Badania diagnostyczne układów izolacyjnych generatorów synchronicznych

Najistotniejszą cechą, ocenianą przy analizie stanu układu izolacyjnego stojana generatora – zarówno przewodów elementarnych jak i izolacji głównej – jest ogólnie określana jednorodność materiałowa, której zaburzenia są źródłem szkodliwych wyładowań niezupełnych (wnz, ang. partial discharge). Niektóre elementy układu izolacyjnego podlegają wielkim naprężeniom elektrycznym, dochodzącym lokalnie do 10kV/mm (w zależności od napięcia znamionowego generatora i konkretnych rozwiązań technicznych). Tak duże natężenia pola elektrycznego są źródłem niszczących zjawisk fizycznych czy fizykochemicznych wewnątrz struktury dielektryka, którym jest każda izolacja.

Według autorów pozycji [3] Wyładowanie niezupełne jest lokalnym wyładowaniem elektrycznym, które odbywa się tylko w części układu elektroizolacyjnego i nie powoduje bezpośrednio utraty przez układ własności izolacyjnych. Natomiast długotrwałe działanie wyładowań niezupełnych prowadzi poprzez mikro i makroskopowe zmiany w strukturze układów, do wyładowania zupełnego (czyli przebicia izolacji). Tak więc szacowanie zaawansowania procesów wyładowań niezupełnych jest bardzo istotnym kryterium oceny stanu izolacji.

Wielkość emisji wnz zależy od intensyfikacji czynników inicjujących w postaci wewnętrznych defektów struktury. Wyładowania rozwijają się głównie w inkluzjach i porach oraz na powierzchniach granicznych między dielektrykiem stałym i gazowym.

Wskutek oddziaływań elektrycznych, cieplnych i mechanicznych następuje łączenie się inkluzji w większe wtrąciny gazowe co objawia się dalszym wzrostem emisji wyładowań niezupełnych.

Pomiar poziomu wnz nie jest zadaniem łatwym, szczególnie w warunkach przemysłowych. Nie da się bezpośrednio pomierzyć reprezentatywnych wielkości czyli ładunku rzeczywistego lub realnej energii wyładowań. Stosując metodę obwodów zastępczych przybliża się główny parametr fizyczny – ładunek rzeczywisty qr ładunkiem pozornym qp. Istotą sprawy jest tu liniowa zależność qp od spadku napięcia ΔU w zewnętrznym układzie pomiarowym, co pozwala na wprowadzenie współczynnika proporcjonalności, wyznaczanego każdorazowo dla badanego obiektu (np. fazy uzwojenia stojana, która posiada swoją specyficzną pojemność). Czynność ta nazywa się kalibracją ładunkiem. Wykonuje się ją za pomocą kalibratora, który podaje na układ pojemnościowy badanego obiektu impuls rozładowania dokładnie określonego ładunku elektrycznego. Odpowiedź mierzonego układu jest zapamiętywana przez detektor wnz i służy do skalowania wartości ładunków pozornych wyładowań niezupełnych, rejestrowanych podczas zasadniczej próby napięciowej.

Kolejnym problemem jest detekcja słabych sygnałów prądowych pojedynczych wyładowań niezupełnych – spadek napięcia ΔU na badanym obiekcie jest trzy do pięciu rzędów wielkości niższy od napięcia próby. Ponadto czas trwania impulsu wnz wynosi tylko 10-9 do 10-6 sekundy. Podstawowa metoda detekcji ładunku pozornego polega na wykorzystaniu szerokiego pasma widma generowanego przez pojedyncze impulsy wyładowań (górna granica to ok. 1500kHz) i scałkowaniu ich sygnałów prądowych po czasie. W ogólności: wzór 4Obowiązuje tu zasada: im krótszy czas narastania i trwania impulsu tym szersze widmo.

Czułość pomiaru wnz zależy od pojemności kondensatora sprzęgającego Ck. Autorzy tego opracowania używają kondensatora o pojemności 1000pF.

