Nowoczesne strategie eliminacji zakłóceń w terenowych pomiarach wyładowań niezupełnych w transformatorach

Streszczenie

Diagnostyka wyładowań niezupełnych (WNZ) w transformatorach w eksploatacji jest zazwyczaj konsekwencją niekorzystnych wyników badań DGA. Celem pomiaru WNZ jest weryfikacja źródła wyładowań wewnątrz transformatora, określenie ich intensywności oraz określenie ich rodzaju, zazwyczaj z wykorzystaniem analizy wzorców WNZ. Często udaje się zlokalizować źródło WNZ i ostatecznie oszacować ryzyko i zaplanować dalsze działania. W prawie wszystkich krokach takiego postępowania, wymienionych powyżej, występuje problem nakładania się różnych zjawisk na sygnał związany z WNZ, a czasem dominującą składową są zakłócenia. Typowe interferencje falowe, jak np. sygnały radiowe, mogą być łatwo wytłumione przez filtry częstotliwościowe, zakłócenia impulsowe zazwyczaj nie mogą być wystarczająco zniwelowane ze względu na ich szerokie spektrum częstotliwościowe.
W artykule opisano możliwości minimalizowania lub nawet całkowitej eliminacji wpływu zewnętrznych zakłóceń na wyniki pomiarów WNZ. Omawiane metody podzielono na oparte na oprogramowaniu oraz na metody sprzętowe. Przedstawiono cztery metody i podano przykłady ich praktycznego zastosowania.

Słowa kluczowe: wyładowanie niezupełne, eliminacja zakłóceń, separacja impulsów, UHF

Wprowadzenie

Przez dekady pomiary wyładowań niezupełnych (WNZ) w transformatorach energetycznych będących w eksploatacji uważane były za niemożliwe do poprawnego wykonania ze względu na brak strategii unikania ogromnego wpływu zakłóceń zewnętrznych. Bardzo często amplituda takich sygnałów przekraczała amplitudę sygnału WNZ pochodzącego z kadzi transformatora o rzędy wielkości, co utrudniało lub wręcz uniemożliwiało analizę danych WNZ. Z drugiej strony, odszukanie źródła WNZ może być trudne nawet podczas inspekcji optycznej. Wyładowania niezupełne stanowią niewątpliwe zagrożenie dla transformatora. Na rysunku 1 przedstawiono dwa zdjęcia uszkodzeń spowodowanych przez WNZ w transformatorach. O ile na rysunku po lewej stronie wyładowania rozpoczęły dopiero proces dekompozycji preszpanu, o tyle bariera izolacyjna po prawej jest w znacznym stopniu uszkodzona i nie może pełnić swojej pierwotnej funkcji.

W czasie ostatnich dziesięciu lat rozwój urządzeń do badania WNZ umożliwił wprowadzenie narzędzi do eliminacji zakłóceń pomiarowych, stosowanie odpowiednich praktyk pomiarowych oraz zebranie doświadczeń przemysłowych popartych wiedzą [1]. Dodatkowo dostępne są mobilne układy do prób wysokonapięciowych. Obecnie badania transformatorów na miejscu ich zainstalowania stały się powszechną praktyka pomiarową. Jako że wiarygodny pomiar WNZ, ich identyfikacja, lokalizacja i ocena ryzyka ich obecności wymaga analizy przez eksperta, bardzo ważne jest wyeliminowanie wpływu zewnętrznych czynników na rejestrowany sygnał. W kolejnych punktach omówione zostaną cztery narzędzia, dzięki którym można osiągnąć taki cel.

Synchroniczny pomiar z wielu terminali oraz 3PARD

Metoda ta, opracowana w 2002 roku, może być stosowana, gdy jest dostęp do kilku punktów pomiarowych, umożliwiających odsprzężenie sygnałów WNZ. Typowym przykładem jest test napięciem indukowanym na transformatorze trójfazowym. Rysunek 2 przedstawia schematyczny układ takiego pomiaru (po lewej) i jego praktyczne zastosowanie (po prawej). Złącza pomiarowe przepustów WN wykorzystano do odsprzężenia sygnałów. Sprzężenie sygnału WNZ w trzech fazach transformatora (galwaniczne, pojemnościowe i elektromagnetyczne) sprawia, że jest on wykrywany zazwyczaj we wszystkich z nich. Aby zapewnić wykrycie echo oryginalnego impulsu bardzo ważna jest dokładna synchronizacja wszystkich kanałów pomiarowych. Należy podkreślić, że nie jest to możliwe do osiągnięcia z wykorzystaniem systemów multipleksowych.

