Badania diagnostyczne układów izolacyjnych generatorów synchronicznych

Generatory synchroniczne są jednym z podstawowych elementów układu blokowego elektrowni, a ze względu na swoje znaczenie w energetyce są obiektami strategicznymi. Straty wynikające z ewentualnej awarii są z reguły ogromne. Aby im zapobiegać oraz zminimalizować skutki awarii, w okresach przeglądów/remontów bloku energetycznego przeprowadza się badania diagnostyczne układu izolacyjnego uzwojeń, który jest jednym z kluczowych elementów niezawodności pracy generatora.

Badania diagnostyczne wykonywane okresowo pozwalają na oszacowanie stopnia degradacji izolacji uzwojeń oraz pozwalają ocenić czas jej życia. Działania w tym zakresie zapobiegają wydatkom związanym z kosztowną awarią generatora, postojem bloku energetycznego i innymi przypadkami będącymi rezultatem niebezpiecznych uszkodzeń izolacji.

Układ izolacyjny uzwojeń generatora pracuje w bardzo trudnych warunkach. Jest narażony na działanie pola elektrycznego, temperaturowego oraz sił mechanicznych. Niezawodność pracy generatora jest zatem uzależniona od procesów degradacji układu izolacyjnego jakim podlega on w czasie eksploatacji. Na procesy te wpływ mają:

  • parametry konstrukcyjne i rodzaje użytych materiałów;
  • przebieg eksploatacji i warunki pracy maszyny m.in. stopień obciążenia, przeciążenia, przepięcia, praca asynchroniczna;
  • warunki środowiskowe w tym: wilgotność, temperatura, zabrudzenia (pyły, pary olejów);
  • częstotliwość remontów.

Istnieje wiele metod diagnostycznych, które pozwalają określać stan techniczny oraz śledzić proces starzenia się układu izolacyjnego uzwojeń. Badania te możemy podzielić na:

a) Badania diagnostyczne napięciem stałym, do których zalicza się:

  • pomiar rezystancji izolacji – wyznaczenie współczynnika absorpcji DAR i polaryzacji PI,
  • pomiar rozładowania dielektryka DD,
  • pomiar napięciem narastającym schodkowo SV,
  • wielokryterialną metodę prądu stałego.

b) Badania diagnostyczne napięciem przemiennym, które obejmują:

  • pomiar współczynnika strat dielektrycznych tgδ,
  • pomiar poziomu wyładowań niezupełnych.
Fot. 1 Przykładowy obiekt badań - stojan generatora 200 MW.

Fot. 1 Przykładowy obiekt badań – stojan generatora 200 MW.

Poniżej zostaną przybliżone metody badań diagnostycznych układów izolacyjnych uzwojeń stojanów generatorów synchronicznych.

Diagnostyka układu izolacyjnego napięciem stałym

Badanie rezystancji izolacji opiera się na pomiarze natężenia płynącego przez izolację prądu pod wpływem przyłożonego napięcia stałego i może być rozpatrywana na podstawie prawa Ohma:

R=U/I

gdzie: U – przyłożone napięcie stałe, I – prąd płynący przez izolację.

Całkowity prąd płynący przez układ izolacyjny, jest sumą trzech prądów [6]:

  • prądu pojemności – jest prądem ładowania izolacji i zależy od pojemności C badanego obiektu, początkowo duży i spada w miarę jak ładowana jest pojemność,
  • prądu absorpcji – początkowo duży, maleje dużo wolniej niż prąd pojemności co wynika z natury zjawisk fizycznych zachodzących w materiale izolacyjnym,
  • prądu upływności – prąd o niewielkiej ustalonej wartości, składający się z dwóch składowych:
    • prądu płynącego przez układ izolacyjny, tzw. upływność skrośna, która zależy od rodzaju użytego materiału izolacyjnego,
    • prądu płynącego po powierzchni układu, tzw. upływność powierzchniowa, zależna od czystości materiału izolacyjnego.
Rys. 1. Prądy płynące przez układ izolacyjny: 1 – prąd pojemności, 2 – prąd absorpcji, 3 – prąd upływności.

Rys. 1 Prądy płynące przez układ izolacyjny: 1 – prąd pojemności, 2 – prąd absorpcji, 3 – prąd upływności.

Pomiar rezystancji izolacji jest pomiarem, którym w szybki i prosty sposób można zobrazować ogólny stan układu izolacyjnego uzwojeń. Pomiar wykonywany jest przy stałej wartości napięcia, a do jego wykonania zaleca się stosować megaomomierze [7]:

  • o napięciu 500V – dla uzwojeń na napięcie <1000V,
  • o napięciu 500 – 1000V – dla uzwojeń na napięcie 1000 – 2500V,
  • o napięciu 1000 – 2500V – dla uzwojeń na napięcie 2501 – 5000V,
  • o napięciu 2500 – 5000V – dla uzwojeń na napięcie 5001 – 12000V,
  • o napięciu 5000 – 10000V – dla uzwojeń na napięcie >12000V.

