Transkript

1 Václav Mentlík Josef Pihera Radek Polanský Pavel Prosr Pavel Trnka Diagnostika elektrických zaøízení Praha 2008

2 Moderní elektrotechnika potøebuje vydatné a vìrohodné informace o všech jevech, které se v její oblasti vyskytují. Jedná se o informace jak o prvcích (materiálech), tak systémech (strojích a zaøízeních) ve všech fázích jejich vzniku i provozního života. Dùležitost a význam diagnostických informací jsou tak zcela nezastupitelné. Svými výroky diagnostika ovlivòuje všechny fáze výrobních èinností a odhaduje pøíští chování diagnostikovaných objektù. Kniha pøedkládá obecná hlediska a zákonitosti diagnostiky elektrických zaøízení, dále pojednává o diagnostických signálech, a to jak o fenomenologických metodách, tak o strukturálních analýzách využitelných pøi sledování vývoje parametrù prvkù i systémù elektrických zaøízení. Dále se vìnuje specifikùm diagnostiky transformátorù a toèivých elektrických strojù všech výkonù. Pozornost je vìnována i klasifikaci a zobrazení deteriorace izolací elektrických zaøízení. Souèasná elektrotechnologická diagnostika je pojata jako progresivní a moderní vìda, jejíž výroky mají nejen technický, ale i výrazný ekonomický význam. Recenzenti: Prof. Ing. Ján Michalík, Ph.D. ŽU Žilina Doc. Ing. Miloš Hammer, CSc. VUT Brno Václav Mentlík, Josef Pihera, Radek Polanský, Pavel Prosr, Pavel Trnka Diagnostika elektrických zaøízení Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autoøi a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva. Veškerá práva vyhrazena Prof. Ing. Václav Mentlík, CSc.; Ing. Josef Pihera, Ph.D.; Doc. Ing. Radek Polanský; Ing. Pavel Prosr, Ph.D.; Doc. Ing. Pavel Trnka, Ph.D. Plzeò 2008 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Václav Mentlík, Josef Pihera, Radek Polanský, Pavel Prosr, Pavel Trnka: Diagnostika elektrických zaøízení BEN technická literatura, Praha vydání ISBN

3 Obsah 1 OBECNÉ ASPEKTY DIAGNOSTIKY ELEKTRICKÝCH ZAØÍZENÍ Souèasná diagnostika a její úkoly Diagnostický systém a jeho èásti Dùležité momenty diagnostických šetøení Diagnostika off-line a on-line Systém off-line testovací diagnostiky Systém on-line funkèní diagnostiky Možnosti pøedpovìdi dalšího chování diagnostikovaného objektu Literatura kapitola DIAGNOSTICKÉ SIGNÁLY Absorpèní a resorpèní charakteristiky a z nich urèované parametry Další vybrané metody mìøení odporu Ztrátový èinitel a permitivita Mìøení kapacity Napì ové zkoušky Zkoušky stejnosmìrným napìtím Zkoušky støídavým napìtím Zkoušky atmosférickým impulzním napìtím Elektrická pevnost Èásteèné výboje Typy èásteèných výbojù Velièiny charakterizující èásteèné výboje Velièiny vztažené k jednotlivým impulzùm Velièiny integrované Napìtí vztahovaná k èásteèným výbojùm A OBSAH 3

4 2.6.3 Modelování vnitøních èásteèných výbojù prùbìh napìtí na vnitøní nehomogenitì Gemant-Philippovùv model Böningùv pìtikapacitní model Pùsobení vnitøních èásteèných výbojù na materiály Rùst elektrického stromeèku Metody detekce èásteèných výbojù Elektrické metody detekce Neelektrické metody detekce Kalibrace mìøicích obvodù pøi mìøení èásteèných výbojù Literatura kapitola STRUKTURÁLNÍ METODY PRO DIAGNOSTIKU ELEKTRICKÝCH ZAØÍZENÍ Obecné aspekty aplikace strukturálních analýz v elektrotechnologické diagnostice Rozdìlení strukturálních analýz Diferenèní termická analýza (DTA) Princip DTA Popis konstrukèního uspoøádání Vliv podmínek mìøení Aplikace DTA v elektrotechnologické diagnostice Diferenèní skenovací kalorimetrie (DSC) s metodou DTA Základní principy DSC a jejich srovnání s metodou DTA Tepelnì modulovaná DSC (TMDSC) Aplikace DSC v elektrotechnologické diagnostice Termogravimetrie (TG) Princip metody Popis konstrukèního uspoøádání Vliv podmínek mìøení Aplikace TG v elektrotechnologické diagnostice Termomechanická analýza (TMA) MENTLÍK, PIHERA, POLANSKÝ, PROSR, TRNKA: DIAGNOSTIKA ELEKTRICKÝCH ZAØÍZENÍ A

