Diagnostika stavu transformátorů pomocí měřícího vozu D. Denissov1*, A. P. Aleev2 1Megger GmbH, Baunach, Germany 2Megger, Moscow, Russia *E-mail: denis.denisov@megger.com Abstrakt V tomto dokumentu je představen koncept měřícího vozu určeného pro diagnostiku transformátorů. Jádro systému měřicího vozu tvoří několik standardních metod elektrických měření (měření izolačního odporu, převodu transformátoru, odporu vinutí a měření vektorových skupin). Centrální PC pro ovládání měření a protokolaci je společný pro všechny měřicí přístroje, stejně tak jako měřicí kabely, což se pozitivně projevuje na průběhu celého pracovního procesu. Pro připojení vozu k měřenému objektu je vůz vybaven kabelovými cívkami. Všechny požadované měřicí obvody a jejich vzájemné propojení se volí prostřednictvím softwaru. V důsledku toho dochází k výraznému zkrácení doby měření a zároveň ke zvýšení bezpečnosti, jelikož po prvním rozvěšení měřicích kabelů není již nutné dále přistupovat k transformátoru kvůli přepojení kabelů. Na vyžádání může být vůz vybaven také pokročilými měřicími metodami, např. analýzou frekvenční charakteristiky (FRA), měřením vlhkosti v papíru (DFR), měřením výkonových ztrát, vysokonapěťovým zdrojem pro testování elektrické pevnosti nebo sestavou pro zkoušky elektrické pevnosti oleje průrazným napětím, atp. Klíčová slova transformátorový měřicí vůz, základní měřicí metody, pokročilá diagnostika. I. ÚVOD Zkoušky při uvádění do provozu a pravidelné provozní zkoušky mají zásadní význam pro bezpečný, nepřerušovaný provoz výkonových transformátorů a rozvoden, mimo to jsou také často povinné. Pomocí měřicího vozu mohou být prováděny základní elektrická měření i pokročilá diagnostika dle norem IEC 60060-3, IEC 60076, IEEE Std. C57.12.00 and GOST 11677-85. Všechny tyto zkoušky jsou rovněž užitečné při odstraňování problémů v případě výpadku. Pomocí izolačních zkoušek lze identifikovat poškození elektrické izolace (měření izolačního odporu, ztrátového činitele/elektrické kapacity, jakož i měření DFR). Pomocí analýzy frekvenční charakteristiky, měření odporu vinutí a zkoušek přepínače odboček při zátěži se typicky vyhledávají mechanická poškození vzniklá při přepravě nebo vlivem vnějších poruchových proudů, jakožto i poruchy či zkraty ve vinutí. Po provedení oprav lze provést kontrolu transformátoru, pomocí měření převodu, vektorových skupin, ztrát naprázdno a nakrátko, čímž je zaručena vysoká kvalita údržby. Běžně jsou na místě také odebírány vzorky oleje pro zkoušky elektrické pevnosti a analýzu rozpuštěných plynů. K provedení je zapotřebí několika zařízení, včetně vlastních kabelů a dalšího příslušenství. Taková činnost je často poměrně časově zdlouhavá a náročná z hlediska různých testovacích schémat a s tím souvisejícího přepojování zapojení na
transformátoru. Tento proces pak zbytečně zvyšuje pravděpodobnost vzniku úrazu při přepojování kabelů. Specializovaný měřicí vůz může snadno pojmout všechny výše uvedené metody i přístroje a usnadnit jejich začlenění do automatizovaného pracovního postupu. Autoři představují řešení s centralizovaným řídícím a protokolovacím softwarem, jediným připojením k měřenému objektu společným pro jednotlivé přístroje, automatickým přepínáním měřicích obvodů pro jednotlivé metody, čímž je zajištěna vysoká bezpečnost pracovního procesu. Po dokončení každého měření je z výsledků automaticky vytvořen zkušební protokol. Databázový software umožňuje vypočítat rozdíl mezi naměřenými