MĚŘENÍ ČÁSTEČNÝCH VÝBOJŮ

Transkript

1 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 MĚŘENÍ ČÁSTEČNÝCH VÝBOJŮ SEMESTRÁLNÍ PROJEKT Zpracoval: Ladislav Prskavec (xprskave@fel.cvut.cz) Vedoucí: Doc.Ing. Karel Záliš, CSc. (zalis@fel.cvut.cz) ZS 999/000 / 6

2 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 Měření částečných výbojů. Úvod. Co jsou částečné výboje 3. Proč měříme částečné výboje 4. Metody pro indikaci částečných výbojů 5. Měřící systémy částečných výbojů ZS 999/000 / 6

3 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6. Úvod Energetika dnes to už není žádná průkopnická činnost jako před sto lety, těžko někdo vymyslí nový motor nebo vynalezne něco opravdu zásadního, ale to co používáme funguje dobře a stále to vylepšujeme. Alternátory, motory, transformátory, tlumivky a další zařízení jsou efektivnější, výkonnější, celá výroba je ekologická a jsou kladeny další aspekty ve výrobě na které by nikdo možná před sto lety ani nepomyslel. Hlavní postup je v tom, že se pracuje stále z novými materiály a v tom, že problémy už jenom neřešíme, ale snažíme se jim předcházet. Dnes již nikdo nepochybuje o významu diagnostiky a profylaktiky u elektrických strojů. Díky moderním postupům a systémům se snažíme za použití diagnostickým metod zabránit poruše a případné neplánované odstávce stroje, která by byla nežádoucí a z hlediska provozovatele velmi nákladná. Diagnostika zkoumá včas podmínky a vlastnosti zařízení, aby odhalila včas různé defekty, anomálie a dysfunkce, které by mohli vést k poruše stroje a přerušení provozu. V této práci jsem se zaměřil na přehled o měření částečných výbojů, o používaných diagnostických metodách a o tom co je nejdůležitější v této problematice. ZS 999/000 3 / 6

4 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6. Co jsou částečné výboje Podle ČSN [] definice jsou č.v.: Elektrické výboje, které přemosťují jen částečně izolaci mezi elektrodami, které jsou na různých potenciálech. Podle IEC [] definice jsou č.v. (v USA též nazývané Corona): Elektrické výboje částečně přemosťující izolaci mezi dvěma vodiči. Tyto č.v. mohou, ale nemusí, vzniknout omezeně na jednom z vodičů. Podle ASTM [3] definice jsou č.v.: Druh místních výbojů, vznikajících v izolačním systému přechodnou ionizací plynu, jakmile elektrické namáhání překročí určitou kritickou hodnotu Částečné výboje můžeme rozdělit podle [4] na: Vnější (externí) částečné výboje. Jsou to částečné výboje v plynech v okolí elektrod malých poloměrů nebo zakřivení, jako např. doutnavé výboje, korónové výboje, Trichelovy impulzy apod. Vnitřní (interní) částečné výboje. Jsou to částečné výboje v plynech, obklopené pevným či kapalným dielektrikem, jako např. výboje v plynných dutinkách v pevném dielektriku. Povrchové částečné výboje. Jsou to částečné výboje v okolí elektrod na rozhraní pevného a plynného dielektrika, např. klouzavé výboje. Typické elektrodové uspořádaní na kterých lze vnitřní a povrchové částečné výboje modelovat jsou na obr.. a) b) c) d) e) f) g) h) Obr. ZS 999/000 4 / 6

5 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 a) b) C i(t) měřený objekt C 3 C 3 C u(t) C 3 u u C C R KJ C Obr. Jednoduchý model a náhradní schéma pro vnitřní částečné výboje podle [8] je na obr.. Na obr. a je schematický obrázek pevného dielektrika s vnitřní plynovou dutinkou a na obr. b je jeho zjednodušené náhradní schéma. Kapacita plynové dutinky je C, C je kapacita zbytkové části zdravé izolace v sérii s dutinkou (sériová kombinace kapacit C a C ) a C 3 je poměrně velká kapacita zbytku dielektrika (paralelní kombinace C 3 a C 3 ). Kulové jiskřiště KJ paralelně připojené ke kondenzátoru C symbolizuje v náhradním obvodu přeskok ve vzduchové bublince při překročení její elektrické pevnosti. Odpor R vyznačuje odpor výbojové cesty po přeskoku na kulovém jiskřišti KJ, tj. odpor cesty proudu výboje v oblasti vybíjených plošek povrchu dutinky a odpor dráhy výboje. V prostorových poměrech, jaké jsou ve skutečných dutinkách v izolaci, proběhne tento děj řádově za jednotky ns. Jestliže na svorky objektu (vzorku) a přiložíme střídavé napětí u(t) a pokud by nedošlo k přeskoku v dutince (na kulovém jiskřišti KJ), je průběh napětí u 0 (t) na kondenzátoru C dán vztahem u C () t = C C ut (). () + 0 Časový průběh sinusového napětí u(t) a fiktivního napětí u 0 (t) na dutince bez přeskoku je na obr. 3a. Pro všechny druhy částečných výbojů jsou charakteristické destruktivní účinky na izolační systém. Výboje v dielektriku mohou mít účinky elektrické, erozivní, chemické a tepelné. ZS 999/000 5 / 6

