Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

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

doc. Ing. Miroslav Gutten, PhD., doc. Ing. Milan Šimko, PhD., doc. Ing. Milan Chupáč, PhD.,
Žilinská univerzita v Žiline, Katedra merania a aplikovanej elektrotechniky
 
­

Úvod

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.
 

1. Analýza vlhkosti olejových transformátorov

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.
 

1.1 Analýza vlhkosti meraním izolačného odporu

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 pi (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 ia a ustá­lenej i:
 
pi = R60/R15 = (ia15 + i)/(ia60 + 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 ia, 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.
 

1.2 Analýza vlhkosti meraním stratového činiteľa a kapacity

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:
 
(C75C20)/C20     (2) 
 
kde
C20 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).
 

2. Analýza nadprúdov výkonových transformátorov

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.
 

2.1 Analýza účinkov skratových prúdov na transformátore metódou SFRA

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.
 

2.2 Prínos termovízie v diagnostike transformátorov

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.
 

3. Záver

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.
 
Literatúra:
[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, 5th 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.
 
Obr. 1. Typické priebehy izolačného odporu v závislosti od času
Obr. 2. Merač izolačného odporu Megger MIT510 (5 kV)
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. 5. Prístroj IDAX-206
Obr. 6. Zistenie medzizávitového skratu na primárnom vinutí transformátora (poškodená fáza A)
Obr. 7. Meracie systémy DOBLE M5100 a FRAX-101
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.
 
Power transformers are key equipment for transfer and distribution of the electric power. Considering the significance of the power transformers in the electric system, their price and possible damages occurred by accidents, it is necessary to pay attention to their higher prevention. To prevent failure states of transformers, we perform different types of measurements. They shall illustrate a momentary state of the measured equipment and if necessary to draw attention in advance to changes of parameters, which have specific relationship to no-failure operation of the equipment.