hodnotami a porovnávat výsledky měření se štítkovými hodnotami. V srdci systému se nachází rozvaděč, který umožňuje automatický (softwarově řízený) výběr VN nebo NN metody měření a měřicích schémat. Tento dokument popisuje metody měření, strukturu protokolů a některé případy z praxe, které ukazují, jak je možné zkrátit dobu měření a vyhnout se lidským chybám. II. VESTAVĚNÉ MĚŘÍCÍ METODY Jádro systému tvoří tyto čtyři hlavní aplikace: Tester izolačního odporu (5 kv megaohmmetr, např. S1-568 Měřicí souprava kapacity a ztrátového činitele tangens delta (Delta4110) Sestava pro měření odporu vinutí a transformačního poměru (MTO300 a TTR300) Měřicí zařízení je namontováno v 19- palcovém racku, jak je znázorněno na obr. 1. Obr. 1. Obrázky transformátorového měřicího vozu s přístrojovým rackem a prostorem pro kabelové cívky Kabelové cívky o délce 30 m jsou umístěny v zadní části vozu. V případech, kdy tato délka není dostatečná, lze přístroje vyjmout z pozice a používat samostatně s jejich standardními měřicími přívody. Volitelně lze přidat další diagnostické metody pro měření následujících parametrů a veličin: Magnetizační proud a impedance nakrátko Výkonové ztráty ve stavu naprázdno a nakrátko Analýza frekvenční charakteristiky (FRA) Měření vlhkosti v papíru (DFR)
Jednofázový zdroj VN do 100 kv AC a 70 kv DC pro zkoušky elektrické pevnosti Testování elektrické pevnosti oleje průrazným napětím přepínání měřicích přívodů mezi dvěma měřicími přístroji S1-568 a DELTA 4110, jak je znázorněno na obr. 2. III. MĚŘENÍ IZOLAČNÍHO ODPORU Měření izolace je základní součástí diagnostiky elektrických zařízení. Izolace je v průběhu své životnosti vystavena tepelnému, mechanickému a elektrickému namáhání a vlivům okolí. Tyto vlivy vedou k urychlení chemických procesů (oxidace), změnám struktury materiálu, zhoršení mechanické pevnosti a někdy také k delaminaci. Vlhkost a povrchové znečištění jsou zvláště škodlivé pro izolaci výkonových transformátorů. Pronikání vlhkosti má nepříznivé účinky a může v konečné fázi vést k průrazu. Izolace je v důsledku toho vystavena zrychlenému stárnutí, kdy se mohou objevit určité lokální vady a celkové zeslabení některých parametrů. Ačkoli je analýza rozpuštěných plynů v oleji (DGA) velmi účinným diagnostickým nástrojem, ani její výsledky nejsou vždy dostačující pro identifikaci všech možných závad v izolaci, nemluvě o předepsaných pravidelných vizuálních kontrolách. Pro-aktivní strategie údržby proto vyžaduje také provádění off-line diagnostických zkoušek transformátorů. Nejběžnější měření parametrů izolace transformátorů a průchodek se provádějí pomocí megaohmmetru (např. S1-568) a soupravy na měření ztrátového činitele (tangens delta), (např. DELTA 4110). Výsledky poskytují souhrnnou informaci o stavu izolace, poukazují na hlavní závady a v některých případech dokonce identifikují příčinu závady. K měření izolačního odporu výkonových transformátorů se používá stejnosměrné napětí o velikosti několika kilovoltů. Měření kapacity a ztrátového činitele u izolace vinutí se provádí pomocí střídavých napětí o velikosti až 10 kv s použitím obdobných zapojení, jako u měření izolačního odporu. Koncepce měřicího vozu umožňuje Obr. 2. VN přepínač pro volbu přístroje na měření izolace s využitím stejnosměrného nebo střídavého napětí. Pomocný software ovládající přepínač je znázorněn na obr. 3. Uživatel pracuje se dvěma sadami měřicích kabelů (pro VN a NN měření). Je-li k měřenému objektu připojena určitá sada měřicích přívodů, lze vybrat (zapnout) příslušný přístroj. Tento přístroj je následně ovládán pomocí speciální softwarové platformy (PowerDB) zajišťující provádění měření, ukládání jeho výsledků a jejich správu v databázi, jak je znázorněno na obr. 4. Příklad zapojení transformátoru se dvěma vinutími a odpovídajícími měřicími obvody je znázorněn na obr. 5. Obr. 3. Řídící software přepínače Obr. 4. Zobrazení protokolu v softwaru PowerDB
