SFRA DIAGNOSTIKA VÝKONOVÝCH TRANSFOR- MÁTORŮ V SOULADU S POŽADAVKY IEC Václav Straka, Pavel Zítek, TMV SS spol s r.o. Diagnostická metoda FRA došla stádia široké akceptace a v současnosti si již nejedná pouze o doporučenou metodu, ale v jistých případech metodu předepsanou. Součástí mezinárodních standardů je nejenom definován rozsah předepsaných měření, ale i požadavky na vlastní provedení měření a minimální požadavky na HW prostředky. Materiál je věnován nejenom těmto aspektům, ale například i vlivu měřícího napětí na opakovatelnost měření či doporučené postupy. 1. APLIKOVATELNOST METODY SFRA Metoda SFRA je aplikovatelná obecně na dielektrické systémy, respektive na změny v jejich geometrickém uspořádání. Je použitelná například na motory, generátory, ale největšího rozšíření doznala v aplikacích na výkonových transformátorech. Až do nedávna neměla až na jednu výjimku oporu ve standardech a byla chápána jako doplňková, byť s nepopiratelnými přínosy pro praktické nasazení. V tomto období existovalo poměrně velké množství názorů na praktické nasazení a jeho omezujících prvků. V posledním období však došlo ke značnému pokroku i v této oblasti a metoda již došla ke svému definování v několika standardech. Materiál je věnován nejen výčtu těchto standardů, ale též požadavkům z těchto standardů vyplývajících. 2. PRINCIP VYSOKOFREKVENČNÍ DIAGNOSTIKY VÝKONOVÝCH TRANSFORMÁTORŮ - SFRA 2.1. METODA VYSOKOFREKVENČNÍ DIAGNOSTIKY TRANSFORMÁTORŮ Vysoko frekvenční analýza je nová metoda na poli diagnostiky transformátorů a nabízí možnosti vyhledání změn a poruch v transformátoru po mechanické stránce a to i bez toho, aby transformátor bylo nutné odvézt z pozice do prostor servisní organizace a transformátor rozebrat. Metoda vychází z principu měření útlumu generovaného signálu a vzájemného posunu vůči referenci. Vzhledem k tomu, že transformátor lze přirovnat k velkému a složitému RLC článku, můžeme říct, že v náhradním schéma lze transformátor nahradit již jmenovaným RLC obvodem. Měří se tedy útlum a fázový posun signálu v zadaném frekvenčním pásmu a to v mezních hodnotách 1Hz až 10 MHz. Z matematického hlediska by se dalo měření popsat jako podíl signálu na vstupu a výstupu, přičemž signál ( U a I ) lze vyjádřit jako impedanci, pak tedy impedance kterou měřím je Z = Z *e jϕ. Pokud tuto křivku vyneseme do grafu, kde na jedné ose bude naměřený útlum a na ose druhé bude zadané frekvenční pásmo, můžeme říct, že jsme naměřili frekvenční charakteristiku transformátoru. Tato charakteristika má tvar vždy jiný a dá se říct, že ani dva identické transformátory stojící vedle sebe nemají stejnou frekvenční charakteristiku, avšak je velmi podobná. Tvar naměřené charakteristiky ovlivňuje především fyzické vnitřní uspořádání transformátoru, druh transformátoru ( autotransformátor, transformátor dvou vinuťový, transformátor s terciárním vinutím atd. ), napěťová hladina jednotlivých vývodů, druh zapojení jednotlivých vývodů ( hvězda trojúhelník a případně jejich fázový posun ), atd. Václav Straka - Sekce č.1 / referát č.4 ČK CIRED 2012 1
