Transformatory i łączniki w eksploatacji 2020

Studium wybranych technologii i przypadków wykorzystania pomiaru i analizy wyników wyładowań niezupełnych (PD) dla badania stanu aparatów wysokiego napięcia w izolacji gazowej (GIS, GIL)

1. Wstęp

Według opracowań organizacji CIGRE oczekiwany czas życia izolowanych gazem rozdzielnic (GIS) przyjmowany jest na około 35-50 lat, co czyni dla ich operatorów, ważnym problem kosztów ”całego okresu życia ” takich aparatów (szczególnie problem współczynnika bezawaryjności).

Dotychczasowe doświadczenia CIGRE wskazują, że dla aparatów wysokiego napięcia (WN) około 50% przypadków awarii/uszkodzeń powodowane jest przez defekty dielektryczne (Rysunek 1).

Rysunek 1. Rozkład błędów dielektrycznych  podczas serwisowania GIS ( wg. broszury CIGRE 523 ,2013)

Dlatego wysoka efektywność testów odbiorczych i diagnostycznych wykonywanych na miejscu instalacji w trakcie eksploatacji, ewentualnie monitorowanie,  jest zalecana.

Jedną z szeroko akceptowanych nieinwazyjnych metod diagnostyki wspomnianego typu uszkodzeń jest metoda pomiarów wyładowań niezupełnych (PD). Najczęściej stosowanym sposobem (stał się właściwie standardem) jest pomiar technologią UHF, ze względu na wysoką czułość wykrywania i uzyskiwany, wystarczający stosunek sygnału do szumu (SNR).

Przeprowadzona analiza testów instalacji systemów monitorowania na bieżąco, biorąc pod uwagę pełen okres życia aparatów GIS, w oparciu o badania 70 urządzeń GIS (420 kV) wyposażonych w monitorowanie na bieżąco, wykazała, że zmniejszenie kosztów nieplanowych konserwacji/odstawień mocy były niższe, niż inwestycja i koszty operacyjne systemu monitorowania. Aktualnie uzyskiwane parametry czułości i współczynnik prewencyjnego wykrywania, oraz biorąc pod uwagę naturę aktywności WN, czynią systemy monitorowania (PD) na bieżąco, jako mające rację bytu, tylko w szczególnych, bardzo krytycznych instalacjach, tam gdzie koszt przypadkowego odstawienia jest bardzo wysoki. Co więcej fizyka rządząca tym, czy sygnały PD mogą być wykryte przed uszkodzeniem,  prowadzącym do wykrycia miejsca przebicia izolacji, wpływa ograniczająco na wskaźnik zapobiegania, który obecnie możemy osiągnąć.

Jednak niska intensywność uszkodzeń dla GIS jest bardzo pożądana w całym okresie ich eksploatacji. Norma IEC60071-2 określa akceptowaną intensywność dla uszkodzeń dielektrycznych instalacji w sieci elektroenergetycznej. Jest ona zależy od wielkości zagrożenia/wpływu na system, i określona jest pomiędzy 0,1 a 0,4 uszkodzenia na 100lat [5].

Ponieważ odstawienie dowolnego szynoprzewodu wywołuje szereg konsekwencji, a GIS nie jest przyjemnym do naprawy, akceptowalna intensywność uszkodzeń GIS winna być bliższa 0,1 uszkodzenia na 100lat lub lepiej.

Dla rozdzielnic GIS o napięciu 60kV i więcej, częstotliwość uszkodzeń wg. informacji CIGRE (r.2018) wynosi pomiędzy 0,24 a 1,18 uszkodzeń na pole i na 100 lat. Uszkodzenia te można podzielić na uszkodzenia związane z realizacją wymaganych operacji lub funkcji (63%) i uszkodzenia dielektryczne (23%). Nawet dla małych stacji GIS (5 pól), intensywność uszkodzeń dielektrycznych wynosiłaby 0,28 do 1,36, co znacząco odbiega od wartości zalecanej w IEC (tj. 0,1). CIGRE zna przypadki sytuacji, gdzie uszkodzenia dielektryczne stanowiły około 50% w okresie przed uruchomieniem GIS.

Zatem większa efektywność testów odbiorczych na miejscu w tym badanie PD, kolejne profilaktyczne testy diagnostyczne i ewentualne monitorowania krótkookresowe z analizą trendu, jeśli zjawisk PD zostanie stwierdzone, jest zalecana i niezbędne.

