Částečné výboje ve strojích...

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická katedra elektroenergetiky

Částečné výboje ve strojích točivých

Výbojová činnost v zařízeních vn a vvn

Vypracoval: Ing. Ladislav Prskavec Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Záliš, CSc. červen ’02

Obsah

1 Úvod 3

2 Přehled metod pro diagnostiku točivých strojů 4 2.1 Globální metoda měření částečných výbojů 5 2.2 Měření částečných výbojů induktivně vázanou sondou 17 2.3 Měření částečných výbojů akustickou sondou 22 2.4 Měření částečných výbojů diferenciální elektromagnetickou sondou 23

3 Literatura 27

2

1 Úvod Tato práce se snaží shrnout problematiku měření částečných výbojů na strojích točivých. V části 2 je shrnut přehled metod pro diagnostiku točivých strojů, následuje popis metod pro měření částečných výbojů.

3

2 Přehled metod pro diagnostiku točivých strojů

Metody

Diagnostika

Skupina

zvláštních Vstupní Malá Velká On - line metod

Vizuální kontrola

X

X1

Měření zdánlivého izolačního odporu a časové

konstanty

X

X

X

Napěťová závislost odporu

X Měření kapacity a

ztrátového činitele

X

X

X

Globální metoda měření částečných výbojů

X

X

X

X1 Měření částečných výbojů

induktivně vázanou sondou

X 2,3 Měření částečných výbojů

akustickou sondou

X Měření částečných výbojů

diferenciální elektromagnetickou sondou

X4

Zkouška střídavým napětím 50 Hz

X Zkouška stejnosměrným

napětím

X Zkouška napětím velmi

nízkého kmitočtu

X Diferenční termická analýza

X Indikace ozónu v chladícím

vzduchu

X

X Frekvenční analýza proudu

a magnetického pole

X5

X5

Tabulka 2.1 Přehled diagnostických metod pro stroje točivé

1 Pouze v případě trvale připojených snímačů 2 Jen v případě vyjmutého rotoru 3 Pouze pro turboalternátory 4 Pouze pro hydrogenerátory 5 Pouze pro asynchronní stroje a synchronní stroje s asynchronním rozběhem

4

2.1 Globální metoda měření částečných výbojů 2.1.1 Princip metody Částečné výboje jsou definovány jako místní elektrické výboje, které pouze částečně zkratují izolační systém mezi elektrodami o určitém potenciálu. Částečné výboje mohou vznikat buď přímo v izolaci vodičů (částečné výboje v izolaci), mezi izolací a vodičem (štěrbina mezi vodičem a izolací, tzv. "delaminace"), mezi izolací a železem statoru (drážkové výboje) nebo na povrchu izolace mimo drážku statoru (klouzavé výboje po povrchu izolace při výstupu vinutí z drážky statoru, koróna apod.). Částečné výboje vyvolávají postupné zhoršování kvality izolačního systému a tím snižují jeho elektrickou pevnost. Globálním měřením částečných výbojů lze odhadnout celkový stupeň znehodnocení izolace izolačního systému, příp. i druh výbojové činnosti.

2.1.2 Schéma zapojení

Obrázek 2.1 Schéma měření částečných výbojů

CG - cejchovací generátor, Cv - vazební kondenzátor, SI - snímací impedance, MČV - měřič částečných výbojů

2.1.3 Doporučené přístroje • Bezkorónový regulovatelný zdroj 35 kVA, 0 - 15 kV (např. TETTEX typ 5270). • Měřič částečných výbojů (např. BIDDLE typ 27000, TETTEX typ 9114, TUR

typ MUT 8). • Bezkorónový vazební kondenzátor (např. BIDDLE typ 29042, TETTEX typ

9231/32, TUR typ WMCF 8000/50sp). • Kilovoltmetr do 15 kV. • Měřící impedance (např. BIDDLE typ 17280-2, TETTEX typ 9221, TUR typ

H18). • Cejchovací generátor (např. TETTEX typ 9215, TUR typ PET 2). • Osciloskop 25 MHz. • Vysokonapěťový zdrojový filtr (např. TETTEX typ 9242). • Nízkonapěťový zdrojový filtr (např. TETTEX typ 9241).

2.1.4 Postup měření Globální měření částečných výbojů se provádí jako metoda off-line, tj. při odstávce (revizi) alternátoru. Na měřenou fázi se přiloží jmenovité napětí Ufn po dobu 30 min. Poté se napětí snižuje po cca 0,1 Ufn a měří se q a I, případně další diagnostické parametry, tj. funkce q = f(U) a I = f(U), příp. funkce dalších diagnostických parametrů v intervalu Ufn až 0. Hodnoty q a I, příp. dalších diagnostických parametrů

5

se zjišťují v obou půlperiodách napájecího napětí, pro vyhodnocení se uvažuje vyšší z nich. Projevují-li se při měření rušivé vlivy (vysoká hodnota q v beznapěťovém stavu), doporučuje se připojit do obvodu vysokonapěťový filtr nebo použít jiné odrušovací prostředky. V případě trvale instalovaných snímačů lze tuto metodu použít jako metodu on-line (monitorování) s tím, že se vyhodnocují časové průběhy diagnostických parametrů. 2.1.5 Vyhodnocování Globálním měřením částečných výbojů lze odhadnout celkový stupeň znehodnocení izolačního systému, zaznamenat vznik lokálních vad, příp. určit druh výbojové činnosti. K lokalizaci zdrojů výbojové činnosti (částečných výbojů) je možno použít některou z lokalizačních metod (měření částečných výbojů diferenciální sondou nebo induktivně vázanou sondou). Pro orientační zjištění míst se silnou výbojovou činností lze použít akustickou sondu.

2.1.6 Parametry částečných výbojů Základní parametry částečných výbojů se používají pro základní vyhodnocování intenzity částečných výbojů. Měříme-li částečné výboje na tomtéž elektrickém zařízení (nebo na podobných elektrických zařízeních) periodicky, zajímají nás parametry srovnávací, postihující změny a trendy výbojové činnosti. Pro určování druhu výbojové činnosti se používají měření a vyhodnocování částečných výbojů ve vztahu k fázovému úhlu napájecího napětí.

