Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 49 Politechniki Wrocławskiej Nr 49 Studia i Materiały Nr 21 2000 Jerzy PRZYBYSZ* diagnostyka, układy izolacyjne, wyładowania niezupełne DIAGNOSTYKA IZOLACJI UZWOJEŃ STOJANÓW MASZYN ELEKTRYCZNYCH Omówiono metody badania wyładowań niezupełnych (wnz) w izolacji uzwojeń stojanów generatorów i silników w czasie rzeczywistym (on-line). Podano zasady oceny uzyskiwanych wyników. Przedstawiono przykładowe wyniki badań. WSTĘP Metody badania wnz on-line w izolacji uzwojeń stojanów nie są znormalizowane. Norma IEC 60270 dotyczy metody off-line badania wnz w zakresie częstotliwości od 30 do 500 khz. W takim zakresie częstotliwości w elektrowniach występują największe zakłócenia elektromagnetyczne [4]. Badanie wnz w izolacji uzwojenia stojana w eksploatacji ma na celu: niezawodne określenie względnego stanu izolacji, wskazanie przyczyny pogorszenia stanu izolacji, uniknięcie zbędnych wyłączeń z eksploatacji, wykrycie osłabienia izolacji we wczesnym okresie jego rozwoju, co ma bezpośredni wpływ na koszt naprawy, wyróżnienie i ograniczenie wpływu zakłóceń. Do głównych źródeł zakłóceń należą: złe połączenia elektryczne, urządzenia szczotkowe, filtry elektrostatyczne, zasilacze elektroniczne, rozgłośnie radiowe, telefony komórkowe, energetyczna telefonia nośna na liniach, a wewnątrz maszyny np. iskrzenie między blachami rdzenia stojana. Badania wnz off-line wykonywane w zakresie częstotliwości do 500 khz znajdują powszechne zastosowanie u producentów i w zakładach remontowych maszyn elektrycznych, rzadziej w elektrowniach i zakładach przemysłowych. Na podstawie istniejącej wiedzy i kilku nowych pomysłów w Instytucie Energetyki rozwinęliśmy nową technikę pomiarową badań wysokoczęstotliwościowych wnz. * Instytut Energetyki, ul. Mory 8, 01-330 Warszawa.
138 1. BADANIA WNZ METODAMI ON-LINE Najstarszą z lat pięćdziesiątych metodą badań on-line jest wykrywanie wnz w punkcie neutralnym uzwojenia stojana generatora za pomocą przekładnika prądowego wysokiej częstotliwości i miernika zakłóceń radioelektrycznych [1]. Zaletą tej metody jest jej prostota. Do wad natomiast należy to, że trudno uzasadnić personelowi elektrowni opinie o stanie izolacji uzwojeń. Stosując czujnik w punkcie neutralnym uzwojenia stojana, uzyskuje się małą czułość na wnz, które występują zazwyczaj w kilku pierwszych prętach od zacisków generatora [2]. W połowie lat siedemdziesiątych w Ontario-Hydro została opracowana metoda do badania izolacji uzwojeń stojanów hydrogeneratorów oraz urządzenie PDA (Patrial Discharge Analyzer) rys. 1. Rys. 1. Sposób przyłączania kondensatorów sprzęgających Fig. 1. Detecting PD Wykrywa się wnz za pośrednictwem kondensatorów o pojemności 80 pf zainstalowanych na każdej gałęzi równoległej uzwojenia fazowego. W układzie przedstawionym na rys. 1 zakłócenia elektryczne przychodzące z zewnątrz do uzwojenia fazowego dochodzą jednocześnie do obu kondensatorów i są eliminowane w urządzeniu różnicowym. Natomiast impulsy wnz, powstałe w jednej z gałęzi, docierają do drugiego kondensatora poprzez połączenie zazwyczaj długości około 10 m w przypadku hydrogeneratorów dużej mocy po czasie około 30 ns i są przepuszczone przez wzmacniacz szerokopasmowy. Metoda ta jest również stosowana w turbogeneratorach. Jednak ze względu na to, że połączenia uzwojeń są bardzo krótkie, trudno rozróżnić, od której z gałęzi równoległych uzwojenia fazowego pochodzą sygnały. Do zalet tej metody należą: bardzo skuteczna eliminacja zakłóceń zewnętrznych, możliwość wykonywania badań przez personel elektrowni, użytkownik sam dokonuje interpretacji wyników badań, dysponując odpowiednim bankiem danych. Do wad metody należą: nadaje się tylko dla hydrogeneratorów, ponieważ wymaga długich połączeń między gałęziami równoległymi, pozwala na wykrycie wnz w części od 10 do 15% długości uzwojenia, wymaga instalowania czujników wewnątrz generatora.
