ISPITIVANJE STANJA IZOLACIONOG SISTEMA MERNIH TRANSFORMATORA (110 kv I VIŠE) ULTRAZVUČNOM METODOM

Transcription

1 ISPITIVANJE STANJA IZOLACIONOG SISTEMA MERNIH TRANSFORMATORA (110 kv I VIŠE) ULTRAZVUČNOM METODOM Denis Ilić*, Ilija Klasnić*, Jelena Ponoćko*, Draginja Mihajlović*, Ljubiša Nikolić*, Srdjan Milosavljević*, Dušan Arnautović* *Elektrotehnički institut Nikola Tesla, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija Apstrakt: Merni transformatori (MT) su od izuzetne važnosti za siguran i pouzdan rad elektroenergetskih postrojenja. Lokalna električna pražnjenja u izolacionom sistemu MT generišu naponsko-strujne impulse i ultrazvučne talase koji se prostiru kroz unutrašnjost MT i stižu do spoljne površine suda transformatora. Amplitudno-fazno-frekventna analiza tih signala sadrži u sebi informacije o energiji, tipu i mestu parcijalnih pražnjenja. Praćenjem inteziteta ovih pražnjenja stiče se uvid u stanje MT. Tokom proteklih godina razvijeno je nekoliko metoda za detekciju parcijalnih pražnjenja. U ovom radu je prikazan način detekcije parcijalnih pražnjenja, u on-line režimu, akustičnom (ultrazvučnom) metodom koja omogućava uvid u eventualno postojanje parcijalnih pražnjenja. Na jednostavan i brz način je moguće izvršiti screening i klasifikaciju sumnjivih MT. Sumnjivi MT se naknadno proveravaju hemijskom analizom gasova rastvorenih u uzorku ulja iz MT. U radu će biti prikazan postupak ispitivanja MT na terenu sa primerima. Biće analizirani slučajevi kod kojih je izražena sumnja na osnovu ovih merenja. Ključne reči: merni transformator, parcijalna pražnjenja, screening, monitoring stanja, ultrazvučna metoda. ULTRASONIC METHOD FOR INSULATION SYSTEM TESTING OF INSTRUMENT TRANSFORMERS (110kV AND HIGHER) Denis Ilić*, Ilija Klasnić*, Jelena Ponoćko*, Draginja Mihajlović*, Ljubiša Nikolić*, Srdjan Milosavljević*, Dušan Arnautović* *Electrical Engineering Institute Nikola Tesla, University of Belgrade, Belgrade, Serbia Abstract: Instrument transformers (ITs) are very important for safe and reliable operation of the substations and power plants. Local electrical discharges in the IT's insulation system generate voltage-current pulses and ultrasonic waves that propagate through the insulation system and structure of the IT. Amplitude-phase-frequency analysis of these signals reveals information about the intensity, type and location of partial discharges. Monitoring of these discharges intensity allows reliable insight into the current state of the IT. Over the past years, several methods have been developed to detect partial discharge. This paper presents an acoustic (ultrasonic) method for detection of partial discharges of the ITs, which provides insight into the possible existence of partial discharges. It is possible in the simple and fast way to screening and classify suspicious ITs. However, suspicious IT's can be verified afterwards by the chemical analysis of gases dissolved in the oil of the IT. In this paper in situ testing procedure with examples will be presented. IT's which are suspicious, on the basis of these measurements, will be analysed. Key words: instrument transformer, partial discharge, screening, condition monitoring, ultrasonic measurement.