Jeśli chodzi o impedancję pomiarową Zm to stanowi ona obwód rezonansowy RLC równoległy. Na wejściu wzmacniacza detektora impuls prądowy i(t) o charakterze impulsu Diraca zamienia się na napięciowy u(t), który można przedstawić wzorem ogólnym:wzór 5

gdzie: qp – ładunek pozorny impulsu wnz, α – współczynnik tłumienia obwodu równy, ω– pulsacja drgań własnych obwodu RLC. Istotną cechą tej zależności jest proporcjonalność u(t) do wartości rejestrowanego ładunku pozornego qp.

Rys. 7 Schemat układu do pomiaru wyładowań niezupełnych w izolacji uzwojeń stojana Oznaczenia: TR – transformator regulacyjny, TP – transformator probierczy, Z – filtr, kV – kilowoltomierz, Ck – kondensator sprzęgający, Ca – badany obiekt pojemnościowy, KWN – kabel wysokonapięciowy, K – kalibrator, CD – urządzenie sprzęgające, CC – kabel połączeniowy, MI – przyrząd pomiarowy.

Rys. 7 Schemat układu do pomiaru wyładowań niezupełnych w izolacji uzwojeń stojana. Oznaczenia: TR – transformator regulacyjny, TP – transformator probierczy, Z – filtr, kV – kilowoltomierz, Ck – kondensator sprzęgający, Ca – badany obiekt pojemnościowy, KWN – kabel wysokonapięciowy, K – kalibrator, CD – urządzenie sprzęgające, CC – kabel połączeniowy, MI – przyrząd pomiarowy.

Zasadniczo istnieją dwie metody rejestracji wyładowań niezupełnych. Metoda on-line, czyli stałego monitoringu rozwoju wnz – wymaga odpowiedniego przygotowania obiektu przed uruchomieniem (wybór i instalacja czujników) oraz wiąże się z koniecznością pokonania trudności z transmisją i zapisem danych. W praktyce podczas badań diagnostycznych stosuje się metodę off-line, czyli pomiarów i rejestracji wnz podczas postoju maszyny.

Metoda off-line opisana w [4] daje możliwość pomiaru ładunku pozornego wyładowań niezupełnych, będących następstwem typowych defektów izolacji [7]:

1. W układzie wewnętrznym:

  • szczeliny i jamki powstałe podczas produkcji izolacji uzwojenia, np. zły materiał (technologia RESIN RICH) lub złe przesycenie żywicą (VPI),
  • rozwarstwienia i pęknięcia izolacji powstałe w wyniku eksploatacyjnych naprężeń termoelektrycznych, elektrodynamicznych i mechanicznych,
  • rozwarstwienia na styku miedź – izolacja główna: szczeliny na przeplotach Roebla, nieefektywna wewnętrzna ochrona przeciwjarzeniowa.

2. W układzie zewnętrznym:

  • wyładowania żłobkowe: nieskuteczna ochrona przeciwjarzeniowa na prętach lub szczeliny pomiędzy żelazem rdzenia, a prętami (brak wypełnienia spoiwem przewodzącym),
  • wyładowania powierzchniowe na połączeniach czołowych pomiędzy warstwami uzwojenia i na rozdziałach faz (wyprowadzenia ze żłobków),
  • wyładowania powodowane występowaniem dużych natężeń pola elektrycznego w pobliżu części metalowych uziemionych lub pozostających na wolnym potencjale.

Podczas próby napięciowej aparatura rejestruje różnorodne parametry wyładowań niezupełnych, z których najistotniejsze to:

  • qmax (t) – ładunek pozorny maksymalny w funkcji czasu rejestracji,
  • wmax (t) – energia wyładowań niezupełnych w funkcji czasu rejestracji,
  • D(t) – parametr kwadratowy w funkcji czasu rejestracji,
  • Hn (φ,q) – rozkład liczbowy wyładowań wg kąta fazowego i qmax,
  • H(q) – rozkład liczbowy wyładowań wg qmax,

W praktyce pomiarowej stosuje się dwa sposoby rejestracji danych:

  • pomiary standardowe (routine mode),
  • pomiary analityczne (analyse mode).