2.2. JEDNODUCHÉ A SNADNÉ MĚŘENÍ Měření touto vysokofrekvenční metodou je snadné, rychlé a efektivní. Cele měření by nemělo zabrat déle než 1 minutu, případně při nastaveném preciznějším vzorkování by doba měření neměla přesáhnout tři minuty. Z hlediska provozu je důležité mít široký rozsah použití a to s důrazem na okolní prostředí, tedy pracovní teploty by měli umožňovat práci jak za letních teplot na přímém slunci, kde teplota dosahuje až 70 C, ale také v opačném letním období a to je zima, kdy v středoevropských podmínkách zimní teploty obvykle neklesají pod -20 C. Obrázek 2 Obvyklý tvar frekvenční charakteristiky Tato podmínka je jednoduše splnitelná v případě, že zařízení nemá na svém obalu žádné zobrazovací nebo ovládací prvky. S tím souvisí samozřejmě komunikace se zařízením a to v dnešní době bezdrátových komunikací by mělo být zabezpečeno například pomocí bluetooth. Vzhledem k tomu, že tento standart je rozšířen po celém světe by komptabilita a použitelnost neměla být žádný problém. Nehledě na to, že tato skutečnost umožňuje provést měření s přístrojem v jakékoliv poloze s jakýmkoliv umístěním. Například záznamový přenosný počítač mít v měřicím voze a samotný měřicí přístroj napájený z interních baterii na vrchu transformátoru. 2.3. ZA JAKÝM ÚČELEM A PROČ MĚŘENÍ PROVÁDĚT Měření touto metodou mohou mít různý význam a to například jako běžná revize fyzického stavu transformátoru, hledání mechanických změn v transformátoru při jakékoliv elektrické události v blízkosti transformátoru a nebo například kontrola stavu stroje před a po revizi a údržbě transformátoru nebo jeho transportu z eventuelně na pozici. Metod jak postupovat je několik a to především metody komparační, kdy jsou k dispozici dva identické transformátory. Zde se dá předpokládat, že vnitřní uspořádání je shodné a tedy charakteristika transformátoru by měla být velmi podobná. Následně po měření data z obou strojů je lze porovnat a s velmi vekou pravděpodobností přesně určit závadu na stroji. Pokud není transformátor, který je shodný a nebo alespoň má shodnou konstrukci mohou být porovnávány určité části charakteristik mezi sebou. Obzvláště pak ve vysokých frekvencích, kdy by se měli jednotlivé křivky na jednom stroji velmi přibližovat. A u frekvencích nižších se mohou využít znalosti konstrukce transformátoru a v 90% můžeme tvrdit, že Václav Straka - Sekce č.1 / referát č.4 ČK CIRED 2012 2
fáze 1 a fáze 3 by měla mít stejnou pozici a stejné umístění na magnetickém obvodu. Tedy křivky obou fází by měli mít podobný průběh. Ideálním stavem je porovnávání jednoho stroje po uplynutí určitého časového úseku, kdy je možné bez ohledu na počáteční stav diagnostikovat přesně závadu z těchto dvou měření. U tohoto měření je pak obzvláště důležitá metodika připojování měřicích vodičů na průchodky transformátoru z hlediska opakovatelnosti měření. 2.4. POHLED NA PROVEDENÉ MĚŘENÍ A PŘÍKLAD DIAGNOSTIKY Obrázek 3 Porovnání provedených měření Obrázek 4 Detail části křivky Na obrázku 3 je vidět provedené měření na transformátoru 110 kv / 22 kv, kde je na grafu zobrazena charakteristika primárního vinutí a to konkrétně zapojení H1 H0, H2 H0 a H3 H0. Vzhledem k tomu, že toto je případ, kdy není možné použít porovnávání dvou transformátoru, můžeme využít znalosti vnitřního uspořádání a porovnat jednotlivé obvody mezi sebou. Tedy H1 H0 a H3 H0 jsou krajní fáze tedy jejich fyzické postavení v transformátoru je zrcadlové. Pokud provedeme srovnání těchto dvou křivek (viz obrázek 4) zjistíme, že jejich charakteristika je v celé šířce téměř shodná, až na rozmezí frekvencí 100 Hz až 1kHz, kde můžeme sledovat velkou odchylku. Tento jev se identicky kopíruje do měření na sekundárním vinutí stejného sloupku ( H1 a X1 ). Toto místo ve frekvenčním spektru nám representuje stav magnetického