Technologie badania wyładowań niezupełnych (PD), ewentualnie krótko-okresowe monitorowania na miejscu urządzeniami przenośnymi, wydają się wystarczającymi w większości przypadków, i niezbędnymi dla minimalizowania nieprzewidzianych ”odstawień” wywołanych problemami dielektrycznymi.

2. Rodzaje defektów dielektrycznych występujących w GIS, sygnały i krytyczność

Podstawowe wymagania dielektryczne dla systemu izolacji GIS są zdefiniowane przez koordynację izolacji. Wytrzymałość napięciowa dla prądu zmiennego (ACWV) i wytrzymałość napięciowa od impulsu udarowego (LIWV) są podstawowymi parametrami konstrukcyjnymi dla definiowania częstotliwości wykonywania serwisowania, uwzględniając zakłócenia przepięciowe na dielektrykach. Aby zapobiegać długookresowej degradacji izolacji dielektrycznej (np. dla próżniowych bąbli w materiale izolacyjnym – void), zdefiniowane są dalsze wymagania, uwzględniające maksymalny dopuszczalny poziom PD, przy określonym poziomie napięcia.

Rysunek 2. Przedstawia obrazowo typowe rodzaje defektów w instalacji GIS

Wykrywalność defektów PD w GIS jest wysoce zależna od:

  • Rodzaju defektu (wolno poruszające się metalowe cząstki, metalowe występy/wypukłości lub ostre krawędzie na połączeniach, kiepskie lub luźne styki elektryczne, defekty w izolacji stałej –jak próżne miejsca, pęknięcia na powierzchni izolatorów, zanieczyszczenia w mediach izolujących), oraz jego specyficznej lokalizacji.
  • Drogi transmisji sygnału o częstotliwości radiowej (RF) do elementu wykrywającego (czujnika)
  • Czułości czujnika i zastosowanej metody wykrywania
  • Interferencji częstotliwości radiowej (RFI) i podatności metody detekcji na RFI
  • Podawanego napięcia
  • Maskowania przed silnym sygnałem PD od defektów innych aparatów, znajdujących się w pobliżu.
Rysunek.2 . Powyższe zdjęcie pokazuje przykładowy  widok spektrum częstotliwościowego z uwzględnieniem tła dla wolnej cząstki podskakującej i ostrego występu na obudowie.
Rysunek 3. Powyższe zdjęcie  pokazuje przykładowe spektrum widma  dla występującego po montażowego śladu metalu na izolacji powodujące wyładowanie PD.

Zjawisku PD towarzysza różne efekty jak fala elektromagnetyczna i akustyczna (mechaniczna), emisja światła i chemiczne produkty rozpadu medium izolującego. Te fizyczne i chemiczne efekty mogą być wykryte poprzez różne metody diagnostyczne czujnikami, które można sklasyfikować jako: metody elektryczne, konwencjonalne metody zgodne ze standardem IEC60270 (typowo stosowane podczas testów fabrycznych), niekonwencjonalne metody elektryczne(typowo używane do testów w terenie), metody akustyczne (typowo używane przy testach w terenie), metody optyczne (typowo używane przy testach w terenie)  i metody chemiczne.

W tym artykule zajmiemy się metodami elektryczną i akustyczną, gdyż obie są szeroko używane dla testowania rozdzielnic WN i ŚN w tym CIS i GIL. Interesować nas będą zwłaszcza metody, które nie są inwazyjne i pozwalające wykrywać PD, bez odłączania kabli/szyn zasilających od rozdzielnicy.

Pomiar PD w GIS jest bardzo dobrze akceptowany i jest dojrzałą techniką pomiarową. W urządzeniach ŚN stosuje się go niedawno

Należy odnotować, że testy PD w terenie mogą dawać fałszywe pozytywne (w sensie wykrycia) wyniki, z powodu dużych zewnętrznych szumów, lub zmierzonych zakłóceń od zewnętrznych obiektów, a również od przesłuchów pomiędzy fazami. Dodatkowo, wymagane jest, aby wyniki były przeglądane przez ekspertów dla rozdzielnic, aby określić relacje pomiędzy wynikami testu konwencjonalnego- fabrycznego, a naszymi pomiarami. Taka praktyka pozwala zmniejszyć prawdopodobieństwo stwierdzenia fałszywych pozytywnych wyników.

Rysunek 4. Zdjęcia przebiegu widma z istotnym tłumieniem sygnału dla sekcji GIS 145kV o długości 3,9m (B) .