W przypadku pomiarów standardowych notuje się mniej danych niż przy pomiarach analitycznych, wykonuje się je głównie dla wyznaczenia tzw. krzywej q-v zależności ładunku pozornego od napięcia próby q = f(U). Aby otrzymać taką krzywą należy jednostajnie podnosić napięcie do wartości maksymalnej próby, a następnie obniżać je do zera. Na podstawie przebiegu q-v określa się napięcie początkowe wnz Ui (tj. napięcie, przy którym zaczynają pojawiać się istotne poziomy ładunku pozornego q), napięcie gaśnięcia wnz Ue (tj. napięcie, przy którym zanikają wyładowania niezupełne) oraz ładunek maksymalny Qmax, który zazwyczaj pojawia się w okolicach najwyższego napięcia probierczego. Poniżej przedstawiono przykłady wydruków, otrzymanych z detektora wnz typu Haefely TE-571 podczas pomiarów układu izolacyjnego uzwojeń stojana generatora:

Rys. 8 Trójwymiarowy obraz liczby ładunków n w funkcji ładunku q i kąta fazowego.

Rys. 8 Trójwymiarowy obraz liczby ładunków n w funkcji ładunku q i kąta fazowego.

Rys. 9 Wyznaczenie ładunku qmax i parametru D w dodatniej ujemnej połówce sinusoidy napięcia probierczego.

Rys. 9 Wyznaczenie ładunku qmax i parametru D w dodatniej ujemnej połówce sinusoidy napięcia probierczego.

Rys. 10 Rozkład gęstości ładunku n-q. Wyznaczenie ładunku Q¬max oraz Q powtarzającego się z częstością 10 razy na sekundę.

Rys. 10 Rozkład gęstości ładunku n-q. Wyznaczenie ładunku Q¬max oraz Q powtarzającego się z częstością 10 razy na sekundę.

Rys. 11 Przykład wyznaczenia krzywej q-v.

Rys. 11 Przykład wyznaczenia krzywej q-v.

Przyjmuje się, że przekroczenie pułapu 50-60nC świadczy o zaawansowanym stadium degradacji izolacji stojana, a w przypadku nowego generatora o poważnych wadach w procesie produkcji i montażu uzwojeń i/lub izolacji. Nie mniej istotnym, jeśli nie ważniejszym czynnikiem, jest trend zmian parametrów wnz, uzyskiwanych w trakcie badań powtarzanych okresowo na tym samym generatorze.

Podsumowanie

Przedstawione w niniejszym artykule metody diagnostyczne są skutecznym narzędziem w diagnostyce układów izolacyjnych generatorów, a kompetentna ocena wyników badań pozwala określić stan techniczny izolacji uzwojeń oraz prognozować „czas życia” układu izolacyjnego. Służby odpowiedzialne ze eksploatację generatorów mogą na bazie posiadanych wyników badań prowadzić odpowiedzialną politykę w zakresie przeglądów i remontów, które wykonywane w odpowiednich czasookresach wydłużają czas eksploatacji generatora oraz zabezpieczają przed skutkami awarii. Lepiej bowiem zapobiegać niż leczyć, gdyż koszt diagnostyki nie przekracza kilku % kosztów związanych z remontem, a koszty ewentualnej awarii są z reguły ogromne.

Autorzy: Grzegorz Czempik, Ireneusz Hasiec – ZPBE „ENERGOPOMIAR – ELEKTRYKA” Sp. z o.o. Gliwice

Fot., rys.: zasoby autorów

Literatura:

  1. Glinka T.: Badania maszyn elektrycznych w przemyśle. KOMEL, Katowice 2002
  2. Florkowska B.: Diagnostyka wysokonapięciowych układów izolacyjnych urządzeń elektroenergetycznych. AGH, Kraków 2009
  3. Florkowska B., Florkowski M., Włodek R., Zydroń P.: „Mechanizmy, pomiary i analiza wyładowań niezupełnych w diagnostyce układów izolacyjnych wysokiego napięcia. PAN, Warszawa 2001
  4. PN – EN – 60270 : 2003 Wysokonapięciowa technika probiercza – Pomiary wyładowań niezupełnych
  5. PN – E – 04700 : 1998 Wytyczne przeprowadzania pomontażowych badań odbiorczych
  6. Podręcznik diagnostyki izolacji powyżej 1 kV. Materiały MEGGER
  7. Ramowa Instrukcja Eksploatacji Generatorów Synchronicznych, ENERGOPOMIAR – ELEKTRYKA Sp. z o.o., Gliwice 2009

Pages: 1 2 3