Każdy impuls WNZ wykryty w trzech terminalach jest przetwarzany cyfrowo w każdym kanale pomiarowym i – z odniesieniem do jego amplitudy i momentu wystąpienia – przesyłamy światłowodem do programu analizującego, który odbiera dane na komputerze operator w czasie rzeczywistym. Procedura ta objaśnione jest na rysunku 3.

Poza obrazowaniem wartości amplitudy WNZ zarejestrowanych przez kanały pomiarowe i wzorców PRPD dla każdej fazy, omawiane podejście pomiaru na wielu terminalach może być wykorzystane do eliminacji zakłóceń i nakładających się wzorców WNZ. Można to osiągnąć dzięki 3PARD (3 Phase Amplitude Relation Diagram – Diagram 3-fazowej zależności amplitudowej). Dwuwymiarowe, oparte na skali kolorów, diagramy wektorów amplitudy trzech faz (co widać na rysunku 3) są sumowane z przesunięciem fazowym 120 stopni, zgodnie z przesunięciem fazowym napięcia testowego. Każdy pojedynczy impuls WNZ zmierzony w trzech fazach daje w efekcie jeden punkt na diagramie. Na rysunku 4 przedstawiono obliczanie i tworzenie gwiaździstego układu 3-PARD.

Skala kolorów oparta na intensywności stosowane dla wyników tej operacji odzwierciedla częstotliwości pojawiających się impulsów. Wewnętrzne impulsy WNZ są gromadzą się głównie blisko osi diagramu. Impulsy pochodzące od zakłóceń (prawie tej samej amplitudy) są często umiejscowione blisko początku układu współrzędnych. Oprogramowanie do analizy umożliwia wybór pojedynczych skupisk i dokonuje przekształcenia w czasie rzeczywistym. Dzięki temu tylko impulsy należące do zaznaczonego skupiska są przedstawiane na ekranie, co umożliwia analizę wzorców bez wpływu nakładających się sygnałów. Na poniższym rysunku zawarto przykładowe wyniki badań WNZ transformatora 40 MVA poddanego naprawie. Rysunek 5 zawiera PRPD i odpowiadający 3PARD. Zaznaczono na nim jedną grupę impulsów.

Na rysunku 6 zawarta porównanie przekształconych skupisk impulsów uzyskanych z 3PARD. Skupisko takie, zaznaczone wcześniej po prawej stronie rysunku 5, przedstawione jest po lewej stronie i odpowiada sygnałom zewnętrznego źródła zakłóceń. Na środku widoczny jest poziom zakłóceń tła, pochodzący od skupiska widocznego na środku diagramu 3PARD. Po prawej stronie rysunku widać wewnętrzne WNZ w fazie 1. W ten sposób możliwa jest ocena intensywności (amplituda WNZ) i rodzaju (analiza wzorca) wyładowania niezuypełnego, co ułatwia późniejszą decyzję dotyczącą eksploatacji transformatora. W prezentowanym przykładzie wdrożono ponowne odgazowywanie pod próżnią, co ostatecznie doprowadziło do zaniku WNZ.

