Jerzy PRZYBYSZ* DIAGNOSTYKA IZOLACJI UZWOJEŃ

Nr 49
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Studia i Materiały
Nr 21
Nr 49
2000
diagnostyka, układy
izolacyjne, wyładowania niezupełne
Jerzy PRZYBYSZ*
DIAGNOSTYKA IZOLACJI UZWOJEŃ STOJANÓW
MASZYN ELEKTRYCZNYCH
Omówiono metody badania wyładowań niezupełnych (wnz) w izolacji uzwojeń stojanów
generatorów i silników w czasie rzeczywistym (on-line). Podano zasady oceny uzyskiwanych
wyników. Przedstawiono przykładowe wyniki badań.
WSTĘP
Metody badania wnz on-line w izolacji uzwojeń stojanów nie są znormalizowane.
Norma IEC 60270 dotyczy metody off-line badania wnz w zakresie częstotliwości od 30 do
500 kHz. W takim zakresie częstotliwości w elektrowniach występują największe
zakłócenia elektromagnetyczne [4].
Badanie wnz w izolacji uzwojenia stojana w eksploatacji ma na celu:
• niezawodne określenie względnego stanu izolacji,
• wskazanie przyczyny pogorszenia stanu izolacji,
• uniknięcie zbędnych wyłączeń z eksploatacji,
• wykrycie osłabienia izolacji we wczesnym okresie jego rozwoju, co ma bezpośredni
wpływ na koszt naprawy,
• wyróżnienie i ograniczenie wpływu zakłóceń.
Do głównych źródeł zakłóceń należą: złe połączenia elektryczne, urządzenia
szczotkowe, filtry elektrostatyczne, zasilacze elektroniczne, rozgłośnie radiowe, telefony
komórkowe, energetyczna telefonia nośna na liniach, a wewnątrz maszyny np. iskrzenie
między blachami rdzenia stojana.
Badania wnz off-line wykonywane w zakresie częstotliwości do 500 kHz znajdują
powszechne zastosowanie u producentów i w zakładach remontowych maszyn
elektrycznych, rzadziej w elektrowniach i zakładach przemysłowych. Na podstawie
istniejącej wiedzy i kilku nowych pomysłów w Instytucie Energetyki rozwinęliśmy nową
technikę pomiarową badań wysokoczęstotliwościowych wnz.
________
* Instytut Energetyki, ul. Mory 8, 01-330 Warszawa.
138
1. BADANIA WNZ METODAMI ON-LINE
Najstarszą z lat pięćdziesiątych metodą badań on-line jest wykrywanie wnz w punkcie
neutralnym uzwojenia stojana generatora za pomocą przekładnika prądowego wysokiej
częstotliwości i miernika zakłóceń radioelektrycznych [1]. Zaletą tej metody jest jej prostota.
Do wad natomiast należy to, że trudno uzasadnić personelowi elektrowni opinie o stanie
izolacji uzwojeń. Stosując czujnik w punkcie neutralnym uzwojenia stojana, uzyskuje się
małą czułość na wnz, które występują zazwyczaj w kilku pierwszych prętach od zacisków
generatora [2].
W połowie lat siedemdziesiątych w Ontario-Hydro została opracowana metoda do
badania izolacji uzwojeń stojanów hydrogeneratorów oraz urządzenie PDA (Patrial
Discharge Analyzer) – rys. 1.
Rys. 1. Sposób przyłączania kondensatorów
sprzęgających
Fig. 1. Detecting PD
Wykrywa się wnz za pośrednictwem
kondensatorów o pojemności 80 pF
zainstalowanych na każdej gałęzi równoległej uzwojenia fazowego. W układzie
przedstawionym na rys. 1 zakłócenia elektryczne przychodzące z zewnątrz do uzwojenia
fazowego – dochodzą jednocześnie do obu kondensatorów i są eliminowane w urządzeniu
różnicowym. Natomiast impulsy wnz, powstałe w jednej z gałęzi, docierają do drugiego
kondensatora poprzez połączenie – zazwyczaj długości około 10 m w przypadku
hydrogeneratorów dużej mocy – po czasie około 30 ns i są przepuszczone przez wzmacniacz
szerokopasmowy. Metoda ta jest również stosowana w turbogeneratorach. Jednak ze
względu na to, że połączenia uzwojeń są bardzo krótkie, trudno rozróżnić, od której z gałęzi
równoległych uzwojenia fazowego pochodzą sygnały.