2.1.7 Základní parametry částečných výbojů Základní parametry částečných výbojů můžeme zhruba rozdělit do tří základních skupin:

• Parametry jednotlivého pulsu částečného výboje, např. zdánlivý náboj, tvar pulsu.

• Parametry sady pulsů částečných výbojů, např. proud částečných výbojů, součtový náboj, frekvence částečných výbojů.

• Parametry sady pulsů částečných výbojů a přiloženého napětí, např. energie částečných výbojů, výkon částečných výbojů.

Zvláště u sad částečných výbojů lze pozorovat statistický charakter výbojové činnosti, který je dán různou periodicitou a frekvencí jednotlivých částečných výbojů během jedné nebo více period napájecí frekvence. Nejdůležitější elektrické parametry částečných výbojů jsou: Zdánlivý náboj částečného výboje je absolutní hodnota náboje, při jehož mžikovém zavedení mezi elektrody zkoušeného objektu se krátkodobě změní napětí mezi jeho elektrodami na takovou hodnotu, na kterou by se změnilo při částečném výboji. Zdánlivý náboj se hodnotou nerovná náboji částečného výboje, vztahy těchto nábojů mohou být pro různé částečné výboje ve stejném objektu rozdílné. Jinými slovy, zdánlivý náboj napodobuje výboj určující snížení napětí na objektu při částečném výboji, který v něm vzniká a tvoří část náboje částečného výboje. Označuje se q a udává se v jednotkách C, resp. pC. Zdánlivý náboj dosáhl jako diagnostický parametr mezinárodního rozšíření a je základním diagnostickým parametrem pro měření a vyhodnocování částečných výbojů. V praxi se často termínem „zdánlivý náboj“ označuje maximální zdánlivý náboj za určitý interval (obvykle za půlperiodu napájecího napětí). Někdy se pro tento diagnostický parametr používá označení qmax.

6

Četnost částečných výbojů je střední počet částečných výbojů za sekundu. Označuje se n a udává se v s-1. V praxi se uvažují jen impulsy nad předepsanou velikostí nebo v předepsaném intervalu velikosti zdánlivého náboje. Střední proud částečných výbojů je součet hodnot zdánlivých nábojů za určitý interval, dělený tímto intervalem. Označuje se I a udává se v jednotkách A či C.s-1, resp. mA. V časovém intervalu T je tedy střední proud částečných výbojů

1

1 m

ii

IT =

= q∑ (1.1)

kde m je počet výbojů v časovém intervalu T. Mají-li všechny výboje stejnou velikost zdánlivého náboje q, zjednoduší se vztah na

I nq= (1.2)

kde n je četnost částečných výbojů. Součtový náboj je součet hodnot zdánlivých nábojů za určitý časový interval (obvykle za půlperiodu napájecího napětí). Označuje se Q a udává se v jednotkách C, resp. pC. V posledních letech se od tohoto diagnostického parametru upouští, resp. nahrazuje se středním proudem částečných výbojů I. Střední kvadratický součet zdánlivých nábojů je součet čtverců zdánlivých nábojů qi částečných výbojů za časový interval T, dělený tímto intervalem. Označuje se D a udává se v jednotkách A2s, resp. C2s-1. Střední kvadratický součet D je možné určit přímým měřením nebo výpočtem z naměřených hodnot qi podle vztahu

2

1

1 m

ii

DT =

= q∑ (1.3)

kde m je počet výbojů v časovém intervalu T. Mají-li všechny výboje stejnou velikost q, zjednoduší se vztah na

(1.4) 2D nq=

kde n je četnost částečných výbojů. Tento diagnostický parametr se používá jako doplňkový parametr pro hodnocení intenzity částečných výbojů. Výkon částečných výbojů je střední výkon dodávaný na svorky zkoušeného předmětu, tj. spotřebovaný částečnými výboji v časovém intervalu T. Označuje se P a udává se v jednotkách W, resp. mW. Výkon částečných výbojů P je možné určit přímým měřením, nebo výpočtem z naměřených hodnot zdánlivého náboje qi a okamžitých hodnot napětí na zkoušeném objektu Ui podle vztahu

1

1 m

i ii

P qT =

= ∑ U (1.5)

kde m je počet výbojů v časovém intervalu T. Tento diagnostický parametr se používá jako doplňkový parametr pro hodnocení intenzity částečných výbojů. Počáteční napětí částečných výbojů je nejnižší napětí, při kterém je intenzita částečných výbojů se rovna nebo překračuje normalizovanou intenzitu při postupně zvyšovaném napětí. Normalizovaná intenzita částečných výbojů je číselná hodnota libovolného diagnostického parametru (obvykle q), stanovená jako přípustná hodnota příslušnou normou pro konkrétní typ elektrického zařízení. Počáteční napětí částečných výbojů se označuje Ui a udává se v jednotkách V, resp. kV. Při vlastním měření se napětí přiváděné na zkoušený objekt postupně zvyšuje z nízké hodnoty, při níž částečné výboje nenastávají.

7

Zhášecí napětí částečných výbojů je nejnižší napětí, při němž je intenzita částečných výbojů se rovna nebo je nižší než normalizovaná intenzita částečných výbojů při postupně snižovaném napětí. Označuje se Ue a udává se v jednotkách V, resp. kV. Při vlastním měření se napětí přiváděné na zkoušený objekt postupně snižuje z hodnoty, převyšující počáteční napětí částečných výbojů, tj. z hodnoty, při které částečné výboje nastávají. V tabulce 2.2 jsou uvedeny limitní hodnoty (intervaly hodnot) základních diagnostických parametrů částečných výbojů spolu s odpovídajícími výroky (závěry) pro vyhodnocování globální metody měření částečných výbojů.