S1-568 režim: GST GND R (C HG +C HL) DELTA4110 režimy: GST GND R (C HG+C HL) GST R (C HG) UST R (C HL) při uvádění do provozu nesmí lišit o více než 0,5 % od štítkových hodnot. Předpokládá se měření převodu ve všech pozicích přepínače odboček při zátěži (OLTC) a/nebo bez zátěže (DETC) u všech fází. Obr. 5. Příklad zapojení. Sada testovacích kabelů VN složená z VN kabelu (černého), připojeného k VN straně transformátoru a měřicího (červeného) kabelu, připojeného ke NN straně transformátoru IV. MĚŘENÍ PŘEVODU TRANSFORMÁTORU, OVĚŘOVACÍ ZKOUŠKA VEKTOROVÉ SKUPINY U TŘÍFÁZOVÝCH TRANSFORMÁTORŮ K měření převodu transformátoru a ověřování vektorových skupin zapojení vinutí se používá přístroj TTR300. K měření odporu vinutí je určen přístroj MTO300. Vzhledem k tomu, že oba přístroje sdílejí stejné vícežilové měřicí kabely, je výhodné použít NN přepínač umožňující přepínání měřicích kabelů mezi těmito dvěma přístroji, jak je znázorněno na obr. 6. a 7. Měřicí kabely (jeden vícežilový kabel pro stranu VN a další kabel pro stranu NN) jsou dlouhé 30 m a každý z nich je opatřen čtyřmi Kelvinovými svorkami (s oddělenými proudovými a napěťovými kontakty). Obr. 6. Sada měřicích přívodů. Nastavitelná Kelvinova svorka (dole) Toto uspořádání umožňuje měření čtyřvodičovou metodou, která eliminuje vliv délky přívodů. V závislosti na platných normách se převod změřený mezi vinutími Obr. 7. Přepínač mezi měřicí sadou odporu vinutí a převodu transformátoru V. MĚŘENÍ ODPORU VINUTÍ Měření odporu vinutí u provozně starších transformátorů se provádí za účelem identifikace problémů s kontakty u přepínače odboček, problémů s kontakty u výkonového přepínače, přerušených vodičů, přerušených paralelních vláken, zkratovaných disků vinutí, zkratovaných vrstev vinutí nebo nevyhovujících připojení průchodky. Tato měření lze provádět také při uvádění do provozu, po přepravě, po dlouhém uskladnění nebo po opravě, aby byla zajištěna předepsaná kvalita údržby. Dále je také možné tato měření provádět i po poruše za účelem zjištění charakteru poškození a vyhodnocení rozsahu škod na jednotlivých částech transformátoru. Měření odporu vinutí je nutné provádět ve všech pozicích odboček. Současné připojení ke svorkám VN a NN umožňuje provádění metody tzv. duální magnetizace. Tato metoda je výhodná zejména u velkých transformátorů s nízkonapěťovou stranou zapojenou do trojúhelníku. Výhody metody duální magnetizace jsou znázorněny na obr. 8. Jádro transformátoru je syceno efektivním magnetickým tokem, který je 10-krát vyšší než magnetický tok vyvinutý při jednoduchém měření na NN straně (hodnoty jsou převzaté z obr. 8.). Typické měřicí proudy se pohybují v rozsahu 0,1 % až 5 % jmenovitého proudu vinutí. U proudů vyšších než 10 % jmenovité