Wynik pomiaru należy uznać za pozytywny, jeżeli dla każdej fazy uzwojenia (gałęzi równoległej) spełnione są następujące warunki:

a) Wartość minimalna rezystancji izolacji po czasie 60 sek. wynosi:

wzór 1

gdzie: U – znamionowe napięcie uzwojeń w woltach, S – znamionowa moc pozorna generatora w MVA, k75 – współczynnik zależny od temperatury w jakiej wykonano pomiar [5].

b) Współczynnik absorpcji DAR – stosunek rezystancji izolacji mierzony po 60 sek. (R60) do rezystancji zmierzonej po 15 sek. (R15) nie powinien być mniejszy niż [7]:

  • 1,5 – w temperaturze 20ºC,
  • 1,4 – w temperaturze 40ºC,
  • 1,3 – w temperaturze 60ºC.

Pomiar wskaźnika polaryzacji PI (R600/R60) może być uznany za pozytywny, jeżeli uzyskane wartości wynoszą minimum [7]:

  • 1,5 – dla uzwojeń klasy A,
  • 2,0 – dla uzwojeń klasy B,
  • 2,0 – dla uzwojeń klasy F,
  • 2,0 – dla uzwojeń klasy H.

Współczynnik absorpcji w krótkim czasie pomiaru daje obraz stanu zawilgocenia lub zanieczyszczenia izolacji. Podobną informację uzyskuje się podczas pomiaru współczynnika polaryzacji, jednak pomiar ten nie jest obarczony tak dużym błędem temperaturowym, jak pomiar współczynnika absorpcji i nie wymaga temperaturowej korekcji. Może on być używany w trakcie pomiarów okresowych w celu obserwacji zmian zachodzących w układzie izolacyjnym.

Pomiar rozładowania dielektryka DD (eng. dielectric discharge) jest stosunkowo nową metodą badania stanu izolacji. W odróżnieniu od innych metod pomiarowych, w trakcie których mierzony jest prąd podczas ładowania dielektryka, w czasie pomiaru parametru DD mierzony jest prąd płynący w układzie izolacyjnym podczas rozładowania dielektryka.

Pomiar diagnozuje problem, który może zostać niewykryty w trakcie pomiaru rezystancji izolacji i współczynnika polaryzacji. W wielowarstwowych układach izolacyjnych uszkodzenie jednej z warstw nie zostanie zauważone, jeżeli pozostałe warstwy będą miały wysoką rezystancję. Mierzona jest absorpcja dielektryka, przy zignorowaniu efektu równoległych upływów od ścieżek powierzchniowych [6].

Podczas pomiaru parametru DD, w celu osiągnięcia stanu stabilnego, układ izolacyjny ładowany jest przez długi czas – zalecany czas ok. 30 minut. Następnie przeprowadzane jest szybkie rozładowanie układu izolacyjnego, w trakcie którego mierzona jest pojemność. Aby wyeliminować składową rozładowania pojemności, pomiar prądu rozpoczyna się po 1 minucie, a wartość parametru DD obliczana jest z zależności:

wzór 2

gdzie: I1min – prąd mierzony po 1 minucie od rozpoczęcia rozładowywania izolacji, U – napięcie próby [V], C – pojemność badanego układu izolacyjnego [µF].

Kryterium oceny pomiaru rozładowania dielektryka [6] przedstawia tabela 1:

Tabela 1. Kryteria oceny pomiaru rozładowania dielektryka
Wynik pomiaru DD Ocena stanu izolacji
> 7,0 nie satysfakcjonujący
> 4,0 wątpliwy
2,0 ÷ 4,0 dobry
< 2,0 bardzo dobry

Pomiar napięciem narastającym schodkowo SV (eng. step voltage) opiera się na założeniu, że układ izolacyjny w dobrej kondycji będzie dostarczał takich samych wyników niezależnie od przyłożonego napięcia. Zwiększenie napięcia będzie powodowało zwiększenie prądu, lecz rezystancja izolacji będąca wynikiem pomiaru będzie niezmienna, a jakakolwiek odchyłka może świadczyć o defektach w układzie izolacyjnym. W pomiarze metodą SV dokonuje się ciągłej rejestracji wartości rezystancji izolacji, a napięcie jest stopniowo podnoszone w pięciu równych krokach. Zakłada się że odchyłki rezystancji izolacji większe niż 25% wskazują na obecność zanieczyszczeń lub wilgoci [6]. Na rysunku 2 przedstawiony został przykładowy wynik pomiaru metodą SV izolacji uzwojeń generatora 120MVA i napięciu znamionowym 11,5kV, o dobrym stanie układu izolacyjnego.

Rys. 2 Wynik pomiaru rezystancji izolacji napięciem narastającym schodkowo generatora 120MVA.

