Prehľad diagnostiky transformátorov v teréne vzhľadom na analýzu ich vlhkosti a nadprúdov

 

­

Prevádzkovanie rôznych energetických za­riadení prináša stále väčšie nároky na spoľah­livosť týchto zariadení vzhľadom k tomu, že okrem technicko-prevádzkových aspektov sa dostávajú do popredia aj aspekty ekonomic­ké. Rentabilnosť takéhoto zariadenia je mož­ná len vtedy, ak je zariadenie čo najmenej poruchové. Z tohto hľadiska patria výkono­vé transformátory medzi kľúčové zariadenia elektroenergetických sústav. Detekcia mož­ných porúch už v počiatočnom štádiu i v teré­ne podstatne znižuje náklady spojené s opra­vami po vzniku poruchy.

 

Prax potvrdzuje, že je potrebné vykoná­vať diagnostiku nielen na veľkých blokových transformátoroch 440 (220) kV, ale aj na dis­tribučných 110 kV. Okrem vplývajúcich poru­chových stavov siete (napr. skrat, nesymetrie, prúdové preťaženie, prepätie apod.) pôsobí na celkové poškodenie týchto transformátorov aj ich aktuálny stav izolačných hladín (napr. stav zostarnutia oleja, izolácie vinutia, prie­chodiek, stav vlhkosti apod.).

 

V prípade, že by sa dal vopred určiť vhod­nou diagnostikou v teréne zhoršený stav kva­lity vinutia alebo izolácie dôsledkom nadprú­dov, príp. vlhkosti, je možné pred samotnou závažnou poruchou takýto transformátor po­slať na predčasnú podrobnú kontrolu. Bežne používané diagnostické metódy kladú požia­davky, ktoré zohľadňujú nutnosť krátkodobé­ho odstavenia zariadení z prevádzky (neod­porúča sa používať časovo náročné metódy) ako i minimalizáciu počtu operácii, nutných na prípravu stroja k samotnému meraniu.

Kvalitný stav novej izolácie sa v prevádz­ke môže zhoršovať napr. znečistením povrchu izolátorov a izolácií, ich navlhnutím, starnutím apod. Ak sa včas neurobia opatrenia na zame­dzenie zhoršovania, dospeje sa do toho štá­dia, ktoré sa prejaví ako poškodenie izolácie, čo spravidla vyradí celé elektrické zariadenie z prevádzky. Pri dôležitých elektrických zaria­deniach, ako sú napr. prenosové transformáto­ry, každý krátkodobý okamih vyradenia z pre­vádzky znamená veľké národohospodárske škody. Preto je nesmierne dôležité pravidel­ne kontrolovať stav izolácií. Prítomnosť vody v olejovom transformátore má napr. za násle­dok zhoršovanie stavu izolácie, dôsledkom čoho vzniká akútne nebezpečenstvo tepelnej poruchy pevnej izolácie. Dielektrické zohrie­vanie môže byť totiž tak vysoké, že teplotný nárast sa stáva nekontrolovateľným a transfor­mátor sa stáva nebezpečným pre svoje okolie i samotnú prevádzku.

 

Pomerne najstaršou a najjednoduchšou metódou na zisťovanie stavu izolácií je me­ranie izolačného odporu. Hlavnou nevýho­dou tejto metódy je, že izolačný odpor nezá­visí len od stavu izolácie, ale aj od jej dru­hu a rozmerov. Z tohto dôvodu stav izolácie elektrického zariadenia je možné podľa hod­noty izolačného odporu posúdiť len vtedy, ak už máme predchádzajúce skúsenosti s rov­nakou izoláciou v rovnakom zariadení. Ďal­šou nevýhodou tejto metódy je, že síce uká­že i malé miestne zhoršenie izolácie v prípa­de, pokiaľ toto prechádza naprieč izolačnou vrstvou napr. olej-papier, avšak nedokáže identifikovať, či je zhoršenie na strane papie­ra, alebo oleja.

 

Pri tejto metóde sa navyše využíva po­znatok, že zmena stavu sa prejavuje zmenou časovej závislosti prúdu tečúceho izoláciou pri jednosmernom napätí. Prúd tečúci izolá­ciou je tvorený s časom klesajúcou absorpč­nou zložkou ako i ustálenou zložkou. S ras­túcim obsahom vlhkosti v izolácii podstatne vzrastá ustálená zložka prúdu ako absorpčná. Absorpčná zložka prúdu sa tak menej uplat­ňuje na charaktere časovej závislosti prúdu i odporu, ktorá sa tak pri zvýšenej vlhkosti splošťuje (obr. 1).

