DIJAGNOSTIKA STANJA MERNIH TRANSFORMATORA ULTRAZVUNOM METODOM

*Elektrotehniki institut Nikola Tesla, Univerzitet u Beogradu, Beograd, Srbija

1. UVOD

Nesmetani razvoj i napredak modernog drutva direktno je uslovljen stabilnim i pouzdanim izvorom elektrine energije. Sistem proizvodnje i prenosa elektrine energije je prilino kompleksan, i samim tim podloan brojnim potencijalnim otkazima i kvarovima. Svaki kvar iziskuje trokove opravke ili zamene, ali i neretko vee, trokove koji se ogledaju u spreenosti da se odreena koliina elektrine energije isporui tritu. Stoga je neophodno, u cilju obezbeivanja pouzdanog napajanja potroaa, imati adekvatan uvid u stanje opreme koja omoguava proizvodnju i prenos elektrine energije. Uvid u stanje opreme omoguava pravovremenu reakciju i predupreenje kvarova koji mogu dovesti do velikih posledica. Osim tete na samom ureaju, ukoliko doe do poara ili eksplozije, jedan neispravan ureaj moe naneti tetu na delovima opreme koji se nalaze u neposrednoj blizini.

Svakako da su u lancu proizvodnje i prenosa elektrine energije merni transformatori izuzetno vani. Predstavljaju veoma bitnu kariku pri neophodnom merenju visokih napona i struja i pruanju odgovarajuih signala na bazi kojih finkcionie moderna relejna zatita opreme i upravljanje u elektroenergetskom sistemu [1].

9

2. TEORIJSKE OSNOVE

Parcijalna pranjenja nastaju ukoliko jaina elektrinog polja u nekom delu izolacije premai vrednost dielektrine vrstoe izolacionog materijala, pri emu je okolna izolacija dovoljno jaka da sprei potpuni proboj. Potencijalne lokacije nastanka PP su najee prirodno ili vetaki stvoreni nehomogeniteti u dielektriku [1-3]. Prirodne nehomogenosti su teko otklonjive i direktna su posledica prirode izolacionog materijala, dok se vetaki nastale nehomogenosti mogu svesti na minimum eliminacijom najeih uzronika poput:

1. neadekvatnog tehnolokog postupka obrade izolacionog materijala u fazi proizvodnje,

2. prekomerno izlaganje izolacionog materijala prekomernim dielektriktrinim naprezanjima u duem vremenskom intervalu, to ubrzava njegovo starenje,

3. negativni uticaji okoline na mestu implementacije izolatora kao to su poveane koncentracije vlage, agresivnih hemijskih supstanci i sl. Veliki uticaj ima izlaganje izolatora ekstremno visokim i niskim temperaturama i pritiscima, izlaganje mehanikim naprezanjima usled jakog vetra, vibracija, zemljotresa i sl.

Predprobojni i probojni procesi, uticaj pranjenja na materijal kao i druge pratee pojave su vrlo sloene i prilino teke za praenje i shvatanje. Postojanje parcijalnih pranjenja unutar izolacionog sistema MT je pouzdan pokazatelj degradacije elektroizolacionog sistema (EIS) i razvoja potencijalnog kvara [3]. Detekcijom i praenjem razvoja parcijalnih pranjenja unutar EIS, mogue je doneti pouzdane i pravovremene zakljuke o stanju MT.

Detekcija parcijalnih pranjenja (PP) u osnovi podrazumeva merenje intenziteta i lociranje izvora. Pojava parcijalnih pranjenja praena je elektrinim, hemijskim, zvunim i svetlosnim fenomenima. Stoga se postojanje PP moe dijagnostikovati elektrinim, hemijskim, akustinim i optikim ispitivanjima. Usled PP u dielektriku mogue je elektrinim merenjima detektovati karakteristine strujno-naponske impulse koji su pokazatelj postojanja i inteziteta PP. Hemijske metode podrazumevaju uglavnom analizu gasova rastvorenih u uzorku ulja iz MT. Parcijalna pranjenja u dielektriku stvaraju, usled degradacije uljno-papirne izolacije, gasove poput vodonika H2, metana CH4 i etana C2H6. Praenjem koncentracije i trenda pojedinih gasova mogue je izvesti zakljuke o postojanju i intezitetu razvoja PP [4].