6 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 Obr.3 Elektrické účinky. Vyvine-li se v dutince oblouk, je jeho pravděpodobným následkem vytvoření vodivé dráhy. Při vysokých hodnotách intenzity elektrické ho pole může koncentrace elektrického pole způsobit v tomto místě čistě elektrický průraz a vodivá dráha se může postupně šířit dielektrikem. Ničivý účinek vyvinují též ionty a elektrony bombardováním stěny dutinky. Erozivní účinky. Výboje v dielektriku, zvl. bombardování stěn dutinky ionty a elektrony, způsobují erozi stěn dutinky. Dutinka se postupně zvětšuje a při pokračující erozi může dojít k průrazu celého dielektrika. Chemické účinky. Obsahují-li dutinky kyslík, vytvářejí výboje v dutince ozón, který má intenzivní oxidační účinky. Chemickou destrukci dielektrika způsobují i produkty rozkladu některých izolantů při výbojích. Z hlediska možnosti vzniku tepelného průrazu dielektrika je velmi důležitý fakt, že produkty rozkladu mohou difundovat do pevného dielektrika a vytvářet tak vodivější oblasti. Tepelné účinky. Přímým důsledkem částečných výbojů může být tepelná nestabilita, neboť opakovaným působením částečných výbojů se dielektrikum otepluje a tím klesá hladina napětí tepelného průrazu. ZS 999/000 6 / 6

7 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 Tyto účinky jsou velmi nepříjemné a protože nedokážeme vyrobit dielektrika bez nehomogenit či jiných vad je to velmi aktuální. Tradiční pevné dielektrika jako je slída, porcelán (částečně i sklo) jsou velmi odolné, narozdíl od plastů jako polyetylén (PE), zesíťovaný polyetylén (XLPE), polytetrafluóretylén (PTFE, teflon), které jsou velmi citlivé na částečné výboje. Proto musíme s tím počítat pokud plasty použijeme např. v PVC kabelech. U kapalných izolantů (izolační olej) se projeví přítomnost cizích částic tím, že vnikají různé sloučeniny a dochází k degradaci media a my musíme kontrolovat také složení uvolňovaných plynů. Různé druhy výbojů mají vliv na druh uvolňovaných plynů. ZS 999/000 7 / 6

8 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 3. Proč měříme částečné výboje Částečné výboje silně snižují spolehlivost a životnost přístrojů a systémů. Proto jsou č.v. značně nevítané a mají zejména tyto dva zlé následky: Sníženou životnost izolantů. Přehřátí a bombardování elektrony a iony ničí izolační materiál. Impulzy vyvolané částečnými výboji v proudových obvodech přístrojů mají velice strmé čelo a opakují se s vysokým kmitočtem a s takovou amplitudou, že ruší signály elektrických spojů a řízení (např. rušení rozhlasu). Problematika vlastního měření a diagnostiky je důležitá hlavně z ohledem na vlastní náročnost výměny izolace a dalších úkonů co jsou spojeny s poruchou na stroji způsobenou částečnými výboji. V této oblasti se velmi uplatňují expertní systémy, které na základě změřených údajů dokáží poskytnout radu provozovateli, jaký úkon je potřeba s vlastním zařízení udělat. Vlastním metodám a nejvhodnějšímu způsobu diagnostiky se věnuje následující část o metodách indikace částečných výbojů. Jednotlivé metody nejsou schopny zatím zahrnout všechny aspekty, které jsou potřeba pro posouzení stavu stroje. Používá se proto soubor měřících metod pro určení stavu určitých částí sytému (např. pro diagnostiku statorového vinutí se použije vizuální kontrola, měření izolačního odporu a přepěťová zkouška). Ale to by nebylo moc platné pokud bychom neměli hodnoty s čím porovnat a proto se používá zaběhaného postupu, že se měří stroj při uvedení do provozu a pravidelně bez přerušení běhu stroje a případně velká diagnostika v rámci generální opravy. Toto může být nahrazeno diagnostikou on-line pokud měřící čidla jsou pevně zabudována a stav se pomocí počítače sleduje neustále. Parametry, které jsou především sledovány jsou intenzita částečných výbojů a teplota. Očekává se, že díky t poznatkům o stárnutí izolačního systému se dokáže odhadnout i zbytková doba života. ZS 999/000 8 / 6