 

Pre využitie tohto poznatku na zisťovanie stavu izolácie netreba stanovovať celú časovú závislosť prúdu, ale stačí určiť hodnoty prúdu (odporu) v dvoch rôznych časoch od pripoje­nia jednosmerného napätia. Na charakterizo­vanie stavu izolácie je vhodný podiel týchto dvoch hodnôt nazývaný ako polarizačný in­dex p_i (pretože je to bezrozmerná veličina, nezávisí od rozmerov izolácie). Na základe normy sa v USA meria polarizačný index po 1 a 10 min, naproti tomu v EÚ sa meria po 15 a 60 s pri skúšobnom napätí 2 500 V. Me­rač izolačného odporu Megger, ktorý využí­va americkú, ako aj európsku normu merania izolačného odporu a polarizačného indexu je znázornený na obr. 2.

 

Zmeny hodnoty polarizačného indexu sú najlepšie vidieť, ak ho vyjadríme pomocou oboch zložiek prúdu, absorpčnej i_a a ustá­lenej i_∞:

 

p_i = R₆₀/R₁₅ = (i_a15 + i_∞)/(i_a60 + i_∞)     (1)

 

 

Pri vlhkej a znečistenej izolácii prevažu­je zložka i_∞, preto čitateľ i menovateľ majú hodnoty len málo sa líšiace, takže ich podiel je blízky číslu 1. Naopak pri suchej a čistej izolácii v dobrom stave je ustálený prúd malý, uplatní sa silne časovo závislá zložka i_a, tak­že hodnota zlomku je oveľa väčšia ako 1. Absorpčný činiteľ nových transformátorov pred uvedením do prevádzky má byť minimálne 1,3 – obvykle sa pohybuje medzi hodnota­mi 1,7 až 1,8.

 

Ďalšou výhodou polarizačného indexu voči izolačnému odporu je oveľa menšia zá­vislosť od teploty, takže nie je potrebné tak presne dodržiavať určitú teplotu pri mera­niach, ako je to pri izolačnom odpore. Po­ čas jedného merania sa však teplota nesmie meniť. Ďalej je dôležité, aby izolácia trans­formátora bola pred meraním vybitá, t.j. bez napätia. Preto je potrebné na nejaký čas pred meraním spojiť vinutie s kostrou (z hľadiska bezpečnosti je treba po skúške izoláciu vy­biť), taktiež pri meraní majú byť odpojené vedľajšie zariadenia.

 

Meranie stratového činiteľa tg δ a kapacít vinutí slúži k doplňujúcemu ohodnoteniu do­siahnutého stupňa izolácie vcelku alebo v jej častiach. Stratový činiteľ indikuje prítomnosť polárnych a iontových zložiek v oleji, a teda reaguje na starnutie oleja. Teplotná závislosť tg δ môže odhaliť prítomnosť cudzích rozpustných látok v oleji, ako aj reaguje na stu­peň vlhkosti. Stratový činiteľ závisí len od druhu izolačného materiálu, a nie od rozme­rov a spôsobu jeho použitia, pričom je necit­livý na miestne zhoršenie izolácie.

 

Ďalšou metódou (obr. 3) na posúdenie vlhkosti je sledovanie frekvenčnej závislosti kapacity do 10 kHz. V tomto prípade sa jed­ná o tzv. dielektrickú spektroskopiu, kde jej princípom je sledovanie odozvy (polarizá­cie) častíc na základe zmeny frekvencie v ši­rokom pásme.

 

Vo vlhkej izolácii je absorpčný prúd pre­krytý oveľa väčším od frekvencie nezávislým zvodovým prúdom. Stav izolácie je možné teda posudzovať podľa pomeru kapacít me­raných pri dvoch rôznych frekvenciách. Ob­vykle sa používa na kontrolu vlhkosti izolá­cie transformátorov triedy A meranie kapaci­ty pri frekvencii 2 a 50 Hz. Hodnoty pomeru C₂/C₅₀ sa pohybujú pred sušením medzi 1,3 až 2,3 – po sušení klesnú pod hodnotu 1,2.

