TEPLOTNÍ KORELACE C A TG δ ZALOŽENÁ NA SKUTEČNÉ ODEZVĚ TRANSFORMÁTORŮ Václav Straka, TMV SS, spol. s r.o. Pavel Zítek, TMV SS, spol. s r.o. Antonín Krňoul, TMV SS, spol. s r.o. Anotace Parametry C a tg delta jsou jedněmi z nejvíce rozšířených ukazatelů při diagnostice izolačních systémů. Materiál je zaměřen (včetně příkladů z praxe) na oblast výkonových transformátorů a průchodek, i když postup a metodika je aplikovatelná téměř na libovolný dielektrický izolační systém. Cílem materiálu je poukázat na fakt, že teplotní korelace naměřených hodnot pouze na základě standardizovaných korekčních parametrů a křivek není dostatečná a způsobuje zavedení dodatečné nejistoty do výsledku měření. Součástí je i popis metody, jak se této nejistotě vyhnout a jakým způsobem změřit teplotní korekční křivky přímo v terénu. 1. ÚVOD Jedním z nejdůležitějších prvků nadřazené elektrizační soustavy a rozvodných elektrických sítí je výkonový transformátor. Jeho funkcí je transformovat napětí na požadovanou hodnotu potřebnou k přenosu elektrického výkonu. Je tedy důležitým článkem spojení mezi výrobou a spotřebou elektrické energie. Poruchou transformátoru může dojít k výpadku elektrické energie určité oblasti zahrnující osídlené aglomerace a průmyslové zóny. Přerušení dodávky elektrické energie způsobuje nemalé finanční ztráty nejen distribučním společnostem, ale také velkoodběratelům zastavením výrobního procesu. Proto je nutné předcházet takovýmto situacím pravidelnou kontrolou a údržbou transformátoru. Frekvenční diagnostika transformátoru se jeví být vhodným prostředkem pro detekci různých vlivů a jevů v transformátoru. Nízkofrekvenční diagnostika (dielektrická spektroskopie ve frekvenční doméně) je metoda určená primárně pro detekci a měření vlhkosti přímo v papírové izolaci a papírových bariérách výkonových transformátorů bez ohledu na teplotu stroje či okolí. V minulých letech byly prezentovány rozličné druhy diagnostických metod založených na proměnné frekvenci. Hlavním předmětem dnešního materiálu je teplotní korelace naměřených hodnot. Zmíněny budou 2 různé metody, a to FDS a klasické vn měření. 2. DIELEKTRICKÁ SPEKTROSKOPIE VE FREKVENČNÍ DOMÉNĚ - FDS Jednou z nových diagnostických metod pro diagnostiku různých izolačních systémů je metoda dielektrické spektroskopie, v tomto případě na základě frekvenční závislosti. Jejím principem je sledování odezvy (polarizace) částic na základě změny frekvence v širokém pásmu. Uplatnění najde tato metoda v diagnostice elektrických strojů, zařízení a prvků. V tomto článku budou popsány aplikace zejména v oblasti výkonových transformátorů, papírem izolovaných kabelů vn a kabelů vn s izolací ze zesítěného polyetylénu. Tato metoda je použitelná i v dalších aplikacích, jako je vinutí elektrických strojů (generátory, motory), přístrojových transformátorů s olejovou náplní a dalších. Popsán bude i obecný koncept metody FDS frequency domain spectroscopy. Straka, Zítek, Krňoul - Sekce č.1, č.referátu 3 ČK CIRED 2011 1
2.1. POPIS METODY Přístroje používané na diagnostiku metodou FDS (v ČR poměrně rozšířený IDAX 206, IDAX 300 či IDA 200) je založena na generátoru sinusového napětí 140V ef ve frekvenčním rozsahu 10 khz až 0,0001 Hz. Jedná se o kompaktní přístroj o hmotnosti cca 6 kg, jehož výkon plně postačuje pro diagnostiku výkonových transformátorů a papírem izolovaných kabelů (pro aplikace na kabelech s izolací ze zesítěného polyetylénu lze připojit externí vysokonapěťovou jednotku). Princip funkce je měření generovaného napětí a proudu vycházejícího z měřeného vzorku a jejich následné vyjádření v požadované podobě (Z, cos φ, tan δ, c, ε, ε, ε a v dalších možných podobách v určitých případech sledování pouze hodnoty tan δ nedá celkový obraz o měřeném vzorku, jak bude vysvětleno dále). Přístroj používá i třetí ochranou elektrodu, která se obvykle připojuje k tanku transformátoru nebo k izolaci kabelu. Díky frekvenční selektivitě ampérmetru a filtraci signálu může přístroj bez problémů pracovat i v místech se silnou elektromagnetickou indukcí (. Přesnost přístroje byla porovnávána s tradičními vn přístroji 10 kv a 20 kv bez jakýchkoliv odchylek. Významnou předností je široké frekvenční pásmo jež dovoluje poměrně rozsáhlou diagnostiku různých částí měřeného vzorku. Izolace hlavního vinutí 50/60 Hz Izolace průchodek (fáze 2 a 3) Obrázek 1 frekvenční závislost tan δ 3. APLIKACE Vzhledem k povaze metody je nutno zmínit i vybrané aplikace včetně způsobů interpretace naměřených hodnot. 