Dla turbogeneratorów o mocy <100 MW i silników opracowano w Ontario Hydro pod koniec lat siedemdziesiątych metodę badań wnz na szynach, stosując przyrząd TGA-B (Turbine Generator Analyzer-Bus), rys. 2 a i b. 139 a) b) Rys. 2. Sposób zainstalowania kondensatorów sprzęgających na wyprowadzeniach: a) generatorów, b) silników Fig. 2. a) Bus coupler instalation for generators, b) Bus coupler instalation for motors Stosuje się kondensatory sprzęgające 80 pf i transformatory wysokiej częstotliwości. Dla generatorów stosuje się dwa kondensatory na jedno wyprowadzenie mocy, natomiast dla silników tylko jeden. Zakłócenia są eliminowane przez propagacje impulsu i/lub przez tłumienie. Zalety tej metody to: w układzie z dwoma kondensatorami na wyprowadzenie fazowe eliminowane są wszystkie zakłócenia zewnętrzne, w przypadku silników z długimi kablami zasilającymi (> 50 m) zewnętrzne zakłócenia są w dużej mierze wytłumione, badania są na ogół wykonywane przez personel elektrowni, kondensatory instaluje się na zewnątrz silników i generatorów. Wadą metody jest to, że nie eliminuje się zakłóceń powstających wewnątrz maszyn. Specjalnie dla dużych turbogeneratorów pod koniec lat osiemdziesiątych opracowano w Ontario-Hydro metodę sprzężeń w żłobkach SSC (Stator Slot Couplers) z przyrządem TGA o zakresie pomiarowym od 10 do 1000 MHz. Czujniki te są instalowane w żłobkach pod klinami na wyprowadzeniu uzwojeń fazowych. SSC jest paskową anteną długości około 50 cm, grubości 2 mm i tej samej szerokości co żłobek stojana. Każdy z dwóch końców czujnika jest wyprowadzony na zewnątrz generatora kablem koncentrycznym. Czujniki są umieszczone na powierzchni prętów pokrytej lakierem przewodzącym lub między dolnymi i górnymi prętami. Czujniki SSC nie są narażone na działanie wysokiego napięcia. Zazwyczaj kontroluje się sześć żłobków stojana. Eliminacja zakłóceń polega na rozróżnieniu kształtu
140 impulsu. Przyjęto, że impuls wnz < 6 ns, impuls zakłóceniowy > 6 ns. Sygnały wyjściowe z każdego z końców SSC pozwalają na odróżnienie wnz występujących w żłobku od wnz występujących na końcu pręta. Metoda ta jest stosowana dla turbogeneratorów o mocy >100 MW. Do zalet tej metody należą: eliminacja wszelkich zakłóceń, pomiary i podstawowa interpretacja dokonywane są przez użytkowników, nie ma żadnych połączeń wysokonapięciowych. Do wad tej metody należą: czujniki SSC można instalować w turbogeneratorze po wyjęciu wirnika, wykrywane są wnz tylko w tych żłobkach, gdzie są zainstalowane czujniki oraz w sąsiadujących połączeniach czołowych. 2. INTERPRETACJA WYNIKÓW BADAŃ OTRZYMYWANYCH METODAMI ON-LINE W zasadzie wszystkie badania wnz są badaniami porównawczymi, a nie bezwzględnymi. Aby uzyskać najlepszą interpretację, należy na ogół porównać wyniki otrzymane na podobnych uzwojeniach lub na tej samej maszynie, w funkcji czasu. Poszczególni badacze podejmują jednak próby określenia dopuszczalnych wartości bezwzględnych Na rysunku wnz 3 przedstawiono [4, 6]. wykres analizy amplitud impulsów wnz w ciągu 1 s [3, 6]. Rys. 3. Wyniki pomiarów wnz w czasie 1 s Fig. 3. Pulse height analysis plot: +PD; -PD Przedstawiono wyniki badań wnz otrzymane z analizatora impulsów I.En. Widać wpływ biegunowości na wyładowania niezupełne: stosunek +Q m / Q m (wartości max wnz) zależy od lokalizacji źródła wnz na przekroju pręta, biegunowość ułatwia identyfikację mechanizmu awarii + wnz > wnz wyładowanie na powierzchni żłobka, + wnz ~ wnz wyładowanie wewnątrz izolacji, + wnz < wnz wyładowanie przy miedzi pręta. Powierzchniowe źródło wnz można czasem usunąć przez naprawę. Zjawisko wpływu biegunowości na wnz jest dobrze znane i opisane w podręcznikach.