Synchroniczny pomiar w wielu zakresach i 3CFRD

W celu zwiększenia możliwości systemu 3PARD opracowano dodatkowe narzędzie: 3CFRD (3-Center-Frequency-Relation-Diagram – potrójny centryczny diagram zależności częstotliwościowych), z myślą o przypadkach, gdy nie jest możliwy pomiar WNZ w trzech miejscach (trzy fazy), przykładowo w przypadku jednej jednofazowej jednostki przesuwnika fazowego. Metoda ta wymaga trzech filtrów dokonujących pomiaru każdego impulsu WNZ jednocześnie w środkowych częstotliwościach swoich predefiniowanych zakresów częstotliwości. Synchroniczna analiza trzech różnych części spektrum wyładowań niezupełnych dla pojedynczego impulsu WNZ dostarcza informację na temat jego natury, propagacji i wygaszania. Kompleksowa ocena zachowania widmowego różnych typów impulsów omawiana była w [3]. Poprawny wybór pozycji tych trzech zakresów w dziedzinie częstotliwości jest kluczowy do skutecznej analizy. Filtry należy ustawić w taki sposób, by widmowe odchylenia impulsów o różnym rodzaju lub pochodzeniu były maksymalne.
Na rysunku 7 przedstawiono zasadę tworzenia widma dla trzech różnych impulsów WNZ i trzech filtrów, umieszczonych na widmie w zakresach, gdzie występują największe różnice pomiędzy impulsami.

Czerwone strzałki wskazują wartości bezwzględne wartości ładunku impulsu nr 1 w zakresach częstotliwości filtrów. Wektory te umieszczone są następnie w diagram gwieździsty, zaprezentowany po prawej stronie rysunku 7. Każda oś reprezentuje jeden filtr i odpowiadającą mu wartość środkową zakresu częstotliwości, co odróżnia to podejście od 3PARD, gdzie każda oś odpowiada jednemu terminalowi pomiarowemu. Długości wektorów wynikają ze zmierzonej amplitudy dla każdego filtra. Poprzez geometryczne sumowanie wektorów uzyskiwany jest punkt końcowy dla impulsu oznaczonego jako 1. Taka sama procedurę zastosowana będzie dla impulsów 2 oraz 3, co można zauważyć po lewej stronie rysunku 8. Po zsumowaniu wektorów uwidaczniają się poszczególne grupy punktów na wykresie 3CFRD (rysunek 8, po prawej). Ich położenie wynika z różnego występowania w widmach częstotliwości. W oparciu o uzyskany diagram możliwe jest dokonanie oceny każdego punktu z osobna. Wzorzec fazowo-rozdzielczy wyładowania niezupełnego (PRPD) zawiera teraz tylko impulsy o takim samym zachowaniu widmowym. Ostatecznie prowadzi to do jasnych i pozbawionych zakłóceń wyników pomiarów WNZ. W oparciu o omówioną metodę oddzielenie źródeł poszczególnych WNZ oraz źródeł zakłóceń możliwe jest dzięki analizie tylko poszczególnych punktów 3CFRD. Dodać należy, że opisana procedura odbywa się w czasie rzeczywistym.

Opisana metoda wykorzystana została podczas badań WNZ kilku przekładników na miejscu ich zainstalowania przy obecności zakłóceń zewnętrznych. Badania wykonano po awarii jednego z przekładników prądowych. Na rysunku 9 przedstawiono uszkodzony przekładnik (po lewej) i układ pomiarowy WNZ zainstalowany na takich samych jednostkach jak uszkodzona na stacji energetycnej (po prawej). Podczas pomiarów obserwowano zakłócenia tła na poziomie ok. 1 nC, co w standardowym pomiarze jest wartością zbyt wysoką na uzyskanie miarodajnych wyników oceny izolacji opartej na żywicy epoksydowej. Na rysunku 10 ukazano oryginalny PRPD po prawej, PRPD po usunięciu zakłóceń (środek) i odpowiadający 3CFRD po lewej. Na oryginalnym PRPD nie jest możliwa identyfikacja WNZ, podczas gdy na 3CFRD widoczne są dwa skupiska punktów.

Duże skupisko punktów odpowiada za zakłócenia tła, podczas gdy mniejsze okazało się być WNZ wewnątrz badanego przekładnika prądowego, które widoczne jest na obrazie po usunięciu zakłóceń, zaprezentowanym na środku rysunku 10. Tak poważna aktywność WNZ nie byłaby widoczna bez skutecznego usuwania zakłóceń. Ostatecznie badany przekładnik został zastąpiony, by zapobiec nieprzewidzianym awariom, nie wyłączając wybuchu lub pożaru na stacji energetycznej.

