Pomiary i analiza wyładowań niezupełnych
Wyładowania niezupełne w skrócie WNZ, to prawdziwa „zmora” układów elektroizolacyjnych elektroenergetyki zawodowej i przemysłowej. Zainteresowanie nimi rośnie po każdej „spektakularnej” awarii. Zakłady, które jeszcze nie przywiązują większej wagi do monitorowania wyładowań niezupełnych zrobią to wkrótce, albo ze względu na powstające regulacje dotyczące niezawodności dostaw energii (wskaźniki SAIDI & SAIFI), albo ze względu na rachunek finansowy.
Koszty zatrzymania produkcji, z uwagi na przeoczenie rodzącego się uszkodzenia WNZ, bywają horrendalne, szczególnie w przypadków obiektów o krytycznym znaczeniu. Dlatego tak kluczowe są pomiary i analiza wyładowań niezupełnych.
Dla wprowadzenia monitoringu WNZ kluczowe jest wypracowanie programu konserwacji zapobiegawczej w zakładzie. Potrzebni są wyszkoleni pomiarowcy-diagności oraz systematyczne podejście do tematu. Postępy w uczeniu maszynowym (ML) oraz sztucznej inteligencji (AI) dają nadzieje na powstanie zupełnie autonomicznych systemów monitoringu WNZ działających na przełącz/wyłącz, ale to jeszcze, póki co jest to jeszcze wciąż SciFi.
Fabryki aparatów i urządzeń elektroenergetycznych oraz innych wysokonapięciowych komponentów sieciowych badają jakościowo swoje produkty pod kątem obecności WNZ przy ustalonych normatywnie: kształcie, częstotliwości oraz poziomach napięć probierczych. Czasami wykonują również próby niszczące oraz symulują sytuacje zakłóceniowe. Robią to zgodnie z obowiązującym normami międzynarodowymi IEC, wytycznymi IEEE oraz normami krajowymi i branżowymi. Pomiary i analiza wyładowań niezupełnych ma dla nich kluczowe znacznie pod względu kontroli jakości produktu.
Wydawałoby się, że przy rosnącej z roku na rok kulturze technicznej nie powinniśmy się specjalnie martwić o jakość nowo wyprodukowanych aparatów i urządzenie elektroenergetycznych. To prawda, ale diabeł zawsze tkwi w szczegółach. Dochodzi przede wszystkim czynnik ludzki: niedokładność, błędne wykonawstwo oraz błędne procedury.
Z punktu widzenia eksploatacji majątku sieciowego trzeba pamiętać o uszkodzeniach powstających na skutek starzenia izolacji oraz sytuacji udarów piorunowych oraz przepięć komutacyjnych w sieci. Nie da się perfekcyjnie zabezpieczyć składników majątku sieciowego, ani przed starzeniem się, ani przed zakłóceniami w sieci. Musimy zatem badać i monitorować WNZ zaraz po montażu oraz w trakcie eksploatacji aparatów i urządzeń.
Czym są wyładowania niezupełne ?
Wyładowanie niezupełne to lokalne przebicie elektryczne w niewielkiej objętości materiału dielektrycznego pod wpływem stresu wywołanego wysokim napięciem. W miejscu wyładowania powstaje mikro plazma, której temperatura doprowadza do stopniowej i stale postępującej degradacji dielektryka, która najczęściej ma postać drzewienia elektrycznego.
Rys. Modelowe odwzorowanie wtrąciny gazowej w izolacji
Jakiego poziomu napięć dotyczą WNZ-ty ?
Występują nawet w sieci nN – tj. iskrzenia w izolacji, czasmi widać je na niedokręconych połączeniach w puszkach (niskie napięcie do 1 kV). Szczególnie często pojawiają się w obwodach SN (średnie napięcie od 1-60 kV ), WN (wysokie napięcie 60-200kV) oraz NN (najwyższe napięcie powyżej 200kV). Praktycznie pomiary wykonuje się tylko dla poziomów: SN, WN i NN.
Rodzaje wyładowań niezupełnych ?