Měřený

parametr

Limitní

hodnoty

Výrok (závěr)

Ui

< Ufn Výskyt částečných výbojů během provozu stroje. Doporučuje se prohlídka stroje v nejbližším

možném termínu. q

< 104 pC

< 104, 2.104 ) pC

< 2.104, 105 > pC

> 105 pC

Normální provoz. Diagnostická měření výbojové činnosti (částečných výbojů) provádět ve

standardních intervalech (2 - 3 roky), pokud není jiné doporučení.


zkrácených intervalech (cca 1 rok). Pro zjištění zdroje částečných výbojů použít některou z

lokalizačních metod (akustická sonda, diferenciální elektromagnetická sonda, induktivně vázaná

sonda, ...). Normální provoz. Diagnostická měření výbojové

činnosti (částečných výbojů) provádět v intervalech cca 1/2 roku. Doporučuje se prohlídka stroje v nejbližším možném termínu. Při nejbližší revizi

stroje provést vizuální kontrolu vinutí. Pro zjištění zdroje částečných výbojů použít některou z

lokalizačních metod (akustická sonda, diferenciální elektromagnetická sonda, induktivně vázaná

sonda, ...). Výskyt nebezpečné výbojové činnosti. Normální provoz. Diagnostická měření výbojové činnosti (částečných výbojů) provádět v co nejkratších

intervalech (max. 1/2 roku). Doporučuje se oprava stroje v nejbližším možném termínu. Při nejbližší revizi stroje provést vizuální kontrolu vinutí. Pro

zjištění zdroje částečných výbojů použít některou z lokalizačních metod (akustická sonda, diferenciální

elektromagnetická sonda, induktivně vázaná sonda, ...).

I

< 10 µA

< 10, 20 ) µA

< 20, 50 > µA




zkrácených intervalech (cca 1 rok). Normální provoz. Diagnostická měření výbojové

činnosti (částečných výbojů) provádět v intervalech cca 1/2 roku. Doporučuje se prohlídka stroje v

8

Měřený

parametr

Limitní

hodnoty

Výrok (závěr)

> 50 µA

nejbližším možném termínu. Při nejbližší revizi stroje provést vizuální kontrolu vinutí.

Výskyt nebezpečné výbojové činnosti. Normální provoz. Diagnostická měření výbojové činnosti (částečných výbojů) provádět v co nejkratších

intervalech (max. 1/2 roku). Doporučuje se oprava stroje v nejbližším možném termínu. Při nejbližší

revizi stroje provést vizuální kontrolu vinutí.

Q

< 105 pC

< 105, 2.105 ) pC

< 2.105, 5.105 > pC

> 5. 105 pC




zkrácených intervalech (cca 1 rok). Normální provoz. Diagnostická měření výbojové

činnosti (částečných výbojů) provádět v intervalech cca 1/2 roku. Doporučuje se prohlídka stroje v nejbližším možném termínu. Při nejbližší revizi

stroje provést vizuální kontrolu vinutí. Výskyt nebezpečné výbojové činnosti. Normální provoz. Diagnostická měření výbojové činnosti (částečných výbojů) provádět v co nejkratších

intervalech (max. 1/2 roku). Doporučuje se oprava stroje v nejbližším možném termínu. Při nejbližší

revizi stroje provést vizuální kontrolu vinutí.

Tabulka 2.2 Limitní hodnoty základních diagnostických parametrů částečných výbojů

2.1.8 Srovnávací parametry Pro vyhodnocování rozvoje výbojové činnosti a rizika havárie při dalším provozu vysokonapěťového elektrického zařízení je vhodné sledovat vývoj (rozvoj) výbojové činnosti v závislosti na čase, tzn. porovnávat aktuální naměřené hodnoty diagnostických parametrů s hodnotami z minulých měření, příp. s hodnotami naměřenými na stejných či podobných strojích. Naměřené hodnoty diagnostických parametrů jsou obvykle při vyhodnocování měření off-line (při odstávce stroje) vyneseny do grafů v závislosti na přiloženém napětí U a tyto křivky jsou dále vyhodnocovány. Při výskytu velkých nárůstů nebo skoků na křivkách nebo při velkých hodnotách diagnostických parametrů lze konstatovat výskyt částečných výbojů v izolačním systému. Naměřené napěťové závislosti diagnostických parametrů se dále porovnávají se závislostmi z předcházejících měření a při změně průběhu (tvaru) křivek se konstatuje změna stavu izolačního systému. Maximální povolené hodnoty diagnostických parametrů možno určit až po dlouhodobém měření. Jako příklad jsou na obr. uvedeny průběhy q = f(U) a Q = f(U) u termoplastické izolace "asfalt-slída" na hydroalternátoru 10 MW, Un = 10,5 kV. Z průběhu q = f(U) a Q = f(U) je patrno, že statorová izolace vykazuje velké množství malých výbojů (zvláště ve fázi U), a to již při jmenovitém napětí.

2.2

9

Obrázek 2.2 Ukázkové průběhy q = f(U) a Q = f(U)

Jako srovnávací parametry se pro vyhodnocování grafů zdánlivého náboje q, středního proudu částečných výbojů I, resp. součtového náboje Q v závislosti na přiloženém napětí U, používají tyto kvantifikovatelné diagnostické parametry: dq - Skok na křivce q = f(U) (-). Maximální skok (prudká změna hodnoty) na křivce q = f(U), počítaná podle vzorce

1 2

1 2 n

n

U

q q UdqU U q

−=

− (1.6)

kde indexy 1,2 označují hodnoty z jednoho měření a index n hodnoty při jmenovitém napětí. dI - Skok na křivce I = f(U) (-). Maximální skok (prudká změna hodnoty) na křivce I = f(U), počítaná podle vzorce

1 2

1 2 n

n

U

I I UdIU U I

−=

− (1.7)

kde indexy 1,2 označují hodnoty z jednoho měření a index n hodnoty při jmenovitém napětí. dQ - Skok na křivce Q = f(U) (-). Maximální skok (prudká změna hodnoty) na křivce Q = f(U), počítaná podle vzorce

1 2

1 2 n

n

U

Q Q UdQU U Q

−=

− (1.8)

kde indexy 1,2 označují hodnoty z jednoho měření a index n hodnoty při jmenovitém napětí. Dq - Změna tvaru křivky q = f(U) (%). Maximální změna tvaru křivky, počítaná podle vzorce

1 2

1 2

max 100min( , )q q

Dqq q− ⋅

= (1.9)

kde indexy 1,2 označují hodnoty q při stejném U na křivkách q = f(U) z různých měření.