Rys. 2 Wynik pomiaru rezystancji izolacji napięciem narastającym schodkowo generatora 120MVA.

Wielokryterialna metoda prądu stałego (WMPS) została wpisana do normy [5] jako metoda nieobowiązkowa. Badanie układu izolacyjnego wg. tej metody obejmuje następujące próby [1, 7]:

  • wyznaczenie charakterystyki R60 = f(U),
  • pomiar przebiegu czasowego prądu upływu ip po skokowym załączeniu na całkowicie rozładowany układ izolacyjny napięcia stałego o wartości Un,
  • naładowanie układu izolacyjnego do napięcia znamionowego, aż do uzyskania stanu ustalonego, następnie odłączenie napięcia zasilającego i zwarcie układu izolacyjnego na czas tz, po czym rozwarcie układu izolacyjnego i zdjęcie przebiegu odbudowy napięcia na układzie izolacyjnym Uod(t).

Badanie odbudowy napięcia jest próbą najważniejszą dla diagnostyki stanu technicznego izolacji, oceny stopnia jej zużycia i prognozowania czasu niezawodnej pracy generatora. Próbę odbudowy napięcia uzwojeń przeprowadza się przy napięciu:

  • UO = 6kV – dla uzwojeń o napięciu znamionowym Un ≥ 6kV,
  • UO = Un – dla uzwojeń o napięciu znamionowym 6kV ≥ Un ≥ 500V,
  • UO = 500V – dla uzwojeń o napięciu znamionowym Un < 500V.
Rys. 3 Schemat układu pomiarowego do diagnostyki stanu technicznego izolacji.

Rys. 3 Schemat układu pomiarowego do diagnostyki stanu technicznego izolacji. Oznaczenia: Z – zasilacz wysokonapięciowy, V – woltomierz elektrostatyczny, K1,K2 – wyłączniki.

W oparciu o przeprowadzone pomiary wyznacza się następujące charakterystyki i parametry układu izolacyjnego:

  • wykres rezystancji izolacji R60 = f(U) w zakresie napięcia od 0 do 2Un, z którego określa się rezystancję R60 przy Un,
  • z ekstrapolacji krzywej R60 = f(U) szacuje się poziom napięcia przebicia Up układu izolacyjnego,
  • wykres odbudowy napięcia Uod(t) na układzie izolacyjnym, z którego odczytuje się czas odbudowy napięcia tod i wartość maksymalną odbudowanego napięcia Uodmax,
  • współczynnik absorpcji układu izolacyjnego,
  • poziom wahań prądu upływu ip60max i ip60min liczony po czasie t>60s od chwili załączenia napięcia (dla stanu ustabilizowanego).

Otrzymane wyniki badań porównuje się z zawartymi w normie [5] kryteriami oceny stanu izolacji.

Tabela 3. Kryteria oceny wyników badań.

Tabela 3. Kryteria oceny wyników badań.

Stan techniczny układu izolacyjnego według tych kryteriów sklasyfikowany został w skali ocen od 5 do 0. Ocenę:

  • 5 punktów – izolacja nowa, której stan techniczny jest bardzo dobry,
  • 4 punkty – izolacja dobra, może być to izolacja nowego generatora, po remoncie lub kilkuletniej eksploatacji,
  • 3 punkty – izolacja o zauważalnym stopniu zużycia, generator w okresie 2 do 3 lat powinien mieć przeprowadzony remont,
  • 2 punkty – izolacja o dużym stopniu zużycia, generator w możliwie krótkim czasie powinien być przeznaczony do remontu,
  • 1 punkt – izolacja zużyta, generator z takim stanem izolacji może w każdej chwili ulec awarii,
  • 0 punktów – generator nie nadający się do eksploatacji z całkowicie zużytym układem izolacyjnym lub po awarii.

Należy zwrócić uwagę, że układ izolacyjny zużyty w stopniu 1 czy 2 może posiadać bardzo wysoką rezystancję, nawet kilka GΩ/V, a więc ocena układu izolacyjnego na podstawie wartości rezystancji nie będzie wiarygodna. W podanej ocenie punktowej nie mieści się izolacja zawilgocona, którą rozpoznaje się po małej wartości rezystancji (<10kΩ/V), którą należy wysuszyć. Już sam fakt, że izolacja wchłania wilgoć, świadczy o znacznym stopniu jej zużycia. Na rysunku 4 przedstawiony został przykładowy przebieg prądu upływu w funkcji czasu izolacji uzwojeń stojana generatora 150MVA o napięciu znamionowym 13,8kV.

(kliknij w rys., aby powiększyć)

Rys. 4 Przebieg prądu upływu izolacji uzwojeń generatora 150 MVA.

Rys. 4 Przebieg prądu upływu izolacji uzwojeń generatora 150 MVA.

Diagnostyka układu izolacyjnego napięciem przemiennym (czytaj na stronie 2)

Pages: 1 2 3