ujemnej połowy cyklu napięciowego (H - n (ϕ), H - qn (ϕ)). Rozkłady te można opisać między innymi poniżej scharakteryzowanymi operatorami statystycznymi [23, 247, 29, 35]. Współczynnik asymetrii ładunku wyładowań Q, który opisuje wzór: QS Q =, (3.2) + QS lub NS Q =, (3.3) + N S gdzie: Q S -, Q S + N -, N + sumaryczny ładunek rozkładu impulsów wyładowań w dodatniej i ujemnej połowie cyklu napięciowego, liczba impulsów wyładowań w dodatniej i ujemnej połowie cyklu napięciowego, 43

Q=1 oznacza taki sam średni poziom wyładowań w obu połowach cyklu napięciowego, zaś Q=0 całkowitą asymetrię średniego poziomu wyładowań. Współczynnik korelacji wzajemnej cc ocena różnicy kształtu rozkładu ładunku lub liczby wyładowań w dodatniej i ujemnej połowie cyklu napięciowego, cc = x 2 i i x iyi x i n 2 ( x ) i 2 ( ) yi yi n y n 2, (3.4) gdzie: x i maksymalna wartość ładunku lub liczby wyładowań w i tym oknie czasowym dodatniej połowy cyklu napięcia, y i maksymalna wartość ładunku lub liczby wyładowań w i tym oknie czasowym ujemnej połowy cyklu napięcia, n liczba okien fazowych danej połowy cyklu napięcia. Gdy rozkłady wyładowań w dodatniej i ujemnej połowie cyklu napięciowego mają taki sam kształt (ale niekoniecznie wartość) to cc=1. Zmodyfikowany współczynnik korelacji wzajemnej mcc, definiowany jako: mcc = Q cc. (3.5) Liczba mod P e liczba lokalnych maksimów w rozkładzie; dy i 1 dy i+ 1 warunki wystąpienia mody: 0; 0. (3.6) dx dx i 1 i+ 1 44

Skośność S k współczynnik asymetrii rozkładu, ( x µ ) 3 i Sk 3 pi =, (3.7) σ gdzie: x i wartość zmierzona, p i prawdopodobieństwo pojawienia się wartości x i w i tym oknie czasowym, µ średnia wartość z x i pi, σ odchylenie standardowe, σ ( x i µ ) pi =. Kurtoza K u operator opisujący stromość rozkładu, ( x µ ) 4 i K u 4 Dla rozkładu normalnego K u = 0. pi =. (3.8) σ Każdy z operatorów mieści się w zakresie charakterystycznym dla danego defektu. Zakres ten wynika z odchyleń od średniej arytmetycznej dla wyniku danego pomiaru. t S x1 = MS0, (3.9) N t S x 2= MS0 +, (3.10) N gdzie: M S0 średnia arytmetyczna z serii N pomiarów dla wybranego operatora statystycznego dla jednego typu defektu, S odchylenie standardowe z wyników pomiaru wybranego operatora statystycznego dla jednego typu defektu, t parametr statystyczny zależny od liczby obserwacji N. 2 45

Rozpoznanie defektu w metodzie wykorzystującej rozkład fazowy impulsów wyładowań niezupełnych polega na porównaniu odcisku palca, czyli macierzy operatorów statystycznych nieznanego defektu z odciskiem palca zawartym w uprzednio przygotowanej bazie danych, co pokazano na rysunku 3.10. Sprowadza się to do wykonania następujących operacji: 1) przygotowanie odcisków palca różnych znanych defektów, 2) pomiar wnz nieznanego defektu (przez 20 min. należy zebrać 8 23 serii pomiarowych uzyskując w ten sposób 95 % przedział ufności pomiarów), 3) uśrednienie wyników pomiaru wnz dla 1000 okien czasowych, reprezentujących kąt ϕ (0,360 ), w wyniku czego uzyskuje się H n (ϕ) i H qn (ϕ), 4) dokonanie operacji statystycznych na H n (ϕ) i H qn (ϕ) i uzyskanie odcisku palca nieznanego defektu z wyznaczoną tolerancją dla każdego operatora statystycznego, 5) obliczenie tzw. wskaźnika rozpoznania, który reprezentuje liczbę operatorów statystycznych nieznanego defektu mieszczących się w limicie danym w odcisku palca znanego źródła wnz, 6) rozpoznanie defektu, które polega na wskazaniu defektu posiadającego najwyższy wskaźnik rozpoznania. W wyniku procedury rozpoznawania defektów zilustrowanej na rysunku 3.10., należy wywnioskować, że nieznany defekt został zidentyfikowany jako INTERNAL DISCHARGES IN SPACER (wyładowania wewnętrzne w odstępniku). Operacja 5) jest przeprowadzana, jak zaznaczono, przy użyciu tzw. wskaźnika rozpoznania. Były przeprowadzane próby zastosowania innych kryteriów rozpoznania. Jednym z nich jest kryterium najmniejszej odległości od środka [35]. W kryterium tym tworzy się n wymiarową przestrzeń operatorów statystycznych (gdzie n liczba operatorów). Następnie umieszcza się w niej punkty odpowiadające odciskom palca wszystkich serii pomiarowych znanego defektu oraz punkt będący środkiem masy tych punktów (rys. 3.11.). Według tego kryterium największym prawdopodobieństwem cechuje się ten defekt, którego środek masy wszystkich parametrów jest najbliższy punktowi opisującemu nieznany defekt. Niestety porównanie wskaźnika rozpoznania i kryterium najmniejszej odległości wypada negatywnie dla tego drugiego wskaźnik rozpoznania bardziej poprawnie identyfikuje defekty. 46

a) b) c) Rys. 3.10. Identyfikacja defektów przy użyciu rozkładu fazowego impulsów wyładowań niezupełnych; a) przykładowy odcisk palca znanego defektu, b) operatory statystyczne opisujące nieznany defekt, c) przykładowe wskaźniki rozpoznania [36] 47

A B Rys. 3.11. Ilustracja kryterium najmniejszej odległości od środka; liczba wymiarów n=2, A środek masy, B nieznany defekt [35] Identyfikacja defektów może być przeprowadzana przy użyciu jednej z wymienionych metod lub też poprzez zastosowanie kilku metod jednocześnie. Użycie kilku wymienionych metod może znacznie poprawić skuteczność identyfikacji, jednak podnosi to koszty zastosowanej aparatury pomiarowej. Dlatego ciągle prowadzone są prace badawcze mające na celu znalezienie metody optymalnej, to znaczy takiej, która jest nie tylko skuteczna ale i tania w zastosowaniu. 48