– wyładowania koronowe, słyszymy je podczas mokrych dni i przy niskim ciśnieniu atmosferycznym na stacjach i liniach energetycznych – tworzą szkodliwy ozon oraz korozyjny kwas azotowy , który niszczy okucia izolatorów. Wyładowania koronowe zakłócają pracę urządzenia telekomunikacyjnych oraz RTV, przeszkadzają okolicznej ludności wytwarzając niepokojące dźwięki i prowadzą do znacznych strat energii elektrycznej
Wydawałoby się, że oprócz nieprzyjemnych dźwięków wyładowania koronowe nie czynią zniszczenia !
– wyładowania powierzchniowe – wywołują drzewienie elektryczne na powierzchniach izolatorów – „widać” je dzięki emisji fotonowej, akustycznej oraz radiowej VHF/UF
– wyładowania wewnętrzne – wywołują drzewienie elektryczne – „widać” je przeważnie, gdy podłączymy się galwanicznie do obiektu detektorem/analizatorem WNZ . Do pewnego stopnia można je aktualnie wykryć i zobrazować dzięki kamerom sonicznym tj. FLUKE ii910 oraz dzięki detektorom WNZ pracującym w paśmie VHF/UHF.
Wszystkie trzy są niepożądane i trzeba dążyć do ich wczesnego wykrycia i eliminacji (trochę analogicznie do nowotworów u człowieka).
Czym są spowodowane wyładowania niezupełne ?
– błędną technologią produkcji
– niską kulturą transportu i montażu
– naturalnym starzeniem się izolacji
– zakłóceniami w sieci (udary piorunowe, komutacje w sieci)
Przykładowe przyczyny występowania WNZ w izolacji
- pustki przestrzenne w żywicy epoksydowej, izolacji polimerowej, izolacji papierowo olejowej
- bąbelki w olejach elektroizolacyjnych
- pozostałości metalowe, zabrudzenia i zanieczyszczenia, ostre krawędzie, zadziory
- niejednorodne przejścia pomiędzy warstwami materiału dielektrycznego
- delaminacja materiału
- zbyt małe promienie gięcia, np. dla kabli
- drzewienie wodne i woda w izolacji
Drzewienie wodne (głównie w kablach) to rozpad łańcuchów polimerowych PE oraz XLPE w wyniku oddziaływania wody i pola elektrycznego. W pewnym momencie zdrowej izolacji jest zbyt mało i rozpoczyna się proces drzewienia elektrycznego (przewodzące związki węgla).
Czy i gdzie stuka „dzięcioł” i czy to przypadkiem nie jest kornik drukarz ?
Zadanie pomiarowe polega na:
- detekcji WNZ
- ocenie charakteru (dyskryminacja) i szkodliwości wyładowań niezupełnych
- lokalizacji wstępnej WNZ
- lokalizacji punktowej WNZ
Na rynku występuje bardzo bogata oferta: czujników, detektorów, analizatorów do badania wyładowań niezupełnych.
Pomiary i analiza wyładowań niezupełnych
– konwencjonalne (on-line & off-line)
– niekonwencjonalne (on-line & off-line)
On-line oznacza, że urządzenie zostało dopuszczone do eksploatacji i działa przy zasilaniu z sieci zasilającej
Off-line oznacza, że urządzenie zostało odłączone od sieci i jest testowane napięciem regulowanym z zewnętrznego generatora probierczego wysokiego napięcia. Może to być generator 50Hz/60Hz, rezonansowy RTS do 400 Hz, generator napięcia stałego lub wolnozmiennego 0.1 Hz VLF
POMIARY KONWENCJONALNE WNZ
Odbywa się zgodnie z normą PN 60270. Podejście off-line pomiaru konwencjonalnego ma główne zastosowanie w badaniach fabrycznej kontroli jakości, tj. rutynowe badanie jakości produktu, fabryczne badania odbiorcze, czy badania typu. Badanie to zakłada:
Sposób podłączenia elektrycznego do obiektu badanego i pasmo pomiarowesą opisane w normie IEC/PN 60270:
- Użycie wysokonapięciowego kondensatora sprzęgającego do sprzęgania analizatora WNZ z obiektem badanym, impedancji pomiarowej oraz kalibratora ładunku Qiec (etalon)
- Obiekt badany jest stresowany na stacji prób napięciowo przez źródło wysokonapięciowe (generator probierczy AC, DC lub VLF)