Znaczny wpływ na wynik pomiarów może mieć stan obciążenia, np. dla poluzowanych uzwojeń wnz zależą od obciążenia. Rozpatruje się naprężenia mechaniczne działające na układ izolacyjny na dnie żłobka oraz naprężenia przenoszone przez układ izolacyjny na klin. Największy wpływ obciążenia na wnz jest widoczny w uzwojeniach z izolacją epoksydowomikową. W przypadku gdy wnz występują w izolacji do uziemionej ścianki żłobka, zależą one od temperatury uzwojenia. Ze wzrostem temperatury materiał wiążący izolację do uziemionej ścianki rozszerza się, zamykając puste miejsca (wtrąciny gazowe), tym samym zmieniając wnz. Znaczniejszy wpływ temperatury obserwuje się w uzwojeniach z izolacją asfaltową i poliestrową. W praktyce eksploatacyjnej turbogeneratorów największe znaczenie dla stanu izolacji mają narażenia termomechaniczne, są bowiem często przyczyną najpoważniejszych zmian w układzie izolacyjnym. Narażenia te prowadzą do niebezpiecznych rozwarstwień, pęknięć i innych deformacji układu izolacyjnego oraz zmniejszają jego wytrzymałość elektryczną. Przyczyną tego są przede wszystkim ruchy uzwojeń względem rdzenia stojana w następstwie cyklicznych zmian temperatury. Ponieważ na wnz wpływają: obciążenie, temperatura stojana, napięcie, próby powtarzane mające na celu wyznaczenie ich trendu w czasie muszą być więc wykonywane w podobnych warunkach. Z wyników badań można wyznaczyć trend zmian wnz, jeżeli uzwojenie stojana znajduje się przynajmniej przez sześć godzin w stabilnych warunkach termicznych. Na podstawie wyników badań wnz można rozróżnić mechanizmy uszkodzeń i tak np.: poluzowanie uzwojenia wyładowania żłobkowe + wnz > wnz + wnz rosną wraz ze wzrostem mocy czynnej i biernej + wnz koncentrują się, jeżeli powierzchnia przewodząca pręta jest uszkodzona obserwuje się mały wpływ temperatury dla izolacji epoksydowo-mikowej. uszkodzenie izolacji przez cykle termiczne wnz > + wnz wnz (przy 45 ) rosną ze spadkiem temperatury uszkodzenie przewodzącego pokrycia sterującego (uzwojenia z chłodzeniem powietrznym) + wnz > wnz + wnz koncentrują się przy 225 i rosną wraz z temperaturą wnz mogą nie zmieniać się wraz z obciążeniem, jeżeli uzwojenia są ściśle ułożone mechanizm rozwoju uszkodzenia jest bardzo powolny, jeżeli uzwojenia są ściśle ułożone uszkodzenie izolacji może nastąpić pod wpływem ozonu erozja izolacji połączeń czołowych wywołana jest zabrudzeniem izolacji, czasem nieprawidłową konstrukcją nie ma regularnego wpływu biegunowości wnz przesunięte są poza ośrodki 45 i 225 często objawia się jako garb na wykresie liczby impulsów w funkcji ich amplitud. 141
142 4. KRAJOWE DOŚWIADCZENIA W BADANIU WNZ UZWOJEŃ STOJANÓW GENERATORÓW METODĄ ON-LINE Od połowy lat osiemdziesiątych wykonujemy w Instytucie Energetyki badania wnz w eksploatacji on-line. Początkowo wykonywano badania przy użyciu przekładnika wysokiej częstotliwości, zainstalowanego na przewodzie uziemiającym punkt neutralny uzwojenia stojana i miernika zakłóceń radioelektrycznych. Wielokrotnymi badaniami objęto 37 turbogeneratorów o mocach od 120 do 500 MW oraz 11 hydrogeneratorów o mocach od 50 do 177,65 MW. Wyniki badań przedstawiono w pracy [4]. Na podstawie