2 1. UVOD Nesmetani razvoj i napredak modernog društva direktno je uslovljen stabilnim i pouzdanim izvorom električne energije. Sistem proizvodnje i prenosa električne energije je prilično kompleksan, i samim tim podložan brojnim potencijalnim otkazima i kvarovima. Svaki kvar iziskuje troškove opravke ili zamene, ali i neretko veće, troškove koji se ogledaju u sprečenosti da se određena količina električne energije isporuči tržištu. Stoga je neophodno, u cilju obezbeđivanja pouzdanog napajanja potrošača, imati adekvatan uvid u stanje opreme koja omogućava proizvodnju i prenos električne energije. Uvid u stanje opreme omogućava pravovremenu reakciju i predupređenje kvarova koji mogu dovesti do velikih posledica. Osim štete na samom uređaju, ukoliko dođe do požara ili eksplozije, jedan neispravan uređaj može naneti štetu na delovima opreme koji se nalaze u neposrednoj blizini. Svakako da su u lancu proizvodnje i prenosa električne energije merni transformatori izuzetno važni. Predstavljaju veoma bitnu kariku pri neophodnom merenju visokih napona i struja i pružanju odgovarajućih signala na bazi kojih finkcioniše moderna relejna zaštita opreme i upravljanje u elektroenergetskom sistemu [1]. 2. TEORIJSKE OSNOVE Parcijalna pražnjenja nastaju ukoliko jačina električnog polja u nekom delu izolacije premaši vrednost dielektrične čvrstoće izolacionog materijala, pri čemu je okolna izolacija dovoljno jaka da spreči potpuni proboj. Potencijalne lokacije nastanka PP su najčešće prirodno ili veštački stvoreni nehomogeniteti u dielektriku [1-3]. Prirodne nehomogenosti su teško otklonjive i direktna su posledica prirode izolacionog materijala, dok se veštački nastale nehomogenosti mogu svesti na minimum eliminacijom najčešćih uzročnika poput: 1. neadekvatnog tehnološkog postupka obrade izolacionog materijala u fazi proizvodnje, 2. prekomerno izlaganje izolacionog materijala prekomernim dielektriktričnim naprezanjima u dužem vremenskom intervalu, što ubrzava njegovo starenje, 3. negativni uticaji okoline na mestu implementacije izolatora kao što su povećane koncentracije vlage, agresivnih hemijskih supstanci i sl. Veliki uticaj ima izlaganje izolatora ekstremno visokim i niskim temperaturama i pritiscima, izlaganje mehaničkim naprezanjima usled jakog vetra, vibracija, zemljotresa i sl. Predprobojni i probojni procesi, uticaj pražnjenja na materijal kao i druge prateće pojave su vrlo složene i prilično teške za praćenje i shvatanje. Postojanje parcijalnih pražnjenja unutar izolacionog sistema MT je pouzdan pokazatelj degradacije elektroizolacionog sistema (EIS) i razvoja potencijalnog kvara [3]. Detekcijom i praćenjem razvoja parcijalnih pražnjenja unutar EIS, moguće je doneti pouzdane i pravovremene zaključke o stanju MT. Detekcija parcijalnih pražnjenja (PP) u osnovi podrazumeva merenje intenziteta i lociranje izvora. Pojava parcijalnih pražnjenja praćena je električnim, hemijskim, zvučnim i svetlosnim fenomenima. Stoga se postojanje PP može dijagnostikovati električnim, hemijskim, akustičnim i optičkim ispitivanjima. Usled PP u dielektriku moguće je električnim merenjima detektovati karakteristične strujno-naponske impulse koji su pokazatelj postojanja i inteziteta PP. Hemijske metode podrazumevaju uglavnom analizu gasova rastvorenih u uzorku ulja iz MT. Parcijalna pražnjenja u dielektriku stvaraju, usled degradacije uljno-papirne izolacije, gasove poput vodonika H 2, metana CH 4 i etana C 2 H 6. Praćenjem koncentracije i trenda pojedinih gasova moguće je izvesti zaključke o postojanju i intezitetu razvoja PP [4]. Zajedno sa električnim i hemijskim, PP su praćena i svetlosnim fenomenom. Optičke metode se zasnivaju upravo na detekciji svetlosti proizvedene u slučaju pražnjenja.