9 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 4. Metody pro indikaci částečných výbojů Diagnostické metody pro točivé stroje přepěťové zkoušky stejnosměrná měření střídavá můstková měření pulzní a vysokofrekvenční měření mechanická a akustická měření teplená a chemická měření smyslová kontrola Kriteria pro diag. metody nároky na přerušení provozu stroje bezpečnost metody výpovědischopnost metody Kriteria jsou důležité podle to zda je opravdu potřeba přerušit provoz zařízení a je nutno při tom uvažovat zda jde o metodu neperiodickou, jak dlouho bude trvat znovu uvedení stroje do běžného provozu. Bezpečnost metody je problematická u těch metod, které přímo namáhají vinutí (např.zkoušky přepětím) a musíme s ním počítat. Výpovědischopnost metody je nejdůležitější kriteriem metody, protože ta jediná nám říká nakolik se můžeme řídit jednotlivou metodou při odhadu zbytkové životnosti vinutí. V tab. [4] je uveden přehled dnes nejčastěji používaných diagnostických metod včetně pohledu z jednotlivých kriterii. Hodnocení v tabulce je podle stupnice až 5, stupeň je hodnocení nejlepší a 5 nejhorší. Přepěťové zkoušky, tj. Zkoušky zvýšeným napětím se používají nejdéle. Tyto zkoušky se v zásadě dělí na zkoušky průrazné a na zkoušky výdržné. Při testování vinutí strojů přímo průmyslovou frekvencí je potřeba velký zdroj napětí (transformátor), tento problém odstraňuje použití zkoušky stejnosměrným napětím, ale je zde problém určit vztah mezi stejnosměrným a střídavým namáháním izolace. Pro menší nároky a podobné elektrické namáhání izolace se používá test půlvlnou napájecího napětí. ZS 999/000 9 / 6

10 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 Porovnání diagnostických metod Hodnocení: (nejvyšší) - 5 (nejnižší) Přerušení provozu Ohrožení vinutí Výpovědischopnost Výdržná zkouška - Průrazná zkouška PŘEPĚŤOVÉ ZKOUŠKY 50 Hz ss napětí 0, Hz půlvlna napětí impulzy STEJNOSMĚRNÁ MĚŘENÍ Izolační odpor Polarizační index Polarizace/depolarizace = f(t) Polarizace v 00% rel. vlhkosti MŮSTKOVÁ MĚŘENÍ Změna tg δ, změna C Analyzátor dielektrických ztrát R C (izolační časová konstanta) PULZNÍ A VF MĚŘENÍ Detektor částečných výbojů Analýza signálů v nulovém vodiči Drážková sonda manuální Drážková sonda automatická Impulzní analýza částečných výbojů * 4 * * - 3 MECHANICKÉ A AKUSTICKÉ TESTY Rázové impulzy (ložiska) Ultrazvuk (lokace částečných výbojů) Akustická emise * - 4 4?? - 3? TEPELNÉ A CHEMICKÉ TESTY Teplota Plyny z přehřáté izolace Plyny z návěstidel * * * - 4 SMYSLOVÁ KONTROLA Test částečných výbojů ve tmě Ochrana proti koróně: drážky, čela Stav izolace: drážky, čela Klínování, upevnění, spoje Statorové plechy * - trvale připojené snímače Tab. - 4 ZS 999/000 0 / 6