badań on-line impulsów elektrycznych w przewodzie łączącym punkt neutralny uzwojenia stojana z ziemią, wykonywanych przy użyciu miernika zakłóceń radioelektrycznych, można stwierdzić, że: mogą być identyfikowane sygnały pochodzące od wyładowań łukowych w uzwojeniu stojana (np. w miejscu pęknięcia przewodu elementarnego) w paśmie częstotliwości od 1 do 10 MHz w zależności od mocy i konstrukcji generatora (1 MHz turbogenerator 500 MW, od 3 do 7 MHz turbogeneratory 200 MW) [1, 4]; można identyfikować wnz spowodowane brakiem połączenia wewnętrznej ochrony przeciwjarzeniowej z miedzią prętów (przede wszystkim w hydrogeneratorach) [4, 7]; możliwe jest identyfikowanie zewnętrznych źródeł wyładowań elektrycznych, pochodzących np. od urządzeń szczotkowych [4]; powtarzalność wyników jest dobra. Ze względu na to, że sygnały zakłócające występujące w elektrowni w paśmie częstotliwości od 10 khz do 1 MHz są wielokrotnie większe od sygnałów wyładowań niezupełnych, a miejsce pomiaru jest oddalone od źródeł wnz zlokalizowanych z reguły w pobliżu wyprowadzeń uzwojeń fazowych, tylko w wyjątkowych przypadkach, gdy poziom sygnałów zakłóceń zewnętrznych jest niski (np. w elektrowniach wodnych) można tą metodą ocenić wnz. Rys. 4. Charakterystyki amplitudowe wnz turbogeneratora Fig. 4. PD parameters in turbogenerator
Badania wyładowań niezupełnych w uzwojeniach stojanów generatorów wykonuje się za pośrednictwem kondensatorów sprzęgających i przekładników prądowych wysokiej częstotliwości oraz czwórników RC zainstalowanych w ekranach wyprowadzeń mocy z generatora [5]. W celu określenia prawdopodobnych miejsc występowania wnz badania wykonuje się dla polaryzacji dodatniej i ujemnej w ciągu jednego okresu, jednej sekundy, dwóch sekund i minut. Na rysunku 4 przedstawiono przykładowe zależności liczby impulsów wnz od ich amplitud w ciągu jednego okresu napięcia. Dla każdego uzwojenia fazowego analizuje się: wartości intensywności wnz P = (wnz N), kształt i ilościowe wartości charakterystyki amplitudowej wnz N (wnz) (następnie wartości te porównuje się z przyjętym poziomem dopuszczalnym), kształt zarejestrowanych oscylograficznie impulsów wnz. Przykładowo dla izolacji termoutwardzalnej turbogeneratorów chłodzonych wodorem przyjęto trójstopniową skalę porównawczą (dla wyników z analizatora impulsów I.En.): 1) stan zadowalający (eksploatacja bez ograniczeń) wnz < 5000 mv, 2) stan wymagający nadzoru (eksploatacja bez ograniczeń, lecz z częstszą kontrolą) 5000 mv< wnz < 10 000 mv, 3) stan przedawaryjny (generator należy wyłączyć w celu wyszukania miejsca uszkodzenia izolacji lub w razie braku możliwości wyłączenia generatora kontrolować stan izolacji w sposób ciągły) wnz > 10 000 mv. 143 4. PODSUMOWANIE Na podstawie badań on-line impulsów wysokiej częstotliwości w przewodzie łączącym punkt neutralny uzwojenia stojana z ziemią, wykonywanych przy użyciu przekładnika wysokiej częstotliwości i miernika zakłóceń radioelektrycznych można: wyróżnić sygnały pochodzące od wyładowań łukowych w uzwojeniu stojana (np. w miejscu pęknięcia przewodu elementarnego) w paśmie częstotliwości od 1 do 10 MHz w zależności od mocy i konstrukcji