3 Trenutno se pri dijagnostici stanja MT koriste sledeće metode [1, 3]: 1. Merenje izolacionih otpora uz određivanje indeksa polarizacije 2. Merenje tgδ i kapacitivnosti 3. Termovizijska ispitivanja 4. Akustička metoda 5. Gasnohromatska analiza gasova rastvorenih u ulju 6. Vizuelni pregled transformatora Osim navedenih, potpuno su primenljive i elektične metode za određivanje koncentracije vlage u čvrstoj izolaciji koje se baziraju na snimanju odziva dielektrika u frekventnom ili vremenskom domenu. Međutim, ove metode nisu našle svoju tehnoekonomsku opravdanost u praksi, te se stoga jako retko ili se uopšte i ne koriste Akustična metoda Energija PP u dielektriku se jednim svojim delom pretvara i u mehaničku, tj. nastaje mehanički talas, vrlo visoke frekvencije. Ovaj mehanički, odnosno zvučni, talas se prostire u svim pravcima od mesta nastanka ka sudu MT (Slika 1). Temelji akustičnih merenja PP na MT se baziraju na detekciji ovih zvučnih talasa i njihovom analizom. Slika 1: Rasprostiranje akustičnog talasa u MT i piezoelektrična sonda postavljena na sud MT Zvučni talas koji nailazi na sud MT detektuje se sa spoljašnje strane piezoelektričnim senzorima. Piezoelektrični senzori mehanički pritisak zvučnih talasa pretvaraju u električni signal, pogodan za dalju obradu i memorisanje. Tržište nudi brojne sisteme za akviziciju ovako dobijenih električnih signala i njihovu obradu, kako bi se kao izlazna informacija dobili podaci o postojanju, lokaciji i intezitetu PP. Na slici 2 je prikazan uređaj firme Power Diagnostix AIAcompact-Acoustic Insulaion Analiser. Ovakvi moderni

4 uređaji detektuju svaki impuls, nastao usled PP, i predstavljaju ga kao jednu tačku u amplitudnofaznoj matrici. Tokom vremena, snimaju se mesta nagomilavanja tih tačaka. Na poziciji nagomilavanja većeg broja tačaka, menja se njihova boja, kao pokazatelj značajnijeg nagomilavanja tačaka. Na ovaj način gradi se tzv. mapa parcijalnih pražnjenja na osnovu koje se donose precizniji zaključci o mogućim uzrocima i posledicama tih PP (Slika 3)[6]. a) б) Slika 2: а) AIA uređaj za ultrazvučno merenje parcijalnih pražnjenja b) postavljanje sonde AS150-M na merni transformator Uređaj je autonoman, sa posebnom sondom, autonomnim mikroprocesorskim sistemom, memorijom i monitorom. Moguća je RS232 komunikacija sa računarom što znatno proširuje mogućnosti po pitanju memorije, dvodimenzionalnih i trodimenzionalnih dijagrama merenja, statističke obrade podataka itd. Na slici 2b) prikazan je jedan od načina postavljanja piezoelektrične sonde na kućište mernog transformatora. Slika 3 Mapa parcijalnih pražnjenja mernog transformatora Ispitivanja MT akustičnom metodom ne zahtevaju razvezivanje i isključenje MT, i ni na koji način ne ugrožavaju normalan pogon postrojenja. Samo ispitivanje je nedestruktivno i ne narušava postojeće stanje MT. Piezoelektrične sonde kojima se vrši prihvatanje akustičnih signala iz unutrašnjosti MT se na tržištu nude u raznim varijantama i sa različitim rezonantnim frekvencijama