hodnoty může nastat přehřívání a následné zkreslení měření. Pro srovnávací účely lze provést teplotní korekci podle materiálového vzorce pro měď a hliník přímo v softwaru. U měření v terénu by se hodnoty odporu vinutí na třífázovém transformátoru měřené na stejných odbočkách a při stejné teplotě neměly lišit o více než 1 % mezi fázemi. Obr. 8. Účinky metody duální magnetizace Absolutní hodnoty po teplotní korekci musejí ležet v mezích 5% tolerance při porovnání s údaji dostupnými od výrobce. Po dokončení měření odporu vinutí je doporučeno provést demagnetizaci jádra (neboli odstranění zbytkové magnetizace). Funkce demagnetizace je tak integrována přímo v MTO 300. Mimo to je důležité demagnetizaci také provést před měřením ztrát naprázdno nebo analýzou frekvenční charakteristiky (FRA) u transformátoru odstaveného z provozu, jelikož v něm může zůstat zbytková magnetizace vzniklá v důsledku vypínání a při výpadcích proudu. Demagnetizace je dosaženo pomocí cyklického stejnosměrného proudu proměnné polarity s amplitudou klesající z maxima na nulu, který protéká jedním z VN vinutí, jak je znázorněno na obrázku 9. +100% of Test current -100% +10% -1% +0.1% -0.01% Obr. 9. Demagnetizační cyklus VI. MĚŘENÍ VÝKONOVÝCH ZTRÁT A. Ztráty naprázdno Positive polarity Negative polarity Některé normy [5] předepisují používání měřicího schématu ztrát naprázdno na straně nízkého napětí jako hlavní metodu měření magnetizačního proudu a ztrát naprázdno v místě provozu. Měření ztrát naprázdno se obvykle provádí při uvádění do provozu a po opravách starých transformátorů, aby bylo možné identifikovat mezizávitové zkraty, zkraty mezi plechy jádra nebo zemní spojení jádra. Měření naprázdno se doporučuje provádět při napětí 380/220 V. Měřicí napětí se přivede na vinutí NN, ostatní vinutí se ponechají rozpojená. Vinutí je doporučeno budit sdruženým napětím 380 V. Důvodem je skutečnost, že fázové napětí proti zemi může obsahovat harmonické složky a nemusí tedy vykazovat dokonale sinusový průběh, což by mohlo narušit přesnost měření. Měření ztrát naprázdno je přijatelné provádět při kmitočtech blízkých jmenovité hodnotě 50 Hz +-3%. Vzhledem k tomu, že měření ztrát naprázdno u starých transformátorů není upraveno normami, není nutné zavádět korekce při měření s kmitočtem mimo pásmo tolerance +-3%. U třífázových transformátorů se ztráty naprázdno měří fáze po fázi. Tato metoda umožňuje provádět porovnávání ztrát mezi fázemi a rozeznat tak vadnou fázi, ale také porovnávat tyto ztráty s údaji od výrobce. Například fáze a se zkratuje, vinutí b a c jsou buzena a měří se proud Iвс a ztrátový výkon Р BC (kde a, b, c fáze NN, A, B, C fáze VN). Pokud třífázový transformátor nevykazuje žádnou poruchu, ztráty Р BC a Р AB jsou takřka totožné v toleranci ± 5 %. Ztrátový výkon Р AC je obecně o 20 25 % vyšší (v závislosti na konstrukci a počtu jader) než výkony Рвс a Р AB. Výkonové ztráty měřené na straně nízkého napětí není nutné přepočítávat na jmenovité napětí. Tyto ztráty se častěji porovnávají s hodnotou ztrát udávanou výrobcem nebo hodnotou naměřenou při stejných podmínkách (nízkém napětí). Výrobci transformátorů obvykle měří ztráty jak při jmenovitém, tak i nízkém (380 V) napětí. Rozdíly oproti hodnotám výrobců by měly být menší než 10 % u jednofázových transformátorů a menší než 5 % u třífázových transformátorů. Ztráty je nutno