Zajedno sa elektrinim i hemijskim, PP su praena i svetlosnim fenomenom. Optike metode se zasnivaju upravo na detekciji svetlosti proizvedene u sluaju pranjenja.

Trenutno se pri dijagnostici stanja MT koriste sledee metode [1, 3]:

1. Merenje izolacionih otpora uz odreivanje indeksa polarizacije 2. Merenje tg i kapacitivnosti 3. Termovizijska ispitivanja 4. Akustika metoda 5. Gasnohromatska analiza gasova rastvorenih u ulju 6. Vizuelni pregled transformatora

Osim navedenih, potpuno su primenljive i elektine metode za odreivanje koncentracije vlage u vrstoj izolaciji koje se baziraju na snimanju odziva dielektrika u frekventnom ili vremenskom domenu. Meutim, ove metode nisu nale svoju tehnoekonomsku opravdanost u praksi, te se stoga jako retko ili se uopte i ne koriste.

2.1. Akustina metoda

Energija PP u dielektriku se jednim svojim delom pretvara i u mehani ku, tj. nastaje mehaniki talas, vrlo visoke frekvencije. Ovaj mehaniki, odnosno zvuni, talas se prostire u svim pravcima od mesta nastanka ka sudu MT (Slika 1). Temelji akustinih merenja PP na MT se baziraju na detekciji ovih zvunih talasa i njihovom analizom.

Slika 1: Rasprostiranje akustinog talasa u MT i piezoelektrina sonda postavljena na sud MT

Zvuni talas koji nailazi na sud MT detektuje se sa spoljanje strane piezoelektrinim senzorima. Piezoelektri ni senzori mehaniki pritisak zvunih talasa pretvaraju u elektrini signal, pogodan za dalju obradu i memorisanje.

Trite nudi brojne sisteme za akviziciju ovako dobijenih elektrinih signala i njihovu obradu, kako bi se kao izlazna informacija dobili podaci o postojanju, lokaciji i intezitetu PP. Na slici 2 je prikazan ureaj firme Power Diagnostix AIAcompact-Acoustic Insulaion Analiser.

Ovakvi moderni ureaji detektuju svaki impuls, nastao usled PP, i predstavljaju ga kao jednu taku u amplitudno-faznoj matrici. Tokom vremena, snimaju se mesta nagomilavanja tih taaka. Na poziciji nagomilavanja veeg broja taaka, menja se njihova boja, kao pokazatelj znaajnijeg nagomilavanja taaka. Na ovaj nain gradi se tzv. mapa parcijalnih pranjenja na osnovu koje se donose precizniji zakljuci o moguim uzrocima i posledicama tih PP (Slika 3)[6].

a))

Slika 2: ) AIA ureaj za ultrazvuno merenje parcijalnih pranjenja b) postavljanje sonde AS150-M na merni transformator

Ureaj je autonoman, sa posebnom sondom, autonomnim mikroprocesorskim sistemom, memorijom i monitorom. Mogua je RS232 komunikacija sa raunarom to znatno proiruje mogunosti po pitanju memorije, dvodimenzionalnih i trodimenzionalnih dijagrama merenja, statistike obrade podataka itd. Na slici 2b) prikazan je jedan od naina postavljanja piezoelektrine sonde na kuite mernog transformatora.

Slika 3 Mapa parcijalnih pranjenja mernog transformatora

Ispitivanja MT akustinom metodom ne zahtevaju razvezivanje i iskljuenje MT, i ni na koji nain ne ugroavaju normalan pogon postrojenja. Samo ispitivanje je nedestruktivno i ne naruava postojee stanje MT. Piezoelektrine sonde kojima se vri prihvatanje akustinih signala iz unutranjosti MT se na tritu nude u raznim varijantama i sa razliitim rezonantnim frekvencijama piezoelektri nog kristala. Rezultati prikazani u ovom radu su prikupljeni pri radu sa sondama sa rezonantnim frekvencijama od 75kHz i 150kHz.

U sledeoj tabeli su dati primeri tipinih PP, njihovih mapa i osobina [7].