 

Rýchlosť absorpčných procesov (obr. 4) charakterizovaná ich časovými konštanta­mi sa zo stúpajúcou teplotou zväčšuje (ná­rast kapacity). Meraním pri dvoch rôznych teplotách je možné duálne získať rovnakú informáciu ako meraním pri dvoch rôznych frekvenciách. V oboch prípadoch sa mení pomer rýchlosti zmeny napätia, pri ktorom sa meria, ku rýchlosti zmien rozloženia ab­sorpčných nábojov.

 

Metóda sa zakladá na stanovení pomeru:

 

(C₇₅ – C₂₀)/C₂₀     (2) 

 

kde

C₂₀ a C₇₅ (príp. C₈₀) sú kapacity pri 20 a 75 °C (príp. 80 °C).

 

 

Vzhľadom na svoje experimentálne nevý­hody v teréne (pretože sa musí meniť teplo­ta v oleji) bola táto metóda nahradená metó­dou opierajúca sa o určenie pomeru C₂/C₅₀.

 

Prístroj IDAX-206, ktorý funguje na prin­cípe dielektrickej spektroskopie, t.j. mera­ním stratového činiteľa, kapacity a permiti­vity v závislosti od frekvencie 1 kHz až 0,0001 Hz pri sínusovom napája­ní o efektívnom napätí 140 V je zná­zornený na obr. 5. Jeho aplikácia na transformátoroch spočíva v podpore štandardizovaných meraní v zapojení GST a UST (ground i gard). Prednos­ťou prístroja je možnosť reálnej tepel­nej kompenzácie nameraných hodnôt spomínaných dielektrických paramet­rov [6]. Aplikácia určená výhradne pre transformátory je určenie obsahu vody (hmotnostne) priamo v papierovej izo­lácii, bez ohľadu na teplotu transfor­mátora (metóda nevyužíva prepočet cez olej).

Nadprúd je zvýšenie normálneho pre­vádzkového prúdu nad požadovanú hodno­tu, majúci obyčajne za následok vznik ne­bezpečných stavov, ktoré vyžadujú dostatoč­ne rýchle samočinné odpojenie od zdroja napätia pri dosiahnutí daných kritických podmienok. Nadprúdy poznáme dvojakého druhu, a to nadprúd charakteru prúdového preťaženia a nadprúd charakteru skratového prúdu.

 

Vinutia výkonových transformátorov mu­sia byť navrhnuté tak, aby pri pôsobení ta­kýchto nadprúdov, ktoré sa môžu v prevádz­ke vyskytnúť, nevzniklo na nich poškodenie alebo deformácia mechanického či tepelné­ho charakteru. Okrem trvalo deformačných následkov nadprúdov dochádza aj pri správ­nom dimenzovaní elektrického zariadenia k postupnému starnutiu, ktoré môže zhoršiť jeho mechanické vlastnosti. Predovšetkým pri transformátoroch s prirodzeným chlade­ním je zvlášť potrebné zamedziť nepredvída­nej poruche počas prevádzky. Z tohto dôvodu je dôležité zvoliť vhodnú diagnostiku, ktorá by predvídala takýto stav.

 

Priamou príčinou vzniku síl pôsobiacich na vinutia je pôsobenie magnetického poľa na vodiče pretekané prúdom. V prípade vinutí transformátora je to pole rozptylového toku. Pri normálnom chode, keď prúdy v transfor­mátore neprekračujú menovitú hodnotu, sú sily pôsobiace na vinutia všeobecne malé. Naproti tomu pri skratoch, keď prúdy do­sahujú veľkosti mnohonásobku menovitých hodnôt, môžu sa tieto sily stať veľmi nebez­pečné pre vinutia i upevňujúce konštrukcie.

 

V súčasnosti je už spracovaná metodika experimentálneho merania a diagnostikova­nia samotných účinkov skratových prúdov – porovnávaním grafických závislostí pomo­cou rozmietavej frekvenčnej analýzy odoziev (SFRA – Sweep Frequency Response Ana­lysis) transformátorov. Pomocou tejto me­tódy (obr. 6) je možné určiť najdôveryhod­nejší obraz o účinkoch skratových prúdov na vinutiach transformátora počas prevádz­kového stavu (príklad zistenia medzizávito­vého skratu).