10

DI - Změna tvaru křivky I = f(U) (%). Maximální změna tvaru křivky, počítaná podle vzorce

1 2

1 2

max 100min( , )I I

DII I

− ⋅= (1.10)

kde indexy 1,2 označují hodnoty q při stejném U na křivkách I = f(U) z různých měření. DQ - Změna tvaru křivky Q = f(U) (%). Maximální změna tvaru křivky, počítaná podle vzorce

1 2

1 2

max 100min( , )Q Q

DQQ Q− ⋅

= (1.11)

kde indexy 1,2 označují hodnoty q při stejném U na křivkách Q = f(U) z různých měření. V tabulce jsou uvedeny limitní hodnoty (intervaly hodnot) srovnávacích diagnostických parametrů částečných výbojů spolu s odpovídajícími výroky (závěry) pro vyhodnocování globální metody měření částečných výbojů.

2.3

Měřený

parametr

Limitní

hodnoty

Výrok (závěr)

dq

< 2

< 2, 5 >

> 5




zkrácených intervalech (cca 1 rok). Doporučuje se prohlídka stroje v nejbližším možném termínu. Při

nejbližší revizi stroje provést vizuální kontrolu vinutí. Normální provoz. Diagnostická měření výbojové

činnosti (částečných výbojů) provádět v intervalech cca 1/2 roku. Doporučuje se oprava stroje v

nejbližším možném termínu. Při nejbližší revizi stroje provést vizuální kontrolu vinutí. Pro zjištění

zdroje částečných výbojů použít některou z lokalizačních metod (akustická sonda, diferenciální


dI

< 2

< 2, 5 >

> 5







11

Měřený

parametr

Limitní

hodnoty

Výrok (závěr)


dQ

< 2

< 2, 5 >

> 5








Dq

< 10 %

< 10, 20 > %

> 20 %



Změna izolačního stavu. Normální provoz. Diagnostická měření výbojové činnosti (částečných výbojů) provádět ve zkrácených intervalech (cca 1 rok). Doporučuje se prohlídka stroje v nejbližším

možném termínu. Při nejbližší revizi stroje provést vizuální kontrolu vinutí. Pro zjištění zdroje

částečných výbojů použít některou z lokalizačních metod (akustická sonda, diferenciální


Změna izolačního stavu. Uvolnění tyčí. Normální provoz. Diagnostická měření výbojové činnosti

(částečných výbojů) provádět v intervalech cca 1/2 roku. Doporučuje se oprava stroje v nejbližším

možném termínu. Při nejbližší revizi stroje provést vizuální kontrolu vinutí. Pro zjištění zdroje

částečných výbojů použít některou z lokalizačních metod (akustická sonda, diferenciální


DI

< 10 %

< 10, 20 > %

> 20 %




možném termínu. Při nejbližší revizi stroje provést vizuální kontrolu vinutí.

Změna izolačního stavu. Normální provoz. Diagnostická měření výbojové činnosti (částečných

výbojů) provádět v intervalech cca 1/2 roku. Doporučuje se oprava stroje v nejbližším možném

12

Měřený

parametr

Limitní

hodnoty

Výrok (závěr)

termínu. Při nejbližší revizi stroje provést vizuální kontrolu vinutí.

DQ DQ

< 10 %

< 10, 20 > %

> 20 %




možném termínu. Při nejbližší revizi stroje provést vizuální kontrolu vinutí.

Změna izolačního stavu. Normální provoz. Diagnostická měření výbojové činnosti (částečných

výbojů) provádět v intervalech cca 1/2 roku. Doporučuje se oprava stroje v nejbližším možném termínu. Při nejbližší revizi stroje provést vizuální

kontrolu vinutí.

Tabulka 2.3 Limitní hodnoty srovnávacích diagnostických parametrů částečných výbojů

2.1.9 Fázový úhel Podle umístění částečných výbojů na křivce napájecího napětí, tj. podle fázového úhlu (posunu) částečných výbojů, lze usuzovat na druh výbojové činnosti a určit tak místo jeho výskytu (zřídlo výbojové činnosti). Lze rozlišit pět základních obrazců (typů, vzorků) částečných výbojů, viz typy A až E v tabulce 2.4.

Ty px

Osciloskopický obraz

Popis

Typ výboje

A 00_

+

Pulsy stejné velikosti v jedné půlperiodě, symetricky okolo

napěťového maxima. Se zvyšováním napětí

narůstá počet pulsů, ale jejich velikost se nemění. Pulsy v druhé půlperiodě pouze při vyšším napětí.

Uspořádání hrot-deska (tyč-rovina) v plynech.

Jestliže se pulsy objevují v záporné půlperiodě, je

hrot (tyč) na vysokém potenciálu; jestliže se pulsy objevují v kladné půlperiodě, je hrot (tyč) na zemním potenciálu.

B

00 _

+

Pulsy v obou půlperiodách, symetricky okolo napěťových maxim; v jedné půlperiodě pulsy větší, v druhé půlperiodě

větší počet menších pulsů stejné velikosti. Se zvyšováním napětí počet pulsů narůstá.

Uspořádání hrot-deska (tyč-rovina) v kapalných dielektrikách. Jestliže se

velké pulsy objevují v kladné půlperiodě, je hrot

(tyč) na vysokém potenciálu; jestliže se velké pulsy objevují v záporné půlperiodě, je hrot (tyč) na zemním

potenciálu.

13

Typ x

Osciloskopický obraz

Popis

Typ výboje

C 00_

+

Pulsy mezi průchody nulou napětí a vrcholy v

obou půlperiodách. Pulsy v obou

půlperiodách mají přibližně stejnou velikost.

Dutinky v pevném dielektriku.

Vzduchové dutinky v kapalném dielektriku.

Dotyk izolovaných vodičů.

Výboje na povrchu bez galvanického spojení. Neuzemněné kovové části měřicího obvodu.

D 00_

+

Pulsy mezi průchody nulou napětí a vrcholy v

obou půlperiodách. Pulsy v jedné

půlperiodách jsou vyšší než pulsy v druhé

půlperiodě.

Dutinky v pevném dielektriku u elektrod. Vzduchové dutinky v

kapalném dielektriku u elektrod.

Jestliže se velké pulsy objevují v kladné

půlperiodě, jsou výboje na vysokém potenciálu; jestliže se velké pulsy

objevují v záporné půlperiodě, jsou výboje na zemním potenciálu.

E

00 _

+

Pulsy symetricky kolem obou průchodů nulou

napětí.

Špatný kontakt mezi kovovými částmi nebo

mezi polovodivými (odporový-mi) vrstvami.