5 3.6.1 Princip metody Popis konstrukèního uspoøádání Vliv podmínek mìøení Aplikace TMA v elektrotechnologické diagnostice Dynamická mechanická analýza (DMA) Princip metody Popis konstrukèního uspoøádání Vliv podmínek mìøení Aplikace DMA v elektrotechnologické diagnostice Infraèervená spektroskopie (IR) Obecná teorie infraèervené spektroskopie Teorie molekulových vibrací Konstrukèní uspoøádání IÈ spektrometrù Výbìr techniky a pøíprava vzorkù pro FT-IR mìøení Aplikace IÈ spektroskopie v elektrotechnogické diagnostice Rentgenová fluorescenèní spektrometrie (XRF) Obecné principy rentgenové spektrometrie Princip rentgenové fluorescenèní spektrometrie Konstrukèní uspoøádání Pøíprava vzorkù Aplikace XRF v elektrotechnologické diagnostice Chromatografické techniky Rozdìlení chromatografických technik Popis chromatogramu Plynová chromatografie Kapalinová chromatografie Aplikace chromatografie v elektrotechnologické diagnostice Literatura kapitola DIAGNOSTIKA TRANSFORMÁTORÙ Zkoušky transformátorù Mìøení èinného odporu vinutí A OBSAH 5

6 4.1.2 Kontrola sledu fází Kontrola natoèení fází urèení hodinového úhlu Mìøení pøevodu, napìtí naprázdno a ztrát naprázdno Mìøení ztrát nakrátko a napìtí nakrátko Mìøení nulové složky reaktance Oteplovací zkouška Provedení zkoušek Mìøení teploty chladiva Urèení teploty vinutí Teplota horní vrstvy oleje Støední teplota oleje Teplota konstrukèních prvkù, magnetického obvodu a oleje v jejich blízkosti Mìøení izolaèního odporu, urèení polarizaèního indexu a èasové konstanty transformátoru Mìøení ztrátového èinitele tg δ a kapacity vinutí Poznámky k mìøení izolaèních odporù a ztrátového èinitele Mìøení pomìru kapacit C 2 /C Napì ové zkoušky vinutí Zkouška pøiloženým napìtím z cizího zdroje Zkouška indukovaným napìtím Výsledky zkoušek pøiloženým napìtím a jejich hodnocení Zkouška elektrické pevnosti izolace atmosférickým impulzem Zkouška elektrické pevnosti vnitøní izolace spínacími impulzy Mìøení hladin èásteèných výbojù výkonových transformátorù pøi støídavém napìtí Galvanická metoda mìøení Akustická emise èásteèných výbojù v olejových transformátorech MENTLÍK, PIHERA, POLANSKÝ, PROSR, TRNKA: DIAGNOSTIKA ELEKTRICKÝCH ZAØÍZENÍ A

7 Detekce poruch vinutí Metoda referenèního impulzu Metoda pøenosové funkce Metoda nízkonapì ových impulzù Metody vycházející z mìøení reaktance vinutí Metoda frekvenèních charakteristik (Sweep Frequency Response Analyzer SFRA) Kapalné izolanty a jejich diagnostika Metodika odbìru vzorkù Diagnostika izolaèních kapalin Barva kapalných izolantù Hustota Viskozita Bod vzplanutí Bod tuhnutí Obsah vody v oleji Èíslo kyselosti Mezipovrchové napìtí na rozhraní voda kapalina Usazeniny a rozpustné kaly Mikroskopické stanovení velikosti a poètu èástic neèistot Elektrická pevnost Oxidaèní stabilita Obsah inhibitoru Vnitøní rezistivita Ztrátový èinitel a relativní permitivita Pøítomnost síry Obsah polycyklických aromátù a polychlorovaných bifenylù Plynování Analýza plynù plynovou chromatografií Regenerace kapalných izolantù Technologie regenerace náplnì Inhibování olejù A OBSAH 7