5 piezoelektričnog kristala. Rezultati prikazani u ovom radu su prikupljeni pri radu sa sondama sa rezonantnim frekvencijama od 75kHz i 150kHz. U sledećoj tabeli su dati primeri tipičnih PP, njihovih mapa i osobina [7]. Tabela 1-Tipični primeri kompleksnih PP vezanih za određene defekte u izolacionom sistemu energetskog transformatora; (Testing of Power Transformers, ABB, Zurich, 2003.) Opis izvora PP Šematski prikaz Tipično ponašanje Preporučena Mapa pražnjenja izvora PP tokom testa procedura Kondicionirati Efekat šiljka u ulju Tipično kašnjenje otpočinjanja pražnjenja promena mapa (mapa PP br. 1) elektrode u dužem periodu Pažnja: postoji opasnost od proboja Efekat šiljka u čvrstoj izolaciji Menja se mapa Karbonizira se šupljina (mapa PP br. 1) Posmatrati ponašanje u dužem periodu Pažnja: postoji opasnost od proboja Metalni delići u izolacionom materijalu Loš kontakt Karbonizira se šupljina Promena mapa (mapa PP br. 5) Nema PP na višim naponskim nivoima (mapa PP br. 1) Posmatrati ponašanje u dužem periodu Pažnja: postoji opasnost od proboja Posmatrati ponašanje u dužem periodu Mehurovi u ulju Mehurovi u ulju uz prisustvo vlage Moguća promena mapa (mape PP br. 3 i 4) Vrlo visoke magnitude pražnjenja (mape PP br. 3 i 4) Ulje da odstoji Ponašanje PP u dužem periodu Degazirati ulje Dopunjavanje transformatora pod vakuumom Sušenje transformatora 3. PRAKTIČNI ASPEKTI PRIMENE AKUSTIČNE METODE PRI ANALIZI STANJA MT SA ULJNOPAPIRNOM IZOLACIJOM Akustična merenja su izuzetno pogodna pri ispitivanju MT u postrojenju. Samo merenje je prilično brzo i efikasno i najbitnije, ne zahteva razvezivanje MT i isključenje dela postrojenja. Naprotiv, metoda podrazumeva da se merenja vrše u on-line režimu, pod naponom [1, 2, 8]. Zbog svoje izuzetne efikasnosti i jednostavnosti, omogućava brz screening svih MT u postrojenju, njihovo razvrstavanje po težini kvara. Ograničenje metode se ogleda u tipu MT koji se na ovaj način mogu ispitivati. Naime, metoda nije primenljiva na inverzne MT. Razlog se nalazi u činjenici da se kod inverznih MT transformatorski sud nalazi na visokom potencijalu u odnosu na zemlju, te

6 zbog toga nije moguće izvršiti postavljanje piezoelektričnog senzora. Postavljanje senzora i merenjem na nekom drugom mestu, ne daje realan nivo PP, zbog značajnog slabljenja korisnog signala. Rešenje je moguće u vidu usmerenih mikrofona kojima je moguće izvršiti skeniranje pojedinih delova MT u potrazi za PP. Takođe, na ovaj način se detektuju trenutna PP, tj. nije moguće detektovati PP koja su iščezla usled pucanja vazdušnog mehura i slično Praktični rezultati Na slici 3 prikazana je mapa nagomilavanja PP naponskog MT, proizvođača Energoinvest, tip UH Na mapi se uočava određena količina šuma koji je neizbežan, tipične vrednosti 2,5 do 3,5 mv. Osim toga, ništa ne ukazuje na dramatičan intezitet PP u izolacionom sistemu. MT je ocenjen kao ispravan. a) b) Slika 3: Tipična mapa PP ispravnog MT kod koga izlacija nije značajno degradirala (a) i statički parametri (b) Ukoliko unutar izolacionog sistema MT postoje deformacije i šupljine usled kojih će se javiti PP, mapa parcijalnih pražnjenja poprima oblik karakterističan za određene izvore PP, kao što je principijelno prikazano u tabeli 1. U zavisnosti od prikazanog nivoa PP i kreiranog obrazca, odnosno mape, parcijalnog pražnjenja, MT se mogu na brz i jednostavan način klasifikovati i shodno tome, planirati hitnost njihove zamene, ili, ređe, opravke. Statički parametri koje instrument izdvaja automatski pružaju informaciju i o nivou 50Hz-ne i 100Hz-ne komponente snimljenog sigala, koje mogu biti od značaja. Npr, 100Hz-na komponenta pruža pouzdan podatak o utegnutosti magnetskog jezgra MT, koje će, ukoliko je rastrešeno, usled magnetostrikcije, dodati značajan nivo akustičnog signala. a) b) Slika 4: Tipična mapa PP ispravnog MT kod koga postoji sumnja na degradaciju EIS, i razvoj PP (a) i statički parametri (b)