Tabulka 2.4 Základní obrazce částečných výbojů

Obrazce částečných výbojů jsou zobrazeny jako Lissajousovy obrazce napájecího napětí se superponovanými impulsy částečných výbojů tak, jak je to obvyklé při vyhodnocování výbojové činnosti na osciloskopu komerčních měřičů částečných výbojů. Typ A je typický pro předvýboje v plynech, např. na hrotu vysokonapěťové tyčové elektrody proti zemi (uspořádání hrot-deska nebo tyč-uzemněná rovina). Při pomalém zvyšování napájecího napětí vznikne po překročení kritické hodnoty (počáteční napětí částečných výbojů) řada stejných pulsů (jejich velikosti jsou úměrné jednotlivým nábojům částečných výbojů), symetricky umístěných kolem vrcholu záporné půlperiody napájecího napětí. S narůstajícím napětím jejich počet roste, ale jejich velikost zůstává přibližně stejná. Při vysokých hodnotách napájecího napětí vznikne sada pulsů i v opačné (kladné) půlperiodě napájecího napětí, ale pak jsou velikosti těchto pulsů o několik řádů větší. Jestliže je v tomto elektrostatickém uspořádání hrot uzemněn a desková elektroda je na napěťovém potenciálu, obrazce pulsů jsou stejné, ale vyskytují se v opačné půlperiodě napájecího napětí. Typ A je jeden z nejdůležitějších typů obrazců částečných výbojů, protože je typický pro mnoho druhů málo nebezpečné výbojové činnosti, zvláště pro částečné výboje a předvýbojová stadia ve vzduchu. Takové případy mohou nastat i při nevhodně sestaveném měřicím obvodu, mohou však být poměrně lehce odstraněny. Vzory částečných výbojů typu B se objevují na hrotu tyčové elektrody (uspořádání hrot-deska, tyč-deska), ponořené v kapalném dielektriku. Na rozdíl od typu A, objevují se v tomto případě pulsy částečných výbojů současně i ve druhé půlperiodě

14

napájecího napětí, přičemž tyto mají poněkud větší velikost a menší opakovací frekvenci než pulsy v záporné půlperiodě. Typ C má dva charakteristické rysy: Pulsy částečných výbojů se objevují v různých polaritách napájecího napětí, i když průměrné velikosti pulsů jsou v obou půlperiodách přibližně stejné. Druhým charakteristickým znakem je fakt, že výboje se objevují v oblastech od průchodu napájecího napětí nulou (na obrázcích označeno jako 0) do maximální hodnoty, tj. v oblastech nárůstu napájecího napětí. Takový obraz se objevuje vždy, když nosiče nábojů obou polarit, vytvořené částečnými výboji, se nedostanou ani na vysokonapěťovou, ani na uzemněnou elektrodu. Takové situace nastávají v následujících případech:

• Dutinka (defekt) v pevném izolantu. • Plynová bublinka v kapalném izolantu. • Izolované vodiče různých potenciálů se dotýkají jeden druhého. • Klouzavé výboje na povrchu pevných dielektrik. • Částečné výboje mezi dvěma neuzemněnými kovovými částmi (např. mezi

dvěma kovovými polepy kondenzátorové průchodky). Tyto typy výbojů jsou velmi nebezpečné pro izolační systém. Typ D je speciálním případem typu C, kdy velikost pulsů v jedné půlperiodě je větší než ve druhé. To je způsobeno odsátím nábojů z jedné strany dutinky, tzn. že dutinka je buď přímo na povrchu elektrody pevného dielektrika nebo, v případě klouzavých výbojů, začínají částečné výboje přímo u elektrody. Jestliže jsou větší pulsy v kladné půlperiodě napájecího střídavého napětí, pak je dutinka na vysokonapěťové elektrodě. Jestliže jsou větší pulsy v půlperiodě záporné, pak je dutinka na elektrodě zemní (uzemněné). Tak jako typ C, jsou i částečné výboje typu D velmi nebezpečné pro izolační systém. Může jít např. o delaminaci či degradaci izolace apod. Typ E je charakteristický tím, že pulsy částečných výbojů jsou seskupeny symetricky v oblastech kolem obou průchodů napájecího napětí nulou. Tyto obrazce částečných výbojů jsou způsobeny nedokonalým (odporovým) kontaktem mezi kovovými částmi nebo mezi dvěma vrstvami polovodivého stínění. Tento nedokonalý kontakt může být i vně izolačního materiálu.

2.1.10 Doporučené aplikace Globální metoda měření částečných výbojů je aplikovatelná na všechny stroje točivé od jmenovitého napětí 1kV výše.

2.1.11 Intervaly měření Obvyklé intervaly měření jsou cca 2 - 3 roky, podle důležitosti objektu. V případě podezření rozvoje výbojové činnosti se měřicí intervaly zkracují.

2.1.12 Náležitosti protokolu • Štítkové hodnoty měřeného objektu (výrobní číslo, typ a výrobce stroje; rok

výroby stroje a rok uvedení stroje do provozu; výkon, napětí, proud a otáčky stroje; typ a třída izolace; umístění a místní označení stroje).

• Provozní hodnoty měřeného objektu (datum odstavení stroje a datum měření; celkové provozní hodiny, celková vyrobená energie, průměrné zatížení, celkový počet najetí; podmínky měření, teplota vinutí při měření; poruchy statorové izolace, práce na vinutí při GO).

• Použité přístroje. • Naměřené hodnoty. • Vypočtené hodnoty. • Závěr (vyhodnocení stavu izolace, doporučení).

15

• Číslo protokolu, zhotovitel, datum vytvoření protokolu. 2.1.13 Normy, předpisy ČSN 34 5641 Elektrická zařízení. Metody měření charakteristik částečných výbojů. 1985. IEC Publication 270. Partial Discharge Measurements. 1981. ASTM. D 1868-73. Standard Method for Detection and Measurement of Discharge (Corona) Pulses in Evaluation of Insulation Systems. DIN VDE 0434/05.83: Hochspannungs-Prüftechnik, Teilentladungsmessungen. 1983. CIGRE WG 23-01: Recognition of discharges. Electra (1969), č. 11, s. 61.