Opis izvora PPematski prikazMapa pranjenjaTipino ponaanjePreporuena

izvora PPtokom testaprocedura

Tipino kanjenjeKondicionirati

Efekat iljka uelektrode u duem

otpoinjanjaperiodu

uljupranjenja promenaPanja: postoji

mapa (mapa PP br. 1)opasnost od

proboja

Posmatrati

Menja se mapaponaanje u duem

Efekat iljka uperiodu

Karbonizira se

Panja: postoji

vrstoj izolacijiupljina (mapa PP br.

opasnost od

1)

proboja

Posmatrati

Metalni delii uKarbonizira seponaanje u duem

periodu

upljina

izolacionomPanja: postoji

Promena mapa (mapa

materijaluopasnost od

PP br. 5)

proboja

Posmatrati

Nema PP na viimponaanje u duem

Lo kontaktperiodu

naponskim nivoima

(mapa PP br. 1)

Ulje da odstoji

Mogua promenaPonaanje PP u

Mehurovi uduem periodu

mapaDegazirati ulje

ulju

(mape PP br. 3 i 4)Dopunjavanje

transformatora pod

vakuumom

Mehurovi uVrlo visokeSuenje

ulju uzmagnitude pranjenja

transformatora

prisustvo vlage(mape PP br. 3 i 4)

Tabela 1-Tipini primeri kompleksnih PP vezanih za odreene defekte u izolacionom sistemu energetskog transformatora; (Testing of Power Transformers, ABB, Zurich, 2003.)

3. PRAKTINI ASPEKTI PRIMENE AKUSTINE METODE PRI ANALIZI STANJA MT SA ULJNOPAPIRNOM IZOLACIJOM

Akusti na merenja su izuzetno pogodna pri ispitivanju MT u postrojenju. Samo merenje je prilino brzo i efikasno i najbitnije, ne zahteva razvezivanje MT i iskljuenje dela postrojenja. Naprotiv, metoda podrazumeva da se merenja vre u on-line reimu, pod naponom [1, 2, 8]. Zbog svoje izuzetne efikasnosti i jednostavnosti, omoguava brz screening svih MT u postrojenju, njihovo razvrstavanje po teini kvara. Ogranienje metode se ogleda u tipu MT koji se na ovaj na in mogu ispitivati. Naime, metoda nije primenljiva na inverzne MT. Razlog se nalazi u injenici da se kod inverznih MT transformatorski sud nalazi na visokom potencijalu u odnosu na zemlju, tezbog toga nije mogue izvriti postavljanje piezoelektrinog senzora. Postavljanje senzora i merenjem na nekom drugom mestu, ne daje realan nivo PP, zbog znaajnog slabljenja korisnog signala. Reenje je mogue u vidu usmerenih mikrofona kojima je mogue izvriti skeniranje pojedinih delova MT u potrazi za PP. Takoe, na ovaj nain se detektuju trenutna PP, tj. nije mogue detektovati PP koja su iezla usled pucanja vazdunog mehura i slino.

3.1. Praktini rezultati

Na slici 3 prikazana je mapa nagomilavanja PP naponskog MT, proizvoaa Energoinvest, tip UH 11-15 . Na mapi se uoava odreena koliina uma koji je neizbean, tipine vrednosti 2,5 do 3,5 mV. Osim toga, nita ne ukazuje na dramatian intezitet PP u izolacionom sistemu. MT je ocenjen kao ispravan.

a)b)

Slika 3: Tipina mapa PP ispravnog MT kod koga izlacija nije znaajno degradirala (a) i statiki parametri

(b)

Ukoliko unutar izolacionog sistema MT postoje deformacije i upljine usled kojih e se javiti PP, mapa parcijalnih pranjenja poprima oblik karakteristian za odreene izvore PP, kao to je principijelno prikazano u tabeli 1. U zavisnosti od prikazanog nivoa PP i kreiranog obrazca, odnosno mape, parcijalnog pranjenja, MT se mogu na brz i jednostavan nain klasifikovati i shodno tome, planirati hitnost njihove zamene, ili, ree, opravke. Statiki parametri koje instrument izdvaja automatski pruaju informaciju i o nivou 50Hz-ne i 100Hz-ne komponente snimljenog sigala, koje mogu biti od znaaja. Npr, 100Hz-na komponenta prua pouzdan podatak o utegnutosti magnetskog jezgra MT, koje e, ukoliko je rastreeno, usled magnetostrikcije, dodati znaajan nivo akustinog signala.

a)b)

Slika 4: Tipina mapa PP ispravnog MT kod koga postoji sumnja na degradaciju EIS, i razvoj PP (a) i statiki parametri (b)

Pri redovnom akustinom pregledu MT u jednoj trafo-stanici u vlasnitvu distributivnog preduzea Elektrosrbija, snimljeni su mapa PP i statiki parametri strujnog mernog transformatora, kod koga je izraena sumnja na ispravnost (Slika 4).