 

Metódu vysokofrekvenčnej analýzy SFRA radíme k metódam bezdemontážnej diagnos­tiky transformátorov. Pri meraní sa nerobí žiaden zásah do konštrukcie meraného stro­ja, je prevedená pri odpojenom stroji, čiže nie je pod napätím.

Pomocou tejto metódy sa zisťujú odozvy transformátorov v časovej alebo frekvenčnej oblasti [6]. Meranie odozvy časovej oblasti znamená zistenie časového priebehu odozvy na určitý impulz napätia privedený na vstup vinutí. Meranie odozvy vo frekvenčnej oblas­ti spočíva v zistení amplitúdy (popr. i fázy) odozvy na harmonické napätie premennej frekvencie privádzané na vstup vinutia. Za­tiaľ čo odozva zistená v časovej oblasti je zá­znamom časového priebehu napätia, odoz­va zistená vo frekvenčnej oblasti je závislosť amplitúdy odozvy na frekvenciu.

 

Metóda SFRA je aplikovateľná pri ur­čovaní a meraní transformátorov ihneď po výrobe, teda slúži na meranie referenčných hodnôt, podľa ktorých sa bude následne vy­konávať porovnávanie údajov s inými me­raniami uskutočnenými na danom transfor­mátore počas odstávky prevádzky transfor­mátora, po poruche a po následnej oprave, príp. revízii.

 

Meracie systémy od rôznych výrobcov, ktoré analyzujú transformátor na princípe SFRA sú znázornené na obr. 7. Frekvenčný rozsah u oboch prístrojov s ohľadom na okoli­té rušenia je vedený v zaručovaných minimál­nych rozmedziach 20 Hz až 2 MHz.

 

Priebehy namerané takýmito meracími systémami môžu slúžiť u nového transfor­mátora ako referenčné a potrebné k porov­návaniu po jeho dlhšom prevádzkovom čase. Taktiež k porovnaniu testov uskutočnených po havárii transformátora (alebo po n-skra­toch), po oprave a ako diagnostický test, po­kiaľ vibračné snímače indikujú potenciálny problém v transformátore.

 

Meranie teploty dotykovými (invazívnymi) metódami je v mnohých prípadoch veľmi ob­tiažne a z prevádzkových a bezpečnostných dô­vodov až nemožné. Z toho dôvodu je potreb­né sa zamerať na meracie zariadenia a spôso­by merania teploty, ktoré nevyžadujú priamy kontakt s meranými zariadeniami. Diagnostic­ké zariadenia, ktoré splňujú tieto podmienky sú založené na snímaní vyžarovanej infračervenej energie. Infračervená technika teda nachádza uplatnenie všade tam, kde taká fyzikálna veli­čina, ako je teplota, signalizuje technicky stav daného zariadenia alebo niektorej jeho časti.

 

Infračervená termografia je bezdotykový (neinvazívny) spôsob merania rozloženia tep­loty na povrchu snímaného objektu v infra­červenej oblasti (1 až 13 μm) elektromagne­tického spektra. Infračervené merania sa dajú realizovať rýchlo a ekonomicky s minimál­nou potrebou času a pracovných síl, pretože nevyžadujú žiadne úpravy alebo vypínanie meraných zariadení. Pri kontrole transformátorov sa termovízna technika používa ku zisteniu, či nedochádza k nadmernému otepleniu jeho určitých častí (obr. 9), ale tiež ku kontrolám priechodky transformátora, rozloženie teplotného poľa na nádobách ole­jových transformátorov (obr. 9) apod.

Na záver treba pripomenúť, že existuje celý rad diagnostických či monitorovacích meracích metód, ktoré sa v súčasnosti bežne používajú, najmä u dôležitých elektroenerge­tických blokových transformátoroch. Najmä monitorovacie systémy dokážu odhaliť slabé miesta v izolačnej sústave transformátora, a stanoviť tak stupeň postupného znehodno­covania tejto sústavy ako celku. My sme si vybrali len niektoré diagnostické metódy, kto­ré sú možné použiť bežne v teréne pri odstáv­kach alebo aj počas prevádzky (termovízia).

 

Spojením termovízie, metódy SFRA, die­lektrickej spektroskopie a meraním izolačné­ho odporu sa tak vytvárajú veľmi dobré pod­mienky pre realizáciu kvalitnej a bezdemon­tážnej diagnostiky týchto strojov.