16

2.2 Měření částečných výbojů induktivně vázanou sondou 2.2.1 Princip metody Částečné výboje se výrazně podílejí na degradaci izolačních systémů. Na druhé straně však lze z existence výbojové činnosti, její intenzity, fázové polohy a pod. usuzovat na aktuální stav těchto systémů. Metoda induktivně vázané sondy jako jedna z nedestruktivních metod patří mezi metody lokační, schopné určit s určitou pravděpodobností místo, ve kterém došlo z nejrůznějších příčin ke zvýšené výbojové činnosti. Náboj neutralizovaný částečným výbojem v izolačním systému je hrazen z celkového náboje soustavy. Elektrický proud impulsního charakteru přitéká do zdrojové lokality ze všech směrů, zejména však vodiči a vodivými částmi stroje. Metoda Induktivně vázané sondy využívá tohoto jevu a indikací dobíjecích proudů zprostředkovaně usuzuje na intenzitu a místo výbojové činnosti. Snímač (sonda) je tvořen otevřeným feritovým C jádrem s navinutou cívkou. Přiložením snímače obkročmo na drážku vznikne proudový transformátor na jehož vinutí vzniká vf signál o amplitudě úměrné impulsnímu proudu hradícímu ztracený parciální náboj.

Obrázek 2.3 Princip induktivně vázané sondy

L - vinutí cívky snímače, FJ - feritové jádro, Φ - uzavřený magnetický obvod (induktivní vazba), Fe - železo statoru, I - izolační systém, V - statorové vinutí

17


Obrázek 2.4 Blokové schéma

LO - zdrojová lokalita částečných výbojů, C - kapacitní vazba (mezi LO a statorovým vinutím), Xn - n-tá část impedance vinutí, Φ − induktivní vazba, S - snímač (induktivně vázaná sonda), RVN - regulovatelný zdroj vysokého napětí, ROT - rotátor, OVU - odporový vysílač úhlu, Z - zesilovač, I - indikátor, XY - souřadnicový zapisovač, OSC - osciloskop, G - generátor kalibračních pulsů, Ck - kalibrační kapacita

Obrázek 2.5 Instalační schéma

1 - snímač (induktivně vázaná sonda), 2 - držák snímače, 3 - středící kulisa, 4 - rotátor, 5 - odporový vysílač úhlu

18

2.2.3 Doporučené přístroje • Bezkorónový regulovatelný zdroj 5kVA, 0 - 15kV, na př. TETTEX 5270 • Kilovoltmetr do 15kV • Induktivní sonda ZČU Plzeň spolu se: • zařízením pro přesné vedení sondy při měření částečných výbojů ve statorech

elektrických točivých strojů podle AO 224873 • zařízením pro měření a automatický záznam úrovně částečných výbojů v

elektrických strojích podle AO 228253 s indikátorem - širokopásmová aparatura pro měření částečných výbojů ZČU Plzeň (alternativně s vf mikrovoltmetrem SMV 6.1 apod.)

• Dvoukanálový servisní osciloskop 20MHz 2.2.4 Postup měření Měření se provádí na stroji s demontovaným rotorem. Zařízení pro přesné vedení sondy se umístí do středu vrtání turboalternátoru. Zkušební napětí se přiloží jednak na celé vinutí statoru a poté na jednotlivé fáze, přičemž ostatní dvě jsou uzemněny. Na měřenou sekci vinutí se přiloží jmenovité fázové napětí a toto napětí se ponechá před měřením z důvodu samozhášecího efektu působit 30 min. Pro další měřicí stupně se zkušební napětí snižuje o 0.1 Ufn až do zhasnutí částečných výbojů a na jednotlivých stupních se již nečeká. Na každém napěťovém stupni se měří při průchodu sondy nad všemi drážkami s rychlostí cca 1 oběh sondy za minutu. Měření probíhá periodicky v každém cyklu síťového kmitočtu. Umístění měřicího intervalu na základní harmonickou se provádí pomocí osciloskopu s ohledem na úroveň výbojové činnosti v příslušných půlperiodách a existenci rušivých signálů. Výbojová činnost se zaznamenává XY zapisovačem. V případě nutnosti se celý algoritmus nebo jeho část opakuje po umístění zařízení pro přesné vedení sondy do jiného řezu vrtání statoru.

2.2.5 Vyhodnocování Výstupem metody je grafický záznam se souřadnicemi x - rozvinutý vnitřní povrch statoru (pořadové číslo drážky), y - kvazivrcholová hodnota zdánlivého náboje, případně střední hodnota zdánlivého proudu. Stav vinutí se hodnotí relacemi mezi aktuální střední hodnotou úrovně výbojové činnosti A (dB) všech drážek a úrovněmi výbojové činnosti bq (bi) (dB) jednotlivých drážek. Drážky s vinutím, které vykazují vyšší úroveň o více než 20dB je zapotřebí podrobit důkladnějšímu zkoumání.

19

Obrázek 2.6 Příklad záznamu výbojové činnosti

A - aktuální střední hodnota výbojové činnosti v decibelech (dB), bq20 - úroveň kvazivrcholové hodnoty zdánlivého náboje částečných výbojů. v decibelech (dB), drážky číslo 20

Měřený parametr

Limitní

hodnoty

Výrok

(závěr)

bq (bi)

> 20 dB

Drážku se zvýšenou výbojovou činností je nutno podrobit důkladnější expertíze viz doporučené aplikace

Tabulka 2.5 Limitní hodnoty

bq (bi) - poměrná hodnota aktuální úrovně výbojové činnosti (dB) určité drážky vztažená k referenční úrovni - průměrné hodnotě úrovně výbojové činnosti všech drážek statorového vinutí. Pro aplikaci metody induktivně vázané sondy musí být k dispozici schéma vinutí stroje pro identifikaci tyčí a stanovení jejich pracovního napětí. Při hodnocení vinutí je nutno brát v úvahu, zda pracovní napětí konkrétní tyče převyšuje a o kolik pravděpodobné zapalovací napětí a to, že podmínky při měření (stroj v klidu s demontovaným rotorem) neodpovídají zcela podmínkám dynamické zátěže vinutí za chodu stroje.