- Konieczna jest przed pomiarem kalibracja dla pomiaru ładunku pozornego Qiec wyrażana w pC (piko Kulombach)
- Kryteria oceny wypracowywane są indywidualnie przez producentów, użytkowników i instytucje i gremia standaryzacyjne
Badanie konwencjonalne jest trudne do zastosowania w terenie ze względu na wysoki poziom szumów i interferencji występujących np. w obiektach elektroenergetycznych:
– Badania on-line metodą konwencjonalną (IEC 60270) w większości przypadków nie mają sensu w terenie (poza stacją prób), ze względu na wysoki poziom szumów & zakłóceń w środowisku przemysłowym
– Badanie off-line wymaga w terenie zastosowania przewoźnego systemu probierczego (czasami ciężki transformator probierczy lub zestaw rezonansowy RTS). Szumy i zakłócenia trzeba wtedy odfiltrować i tłumić, a zakres częstotliwości czasami nie jest zgodny z IEC 60270, ale i tak najważniejsze to wykrycie zjawiska i skwantyfikowanie
Poniżej podano popularne normy opisujące pomiary wyładowań niezupełnych aparatów i urządzeń elektroenergetycznych metodą konwencjonalną off-line:
Transformatory mocy:
Transformatory „suche”:
Maszyny wirnikowe:
- IEC 60034-27; IEC60034-27-2
Rozdzielnice 1kV – 52 kV
Kable nn/SN/WN/NN:
- IEC 60502 oraz IEC 60840 oraz IEC 62067
– BADANIA MASZYN WIRNIKOWYCH:
– BADANIA ROZDZIELNIC SN:
-BADANIA TRANSFORMATORÓW MOCY
Praca multipleksowana oszczędza fabryce czas podczas pomiarów seryjnych obiektów trójfazowych. System eliminacji zakłóceń poprzez bramkowanie, czasami pozwala na wykonywanie prób bez komory ekranowanej (klatki Faraday’a). Najważniejsze jest dobrze wykonane i selektywne dla stacji prób uziemienie (najlepiej głębinowe).
Załączenie i wyłączenie bramkowania w DOBLE LDS-6 (wielka zaleta tego analizatora, bo ma wbudowany kanał bramkujący)
Po lewej, widać antenkę UHF bramkowania na bednarce uziemiającej obiektu badanego, natomiast z prawej widać wykresy fazowe posiewu WNZ PRP przed i po bramkowaniu.
Przykładem urządzenia pracującego metodą konwencjonalną offline jest popularny i sprawdzony w laboratoriach na całym świecie, analizator WNZ DOBLE LDS-6 . Jego oprogramowanie ma wbudowaną zautomatyzowaną klasyfikację uszkodzeń będących źródłem WNZ:
POMIARY NIEKONWENCJONALNE WNZ
Badania niekonwencjonalne zostały wymyślone dla szybkiej, przesiewowej, detekcji WNZ w sposób bezinwazyjny, czyli bez wyłączania urządzeń lub bez podłączania galwanicznego analizatora WNZ za pomocą kondesnatora sprzęgającego i zazwyczaj dotyczą pomiarów on-line, chociaż da się również wykonać takie badanie off-line.
- Efektywna metoda dla wczesnego wykrycia WNZ. Po wykryciu można obserwować trend zmian (rozwój uszkodzenia) i zaplanować naprawę
- Zasoby o krytycznym znaczeniu można interwałowo monitorować i szybko wykryć problemy poprzez porównanie z sąsiednimi fazami (np. w polu rozdzielni), albo między jednostkami siostrzanymi.
- Skuteczne narzędzie w programie konserwacji zapobiegawczej – Najważniejsze wytyczne zawarte w IEC TS 62478
Przykładem urządzenia pracującego metodą niekonwencjonalną jest popularny DOBLE DFA 300 (pracuje w dziedzinie czasu i częstotliwości, ma szeroką gamę czujników do sprzęgania się z obiektem badanym). DFA 300 pracuje w paśmie akustycznym oraz VHF/UHF zgodnie z IEC 62478.
Analiza danych w dziedzinie częstotliwości, wykazuje szerokopasmowe „podbicie” częstotliwościowe, co jednoznacznie wskazuje na obecność wyładowań niezupełnych.
W paśmie akustycznym można np. przeprowadzić diagnostykę występowania cząstek swobodnych w rozdzielnicach WN izolowanych SF6.