3.1. VÝKONOVÉ TRANSFORMÁTORY Na výkonových transformátorech lze měřit všechny izolační stavy (např. mezi jednotlivými vinutími, mezi vinutími a zemí, diagnostikovat průchodky atd.). Diagnostikou lze určit tan δ při 50 Hz včetně správné teplotní kompenzace a dále například vlhkost papírové izolace a vodivost oleje bez ohledu na teplotu transformátoru. Principem je měření ve frekvenčním rozsahu 1 khz až 0,0001 Hz, přičemž každý z prvků (teplota, vodivost oleje, vlhkost papírové izolace, konstrukční uspořádání), který ovlivňuje naměřené hodnoty se pro- Straka, Zítek, Krňoul - Sekce č.1, č.referátu 3 ČK CIRED 2011 2
jevuje jiným způsobem při různých frekvencích (viz obrázek 2). To nám umožňuje jednotlivé vlivy odseparovat a případně přepočítat na vztažné podmínky, např. 20 0 C. Z obrázku 2 si vezmeme za příklad graf odpovídající izolaci hlavního vinutí. Vlhkost papírové izolace se projevuje zejména v zakřivení charakteristiky v jejích koncových částech a její strmosti ve střední části, vodivost oleje na posunu křivky pod úhlem 45 0 (změna vlhkosti se projeví pouze posunem v tomto směru) a konstrukce transformátoru na výšku křivky. Teplota má vliv na celkový posun křivky v horizontální rovině, což umožňuje, při znalosti teploty při měření, přepočíst naměřenou tan δ na nominální teplotu bez rizika špatného směru korekce (viz obrázek 3 vlivy na korekci tan δ). - M ois ture + - Temperature + - Oil Conductivity + - M ois ture + Obrázek 2 vlivy na korekci tan δ Z obrázku 2 je patrné, že bez znalosti směrnice (tj. pouze měření v jednom bodě) křivky v nejbližším okolí není dostatečně dobře možné korigovat tan δ při 50 Hz na zvolenou teplotu, neboť směrnice může mít, v závislost na kombinaci vodivosti, vlhkosti a teploty, jak kladnou tak zápornou hodnotu. Široké frekvenční pásmo též umožňuje modelování průběhu křivky až za hranice měření. Co se týče dalšího porovnání s klasickými diagnostickými metodami, předností je interpretace založená na konstrukci transformátoru, krátká doba potřebná na měření, opakovatelnost testu, menší citlivost na elektromagnetickou indukci oproti DC a snadná pochopitelnost a modelovatelnost výsledků měření. Je však zapotřebí v tomto případě zmínit možnost napěťové nelinearity, která tímto způsobem není možno zjistit. Vzhledem ke kapacitě měřených vzorků není reálné zkonstruovat přenosný přístroj, který by ve frekvenčním rozsahu od 1 khz umožňoval generovat napětí v řádech kv. Straka, Zítek, Krňoul - Sekce č.1, č.referátu 3 ČK CIRED 2011 3
wc 0,9-1,1% 2 ps / m Obrázek 3 kvantifikace vlhkosti Pokud bychom chtěli zobrazit průběhy s různou vlhkostí a současně i vodivostí oleje, za příklad nám může posloužit graf označený jako obrázek 3. V tomto případě je vidět nejenom kvantifikace hodnot na úrovni 50 Hz, ale i přímý výpočet obsahu vlhkosti v papírové izolaci, v tomto případě izolace vinutí. V tomto případě je kvantifikována vlhkost na základě shody mezi naměřenou odezvou (křivkou) a teoretickým modelem, který je možno kvantifikovat parametry jako je vlhkost a vodivost (izolační odpor oleje). Stejně tak je možno naměřené křivky přesně a spolehlivě korigovat na vztažné / nominální teploty. Straka, Zítek, Krňoul - Sekce č.1, č.referátu 3 ČK CIRED 2011 4
4. FREKVENCE VERSUS VN TESTOVÁNÍ A DIAGNOSTIKA Vysokonapěťové metody se používají zcela standardně nejen v oblasti transformátorů / průchodek, ale i v jiné typy izolačních systémů. Sledována je obvykle napěťová závislost měřených parametrů společně s absolutními hodnotami. Za určitých okolností testovaný izolační systém nemá vztažnou teplotu a je zapotřebí naměřené hodnoty na tuto teplotu korigovat. 4.1. OBVYKLÉ METODY TEPLOTNÍ KOREKCE Toto se obvykle provádí korekcí dle standardizovaných křivek, které se však v praxi ukazují jako více než teoretické, neboť charakter odezvy nebývá nejen lineární, ale bývá individuelní charakteristikou daného prvku. Standardizované teplotní korekční křivky jsou uvedeny na obrázku 4. 