2.2.6 Doporučené aplikace S uvedeným zařízením lze metodu aplikovat pouze pro alternátory řady 55 až 220MW. V případě hydroalternátorů není vhodná z konstrukčních důvodů. Pokud metoda lokalizuje drážky se zvýšenou výbojovou činností, je nutné podrobit tyto drážky další expertíze (vizuální kontrola, diferenciální, popřípadě akustická sonda).

20

2.2.7 Intervaly měření Metoda induktivně vázané sondy je metodou lokační. Není proto využívána periodicky, ale pouze v případech, kdy po předchozích měřeních ostatními metodami byla zjištěna nepřípustně zvýšená výbojová činnost.




• Použité přístroje. • Naměřené hodnoty. Vypočtené hodnoty. • Závěr (vyhodnocení stavu izolace, doporučení). • Číslo protokolu, zhotovitel, datum vytvoření protokolu.

2.2.9 Normy, předpisy ČSN 34 5641 Elektrická zařízení. Metody měření charakteristik č tečných výbojů. 1985.

ás

Metodika induktivně vázané sondy není předmětem žádné normy.

21

2.3 Měření částečných výbojů akustickou sondou 2.3.1 Princip metody Částečné výboje jsou definovány jako místní elektrické výboje, které pouze částečně zkratují izolační systém mezi elektrodami o určitém potenciálu. Částečné výboje mohou vznikat buď přímo v izolaci vodičů (částečné výboje v izolaci), mezi izolací a vodičem (štěrbina mezi vodičem a izolací, tzv. "delaminace"), mezi izolací a železem statoru (drážkové výboje) nebo na povrchu izolace mimo drážku statoru (klouzavé výboje po povrchu izolace při výstupu vinutí z drážky statoru, koróna apod.). Částečné výboje vyvolávají postupné zhoršování kvality izolačního systému a tím snižují jeho elektrickou pevnost. Měření akustickou sondou umožňuje indikovat lokalizovat místa se silnou výbojovou činností.

2.3.2 Doporučené přístroje • Bezkorónový regulovatelný zdroj 35kVA, 0 - 15kV (např. TETTEX typ 5270). • Kilovoltmetr do 15kV. • Akustická sonda s příslušenstvím (např. TETTEX typ 9251, DIAGNOST D 025

ČVUT Praha).

2.3.3 Postup měření Zkušební napětí se připojuje na celé vinutí statoru a zvyšuje se stupňovitě po jednom kV do jmenovitého napětí stroje. Měření se provádí tak, že směrový mikrofon se namíří ve směru předpokládaného místa výbojové činnosti. Měřit je možno okamžitě po dosažení měřicího napětí. 2.3.4 Vyhodnocování Praskot ve sluchátkách (výchylka měřicího přístroje) signalizuje výbojovou činnost (částečné výboje) v izolačním systému. Pro podrobnější kvantifikaci či kvalifikaci výbojové činnosti se doporučuje použít přesnější metody. 2.3.5 Doporučené aplikace Metoda akustické sondy je vhodná pro měření statorových systémů hydroalternátorů s demontovaným rotorem, případně pro měření čelních partií vinutí. Metoda měření částečných výbojů akustickou sondou je aplikovatelná na všechny vn stroje od jmenovitého napětí 1kV výše. 2.3.6 Normy, předpisy ČSN 34 5641 Elektrická zařízení. Metody měření charakteristik částečných výbojů. 1985. Metodika měření částečných výbojů akustickou sondou není předmětem žádné normy.

22

2.4 Měření částečných výbojů diferenciální elektromagnetickou sondou

2.4.1 Princip metody Diferenciální elektromagnetickou sondou se měří částečné výboje v jednotlivých drážkách prošetřované fáze nebo její větve a slouží k lokalizaci zdrojů částečných výbojů ve vinutí točivých strojů. Vlivem elektromagnetického pole, které je vyvoláno proudy částečných výbojů, šířících se z jejich zdroje oběma směry ve vinutí stroje, je indukováno vf napětí ve vinutí jednotlivých sond napětí úměrné velikosti náboje vybíjeného ve zřídle částečných výbojů. Vinutí sondy je navinuto na feritovém jádře, které se přikládá na drážku prošetřované fáze. Jádro sondy, zuby statoru a jho statoru vytváří pomyslný vf transformátor. Fázová tyč je „primárním vinutím“ a cívka elektromagnetické sondy „sekundárním vinutím“. Vzhledem k fyzikálním vlastnostem železa se při kmitočtech vyšších než 15 kHz železo statoru neuplatní. Diferenciální elektromagnetická sonda je složena ze dvou jednoduchých induktivních sond zapojených elektricky proti sobě. Znamená to, že se v každé ze sond indukuje napětí stejné velikosti, ale opačného smyslu. Nachází-li se zřídlo částečných výbojů v části vinutí ohraničené oběma sondami, napětí indukovaná v jednotlivých sondách se sečtou, protože jsou stejné polarity. K sondě A (viz Obr. 8.1) teče proud +i a k sondě B teče proud -i. Jak je výše uvedeno, vinutí sondy B je vinuto v opačném smyslu a indukuje se v něm napětí opačné polarity než v sondě A. Protéká-li pod sondou B proud záporné polarity, polarita indukovaného napětí je kladná. Je-li zřídlo výbojů mimo úsek vinutí ohraničený sondami, indukovaná napětí v jednotlivých sondách jsou v tomto případě opačné polarity a odečtou se. Eliminujeme tak vliv cizího rušení a vliv výbojové činnosti v sousedních drážkách. Diferenciální elektromagnetickou sondou měříme maximální náboj výboje ve zřídlech částečných výbojů lokalizovaných diferenciální elektromagnetickou sondou.


Obrázek 2.7 Princip měření částečných výbojů diferenciální elektromagnetickou sondou

Bezvýbojový regulovatelný zdroj potřebného výkonu, 0-15kV. Diferenciální elektromagnetická sonda s příslušenstvím.

Technické parametry:

23

Rozsah měřeného náboje: 10 - 100 000pC. Měření amplitudy: Vrcholovým milivoltmetrem cejchovaným v pC. Frekvenční rozsah vrcholového milivoltmetru: 500Hz - 1MHz. Střední kmitočet měřících sond přepínatelný: 4,5kHz (pro měření drážkových výbojů) a 50 kHz (pro měření částečných výbojů). Přístroj je vybaven přímoukazujícím měřičem četnosti impulsů částečných výbojů v rozsahu do 50 000 impulsů/s.