8 4.2.4 Diagnostika pevné složky transformátorových izolantù Olej jako diagnostické medium pro pevné složky izolaèního systému Analýza furanových složek v transformátorovém oleji Sušení transformátorù v provozu Sušení horkým vzduchem kombinované s vakuem Sušení parami solventu Sušení transformátorù metodou kombinovaného nízkofrekvenèního sušení Vysoušení transformátoru metodou Oil-Spray Diagnostika kondenzátorových prùchodek Izolaèní odpor Kapacita a ztrátový èinitel Mìøení izolaèního oleje Èásteèné výboje Pøepínaè odboèek On-line diagnostika transformátorù Volba parametrù pro sledování Mìøení základních provozních velièin napìtí a proudù Mìøení teplot Teplota oleje v horní èásti transformátoru a teplota okolí Teplota vinutí Rozložení teplot magneticky montovaný senzor teploty Hot-Spot teplota Stárnutí izolace Kontrola stavu chlazení intenzita chlazení Zabudování dotykových teplomìrù Mìøení výšky hladiny v dilataèní nádobì MENTLÍK, PIHERA, POLANSKÝ, PROSR, TRNKA: DIAGNOSTIKA ELEKTRICKÝCH ZAØÍZENÍ A

9 4.5.5 Obsah plynù v oleji Vlhkost v oleji Senzory pro on-line monitoring plynù a vlhkosti Princip analyzátorù plynù Princip analyzátorù vlhkosti Literatura kapitola DIAGNOSTIKA MALÝCH A STØEDNÍCH TOÈIVÝCH STROJÙ Výrobní zkoušky malých a støedních toèivých strojù Mezioperaèní zkoušky Mechanické mezioperaèní zkoušky Elektrické mezioperaèní zkoušky Zkoušky kusové Pøehled provádìných výrobních zkoušek Profylaktická šetøení Speciální zkouška vodní test Vibrodiagnostika Aspekty provozování malých a støedních toèivých strojù namáhání pulzním napìtím Diagnostika pulznì namáhaných toèivých strojù Dùsledky pulzního namáhání izolaèních systémù toèivých strojù Elektrické namáhání On-line diagnostický systém Literatura kapitola DIAGNOSTIKA VELKÝCH TOÈIVÝCH STROJÙ Diagnostická šetøení Mìøení na nových strojích vstupní diagnostika Profylaktická mìøení Diagnostická mìøení velkých toèivých strojù v režimu off-line Vizuální kontrola statorového vinutí A OBSAH 9

10 6.2.2 Izolaèní odpor statorového vinutí Izolaèní odpor rotorového vinutí Napì ová závislost izolaèního odporu vinutí na stejnosmìrném napìtí Ztrátový èinitel tg δ, kapacita a èasová konstanta statorového vinutí Mìøení èásteèných výbojù statorového vinutí galvanickou metodou Mìøení èásteèných výbojù statorového vinutí akustickou sondou Mìøení èásteèných výbojù statorového vinutí diferenciální elektromagnetickou sondou Mìøení èásteèných výbojù statorového vinutí induktivnì vázanou sondou Zkouška statorového vinutí støídavým napìtím 50 Hz Zkouška rotorového vinutí støídavým napìtím 50 Hz Zkouška statorového vinutí stejnosmìrným napìtím Zkouška statorového vinutí napìtím velmi nízkého kmitoètu Zkouška závitové izolace statorového vinutí proudovými impulzy Zkouška závitové izolace rotorového vinutí s vyniklými póly Strukturální analýzy v diagnostice velkých toèivých strojù Diagnostická mìøení velkých toèivých strojù v režimu on-line Detekce ozónu Detekce pøímìsí v chladícím vodíku turboalternátorù Frekvenèní analýza proudu a rozptylového magnetického pole Analýza rozbìhového proudu Mìøení hluku On-line monitoring èásteèných výbojù