Do zalet tej metody należą:
• bardzo skuteczna eliminacja zakłóceń zewnętrznych,
• możliwość wykonywania badań przez personel elektrowni,
• użytkownik sam dokonuje interpretacji wyników badań, dysponując odpowiednim
bankiem danych.
Do wad metody należą:
• nadaje się tylko dla hydrogeneratorów, ponieważ wymaga długich połączeń między
gałęziami równoległymi,
• pozwala na wykrycie wnz w części od 10 do 15% długości uzwojenia,
• wymaga instalowania czujników wewnątrz generatora.
139
Dla turbogeneratorów o mocy <100 MW i silników opracowano w Ontario–Hydro pod
koniec lat siedemdziesiątych metodę badań wnz na szynach, stosując przyrząd TGA-B
(Turbine Generator Analyzer-Bus), rys. 2 a i b.
a)
b)
Rys. 2. Sposób zainstalowania kondensatorów sprzęgających na wyprowadzeniach:
a) generatorów, b) silników
Fig. 2. a) Bus coupler instalation for generators, b) Bus coupler instalation for motors
Stosuje się kondensatory sprzęgające 80 pF i transformatory wysokiej częstotliwości.
Dla generatorów stosuje się dwa kondensatory na jedno wyprowadzenie mocy, natomiast dla
silników tylko jeden. Zakłócenia są eliminowane przez propagacje impulsu i/lub przez
tłumienie.
Zalety tej metody to:
• w układzie z dwoma kondensatorami na wyprowadzenie fazowe eliminowane są
wszystkie zakłócenia zewnętrzne,
• w przypadku silników z długimi kablami zasilającymi (> 50 m) zewnętrzne
zakłócenia są w dużej mierze wytłumione,
• badania są na ogół wykonywane przez personel elektrowni,
• kondensatory instaluje się na zewnątrz silników i generatorów.
Wadą metody jest to, że nie eliminuje się zakłóceń powstających wewnątrz maszyn.
Specjalnie dla dużych turbogeneratorów pod koniec lat osiemdziesiątych opracowano
w Ontario-Hydro metodę sprzężeń w żłobkach SSC (Stator Slot Couplers) z przyrządem
TGA o zakresie pomiarowym od 10 do 1000 MHz. Czujniki te są instalowane w żłobkach
pod klinami na wyprowadzeniu uzwojeń fazowych. SSC jest paskową anteną długości około
50 cm, grubości 2 mm i tej samej szerokości co żłobek stojana. Każdy z dwóch końców
czujnika jest wyprowadzony na zewnątrz generatora kablem koncentrycznym. Czujniki są
umieszczone na powierzchni prętów pokrytej lakierem przewodzącym lub między dolnymi i
górnymi prętami. Czujniki SSC nie są narażone na działanie wysokiego napięcia. Zazwyczaj
kontroluje się sześć żłobków stojana. Eliminacja zakłóceń polega na rozróżnieniu kształtu
140
impulsu. Przyjęto, że impuls wnz < 6 ns, impuls zakłóceniowy > 6 ns. Sygnały wyjściowe
z każdego z końców SSC pozwalają na odróżnienie wnz występujących w żłobku od wnz
występujących na końcu pręta. Metoda ta jest stosowana dla turbogeneratorów o mocy
>100 MW.
Do zalet tej metody należą:
• eliminacja wszelkich zakłóceń,
• pomiary i podstawowa interpretacja dokonywane są przez użytkowników,
• nie ma żadnych połączeń wysokonapięciowych.
Do wad tej metody należą:
• czujniki SSC można instalować w turbogeneratorze po wyjęciu wirnika,
• wykrywane są wnz tylko w tych żłobkach, gdzie są zainstalowane czujniki oraz
w sąsiadujących połączeniach czołowych.
2. INTERPRETACJA WYNIKÓW BADAŃ
OTRZYMYWANYCH METODAMI ON-LINE
W zasadzie wszystkie badania wnz są badaniami porównawczymi, a nie
bezwzględnymi. Aby uzyskać najlepszą interpretację, należy na ogół porównać wyniki
otrzymane na podobnych uzwojeniach lub na tej samej maszynie, w funkcji czasu.