Slika 5 prikazuje mapu PP snimanu 60s. Na mapi je uoljivo, shodno tabeli 1, postojanje PP, najverovatnije uz pojaanu koncentraciju vlage u EIS. Potvrda sumnje na kvar je izvrena gasnohromatskom analizom ulja uzorkovanog iz suda strujnog transformatora. Tabela 2 prikazuje rezultate gasnohromatske analize ulja.

Slika 5: Mapa PP, strujnog transformatora, proizvoaa Energoinvest, tip TPE 11C , kod koga se posumnjalo na kvar

Potvrda sumnje na kvar je izvrena gasnohromatskom analizom ulja uzorkovanog iz suda strujnog transformatora. Ulje u izolacionom sistemu u ovom slu aju ima ulogu memorijskog medijuma, koji e u vidu rastvorenih gasova zadrati informaciju o dogaajima u EIS mernog transformatora, samim tim i o postojanju PP.

Tabela 2: Rezultati gasnohromatografske analize ulja

DatumU. kol.POJEDINANE KONCENTRACIJE GASOVA, ppm

uzork.g.,ml/lH2CH4C2H2C2H4C2H6COCO2O2N2

07/07/201467,7180171356039323281691340997

Tabela 2. Prikazuje rezultate gasnohromatske analize ulja. Jasno je uveanje ukupne koliine rastvorenih gasova, pri emu su vodei gasovi vodonik, H2, i metan CH4. Metan i vodonik su gasovi koji karakteriu postojanje znaajnih PP unutar EIS [6-8]. Dakle, hemijskom analizom je potvreno da je pogon navedenog MT skopan sa poveanom rizikom i preporuena je njegova zamena.

4. ZAKLJUAK

Metoda ultrazvunog ispitivanja MT je svakako izuzetan alat pri utvrivanju postojanosti EIS mernih transformatora. Najednostavan, jeftin i brz nain mogue je ispitati veliki broj MT i doneti validne zakljuke o ispravnosti svakog o njih, tj. izvriti brz i jeftin screening svih visokonaponskih MT u postrojenju. Pri tome, mogue je izvriti kategorizaciju pojedinih MT prema nivou PP, potraiti dodatnu verifikaciju rezultata u gasnohromatskoj analizi gasova rastvorenih u ulju MT i na taj nain omogu iti ispravno i pravovremeno reagovanje sektora za upravljanje opremom i resursima. Na ovaj nain se stie poveana pouzdanost sistema za proizvodnju, prenos i distribuciju elektri ne energije i velika uteda u resursima koja se ogleda u savremenom trendu odravanja opreme prema stanju.

LITERATURA

[1] Bego, V., Mjerni transformatori, kolska knjiga, Zagreb, 1977.

[2] R. E. James, Q. Su, Condition Assessment of High Voltage Insulation in Power System Equipement, IET POWER AND ENERGY SERIES 53, 2008.

[3] Kartalovi N., Kovaevi D., Milosavljevi S., An Advanced Model of Partial Discharge in Electrical Insulation, Facta Universitatis, Ser. Elec. Energ. vol. 24, no. 1, April 2011, pp.43-

57

[4] A. Bojkovi, "Obrada rezultata gasnohromatorafske kontrole mernih transformatora sa uljno-papirnom 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 ElectricalManufacturing&Coil Winding Conference, 1999, pp. 507510.

[6] AiA-Acoustic Insulation Analyser User manuel, Power Diagnostix, www.pd-systems-com

[7] Testing of Power Transformers, ABB, Zurich, 2003.

[8] omoi P., Tehnike preporuke za ocjenu stanja izolacije i preventivnu kontrolu mjernih transformatora na terenu, Zagreb, 1990.