 

Príspevok v tomto článku je súčasťou rie­šenia projektu VEGA: 1/0548/09 – Diagnos­tika výkonových transformátorov vzhľadom na účinky skratových prúdov a nadprúdov a 1/0007/09 – Termodiagnostika anténových vysielačov.

[1] Artbauer J. – Šedovič J. – Adamec V.: Izolanty a izolácie. ALFA, Bratislava, 1969.

[2] Gutten M. – Kúdelčík J.: Vplyv vlhkosti trans­formátora na jeho bezpečnosť a spoľahlivosť. In ELDICOM 09, Žilina, 2009.

[3] Gutten M. – Šimko M. – Michalík J.: Monito­ring of power transformers with thermovision utilization. Proceedings Measurement 2005, 5^th International Conference on Measurement, p. 497–500, Smolenice, Slovensko, 2005.

[4] Gutten M. – Brandt M. – Polanský R. – Prosr P.: High-frequency analysis of three-winding au­totransformers 400/121/34 kV. Advances in Electrical and Electronic Engineering, Žilina, No. 1–2, 7/2008.

[5] Kvasnička V. – Procházka R. – Velek J.: Verificati­on of method frequency characteristics in control room of distribution system Czech Republic. In Diagnostika 05, Plzeň 2005, Česká republika.

[6] http://www.tmvss.cz/Aplikace/Diagnostika-TRF.html

[7] http://www.doble.com/products/sweep_frequency_response_analysis.html

[8] http://www.encentrum.cz

[9] http://mitchellinstrument.com/images/D/MEGGER_M%20IT510l.jpg

[10] http://www.els.webzdarma.cz/nadprud.html

 

Obr. 3. Závislosť kapacity od frekvencie pri suchej a vlhkej izolácii

Obr. 4. Namerané experimentálne krivky kapacity v závislosti od frekvencie pri rôznych teplotách oleja transformátora

Obr. 8. Zistenie nadmerného oteplenia na spoji v priechodke (reálny a tepelný obraz)

Obr. 9. Reálny a tepelný obraz nádoby olejového transformátora

 

Doc. Ing. Miroslav Gutten, PhD., sa na­rodil 3. 2. 1972 v Žiline. V roku 1997 absolvoval štúdium na Elektrotech­nickej fakulte Žilinskej univerzity, v roku 2002 obhájil dizertačnú prácu (PhD.) a v roku 2007 sa habilitoval v odbore sil­noprúdová elektrotechnika. Od roku 1999 pôsobí ako vysokoškolský učiteľ na kated­re merania a aplikovanej elektrotechniky Žilinskej univerzity v Žiline. V rámci ve­deckej činnosti spolupracuje na vývoji nie­koľkých meracích a diagnostických systé­mov transformátorov v SR a ČR. V súčas­nosti participuje na projektoch zamerané na diagnostiku a meranie elektroenergetic­kých zariadení vzhľadom na účinky skra­tových prúdov a aktívne sa podieľa na ich realizácii.

Doc. Ing. Milan Šimko PhD., absolvoval štúdium na Elektrotech­nickej fakulte Žilinskej univerzity v roku 1983 v odbore technická pre­vádzka telekomunikácií. Titul kandidát technic­kých vied získal v roku 1991 a habilitoval sa v odbore teoretická elektrotechnika v roku 2007. Od roku 1984 pracuje ako pedagóg na Žilinskej univerzite v Žiline. V priebehu svojho pôsobenia na katedre merania a ap­likovanej elektrotechniky sa venoval teórii elektromagnetického poľa, konkrétne šíre­ní elektromagnetických vĺn a ich interakcii s prostredím. V súčasnosti svoju činnosť za­meriava v rámci riešenia projektov na oblasť diagnostiky energetických ako i telekomu­nikačných zariadení.

Doc. Ing. Milan Chupáč PhD.,

absolvoval štúdium na Elektrotechnickej fakul­te Žilinskej univerzity v roku 1983 v odbo­re technická prevádzka telekomunikácií. Titul PhD. získal v roku 2002 a v roku 2007 sa habili­toval v odbore telekomunikácie. Momentál­ne pôsobí ako docent na Žilinskej univerzi­te, katedra merania a aplikovanej elektro­techniky. Svoju odbornú činnosť zameriava hlavne v oblasti termodiagnostiky anténo­vých systémov rozhlasových vysielačov. V súčasnej dobe sa venuje novo otvorené­mu učebnému odboru autoelektrotechnika.