Poszczególni badacze podejmują jednak próby określenia dopuszczalnych wartości
bezwzględnych
Na rysunkuwnz
3 przedstawiono
[4, 6].
wykres analizy amplitud impulsów wnz w ciągu 1 s [3, 6].
Rys. 3. Wyniki pomiarów wnz w czasie 1 s
Fig. 3. Pulse height analysis plot: –•– +PD; ––-PD
Przedstawiono wyniki badań wnz otrzymane z analizatora impulsów I.En.
Widać wpływ biegunowości na wyładowania niezupełne:
• stosunek +Qm/–Qm (wartości max wnz) zależy od lokalizacji źródła wnz na przekroju
pręta,
• biegunowość ułatwia identyfikację mechanizmu awarii + wnz > – wnz wyładowanie
na powierzchni żłobka, + wnz ~ – wnz wyładowanie wewnątrz izolacji, + wnz < – wnz
wyładowanie przy miedzi pręta. Powierzchniowe źródło wnz można czasem usunąć przez
naprawę. Zjawisko wpływu biegunowości na wnz jest dobrze znane i opisane w podręcznikach.
141
Znaczny wpływ na wynik pomiarów może mieć stan obciążenia, np. dla poluzowanych
uzwojeń wnz zależą od obciążenia. Rozpatruje się naprężenia mechaniczne działające na
układ izolacyjny na dnie żłobka oraz naprężenia przenoszone przez układ izolacyjny na klin.
Największy wpływ obciążenia na wnz jest widoczny w uzwojeniach z izolacją epoksydowomikową. W przypadku gdy wnz występują w izolacji do uziemionej ścianki żłobka, zależą
one od temperatury uzwojenia. Ze wzrostem temperatury materiał wiążący izolację do
uziemionej ścianki rozszerza się, zamykając puste miejsca (wtrąciny gazowe), tym samym
zmieniając wnz. Znaczniejszy wpływ temperatury obserwuje się w uzwojeniach z izolacją
asfaltową i poliestrową.
W praktyce eksploatacyjnej turbogeneratorów największe znaczenie dla stanu izolacji
mają narażenia termomechaniczne, są bowiem często przyczyną najpoważniejszych zmian
w układzie izolacyjnym. Narażenia te prowadzą do niebezpiecznych rozwarstwień, pęknięć
i innych deformacji układu izolacyjnego oraz zmniejszają jego wytrzymałość elektryczną.
Przyczyną tego są przede wszystkim ruchy uzwojeń względem rdzenia stojana w
następstwie cyklicznych zmian temperatury. Ponieważ na wnz wpływają: obciążenie,
temperatura stojana, napięcie, próby powtarzane mające na celu wyznaczenie ich trendu w
czasie muszą być więc wykonywane w podobnych warunkach. Z wyników badań można
wyznaczyć trend zmian wnz, jeżeli uzwojenie stojana znajduje się przynajmniej przez sześć
godzin w stabilnych warunkach termicznych.
Na podstawie wyników badań wnz można rozróżnić mechanizmy uszkodzeń
i tak np.:
– poluzowanie uzwojenia – wyładowania żłobkowe
• + wnz > – wnz
• + wnz rosną wraz ze wzrostem mocy czynnej i biernej
• + wnz koncentrują się, jeżeli powierzchnia przewodząca pręta jest uszkodzona
• obserwuje się mały wpływ temperatury dla izolacji epoksydowo-mikowej.
– uszkodzenie izolacji przez cykle termiczne
• – wnz > + wnz
• – wnz (przy 45°) rosną ze spadkiem temperatury
– uszkodzenie przewodzącego pokrycia sterującego (uzwojenia z chłodzeniem
powietrznym)
• + wnz > – wnz
• + wnz koncentrują się przy 225° i rosną wraz z temperaturą
• wnz mogą nie zmieniać się wraz z obciążeniem, jeżeli uzwojenia są ściśle ułożone
• mechanizm rozwoju uszkodzenia jest bardzo powolny, jeżeli uzwojenia są ściśle
ułożone
• uszkodzenie izolacji może nastąpić pod wpływem ozonu
– erozja izolacji połączeń czołowych
• wywołana jest zabrudzeniem izolacji, czasem nieprawidłową konstrukcją
• nie ma regularnego wpływu biegunowości
• wnz przesunięte są poza ośrodki 45° i 225°
• często objawia się jako „garb” na wykresie liczby impulsów w funkcji ich
amplitud.