Wykorzystanie synchronicznego zewnętrznego kanału wyzwalania (wyzwalanie za pomocą anteny)

Dzięki możliwościom w pełni synchronicznej akwizycji danych WNZ możliwe jest wykorzystanie drugiego kanału pomiarowego do detekcji wpływu zewnętrznych impulsów, nie generowanych przez badany obiekt. Dlatego też ta dodatkowa jednostka pomiarowa musi być skutecznie oddzielona od badanego obiektu, by zapewnić że żadne impulsy pochodzące z obiektu nie wpłyną na nią. Przykładowo można umieścić taką jednostkę blisko przetwornika częstotliwości lub zestawu generatorowego używanego do badania napięciem indukowanym. Typowymi sposobami na podłączenie jednostki wyzwalającej jest indukcyjne odsprzężenie od połączenia z ziemią lub antena do zakłóceń radiowych. Podczas gdy jednostka akwizycji WNZ połączona z zaciskami pomiarowym przepustów wykrywa zarówno WNZ wewnątrz transformatora jak i zewnętrzne sygnały zakłócające, kanał wyzwalający wykrywa tylko te drugie. Te impulsy, które są synchronicznie zarejestrowane na przepustach oraz na kanale wyzwalającym sklasyfikowane zostaną jako pochodzenia zewnętrznego. Na potrzeby oceny wyników pomiarowych brane pod uwagę przez oprogramowanie są tylko impulsy wykryte na przepustach, ale nie wykryte przez jednostkę wyzwalającą. Zasadę tę wyjaśnia rysunek 11.

Metoda ta została wykorzystana podczas pomiarów WNZ na wysokonapięciowym transformatorze probierczym w miejscu jego zainstalowania. Transformator zasilono z zestawu generatorowego, który powodował niesynchroniczne zakłócenia fazowe. Przewód na którym pojawiały się wyładowania koronowe zamocowano do zacisku pomiarowego jednego z przepustów. Rysunek 12 przedstawia oryginalny kształt PRPD (po lewej), sygnały zarejestrowane przez jednostkę wyzwalającą podłączoną do uziemienia generatora (środek) oraz kształt po usunięciu zakłóceń (po prawej). Należy dodać, że wskazane wartości WNZ w jednostce wyzwalającej muszą być odrzucone, gdyż ten kanał nie jest wykalibrowany, co jednak nie stanowi problemu, bo znaczenie ma tylko informacja czasowa dostarczana przez niego. Dlatego sygnały zakłóceń nie są dopasowane do ich odpowiedników w kanale pomiarowym. Rysunek po prawej jasno ukazuje, że wyładowania koronowe symulujące rzeczywiste WNZ nie zostały zakłócone przez wyzwalanie. Możliwy był więc dokładny pomiar WNZ, pomimo zakłóceń generowanych przez zestaw generatorowy.

Łączony pomiar elektryczny oraz UHF (wyzwalanie UHF)

Podczas gdy w poprzedniej metodzie wykorzystano zewnętrzną antenę i uwzględniono tylko impulsy, które pojawiały się na zaciskach pomiarowych, ale nie pojawiały się na zewnętrznej antenie, w tym przypadku łączony pomiar elektryczny i UHF wykorzystuje antenę UHF zamocowaną wewnątrz transformatora. Zasadę pomiaru wyjaśniono na rysunku 13.