11 Galvanická metoda on-line mìøení èásteèných výbojù Používané senzory pro on-line mìøení èásteèných výbojù Elektrická rušení pøi on-line mìøení èásteèných výbojù On-line monitoring generátorù a VN motorù Získání a vyhodnocení dat Vibrace èel vinutí Sledování vzduchové mezery Tribodiagnostika Literatura kapitola DETERIORACE IZOLACÍ A JEJÍ KLASIFIKACE Hodnocení a tøídìní elektroizolaèních systémù Tepelné stárnutí a urèení tepelné odolnosti Modely stárnutí Otázka souhrnné klasifikace Literatura kapitola REJSTØÍK INZERCE KNIHY BEN TECHNICKÁ LITERATURA Kontakty na prodejny technické literatury Pár slov o nakladatelství A OBSAH 11

12 12 MENTLÍK, PIHERA, POLANSKÝ, PROSR, TRNKA: DIAGNOSTIKA ELEKTRICKÝCH ZAØÍZENÍ A

13 ÚVOD Vyspìlá lidská spoleènost potøebuje ke své úspìšnosti dokonalé informace na všech úrovních svých èinností. Stejnì tak je tomu i v elektrotechnice. Elektrická zaøízení, kterých je celá øada a svými charakteristikami se mnohdy znaènì liší, si systémovým pøístupem pøedstavujeme jako systémy s jejich èástmi podsystémy až posléze prvky. Škála elektrických zaøízení zaèíná u zdrojù elektrické energie, aby pokraèovala k zaøízením, která podle okamžité potøeby pøemìòují elektrickou energii na jiný energetický druh využívaný pøi lidských èinnostech. Další skupinu pak tvoøí elektronická zaøízení, která jsou jiného charakteru, odlišných technologií vzniku i technologií zpracovatelských a uživatelských. I tato zaøízení však pro svùj provoz potøebují základní energetické medium napájecí napìtí pro své zdroje vyrobené výše uvedenými energetickými jednotkami. Základní elektrická zaøízení používaná pøi výrobì i pøemìnì elektrické energie na jiný druh energie, která jsou svým charakterem klíèová pro svìt elektrotechniky, lze považovat za sériové spolehlivostní øetìzce, u nichž selhání jednoho prvku znamená vyøazení celého zaøízení z funkèní èinnosti. Pro zajištìní bezchybného chodu zmínìných zaøízení je nutné znát vývoj jejich vlastností, který obecnì nemusí být vždy pøíznivý. Tyto potøebné informace zajiš uje disciplína vìnující se studiu dìjù probíhajících pøi interakcích dotyèných zaøízení s výrobou a posléze provozními podmínkami diagnostika. Je-li zamìøena na elektrická zaøízení jako v našem pøípadì, jedná se o diagnostiku elektrických zaøízení, jejímž aspektùm je vìnován následující text této knihy. Vìnuje se jak obecným aspektùm diagnostiky, tak metodám a zpùsobùm zjiš ování stavu elektrických zaøízení, která jsou pochopitelnì rozdìlena do úèelových skupin. Nedílnou souèástí moderních diagnostických šetøení a systémù, zejména v pøípadì pøímé on-line diagnostiky, je aplikace umìlé inteligence expertních systémù, neuronových sítí a dalších. Vzhledem k tomu, že témìø souèasnì s touto knihou vychází také v nakladatelství BEN technická literatura Praha kniha Doc. Ing. Miloše Hammera, CSc. Prvky umìlé inteligence v diagnostice elektrických zaøízení, není tato problematika v následujícím textu zahrnuta. Na tomto místì je povinností autorù knihy upøímnì podìkovat za cenné pøipomínky a pomoc pøi jejím vzniku kolegùm Ing. Miroslavu Burianovi, Ph.D., Ing. Jaroslavu Fronkovi, Ing. Evì Müllerové, Ph.D., Ing. Petru Pondìlíkovi, Ing. Lumíru Šaškovi, CSc. a Pavlu Šebíkovi. Za svùj vznik kniha dìkuje výzkumnému zámìru MŠMT Èeské republiky MSM Diagnostika interaktivních dìjù v elektrotechnice, jehož jsou autoøi øešiteli. A OBSAH 13

14 14 MENTLÍK, PIHERA, POLANSKÝ, PROSR, TRNKA: DIAGNOSTIKA ELEKTRICKÝCH ZAØÍZENÍ A