142
4. KRAJOWE DOŚWIADCZENIA W BADANIU WNZ UZWOJEŃ STOJANÓW
GENERATORÓW METODĄ ON-LINE
Od połowy lat osiemdziesiątych wykonujemy w Instytucie Energetyki badania wnz
w eksploatacji on-line. Początkowo wykonywano badania przy użyciu przekładnika
wysokiej częstotliwości, zainstalowanego na przewodzie uziemiającym punkt neutralny
uzwojenia stojana i miernika zakłóceń radioelektrycznych. Wielokrotnymi badaniami objęto
37 turbogeneratorów o mocach od 120 do 500 MW oraz 11 hydrogeneratorów o mocach od
50 do 177,65 MW. Wyniki badań przedstawiono w pracy [4].
Na podstawie badań on-line impulsów elektrycznych w przewodzie łączącym punkt
neutralny uzwojenia stojana z ziemią, wykonywanych przy użyciu miernika zakłóceń
radioelektrycznych, można stwierdzić, że:
• mogą być identyfikowane sygnały pochodzące od wyładowań łukowych w uzwojeniu
stojana (np. w miejscu pęknięcia przewodu elementarnego) w paśmie częstotliwości od 1 do
10 MHz w zależności od mocy i konstrukcji generatora (1 MHz – turbogenerator 500 MW,
od 3 do 7 MHz – turbogeneratory 200 MW) [1, 4];
• można identyfikować wnz spowodowane brakiem połączenia wewnętrznej ochrony
przeciwjarzeniowej z miedzią prętów (przede wszystkim w hydrogeneratorach) [4, 7];
• możliwe jest identyfikowanie zewnętrznych źródeł wyładowań elektrycznych,
pochodzących np. od urządzeń szczotkowych [4];
• powtarzalność wyników jest dobra.
Ze względu na to, że sygnały zakłócające występujące w elektrowni w paśmie
częstotliwości od 10 kHz do 1 MHz są wielokrotnie większe od sygnałów wyładowań
niezupełnych, a miejsce pomiaru jest oddalone od źródeł wnz zlokalizowanych z reguły
w pobliżu wyprowadzeń uzwojeń fazowych, tylko w wyjątkowych przypadkach, gdy
poziom sygnałów zakłóceń zewnętrznych jest niski (np. w elektrowniach wodnych) można
tą metodą ocenić wnz.
Rys. 4. Charakterystyki amplitudowe wnz turbogeneratora
Fig. 4. PD parameters in turbogenerator
143
Badania wyładowań niezupełnych w uzwojeniach stojanów generatorów wykonuje się
za pośrednictwem kondensatorów sprzęgających i przekładników prądowych wysokiej
częstotliwości oraz czwórników RC zainstalowanych w ekranach wyprowadzeń mocy
z generatora [5]. W celu określenia prawdopodobnych miejsc występowania wnz badania
wykonuje się dla polaryzacji dodatniej i ujemnej w ciągu jednego okresu, jednej sekundy,
dwóch sekund i minut. Na rysunku 4 przedstawiono przykładowe zależności liczby
impulsów wnz od ich amplitud w ciągu jednego okresu napięcia.
Dla każdego uzwojenia fazowego analizuje się: wartości intensywności wnz P = ∑
(wnz⋅N), kształt i ilościowe wartości charakterystyki amplitudowej wnz N (wnz) (następnie
wartości te porównuje się z przyjętym poziomem dopuszczalnym), kształt zarejestrowanych
oscylograficznie impulsów wnz. Przykładowo dla izolacji termoutwardzalnej
turbogeneratorów chłodzonych wodorem przyjęto trójstopniową skalę porównawczą (dla
wyników z analizatora impulsów I.En.): 1) stan zadowalający (eksploatacja bez ograniczeń)
wnz < 5000 mV, 2) stan wymagający nadzoru (eksploatacja bez ograniczeń, lecz z częstszą
kontrolą) 5000 mV< wnz < 10 000 mV, 3) stan przedawaryjny (generator należy wyłączyć
w celu wyszukania miejsca uszkodzenia izolacji lub – w razie braku możliwości wyłączenia
generatora – kontrolować stan izolacji w sposób ciągły) wnz > 10 000 mV.