obvodu. Pokud provedeme diferenci těchto dvou křivek v námi zvětšeném rozsahu můžeme odečíst rozdíl, který činí 11,5dB, což můžeme diagnostikovat jako poruchu magnetického obvodu první fáze transformátoru (viz obrázek 5). Obrázek 5 Rozdílová křivka dvou měření Obrázek 6 Vnitřní šum Dále z měření je zajímavé pásmo týkající se frekvenční šířky 20 khz až 200 khz, kde je zjevný frekvenční posun primárního a sekundárního vinutí. Zde už nejde tak jednoduše potvrdit poruchu, vinutí, protože se jedná o transformátor velmi starý a zde by tento jev mohl být vysvětlen vnitřní konstrukcí transformátoru. 2.5. PŘESNOST A OPAKOVATELNOST NAMĚŘENÝCH CHARAKTERISTIK Vzhledem k tomu, že měření probíhá v 90% na transformátoru, který je na pozici v rozvodně, je také toto měřené hodně náchylné na rušení. Tedy je důležité mít připojené vodiče stíněné a stínění těchto vodičů mít Václav Straka - Sekce č.1 / referát č.4 ČK CIRED 2012 3
velmi dobře uzemněné. Protože důležitým prvkem u této metody je opakovatelnost měření po určitém čase, aby bylo možné měřená data srovnávat. Špatným připojením vodičů lze jednoduše docílit chyby ±5dB což vnáší do metody velmi velkou nejistotu, protože se uvádí že rozdíl ±3dB je tolerance, kdy změna která nastala v tomto obvodě je bezvýznamná. S tímto je spojena i další problematická část této metody a to jsou průchodky transformátoru. Průchodky jako izolátor má svou parazitní kapacitu. Aby bylo možné prohlásit, že měření je opakovatelné i za podmínky toho, že vodiče jsou v jiné poloze než byly při předchozím měření, je třeba ošetřit aby smyčka, která je vytvořena mezi měřicím obvodem a průchodnou byla vždy stejná, respektive stejně dlouhá. U mnoho strojů se měřitelný útlum na vysokonapěťové straně transformátoru pohybuje v oblasti -100dB až -120dB, proto je velmi důležité aby odstup signálu od šumu byl dostatečný i pro tato měření, protože pokud by měl přístroj s odstupem signál šum 100dB změřit hodnotu kolem -110dB, tak tato hodnota nebude pravdivá a bude ovlivněna špatným hardwarem samotného měřicího přístroje. Dalším bodem týkajícího se přesnosti je kvalita vlastních měřicích přívodů. Protože vodiče jsou z koaxiálního kabelu, aby bylo zajištěno stínění proti nežádoucímu rušení, mají tím i vlastní parazitní kapacitu. Tedy čím delší vodiče tím větší kapacita, která se promítá do přesnosti metody. V tomto případě se chyba projevuje ve vyšších frekvencích a tedy je důležité aby i tento parazitní jev byl co nejvíce potlačen. Opět ideální odstup naměřených dat od chyby způsobené vodiči by neměl být větší než 20dB. 2.6. SOFTWARE A JEHO MOŽNOSTI DIAGNOSTIKY Softwarové zpracování naměřených bodů, nám o celé metodě podá vypovídající hodnoty. Tedy stává se jedním z nejsilnějších článků celé metody. Základem takového software je identifikace stroje pro možné začlenění stroje do databáze a zobrazení naměřených dat. Vzhledem k tomu, že se celé měření provádí v reálném čase a komplexně, neměl by tedy chybět v software graf s vynesenými úhly a možností výpočtu doplňkových hodnot podle matematických modelů jako jsou impedance a její převrácená hodnota případně uživatelsky zadané definice matematického modelu. Samozřejmostí je funkce porovnání dvou křivek v zadaném nebo celém pásmu měření, případně tvorba šablon pro jednotlivé zapojení nebo jednotlivé stroje. A v neposlední řadě by celý software měl obsahovat otevřený protokol záznamu dat, aby jej bylo možno snadno exportovat do tabulkových procesorů. Václav Straka - Sekce č.1 / referát č.4 ČK CIRED 2012 4