Kalibrátor: 1 000pC, 10 000pC. Kilovoltmetr do 15kV.

2.4.3 Postup měření Podle schéma vinutí očíslujeme drážky statoru. Měření částečných výbojů se provádí jen v těch drážkách, ve kterých je uloženo vinutí prošetřované fáze (větve). Objeví-li se výboj, změří se amplituda jeho napěťové odezvy Uv a dále pak zapalovací napětí Uz tohoto výboje. Měřená fáze (větev) se napájí z jedné strany. Zbývající fáze jsou uzemněny. Před měřením se provede kalibrace měřícího obvodu (postačuje na jedné fázi nebo větvi) impulsem o známé velikosti náboje pomocí kalibrátoru, který je příslušenstvím diferenciální sondy. Principiálně je obdélníkový kalibrační impuls známé velikosti Uk derivován kalibračním kondenzátorem o známé kapacitě Ck, která musí být minimálně 100x menší než kapacita měřené fáze (větve). Tím je dán kalibrační náboj Qk známé velikosti

k kQ U Ck= ⋅ (1.12)

vyvolávající odpovídající proud, na který reagují diferenciální elektromagnetické sondy. Sondy při kalibraci se kladou na první drážku souhlasně (počítáno od bodu napájení), aby byly plně vázány při kalibraci s proudem vyvolaným kalibračním nábojem. Na měřicích přístrojích zaznamenáme amplitudu napěťové odezvy Ukv.

2.4.4 Vyhodnocování Metodu použijeme v případě, že globální metodou byla zjištěna nepřijatelná úroveň výbojové činnosti. Pomocí elektromagnetické sondy vyhledáváme zřídla výbojové činnosti a podle kvantitativního hodnocení s přihlédnutím k pracovnímu napětí tyče posoudíme zda stroj může nadále pracovat nebo bude nutné tyč opravit, či zcela vyměnit. Je třeba připomenout, že výsledky měření zdánlivého náboje globální metodou nemusí souhlasit s výsledkem měření náboje diferenciální elektromagnetickou sondou. Je to důsledek rozdílného pojetí principu měření úrovně částečných výbojů jmenovanými metodami. Při kvalitativním hodnocení výsledků měření částečných výbojů elektromagnetickou sondou postupujeme obdobně. V tomto případě porovnáváme výsledky měření úrovně částečných výbojů v jednotlivých drážkách mezi sebou. Abychom zajistili stejnou kvalitu celého vinutí, opravíme tyče v těch drážkách, ve kterých úroveň částečných výbojů výrazně převyšuje průměrnou hodnotu úrovně výbojové činnosti prošetřované fáze či celého vinutí stroje. Vyhodnocení výsledků měření můžeme provést podle náboje částečných výbojů změřeného v jednotlivých drážkách dle následujících kritérií.

24

Měřený parametr

Limitní

hodnoty

Výrok (závěr)

qi

<1000 pC <1000,10000> pC

<10000, 30000> pC

>30000

Přípustné Mírně zvýšené, ale přípustné Zvýšené, upozorňující na rozvíjející se závadu v izolaci tyče Signalizují závadu v izolačním systému

Tabulka 2.6 Limitní hodnoty částečných výbojů

kde qi je změřená velikost částečných výbojů Dalším faktorem pro posouzení stavu vinutí z hlediska částečných výbojů je porov0návání úrovně částečných výbojů v jednotlivých drážkách mezi sebou. Smysl tohoto kritéria spočívá v relativním posouzení izolačního systému. Absolutní hodnota úrovně částečných výbojů nemusí dosahovat výše uvedených hodnot, ale může vícenásobně převyšovat úroveň částečných výbojů ve zbývajících drážkách. Například je-li úroveň částečných výbojů ve velké většině drážek do 500 pC a v několika drážkách je úroveň výbojové činnosti v rozmezí 5000 pC - 10000 pC znamená to, že mohlo dojít k závažné změně v jakosti izolačního systému. Dalším faktorem hodnocení intenzity částečných výbojů v prošetřovaných drážkách je velikost pracovního napětí dané tyče. Z tohoto důvodu měříme zapalovací napětí částečných výbojů. To nám určí zda za provozu vzniknou v dané drážce částečné výboje nebo ne. V dalším kroku hodnocení izolačního systému je nutné zvážit skutečnost možného vzniku vysoké intenzity částečných výbojů v části vinutí, jehož pracovní napětí je vyšší než zapalovací napětí výbojů. V takovém případě můžeme předpokládat, že závada vznikla za provozu vlivem mechanického poškození, nebo v důsledku nedokonalého zpracování izolace vinutí. Je proto také důležité provádět měření částečných výbojů periodicky od počátku uvedení stroje do provozu.

2.4.5 Doporučené aplikace Metodu měření úrovně částečných výbojů diferenciální elektromagnetickou sondou je vhodná pro hydroalternátory a pro turboalternátory. V případě, že sondu nelze vsunout do vzduchové mezery, je nutné vyjmout rotor.

2.4.6 Intervaly měření Měření diferenciální elektromagnetickou sondou je doplňkovou metodou ke globálnímu měření částečných výbojů. Dále je možné metodu použít jako prioritní metodu měření intenzity částečných výbojů a to dle povahy výbojové činnosti a typu stroje v intervalech 6 měsíců až 4 roky.




• Použité přístroje.

25

• Záznam kalibrace. • Naměřené hodnoty. • Závěr (vyhodnocení stavu izolace, doporučení). • Číslo protokolu, zhotovitel, datum vytvoření protokolu.

2.4.8 Normy, předpisy ČSN 34 5641 Elektrická zařízení. Metody měření charakteristik částečných výbojů. 1985.

26

27

3 Literatura [1] ZHU H., GREEN V., SASIC M.: Identification of Stator Insulation

Deterioration Using On-Line Partial Discharge Testing, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 17, No.6, 2001

[2] Diagnostika izolačních systémů elektrických strojů točivých (Návrh směrnice), Orgrez a.s., Praha, 1996.

[3] ČSN EN 60270, Technika zkoušek vysokým napětím - Měření částečných výbojů, Praha, Český normalizační institut, 2001

Date post:	23-May-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

Částečné výboje ve strojích...

Documents