W tym przypadku impulsy, które brane są pod uwagę do oceny wyników wykryte zostały zarówno na zaciskach przepustów, jak i przez wewnętrzną antenę. Metoda ta wykorzystuje antenę UHF, która musi być umieszczona w kadzi transformatora, zazwyczaj poprzez zawór do spuszczania oleju. Zawory te umiejscowione są w obszarach o małym natężeniu pola elektrycznego, co daje możliwość na umieszczenie głowicy czujnika bez ryzyka spowodowania wyładowania zupełnego. Na rysunku 14 przedstawiono dwa przykłady praktycznego zastosowania czujników UHF na transformatorach mocy. Po lewej przedstawiono sondę UHF zamocowaną do zaworu na górze transformatora w polu testowym producenta, zaś na zdjęciu po prawej przedstawiono czujnik zamocowany do zaworu spustowego podczas badań w warunkach polowych.
W czasie łączonego pomiaru elektrycznego i UHF na transformatorze blokowym o mocy powyżej 1100 MVA dokonano sprawdzenia czy na wewnętrzną antenę nie mają wpływu zewnętrzne zakłócenia. Przewód koronujący podłączono do jednego z przepustów 400 kV. Rysunek 15 zawiera porównanie kształtu WNZ zarejestrowanych metodą elektryczną na zacisku pomiarowym przepustu z podłączonym przewodem koronującym (po lewej) i synchroniczny odczyt systemu UHF z wnętrza kadzi z wykorzystaniem filtra 1,5 MHZ z ustawionego na częstotliwości środkową 490 MHz (po prawej). Wykazano, że bardzo intensywne sygnały wyładowań koronowych (ok. 8,7 nC) nie wpłynęły na antenę UHF.
Gdy na tym samym transformatorze pojawiły się wewnętrzne WNZ, dokonano ich pomiaru za pomocą konwencjonalnego systemu detekcji WNZ oraz za pomocą systemu UHF. Rysunek 16 przedstawia kształt zmierzonych WNZ na zacisku przepustu (po lewej) i synchronicznie wykryte sygnały z sondy UHF (po prawej). Oba z nich wskazują na podobne zachowanie. Wyniki te dowodzą poprawności zasady stosowania wyzwalania UHF. Sygnały zewnętrzne nie były w stanie wpłynąć na wewnętrzną antenę, podczas gdy wewnętrzne WNZ były wykrywane z dużą dokładnością. Autorzy dziękują firmie Siemens Transformers z Nurembergu za wsparcie okazane podczas tych badań.

Przykład praktycznego zastosowania wyzwalania UHF przedstawiono w [4] i [5]. W czasie badań on-line na transformatorze 333 MVA z pomiarów elektrycznych na zacisku przepustu nie uzyskano wartościowych odczytów w związku z wysokim poziomem zakłóceń z szyn 400 kV umieszczonych ponad transformatorem (rysunek 17, po lewej). Sonda UHF wykryła źródło wewnętrznych WNZ, ukazanych na środku rysunku 17. Po prawej stronie tego rysunku przedstawiono wyniki pomiaru elektrycznego z wyzwalaniem UHF. W tym przypadku ukazano tylko impulsy wykryte przez konwencjonalny system pomiarowy i czujnik UHF z zadanym okresie czasu. Oczywiście czułość pomiaru znacznie zwiększono.

Ostatecznie sygnały z układu pomiarowego UHF wykorzystano do wyzwalania systemu lokalizacji akustycznej. Procedura lokalizacji wskazała na problem blisko przełącznika zaczepów, co potwierdzono w czasie inspekcji wewnętrznej. Przyczyną była zestarzona izolacja papierowa na wyprowadzeniach odczepowych. Transformator naprawiono i przywrócono do pracy.

Literatura

[1] W. Koltunowicz, R. Plath, „Synchronous Multi-channel PD Measurements”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol.15, No. 6, December 2008
[2] K.-D. Plath, R. Plath, H. Emanuel, W. Kalkner, „Synchrone dreiphasige Teilentladungsmessung an Leistungstransformatoren vor Ort and im Labor”, ETG-Fachtagung Diagnostik elektrischer Betriebsmittel, Berlin, Germany, Paper 0-11, 2002
[3] K. Rethmeier, A. Obralic, A.Kraetge, et al. „Improved Noise Suppression by real-time pulse-waveform analysis of PD pulses and pulse-shaped disturbances”, International Symposium on High Voltage on High Voltage Engineering (ISH), Cape Town, South Africa, August 2009
[4] A. Kraetge, S. Hoek, K. Rethmeier,
M. Krueger, P. Winter, „Advanced possibilities of synchronous conventional and UHF PD measurements for effective noise suppression”, IEEE , International Symposium on Electrical Insulation (ISEI), San Diego, USA, June 2010
[5] S. Tenbohlen, A. Pfeffer, S. Coenen, „On-site Partial Discharge Measurement in Power Transformers by UHF Sensors”, Highvolt Kolloquium, Dresden, Germany, May 2011

A.Kraetge, S. Hoek, W. Pichler
OMICRON Germany, Austria