generatora, identyfikować wnz spowodowane brakiem połączenia wewnętrznej ochrony przeciwjarzeniowej z miedzią prętów (przede wszystkim w hydrogeneratorach), określić zewnętrzne źródła wyładowań elektrycznych pochodzących od urządzeń szczotkowych. Ze względu na to, że sygnały zakłócające występujące w elektrowni w paśmie częstotliwości od 10 khz do 1 MHz są wielokrotnie większe od sygnału wyładowań niezupełnych, a miejsce pomiaru jest oddalone od źródeł wnz zlokalizowanych z reguły w pobliżu wyprowadzeń uzwojeń fazowych, tylko w wyjątkowych przypadkach, gdy poziom sygnałów zakłóceń zewnętrznych jest niski (np. w elektrowniach wodnych) można tą metodą ocenić poziom wyładowań niezupełnych. Większe możliwości diagnostyczne daje badanie on-line impulsów elektrycznych bezpośrednio w szynach wyprowadzeń mocy lub w ekranach szyn przy użyciu szerokopasmowego analizatora amplitudy impulsów. W metodzie tej: kontrolą są objęte zarówno uzwojenia stojana, jak i izolatory przepustowe oraz osprzęt i wyposażenie szyn ekranowanych, pomiary są wykonywane w paśmie częstotliwości od 1 do 10 MHz, co minimalizuje wpływ zakłóceń zewnętrznych na wynik pomiaru,
144 dla każdego uzwojenia fazowego analizuje się w ciągu jednego okresu napięcia sieciowego charakterystyki amplitudowe N(wnz) oraz intensywność P = Σ (wnz N), które są porównywane z proponowanymi wartościami kryterialnymi. W celu wyznaczenia prawdopodobnego miejsca wystąpienia uszkodzenia izolacji wykonuje się badanie wnz w ciągu 1s dla polaryzacji dodatniej i ujemnej. Przedstawione w pracy metody można stosować również do badania stanu izolacji innych urządzeń, takich jak np. stacje transformatorowe, rozdzielnice i inne. LITERATURA [1] HARROLD R.T., EMERY F. T., Radio frequency diagnostic monitoring of electrical machines, IEEE Electrical Insulation Magazine, 1986, vol. 2, nr 2. [2] HENRIKSON M, STONE G. C, KURTZ M., Propagation of partial discharge and noise pulses in turbine generators, IEEE TEC, 1986, vol. EC-1, nr 3. [3] LYLES J. F., STONE G. C. and KURTZ M., Experience with PDA diagnostic testing on hydraulic generators, IEEE TEC 1988, vol. 3, nr 4. [4] PRZYBYSZ J., Wykorzystanie zjawiska interferencji elektromagnetycznej do diagnostyki generatorów, Prace Instytutu Energetyki, 1966, z. 22, Warszawa. [5] PRZYBYSZ J., Diagnozowanie w czasie rzeczywistym stanu izolacji uzwojeń stojanów generatorów, Prace Instytutu Energetyki, 1999, z. 24, Warszawa. [6] STONE G. C., Tutorial on rotating machine off-line and on-line partial discharge testing, Presented to: CIGRE/EPRI Colloquium on Maintenance and Refurbishment of Utility Turbogenerators, Hydrogenerators and Large Motors. Firenze Italy, April 14 16, 1997. [7] TUŁODZIECKA E., ANDRZEJEWSKI K., Tworzenie katalogów defektów układów izolacyjnych uzwojeń stojanów hydro i turbogeneratorów, Praca Instytutu Energetyki, Zakład Izolacji, Poznań, 1996, NI/STAT/02/96. DIAGNOSTIC OF WINDINGS INSULATION OF ELECTRICAL MACHINES STATORS On-line partial discharges (PD) tests insulation of generator stator and motor windings have been described. The rules of interpretation of test results and some examples of the test results are included.