3. Spotkane metody detekcji (czujniki) dla GIS i rozdzielnic ŚN, sposoby prezentacji wyników

W praktyce diagnostyki GIS spotykamy metody : UHF (typowy zakres 100-2000MHZ), HFCT, TEV i AC- metoda akustyczna. Poniżej zdjęcia z praktycznego stosowania badań PD na GIS i rozdzielnicach ŚN testerem podręcznym.

Rysunek 5. Powyżej przykładowe zdjęcia wykonywania pomiaru różnymi czujnikami na GIS.
Rysunek 6. Poniżej przykładowe zdjęcia wykonywania pomiarów na rozdzielnicach ŚN

Najczęściej prezentowanym /analizującym obrazem przedstawiającym zmierzone zjawiska w GIS jest wykres (PD pattern) pokazujący jednocześnie wielkości (kąta fazowego, wielkości ładunku i ilości zdarzeń). Każdy uchwycony impuls jest sortowany i zliczany z uwzględnieniem jego kąta fazowego, osiąganej amplitudy. Wykres zawiera więc informacje o różnych właściwościach uszkodzenia powodującego wyładowania. Te dane przedstawiane są jako zsynchronizowane z przebiegiem zasilania (WN). Są one wtedy typowe dla danego rodzaju defektu. Jednak fakt różnej drogi propagacji dla sygnału, tłumienia, możliwych zakłóceń, czy też nakładania się innych wyładowań, nie zawsze powoduje możliwość prostej interpretacji, co jest pewnym problemem i wymaga doświadczenia od interpretatora. Pojawiły się jednak aplikacje umożliwiające /ułatwiające interpretacje. Wykorzystują one odpowiednie algorytmy porównawcze i bazę danych z rzeczywistych zdefiniowanych defektów.

Rysunek 7. Przykładowe wzorcowe prezentacje wyników dla różnych defektów PD

Ponieważ tematem tego referatu ma być pokazanie dostępnych rzeczywistych metod skupimy się w dalszej części na prezentacji możliwych rozwiązań/ technologii badań PD w oparci o wybrane, dostępne na rynku rozwiązania, z przykładami rzeczywistych pomiarów i interpretacji wyników.

4. Diagnostyka Wyładowań Niezupełnych – Rozwiązania dla Inteligentnego Monitorowania i Diagnostyki Stanu Zasobów oraz procedura pracy w terenie nowoczesnego testera wyładowań niezupełnych dla GIS i przykłady pracy z wykorzystaniem chmury jako aplikacji do analiz

Rysunek. 8 . Powyżej zbiorcze przedstawienie dostępnych metod diagnostyki PD w aparatach  oraz procedurę z urządzeniem podręcznym.
Rysunek 9. Powyżej typowa konfiguracja podręcznego zestawu i przykłady pracy z wykorzystaniem chmury jako aplikacji do analiz

Innym rozwiązaniem jest diagnostyka wielokanałowa w trybie na bieżąco z możliwością krótkookresowego monitorowania i analizie dokonanej w ”chmurze”. (Rysunek 10)

Rysunek 10.

Nowoczesne rozwiązania oferują również aplikacje do korzystania z analizy w chmurze poprzez aplikacje programowe dla smartfonów. (Rysunek 11)

Rysunek 11.

Diagnostyka i interpretacja w ”Chmurze- Cloud” jest wygodnym narzędzie do prowadzenia badania obiektów w przedsiębiorstwach nie mających specjalistów od analizy zjawisk wyładowań niezupełnych. Zaawansowana aplikacja poza przygotowaniem planu testu, pozwala odczytać i zapisać w zidentyfikowany sposób dla aparatu, zmierzone wartości z urządzenia, dokonać ich interpretacji w oparciu o wzorce i bazę danych, z różnych pomiarów użytkowników korzystających z tej chmury, oraz przekazać raport z wynikami analizy również np. ”metody uczenia się” i z zdefiniowanym typem defektu. (Rysunek 10)

Rysunek 11. Powyżej przykładowe okna  z aplikacji w chmurze i raportu

Monitorowanie GIS na bieżąco jest drogim rozwiazaniem, ale w niektórych /krytycznych przypadkach może być słusznym rozwiązaniem.

Rysunek 12. Poniżej przykład  rozwiazania systemu monitorujacego GIS.

5. Przedstawiamy studium trzech wybranych przypadków wykorzystania z sukcesem technologii badania PD dla oceny stanu aparatu.