měřit před měřením odporu vinutí (z důvodů zamezení vlivu zahřívání). Je nutné poznamenat, že podobné transformátory (ze stejné oceli a při stejném zkušebním napětí) vykazují podobné hodnoty ztrát mezi fázemi bez ohledu na skutečnost, zda se měření provádí při nízkém nebo jmenovitém napětí. B. Ztráty nakrátko Komplexní zkratová impedance (Zk) transformátorů o výkonech nad 125 MVA se stanovuje za účelem zjištění případných deformací vinutí vlivem vnějších poruchových proudů [5]. Naměřená hodnota je porovnávána s výchozí impedancí Zk měřenou výrobcem. Velmi často výrobce v dokumentaci uvádí výchozí hodnotu jako průměr všech tří fází, použití této hodnoty jako referenčního se nedoporučuje, neboť deformace v jedné z fází nemusí být v průměrné hodnotě identifikovatelná. Proto je doporučeno porovnávat hodnoty impedance Zk na jednotlivých fázích. Jako referenční je nutné považovat hodnoty naměřené při uvádění do provozu. Avšak ke zjištění zkratové impedance jednofázového transformátoru lze použít data od výrobce. Napětí a proud při měření nakrátko se stanovují při nízkém zkušebním napětí (380, 220 V). Při měření nakrátko na starém transformátoru je buzena VN strana vinutí, zatímco NN strana je zkratována, jak je znázorněno na obr. 10. U třífázových transformátorů se používá třífázové buzení, avšak proud a napětí se měří postupně v jednotlivých fázích. Údaje voltmetru a ampérmetru se odečítají současně s kmitočtem. Naměřená hodnota zkratové impedance v ohmech musí být přepočtena na podmínky měření při 50 Hz. Diagnostika se provádí na základě porovnání Zk s maximální hodnotou přijatelnou podle norem. U transformátorů a autotransformátorů vybavených přepínačem odboček při zátěži (OLTC) se zkoušky provádějí měřením proudu a napětí na jmenovité odbočce a dvou krajních odbočkách. Obr. 10. Měření ztrát nakrátko Při měření na nejvyšší odbočce je měřeno také regulační vinutí. Při měření na nejnižší odbočce se regulační vinutí vynechává. Tato metoda pomáhá identifikovat vadné vinutí, pokud odchylka vzhledem k referenční hodnotě přesahuje povolené limity. Během měření je doporučeno vyhnout se častému zapojování do zkratu. U 3-fázového transformátoru se jako poměrně praktický osvědčil následující postup: VN-NN, SN-NN, VN- SN. Ke zkratování fází se používají ohebné měděné nebo hliníkové vodiče. Zkratovacího vodiče musí mít průřez o velikosti nejméně 30 % průřezu vodiče vinutí. ZÁVĚR Transformátorový měřicí vůz kombinuje běžná elektrická měření s pokročilými diagnostickými technikami a umožňuje provádět kompletní zkoušky transformátorů v místě jejich provozu. Zkušenosti z praxe ukázaly, že automatický výběr přístrojů a možnost přepínání mezi všemi potřebnými měřicími schématy vede k podstatné úspoře času potřebného k měření (o více než 70%) a pomáhá také zvyšovat bezpečnost práce na transformátoru. Veškeré naměřené výsledky jsou ukládány do centrálního počítače; integrovaná databáze podporuje vzdálený přístup, protokolování dat a jejich porovnávání s předchozími měřeními a v konečné fázi také vytvoření časového trendu stavu transformátoru. Několik provozních měření také ukázalo, že přesnost měření zůstává v souladu s technickými údaji jednotlivých použitých přístrojů.
LITERATURA [1] IEEE C57.12.90-2006, IEEE - Zkušební předpisy pro kapalinou chlazené distribuční, výkonové a regulační transformátory [2] IEEE C62-1995, IEEE - Průvodce diagnostickým provozním měřením elektrických silových zařízení - Část 1: Olejové výkonové transformátory, regulátory a reaktory (nahradit normou C57.152) [3] IEC 60076-1, Výkonové transformátory Část 1: Všeobecné údaje [4] GOST 11677-85, Výkonové transformátory (v ruštině) [5] CIGRE TB 445, Průvodce údržbou transformátorů [6] B. Hembroff, M. Ohlen, P. Werelius, Průvodce odporem vinutí transformátorů, aplikační poznámky, duben 2010