4.2. REÁLNÉ PRŮBĚHY V PRAXI Řešením je pouze provedení vícebodového měření v dostatečně širokém frekvenčním pásmu tak, aby bylo možno korekci provést nikoli pouze pomocí odhadu a univerzální křivky, ale na základě skutečných průběhů. Příklady vybraných frekvenčních závislostí jsou na obrázku 5. Z hlediska teplotních závislostí se jednotlivé charakteristiky chovají velmi podobně, jako charakteristiky u metody FDS. Uvedený přístup umožňuje i velmi dobré zpětné modelování na průběhy či hodnoty naměřené v minulosti. Na následujícím obrázku jsou reálné průběhy různých vzorků, které byly testovány za uměle vyvolaných teplot. Obrázek 6 zobrazuje identická měření na vzorcích průchodek. Straka, Zítek, Krňoul - Sekce č.1, č.referátu 3 ČK CIRED 2011 5
Obrázek 5 reálné průběhy pro transformátory Obrázek 6 reálné průběhy pro průchodky 4.3. ŘEŠENÍ PRO PRAKTICKÉ MĚŘENÍ V TERÉNU V praxi není možno získávat individuelní charakteristiky jednotlivých prvků. Dalším aspektem, který je nutno zmínit je proměnlivost charakteristik v souladu s postupnou degradací / stárnutím stroje. Proto je zapotřebí tyto korekční charakteristiky zjistit před započetím každého měření. Tento postup je již možný za použití proměnné frekvence v oblasti řádu v okolí síťové frekvence. Toto měření je provedeno jako úvodní, viz obrázek 7. Straka, Zítek, Krňoul - Sekce č.1, č.referátu 3 ČK CIRED 2011 6
Application of Temperature Correction Factors for Dissipation Factor Measurements for Power Transformers A Case Study Power Grid Corporation of XXXXXXXX 4.4. VALIDACE KOREKČNÍCH KŘIVEK V praxi byly samozřejmě jednotlivé křivky validovány, a to uvedením zkoumaných prvků na různé teploty. Výsledky validace jsou v následující tabulce: Temp. Cap. Tand (%), Individual ITC tand (%) IEEE IEEE tand ( C) (pf) measured Corr. factor @20 C C57.12.90 (%) 21 1978 0.329 1.04 0.31 Corr. 1.02 factor @20 C 0.32 26 1976 0.367 1.20 0.31 1.14 0.32 34 1978 0.516 1.53 0.34 1.37 0.38 49 1974 0.832 2.70 0.31 1.91 0.44 Straka, Zítek, Krňoul - Sekce č.1, č.referátu 3 ČK CIRED 2011 7
Korekční charakteristiky byly získány z grafu a použity pro výpočet. Současně jsou použity i standardní korekční konstanty. Můžeme vidět, že jejich aplikace vedla k naprosto odlišným a chybným závěrům. jediným spolehlivým postupem je použití principů individuelní teplotní korekce. V současnosti tuto funkčnost nabízí pouze jediný výrobce, a to Megger v přístroji DELTA 4000. 5. ZÁVĚR Frekvenční diagnostika výkonových transformátorů poskytuje možnosti doplnění stávajících diagnostických metod. Rozšiřuje spektrum diagnostických metod o přímé měření vlhkosti v papírové izolaci na straně jedné a o diagnostiku mechanických posunů a odchylek na straně druhé. Jedná se v obou případech o poměrně rychlé a efektivní metody umožňující odhad aktuálního stavu transformátoru a jeho vhodnosti pro další provoz. Cílem materiálu bylo obeznámit čtenáře s novými metodami společně s doporučenými a vhodnými požadavky na měřící přístroje. Zcela novou kapitolou je terénní vn testování obohacené o frekvenční závislosti. Jedná se o nový postup, který je vysoce vhodný pro okamžité použití v terénu. Současnou praxi používání jednotných korekčních křivek je možno považovat za zavádění systematické chyby do naměřených výsledků. 6. LITERATURA [1] Straka Václav, CIRED 2003, Vybrané způsoby diagnostiky elektrických strojů, přístrojů a prvků dielektrická spektroskopie ve frekvenční doméně Ing.Václav STRAKA Absolvent ČVUT FEL (1994). Jednatel a majitel TMV SS s.r.o. (měřící a diagnostické přístroje pro oblast energetiky a průmyslu), technický specialista a manažer aplikací. 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 Straka, Zítek, Krňoul - Sekce č.1, č.referátu 3 ČK CIRED 2011 8
Ing.Antonín Krňoul Absolvent ČVUT FEL. Od roku 2005 pracuje ve firmě TMV SS s.r.o. (měřící a diagnostické přístroje pro oblast energetiky a průmyslu) jako technický specialista. Specializuje se na přístroje a metody pro oblast diagnostiky vypínačů vn a vvn, vizualizaci ve viditelném a IR spektru a metody frekvenčních diagnostik. TMV SS s.r.o., Studánková 395, 149 00 Praha 4 Tel.: +420 272 942 720, Fax.: +420 272 942 722 E-mail: antonin.krnoul@tmvss.cz URL: www.tmvss.cz Straka, Zítek, Krňoul - Sekce č.1, č.referátu 3 ČK CIRED 2011 9