LOKALIZACJA WYŁADOWAŃ NIEZUPEŁNYCH W OLEJOWYCH

ELEKTRYKA
Zeszyt 2-3 (230-231)
2014
Rok LX
Aneta OLSZEWSKA
Politechnika Śląska w Gliwicach
LOKALIZACJA WYŁADOWAŃ NIEZUPEŁNYCH W OLEJOWYCH
TRANSFORMATORACH ENERGETYCZNYCH METODĄ EMISJI
AKUSTYCZNEJ Z WYKORZYSTANIEM DESKRYPTORA ADP
Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki lokalizacji źródeł wyładowań
niezupełnych (WNZ) w wybranym olejowym transformatorze energetycznym.
Lokalizacja ta została przeprowadzona metodą stopnia zaawansowania sygnałów opartą
na obliczeniu specjalnie zdefiniowanych deskryptorów, wyznaczeniu map tych
deskryptorów na ścianach bocznych badanych transformatorów w różnych pasmach
częstotliwości, a następnie przeprowadzeniu analizy sygnałów emisji akustycznej (EA)
zarejestrowanych w obszarach o większym stopniu zaawansowania sygnałów na mapie
wybranego deskryptora. W niniejszym artykule do lokalizacji źródeł WNZ wykorzystano
deskryptor o akronimie ADP.
Słowa kluczowe: wyładowania niezupełne, metoda emisji akustycznej, lokalizacja WNZ, deskryptor
ADP
LOCATION OF PARTIAL DISCHARGES IN POWER OIL TRANSFORMERS
USING ACOUSTIC EMISSION METHOD AND ADP DESCRIPTOR
Summary. The study presents results of the location of partial discharge (PD)
sources in selected power oil transformer. This location has been carried out by the
method of degree of advancement of acoustic emission (AE) signals, the method is based
on the calculation of specially defined descriptors, designation of maps of these
descriptors on lateral walls of transformers in different frequency bands, and then the
analysis of AE signals recorded in areas with a greater degree of advancement of the
signals on the map of the descriptor. In this article the location of PD sources using ADP
descriptor is presented.
Keywords: partial discharges, acoustic emission method, PD’s location, ADP descriptor
1. WPROWADZENIE
Metoda emisji akustycznej, oprócz możliwości stwierdzenia, czy w danym obiekcie
występują wyładowania niezupełne, pozwala na lokalizację źródeł tych wyładowań.
Wykorzystanie sygnałów EA do lokalizacji WNZ jest realizowane na dwa sposoby [1]:
74
A. Olszewska
• metodą największej głośności (MNG) – przez pomiar amplitud sygnałów EA
w różnych odległościach od źródła WNZ,
• metodą triangulacyjną (MT) – przez pomiar czasów dojścia sygnałów EA
do przetworników rozmieszczonych w różnych punktach badanego urządzenia.
Najprostszym sposobem lokalizacji wyładowań niezupełnych jest metoda największej
głośności, zwana również metodą osłuchową. W ramach badań mierzone są wielkości
amplitud sygnałów EA w różnych miejscach na kadzi badanego transformatora. Następnie,
uwzględniając tłumienie fal sprężystych EA, lokalizuje się miejsce w badanym transformatorze (zwane miejscem największej słyszalności sygnałów EA). To miejsce lokalizuje źródło
WNZ.
Metoda triangulacyjna stosowana jest w metodzie EA w celu lokalizacji obszarów
generacji WNZ w transformatorach energetycznych. Lokalizacja tą metodą oparta jest na
pomiarach czasów opóźnienia, z jakimi sygnały EA docierają do czujników pomiarowych
rozmieszczonych w różnych punktach badanego obiektu. Wyznaczenie czasów propagacji
sygnałów EA stanowi podstawowy problem w zastosowaniu metody triangulacyjnej przy
badaniach metodą EA.
Lokalizacja źródeł WNZ przy wykorzystaniu obu metod nie stwarza problemu
w warunkach laboratoryjnych, gdzie pomiary przeprowadzane są na nieskomplikowanych
obiektach, a sygnał EA od źródła do przetwornika pomiarowego propaguje się
w jednorodnym ośrodku. W przypadku pomiarów na rzeczywistych obiektach
energetycznych charakteryzujących się niejednorodnym ośrodkiem prawidłowe wyznaczenie
długości drogi i czasów propagacji sygnałów EA generowanych przez wyładowania
niezupełne może być utrudnione. Skomplikowana i niejednorodna materiałowo budowa
wewnętrzna transformatora wpływa nie tylko na odbijanie się fal EA czy zmianę prędkości
propagacji, ale powoduje również znaczne ich tłumienie. Docierające do przetwornika
pomiarowego sygnały EA pochodzące od WNZ są znacznie wytłumione i odkształcone,
co może wprowadzać błędy w lokalizacji ich źródeł.
W trakcie badań nad metodami lokalizacji WNZ metodą EA, powstały różne
modyfikacje i udoskonalenia opisanych wyżej metod [2, 3], które przyczyniły się
do zwiększenia dokładności lokalizacji WNZ.
W niniejszej pracy do lokalizacji sygnałów EA pochodzących od WNZ rejestrowanych
w rzeczywistym transformatorze energetycznym wykorzystano metodę stopnia
zaawansowania sygnałów, która jest zmodyfikowaną metodą największej głośności.
2. PRZEDMIOT BADAŃ
Przedstawiona w pracy lokalizacja źródeł WNZ została przeprowadzona na podstawie
wyników pomiarów sygnałów EA w olejowym transformatorze energetycznym o przekładni
Lokalizacja wyładowań niezupełnych...