3. SFRA VE STANDARDECH Jak již bylo zmíněno v kapitole1, metoda SFRA je v současnosti definována ve vícero standardech. Jedná se o následující: Frequency Response Analysis on Winding Deformation of Power Transformers, DL/T 911-2004, The Electric Power Industry Standard of People s Republic of China Mechanical-Condition Assessment of Transformer Windings Using Frequency Response Analysis (FRA), CIGRE report 342, 2008 IEEE PC57.149 /D9, Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response Analysis for Oil Immersed Transformers, 2012 IEC 60076-18 Ed. 1, Power Transformers - Part 18: Measurement of Frequency Response, 2012 Internal standards by transformer manufacturers, e.g. ABB FRA Standard v.5, 2008 Existují i další interní standardy, například ve formě Řádů preventivní údržby, testovacích rutin výrobců a dalších. Naprostá většina z nich uvádí nejenom interpretaci naměřených hodnot, ale též definují požadavky na měřící postupy. Základní požadavky jednotlivých standardů jsou uvedeny v následující tabulce: Standard Dynamický rozsah Přesnost Uzemnění kabeláže Terénní ověření testu EPIS PRC DL/T 911, 2004-100 až +20 db ± 1 db @ -80 db Co nejkratší vzdálenost k uzemnění transformátoru neuvedeno CIGRE brochure 342, 2008-100 až +20 db (měřící rozsah) ± 1 db @ -100 db Princip nejkratšího stínění Testovací obvod se známou odezvou testovací zapojení shorted IEC 60076-18, 2012-90 až +10 db min 6 db S/N (-96 až +10 db) ± 0.3 db @ -40 db ± 1 db @ -80 db Popsány tři metody: 1. Stejné jako CIGRE (2 MHz) 2. "Stará" metoda (500 khz) 3. "Inversní CIGRE" (2 MHz) Standardní testovací objekt se známou odezvou testovací zapojení shorted a open IEEE PC57.149 (final draft, předpoklad 2012) "dostatečný dynamický rozsah pro obsažení většiny testovaných transformátorů" "kalibrováno na akceptovatelný standard" Oboustranné uzemnění. "Přesná, opakovatelná a dokumentovatelná" procedura Standardní testovací objekt se známou odezvou 3.1. DYNAMICKÝ ROZSAH A PŘESNOST Účelem dynamického rozsahu je zajištění co nejlepší intepretace vlastní odezvy měřeného transformátoru, jež nesmí být překryta vnitřním šumem přístroje. Obecně lze říci, že vnitřní šum přístroje by měl být řádově nižší než nejnižší měřitelné útlumy. Za určitých okolností může snadno dojít k překrytí odezvy výše zmíněným vnitřním šumem. Příklad je uveden na obrázku 7, kde jsou vzájemně porovnatelné zelená s modrou křivkou (modrá ovlivněna šumem) a červené s černou (černá ovlivněna šumem). Václav Straka - Sekce č.1 / referát č.4 ČK CIRED 2012 5
Obrázek 7 Příklady měření ovlivněných vnitřním šumem Obrázek 8 Vliv přesnosti a šumu na útlum měření Václav Straka - Sekce č.1 / referát č.4 ČK CIRED 2012 6
3.2. VLIV UZEMNĚNÍ MĚŘÍCÍCH KABELŮ Tato část bývá poměrně často opomíjena. Nevhodný způsob stínění je zodpovědný za dřívější tvrzení, že metodu je možno používat pouze do frekvencí 500 khz. Pokud je dodržena zásada co nejkratší smyčky stínění, je měření spolehlivě opakovatelné až do frekvencí v řádech MHz. Stínění je tedy vždy nutné provést co nejkratším a hlavně opakovatelným způsobem. Příklad vhodného a nevhodného upevnění stínění je uveden na následujících obrázcích označených číslem 9. Obrázek 9 příklad správného a nesprávného upevnění stínících kabelů 3.3. OVĚŘENÍ V TERÉNU Součástí měření by mělo být i možnost terénního ověření funkčnosti a