7 Pri redovnom akustičnom pregledu MT u jednoj trafo-stanici u vlasništvu distributivnog preduzeća Elektrosrbija, snimljeni su mapa PP i statički parametri strujnog mernog transformatora, kod koga je izražena sumnja na ispravnost (Slika 4). Slika 5 prikazuje mapu PP snimanu 60s. Na mapi je uočljivo, shodno tabeli 1, postojanje PP, najverovatnije uz pojačanu koncentraciju vlage u EIS. Potvrda sumnje na kvar je izvršena gasnohromatskom analizom ulja uzorkovanog iz suda strujnog transformatora. Tabela 2 prikazuje rezultate gasnohromatske analize ulja. Slika 5: Mapa PP, strujnog transformatora, proizvođača Energoinvest, tip TPE 11C, kod koga se posumnjalo na kvar Potvrda sumnje na kvar je izvršena gasnohromatskom analizom ulja uzorkovanog iz suda strujnog transformatora. Ulje u izolacionom sistemu u ovom slučaju ima ulogu memorijskog medijuma, koji će u vidu rastvorenih gasova zadržati informaciju o događajima u EIS mernog transformatora, samim tim i o postojanju PP. Tabela 2: Rezultati gasnohromatografske analize ulja Datum U. kol. POJEDINAČNE KONCENTRACIJE GASOVA, ppm uzork. g.,ml/l H 2 CH 4 C 2 H 2 C 2 H 4 C 2 H 6 CO CO 2 O 2 N 2 07/07/ , Tabela 2 prikazuje rezultate gasnohromatske analize ulja. Jasno je uvećanje ukupne količine rastvorenih gasova, pri čemu su vodeći gasovi vodonik, H 2, i metan CH 4. Metan i vodonik su gasovi koji karakterišu postojanje značajnih PP unutar EIS [6-8]. Dakle, hemijskom analizom je potvrđeno da je pogon navedenog MT skopčan sa povećanom rizikom i preporučena je njegova zamena. 4. ZAKLJUČAK Metoda ultrazvučnog ispitivanja MT je svakako izuzetan alat pri utvrđivanju postojanosti EIS mernih transformatora. Najednostavan, jeftin i brz način moguće je ispitati veliki broj MT i doneti validne zaključke o ispravnosti svakog o njih, tj. izvršiti brz i jeftin screening svih visokonaponskih MT u postrojenju. Pri tome, moguće je izvršiti kategorizaciju pojedinih MT prema nivou PP, potražiti dodatnu verifikaciju rezultata u gasnohromatskoj analizi gasova rastvorenih u ulju MT i na taj način omogućiti ispravno i pravovremeno reagovanje sektora za upravljanje opremom i resursima. Na ovaj način se stiče povećana pouzdanost sistema za proizvodnju, prenos i distribuciju električne energije i velika ušteda u resursima koja se ogleda u savremenom trendu održavanja opreme prema stanju.

8 REFERENCE [1] Bego, V., Mjerni transformatori, Školska knjiga, Zagreb, [2] R. E. James, Q. Su, Condition Assessment of High Voltage Insulation in Power System Equipement, IET POWER AND ENERGY SERIES 53, [3] Kartalović N., Kovačević D., Milosavljević S., An Advanced Model of Partial Discharge in Electrical Insulation, Facta Universitatis, Ser. Elec. Energ. vol. 24, no. 1, April 2011, pp [4] A. Bojković, "Obrada rezultata gasnohromatorafske kontrole mernih transformatora sa uljnopapirnom izolacijom", R12-07, 1995., 22. savetovanje JUKO CIGRE [5] N. Kolev, E. Gadjeva, M. Danikas, and N. Gourov, An approach to develop a partial discharge investigation, in Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing& Coil Winding Conference, 1999, pp [6] AiA-Acoustic Insulation Analyser User manuel, Power Diagnostix, [7] Testing of Power Transformers, ABB, Zurich, [8] Šomođi P., Tehničke preporuke za ocjenu stanja izolacije i preventivnu kontrolu mjernih transformatora na terenu, Zagreb, 1990.