Kluczową sprawą w badaniach przesiewowych jest zaplanowanie przeglądu np. stacji w sposób systematyczny. Wpierw wyznaczamy tzw. linię bazową. Jest to przebieg referencyjny, np. poza stacją. Następnie wykonujemy obchód po stacji, zatrzymując się przy każdym kluczowym elemencie pola stacji. Badanie przesiewowe urządzeniem DOBLE DFA300 może zostać przeprowadzone z użyciem anteny dookólnej VHF/UHF. W przypadku wykrycia podejrzanych zmian w dziedzinie częstotliwości, można przełączyć analizator na dziedzinę czasu i spróbować wykryć charakterystyczną sygnaturę PRP (Phase Resolved Pattern). Sygnatura WNZ PRP to posiewu WNZ w funkcji kąta fazowego.
Za pomocą DOBLE DFA 300 z anteną zaworową UHF można przeprowadzić bezpieczną diagnostykę WNZ transformatora mocy bez jego wyłączania. Otwiera to nowe możliwości diagnostyki bezinwazyjanej dla transformatorów mocy. Antenę i jej adaptery należy dobrać do zaworu olejowego. Dostępna jest antena sztywna, elastycznej lub elastyczna z wideoskopem.
Można również wykonać badanie podłączając do DFA 300 przekładnik prądowy wysokiej częstotliwości HFCT. Jest to wygodna, szybka i bezpieczna metoda przesiewowa ustalenia na której fazie w polu występuje problem z WNZ.
Jeżeli osprzęt kablowy, jak głowice kabla WN lub NN jest wyposażona w czujnik pojemnościowy DOBLE LDWS-T, to można podłączyć DFA 300 do jej wyjścia BNC-T i wykonać pomiar WNZ, aby ustalić czy nie powstają w niej niebezpieczne wyładowania.
DFA 300 odda również nieocenione usługi w diagnostyce maszyn wirnikowych. Analizator można podłączyć do zainstalowanych przy maszynie sprzęgaczy pojemnościowych DOBLE PDDC17 lub PDDC24, albo do wyjść sprzęgaczy innych producentów. W prosty sposób można zdyskryminować rodzaj uszkodzenia izolacji (patrz poniżej).
Bardzo ciekawe jest również „obsłuchanie” akustyczne głowic kablowych pod kątem występowania w nich wyładowań niezupełnych za pomocą DOBLE DFA300 oraz falowodów dielektrycznych do 72 kV włącznie.
Systemy monitorowania on-line wyładowań niezupełnych
Protoplastą takiego systemu był kiedyś pomiarowiec wykonujący interwałowo przesiewowe przeglądy stacyjne/liniowe z wykorzystaniem bezinwazyjnego detektora wyładowań niezupełnych , pracującego metodą niekonwencjonalną. Były to przeglądy interwałowe, wpisane do programu konserwacji zapobiegawczej przygotowanego przez dział zarządzania majątku sieciowego zakładu.
Obecnie coraz szerzej wkraczają systemy ciągłego zautomatyzowanego monitorowania wyładowań niezupełnych.
Systemy te pracują metodą z kalibracją ładunku pozornego i bez kalibracji. Zazwyczaj mają charakter ostrzegawczy, alarmowy. Ich funkcja polega na wysłania do układu nadzoru informacji o przekroczeniu poziomu alarmowego. Mogą działać na wyłączenie lub bez wyłączenia.
Przykładem takiego systemu jest kanadyjski system NDB PDA z oprogramowaniem PD Cloud . Jego główną zaletą jest przystępna cena i wygoda użytkownika, który nie musi zamawiać dedykowanego oprogramowania nadzorczego. Oprogramowanie ma interfejs sieciowy z dostępem poprzez IP w przeglądarce internetowej. Użytkownik otrzymuje powiadomienia alarmowe poprzez email. Głównym polem zastosowania jest energetyka przemysłowa.
Innym przykładem jest znacznie bardzie zaawansowane, ale również droższy, system doblePRIME oraz DOBLE CALISTO T1. Głównym polem zastosowania jest tutaj energetyka zawodowa.
To już jednak temat na kolejny wpis na naszym Blogu. Zaglądaj do nas od czasu do czasu. Obiecujemy, że coś ciekawego zawsze u nas znajdziesz.
Pomiary i analiza wyładowań niezupełnych to część naszej oferty dla energetyki przemysłowej i zawodowej – skontaktuj się z nami i poznaj naszą ofertę usługową.