4. PODSUMOWANIE
Na podstawie badań on-line impulsów wysokiej częstotliwości w przewodzie łączącym
punkt neutralny uzwojenia stojana z ziemią, wykonywanych przy użyciu przekładnika
wysokiej częstotliwości i miernika zakłóceń radioelektrycznych można:
• wyróżnić sygnały pochodzące od wyładowań łukowych w uzwojeniu stojana (np.
w miejscu pęknięcia przewodu elementarnego) w paśmie częstotliwości od 1 do 10 MHz
w zależności od mocy i konstrukcji generatora,
• identyfikować wnz spowodowane brakiem połączenia wewnętrznej ochrony
przeciwjarzeniowej z miedzią prętów (przede wszystkim w hydrogeneratorach),
• określić zewnętrzne źródła wyładowań elektrycznych pochodzących od urządzeń
szczotkowych.
Ze względu na to, że sygnały zakłócające występujące w elektrowni w paśmie
częstotliwości od 10 kHz do 1 MHz są wielokrotnie większe od sygnału wyładowań
niezupełnych, a miejsce pomiaru jest oddalone od źródeł wnz zlokalizowanych z reguły
w pobliżu wyprowadzeń uzwojeń fazowych, tylko w wyjątkowych przypadkach, gdy
poziom sygnałów zakłóceń zewnętrznych jest niski (np. w elektrowniach wodnych) można
tą metodą ocenić poziom wyładowań niezupełnych.
Większe możliwości diagnostyczne daje badanie on-line impulsów elektrycznych
bezpośrednio w szynach wyprowadzeń mocy lub w ekranach szyn przy użyciu
szerokopasmowego analizatora amplitudy impulsów. W metodzie tej:
• kontrolą są objęte zarówno uzwojenia stojana, jak i izolatory przepustowe oraz
osprzęt i wyposażenie szyn ekranowanych,
• pomiary są wykonywane w paśmie częstotliwości od 1 do 10 MHz, co minimalizuje
wpływ zakłóceń zewnętrznych na wynik pomiaru,
144
• dla każdego uzwojenia fazowego analizuje się w ciągu jednego okresu napięcia
sieciowego charakterystyki amplitudowe N(wnz) oraz intensywność P = Σ (wnz·N), które są
porównywane z proponowanymi wartościami kryterialnymi.
W celu wyznaczenia prawdopodobnego miejsca wystąpienia uszkodzenia izolacji
wykonuje się badanie wnz w ciągu 1s dla polaryzacji dodatniej i ujemnej.
Przedstawione w pracy metody można stosować również do badania stanu izolacji
innych urządzeń, takich jak np. stacje transformatorowe, rozdzielnice i inne.
LITERATURA
[1] HARROLD R.T., EMERY F. T., Radio frequency diagnostic monitoring of electrical machines, IEEE
Electrical Insulation Magazine, 1986, vol. 2, nr 2.
[2] HENRIKSON M, STONE G. C, KURTZ M., Propagation of partial discharge and noise pulses in turbine generators, IEEE TEC, 1986, vol. EC-1, nr 3.
[3] LYLES J. F., STONE G. C. and KURTZ M., Experience with PDA diagnostic testing on hydraulic generators, IEEE TEC 1988, vol. 3, nr 4.
[4] PRZYBYSZ J., Wykorzystanie zjawiska interferencji elektromagnetycznej do diagnostyki generatorów,
Prace Instytutu Energetyki, 1966, z. 22, Warszawa.
[5] PRZYBYSZ J., Diagnozowanie w czasie rzeczywistym stanu izolacji uzwojeń stojanów generatorów,
Prace Instytutu Energetyki, 1999, z. 24, Warszawa.
[6] STONE G. C., Tutorial on rotating machine off-line and on-line partial discharge testing, Presented to:
CIGRE/EPRI Colloquium on Maintenance and Refurbishment of Utility Turbogenerators, Hydrogenerators and Large Motors. Firenze Italy, April 14–16, 1997.
[7] TUŁODZIECKA E., ANDRZEJEWSKI K., Tworzenie katalogów defektów układów izolacyjnych
uzwojeń stojanów hydro i turbogeneratorów, Praca Instytutu Energetyki, Zakład Izolacji, Poznań, 1996,
NI/STAT/02/96.
DIAGNOSTIC OF WINDINGS INSULATION OF ELECTRICAL MACHINES STATORS
On-line partial discharges (PD) tests insulation of generator stator and motor windings have been described. The rules of interpretation of test results and some examples of the test results are included.