5.1 GIS – 1/ wolne cząstki (free particles).

GIS 230 kV,5 lat pracy, jeszcze na gwarancji. Rutynowy test z wykorzystaniem podręcznego zestawu. Czujnik akustyczny wykrył PD typu wolne cząstki na wyprowadzeniu mocy w kątniku rurowym. Widmo pokazało sygnał typu PD od wolnych cząstek. Przeprowadzono również badanie czujnikiem UHF, który PD nie wykazał. Uznano, że zmierzone wyładowanie jest groźne i przeprowadzono rewizje po odstawieniu. Wizualna analiza (kamera) pokazała obecność cząstek na spodzie obudowy.Patrz rysunek. Oczyszczono próżniowo wnętrze poprzez dwuwarstwowy papier, dla pojmania cząstek. Odnalezione na papierze cząstki pokazane na rysunku. Po usunięciu cząstkowych zanieczyszczeń zmontowano GIS i po podaniu napięcia nie wykryto PD. W konkluzji uznano że dla PD typu wolne cząstki metoda AE okazała się bardziej skuteczna niż UHF. Również w okresie gwarancji należy dokonywać rutynowych sprawdzeń GIS.

5.2. GIS 2 wyprowadzenie mocy z transformatora.

PD wykryto akustycznie i czujnikiem HFCT. Rewizja wykazała wolne cząstki na styku ślizgowym (patrz rysunek poniżej.

5.3. Zakładowa rozdzielnica ŚN badanie pod katem obecności PD

W jednym z zakładów przemysłu aluminiowego w USA rozpoczęto w 2014 roku patrolowanie pod kątem obecności PD posiadanych 377 rozdzielnic ŚN. Zakupiono zestaw przenośny podręczny z technologią RFID i rozpoczęto procedurę. W przypadkach wątpliwych wykonywano krótkoterminowe monitorowania urządzeniem przenośnym z serwisem w chmurze do analiz i oceny (PMDTCloud).

Procedura polegała na:

  1. Automatycznym sczytywaniu nr. ID rozdzielnicy
  2. Osłuchiwanie rozdzielnic czujnikiem UHF, AE i TEV

5.3.1. Lokalizacja  uszkodzenia (obecności PD)

W tym przypadku wykryto w 2014 r. czujnikiem UHF wyładowanie PD, typu pływająca elektroda. Nie podjęto żadnych kroków. W roku 2015 bardziej zaawansowaną analizą dokonano ponownego pomiaru i lokalizacji (poniżej zdjęcia i przebiegi). Zlokalizowano miejsce, dokonano odstawienia i odnaleziono uszkodzenie, które usunięto. W kolejnym badaniu w roku 2016. Osłuchiwanie wykazało brak PD. Usunięcie skuteczne.

5.3.2. Analiza sygnałów trendu i wykonanie rewizji defektu

Konkluzje z badania rozdzielnic.

Wyładowanie od pływającej elektrody może trwać przez długi czas, nawet gdy amplituda sygnału PD jest bardzo mocna. Użyta metoda lokalizacji 3D czujnikiem UHF była skuteczna w znalezieniu i ustaleniu przyczyny, i w efekcie jej usunięciu. Coroczne sprawdzanie PD na bieżąco może poprawić rzetelność pracy systemu mocy. Ponowne testowanie po konserwacji/naprawie jest konieczne.

5.4. Przykład zastosowania zestawu przenośnego wielokanałowego do wykrywania PD i lokalizacji

Z wykorzystaniem aplikacji na lokalnym PC

6. Podsumowanie

Pomiary PD dostarczają ważnych informacji o stanie izolacji rozdzielnic. Tradycyjnie test PD stosowany jest jako zapewniajacy jakość podczas procesu produkcji GIS, dla sprawdzenia ewentualnej obecności defektów w izolacji. Prowadzone przez ostatnie 10-20 lat badanie w terenie wykazały skuteczność i potrzebę wykonywania diagnostyki pod kątem obecności PD w rozdzielnicach WN i ŚN.Są na rynku obecne technologie pozwalające w szerokim zakresie takie badania na rozdzielnicach prowadzić. Interpretacja wyników nie jest w wielu wypadkach łatwa, ale pojawiły się aplikacje programowe ułatwiające uzyskiwanie informacji o radzaju wyładowania oraz miejscu defektu. Można uznać, że technologia badania PD oraz dostępne na rynku narzędzia, ułatwiaja prowadzenie zarzadzania zasobami w tym GIS.

Mirosław Kuchta,
Enertest testery i diagnostyka sp. z o.o.

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top