11 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 Přehled nejpoužívanějších diagnostických metod a zároveň cíle těchto metod jsou uvedeny v tab.. Diagnostická metoda Vizuální kontrola Měření izolačního odporu vinutí (obvykle min. při V stejnosměrných) Měření prosakujícího proudu jako funkce stejnosměrného napětí k zemi, obvykle do,4 U n Napěťová zkouška napětím,5 U n po dobu min. (obvykle střídavé napětí, příležitostně stejnosměrné napětí) Měření ztrátového úhlu tg δ jako funkce napětí (obvykle do 0,6 nebo, U n ) Měření částečných výbojů v závislosti na napětí (až do jmenovitého napětí U n ) Kontrola klínování ve statorové drážce Test rázovým napětím Cíl metody Zjištění nejdůležitějších vnějších změn stavu vinutí; např. následky uvolnění části vinutí, korónového výboje nebo přítomnost vysoké teploty (lokální přehřátí) Hodnocení vlivu vlhkosti a znečistění vinutí Zjištění místních nehomogenit ve vinutí (praskliny v izolaci, povrchové vodivosti apod.) Zjištění slabých míst v izolaci a ověření minimální napěťové hladiny statorové izolace Hodnocení dielektrických ztrát, homogenity izolace a kapacity vinutí Hodnocení částečných výbojů a jejich intenzity Hodnocení mechanického upevnění (fixace tyčí vinutí v drážkách) Hodnocení stavu mezizávitové izolace Tab. V dnešní době jsou vysoko hodnoceny metody pulzního a vysokofrekvenčního měření aktivity částečných výbojů. Při těchto měření se detektory, které se skládají [4] z přímých nebo můstkových vstupních obvodů, pásmových filtrů, kalibračních jednotek a vyhlazovacích obvodů. Často je kromě elektronického vyhodnocování ještě proveden výstup signálů částečných výbojů a kalibračních pulzů na obrazovku osciloskopu. Elektrické signály od částečných výbojů, šířící se vinutím, lze také měřit v nulových uzlech vinutí nebo přes vestavěné vazební členy ve vinutí. Tyto signály se podrobují frekvenční analýze (v rozsahu Hz) a jsou zdrojem informací o různých druzích poškození, zejména o mezilamelových zkratech. Nástupem přímých metod metod on-line se měří pomocí vyhodnocovacích aparatur řízených mikroprocesory. Jedna z těchto metod je analyzátor impulzního rozložení částečných výbojů pro vyhodnocení se použije amplitudová analýza. ZS 999/000 / 6

12 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 5. Měřicí systémy částečných výbojů Při střídavém poli se mění i polarita proudových rázů. Na obr.4 je patrné náhradní zapojení pro izolační systém s jedním poruchovým místem, znázorněným dutinou naplněnou plynem či vzduchem. Připojíme-li uvedený izolační systém na dostatečně vysoké napětí, dojde v dutině c k výbojům. Obr.4 Znázornění poruchového místa (dutiny) v pevném dielektriku. Na obr.5 je křivka napájecího napětí systému a (V a ), jakož u příslušná křivka pro c (V c ). Po dosažení počátečního napětí č.v., t.j. v okamžiku kdy napětí V c dosáhne U +, vznikne v c výboj a napětí v poruchovém místě c poklesne o V na hodnotu V +. Napětí U + je dáno Paschenovým zákonem. Tento jev se může během půlperiody vícekrát opakovat. Pokles napětí nastává během doby kratší než 0-7 s a je proto ve srovnání se sinusovou vlnou o 50 c/s velice strmý. Obr.5 ZS 999/000 / 6

13 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 Obr.6 Měřící obvod pro částečné výboje Existuje řada měřících způsobů, všechny ale vyplývají z toho jednoduchého schématu na obr.6. Hlavní součásti měřícího obvodu jsou:. Zdroj napětí, co možná prostý částečných výbojů. Měřený objekt Ca 3. Vazební kondenzátor CK 4. Přizpůsobovací čtyřpól zapojený do série s vazebním kondenzátorem (měřící impedance Zm ) Působením vnitřních částečných výbojů vznikají v napájecí síti proudové impulzy. Jejich vyhodnocování je základem všech elektrických metod pro vyhodnocování částečných výbojů. Obr.7 ZS 999/000 3 / 6

14 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 Na obr. 7a je ideální tvar proudového pulzu částečného výboje. Náboj q tohoto pulzu je pak plocha pod křivkou i(t), tj. q = () 0 i t dt. () Spektrum tohoto proudového pulzu lze získat Fourierovou analýzou křivky F( f ) i(t). Na obr. 7b jsou vyneseny normalizované spektrální amplitudové hustoty F(0) v závislosti na frekvenci f pro tři tvary pulzu částečného výboje. Vlastní měřiče částečných výbojů získávají hodnotu náboje proudového pulzu částečného výboje integrací v časové nebo frekvenční doméně. Přístroje se dělí na Úzkopásmové a na Širokopásmové podle šířky pásma a provádějí integraci v časové doméně. Kalibrace Kalibrace (cejchování) je důležitá činnost při měření částečných výbojů. V závislosti na kapacitách měřicího obvodu (včetně parazitních kapacit) dochází při cestě od měřících svorek na objektu ke vstupu do měřiče částečných výbojů ke zkreslení (změně tvaru) pulzů částečných výbojů a díky ztrátám i ke zmenšení přeneseného náboje. Měřící obvod je nutno kalibrovat známým nábojem a vlastní měření potom korigovat. Kalibraci musíme provést před začátkem měření, kromě případů kdy děláme měření opakovaně a tam stačí provést kalibraci před prvním měřením. Kalibrace, ale nepostihne všechno. Nepostihne rezonance nebo rušení ve frekvenčním pásmu měřiče. Kvalita kalibrace velmi závisí na použitém kalibrátoru, jednotlivé přístroje se liší synchronizací a hlavně výstupním kalibračním nábojem, který je kalibračních generátorů pro elektrické točivé stroje až 0000 pc. Rušení Podle charakteru rušivých signálů lze rozdělit rušení na: Rušení impulzního charakteru. Většinou jsou to náhodně se vyskytující krátkodobé signály pokrývající široké frekvenční spektrum. Rušivé signály ZS 999/000 4 / 6