přesnosti měřicího přístroje v terénu. Toto se provádí prostřednictvím měření na vzorku se známou a definovanou odezvou. Toto je možnopoužít i v případě obdržení neočekávané odezvy z transformátoru 3.4. OPAKOVATELNOST MĚŘENÍ VS. MĚŘÍCÍ NAPĚTÍ Poměrně opomíjeným parametrem bývá velikost měřicího napětí. Tvůrci standardů obvykle předpokládají, že bude použito napětí o velikosti 10V, avšak tato velikost není nikde uvedena jako závazná. Velikost měřícího napětí však výrazně ovlivňuje výsledek, obzvláště v nízkých frekvencích. Vzhledem k tomu, že SFRA je ze své podstaty porovnávacím měřením vůči referenci, je zapotřebí mít nejen znalost o velikosti napětí použitého pro referenční měření, ale použít při testu napětí o stejné velikost. Vhodným řešením je přístroj, který má uživatelsky nastavitelnou velikost testovacího napětí, pokud uživatel nechce vlastnit širokou škálu různých přístrojů. Příklady vlivu jsou uvedeny na obrázku 10. Václav Straka - Sekce č.1 / referát č.4 ČK CIRED 2012 7
4. LITERATURA [1] Název, autor a zdroj odkud bylo čerpáno [2] druhá atd. Grey 0.1 V Light Blue 0.5 V Blue 1 V Brown 2 V Black 5 V Green 10 V p-p Obrázek 10 vliv měřicího napětí na odezvu transformátoru 5. ZÁVĚR SFRA je spolehlivou metodou s opodstatněným nasazením a nepopiratelnou hodnotou. Standardy je v tomto případě možno chápat nejenom jako vodítko pro interpretaci, ale i souhrn praktických souborů doporučení pro vlastní provádění těchto měření 6. LITERATURA [1] Straka Václav, CIRED 2003, Vybrané způsoby diagnostiky elektrických strojů, přístrojů a prvků dielektrická spektroskopie ve frekvenční doméně [2] Kvasnička Václav, Procházka Radek, Velek Jiří, Ověřování metody frekvenčních charakteristik v podmínkách rozvoden přenosové soustavy ČR [3] Frequency Response Analysis on Winding Deformation of Power Transformers, DL/T 911-2004, The Electric Power Industry Standard of People s Republic of China [4] Mechanical-Condition Assessment of Transformer Windings Using Frequency Response Analysis (FRA), CIGRE report 342, 2008 [5] IEEE PC57.149 /D9, Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response Analysis for Oil Immersed Transformers, 2012 [6] IEC 60076-18 Ed. 1, Power Transformers - Part 18: Measurement of Frequency Response, 2012 [7] Internal standards by transformer manufacturers, e.g. ABB FRA Standard v.5, 2008 Václav Straka - Sekce č.1 / referát č.4 ČK CIRED 2012 8
Ing.Václav STRAKA Absolvent ČVUT FEL (1994). Jednatel TMV SS s.r.o. (měřící a diagnostické přístroje pro oblast energetiky a průmyslu). Specializuje se na on-line monitoring výkonových transformátorů, diagnostické a testovací vybavení pro oblast vn kabelů, transformátorů, vypínačů vn, vvn, bateriových systémů a UPS, ochran, zobrazení korony a měření elektrických a magnetických polí. TMV SS s.r.o., Studánková 395, 149 00 Praha 4 Tel.: +420 272 942 720, Fax.: +420 272 942 722 E-mail: vaclav.straka@tmvss.cz URL: www.tmvss.cz Pavel Zítek Pracuje ve firmě TMV SS s.r.o. (měřící a diagnostické přístroje pro oblast energetiky a průmyslu) jako technický specialista. Specializuje se na frekvenční diagnostiku výkonových transformátorů, diagnostické a testovací vybavení pro oblast transformátorů, zobrazení korony a termovizní měření. TMV SS s.r.o., Studánková 395, 149 00 Praha 4 Tel.: +420 272 942 720, Fax.: +420 272 942 722 E-mail: pavel.zitek@tmvss.cz URL: www.tmvss.cz Václav Straka - Sekce č.1 / referát č.4 ČK CIRED 2012 9