15 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 impulzního charakteru působí na měřicí systém v podstatě stejně jako "pravé" signály způsobené částečným výbojem. Rušení harmonického charakteru. Regulátory výkonu (tyristorové prvky) a zkreslený průběh síťového napětí způsobují rušivé signály ve frekvenčním spektru obsahujícím složky, které jsou celistvými násobky síťové frekvence. Dlouhovlnné a středovlnné rozhlasové vysílače indukují v měřicím obvodu harmonické signály v úzkém pásmu okolo své nosné frekvence. Podle zdroje rušivých signálů lze rozdělit rušení na: Vnější rušení. tj. rušení způsobené vnějšími (externími) zdroji rušení. Toto rušení je nezávislé na napětí na měřeném objektu. Je způsobeno např. činností telekomunikačních vysílačů, zdroji impulzního rušení, komutačními a spínacími pochody v jiných obvodech, vysokonapěťovými zkouškami v okolí, kolektorovými stroji apod. Toto rušení lze zjistit čtením na měřicím přístroji, když je měřicí obvod v beznapěťovém stavu. Zdroje vnějšího rušení lze zjišťovat jednak pomocí jejich charakteristického tvaru impulsů (pokud jde např. o blízké vysílače) nebo pomocí ultrazvukového detektoru Vnitřní rušení. tj. rušení způsobené vnitřními (interními) zdroji rušení. Toto rušení je spojené se zdrojem napájecího napětí měřicího obvodu a zpravidla roste s rostoucím zkušebním napětím, nevyskytuje se však v měřeném objektu. Zahrnuje např. částečné výboje v prvcích měřicího obvodu (vysokonapěťovém transformátoru, filtrech, vazebním kondenzátoru), na přívodech vysokého napětí apod. Mezi vnitřní rušení patří i rušení, způsobené nedokonale uzemněnými předměty a blízkými vodivými předměty bez fixovaného potenciálu. Zdroje vnitřního rušení mohou souviset i s regulací zkušebního napětí (tyristorové buzení, uhlíky generátorů, běžce regulačního ústrojí). Zdrojem tohoto rušení může být i nesynchronizace zkušebního napětí s napájecím napětím měřicího přístroje. Tato rušení lze výrazně potlačit použitím vhodných vysokonapěťových filtrů. Korónovým výbojům lze úspěšně čelit odstraněním ostrých hran nebo použitím sítnicích elektrod na místech s výrazně nehomogenním polem, příp. volbou přívodních elementů dostatečného průměru. ZS 999/000 5 / 6

16 Fakulta elektrotechnická, Katedra elektroenergetiky, Technická, 66 7 Praha 6 Literatura [] ČSN Elektrická zařízení. Metody měření charakteristik částečných výbojů. 985 [] IEC Publication 70. Partial Discharge Measurements. 98 [3] ASTM. D Standart Method for Detection and Measurement of Discharge (Corona) Pulses in Evaluation of Insulation Systems. [4] Záliš K.: Částečné výboje na strojích točivých. (Habilitační práce). Praha, ČVUT-FEL, únor 997. [5] Veverka A.: Technika vysokých napětí. SNTL Praha, 966 [6] Tettex Information 404: Částečné výboje a jejich měření. [7] Kelen A.: Diagnostics of HV insulation From inspection to continuous monitoring. Ref.00-05, CIGRĚ Symposium 05-87, Vídeň, květen 987. [8] Gemant A., Philippoff W.v.: Die Funkenstrecke mit Vorkondensator. Z. für tech. Phys., č. 3 (93), s ZS 999/000 6 / 6