75
110/20/6 kV i mocy znamionowej 25 MVA. Przez cały okres eksploatacji badany
transformator pracował bez zakłóceń. Pomiary zostały przeprowadzone na stacji
elektroenergetycznej w trakcie normalnej pracy tego transformatora. Do badań wykorzystano
system pomiarowy EA DEMA-COMP [4] oraz czujniki D9241A firmy Euro Physical
Acoustics SA. Sygnały EA zarejestrowano w wybranych, dostępnych do pomiarów, punktach
pomiarowych. Punkty te stanowią sieć pomiarową na ścianach bocznych kadzi
transformatorów. W każdym punkcie pomiarowym sygnały były rejestrowane kilkakrotnie,
przy czym każdorazowo była to rejestracja sygnałów o czasie trwania 2 sekundy
(100 okresów napięcia zasilania).
3. LOKALIZACJA WNZ METODĄ STOPNIA ZAAWANSOWANIA SYGNAŁÓW
Metoda stopnia zaawansowania sygnałów opiera się na zaawansowanych deskryptorach EA [5], które nie bazują na wartościach bezwzględnych rejestrowanego sygnału,
określając stopień zawansowania sygnału, który powiązany jest ze stopniem zaawansowania
procesu deformacyjnego. Do deskryptorów tych należy m.in. deskryptor ADP. Sposób
definiowania tego deskryptora został przedstawiony na rysunku 1. Na rozkładach
amplitudowych mocy sygnału oznaczany jest fragment rozkładu, odpowiadający zakresowi
progu dyskryminacji Ud (minimum pochodnej rozkładu liczonej względem progu
dyskryminacji), Ug (90% maksymalnej wartości zarejestrowanego sygnału). Następnie
wyznaczony fragment krzywej aproksymowany jest linią prostą, a deskryptor ma wartość
współczynnika kierunkowego tej prostej. Większa wartość deskryptora (bardziej płaski
fragment krzywej) oznacza wyższy (bardziej zaawansowany) stopień zaawansowania sygnału
EA.
Obliczone wartości deskryptorów stanowią dane wejściowe do wyznaczenia map
deskryptorów na ścianach bocznych kadzi transformatora. Na mapach tych można wyznaczyć
obszary, dla których deskryptor posiada lokalne maksima o dużych wartościach. Sygnały
zarejestrowane w punktach pomiarowych znajdujących się w tak zdefiniowanych obszarach
charakteryzują się większym stopniem zaawansowania. Szczegółowy opis oraz sposób
wyznaczania map deskryptorów został przedstawiony w pracy [6].
76
A. Olszewska
Rys. 1. Obliczanie deskryptora ADP: a) rozkład amplitudowy mocy sygnału, b) pochodna rozkładu
amplitudowego mocy sygnału, c) rozkład amplitudowy mocy sygnału z krzywą aproksymacji
i zakresem progu dyskryminacji (Ud i Ug), d) deskryptor ADP dla rozkładu amplitudowego
z rys. a
Fig. 1. Calculation of ADP descriptor: a) amplitude distribution of signal power, b) derivative
of amplitude distribution of signal power, c) amplitude distribution with approximation curve
and range of threshold (Ud, Ug), d) ADP descriptor for amplitude distribution from fig. a
Mapy deskryptora ADP obliczane są dla analizy sygnałów EA w różnych pasmach
częstotliwości. Zastosowane do filtracji sygnałów pasma częstotliwości zostały tak dobrane,
aby możliwe było rozróżnienie sygnałów pochodzących od różnych źródeł występujących
w olejowych transformatorach energetycznych. Mapa deskryptora ADP przy analizie
zarejestrowanych sygnałów EA w paśmie 20-200 kHz opisuje sygnały EA od wszystkich
źródeł. W paśmie 20-70 kHz występują składowe harmoniczne sygnałów EA pochodzących
od WNZ oraz sygnały pochodzące od innych zjawisk akustycznych. Do obserwacji
i lokalizacji źródeł WNZ w transformatorach metodą EA wybrano zakres 110-200 kHz. Mapy
deskryptora ADP dla badanego transformatora w wybranych pasmach częstotliwości zostały
przedstawione na rysunku 2.
Bazując na mapie deskryptora ADP, na ścianach bocznych kadzi badanego
transformatora w paśmie 110-200 kHz (rys. 2c) wyznaczono obszary, dla których deskryptor
posiada lokalne maksima o dużych wartościach. Dla sygnałów zarejestrowanych w punktach
pomiarowych znajdujących się w tak zdefiniowanych obszarach przeprowadzono
podstawową i zaawansowaną analizę danych, prowadzącą do lokalizacji źródeł WNZ
w badanym transformatorze.
Lokalizacja wyładowań niezupełnych...
77
Rys. 2. Mapy deskryptora ADP na ścianach bocznych kadzi badanego transformatora dla analizy
sygnałów w wybranych pasmach częstotliwości: (a) 20-200 kHz, (b) 20-70 kHz,
(c) 110-200 kHz. Współrzędne punktów kadzi transformatora (X, Y) w centymetrach:
X - położenie bieżące wzdłuż kadzi transformatora, 0 – środek przełącznika zaczepów,
dodatnie wartości X – część kadzi od strony górnego napięcia (GN), ujemne wartości X
– część kadzi od strony dolnego napięcia (DN), Y – wysokość bieżąca na kadzi transformatora,
+ - naniesione punkty pomiarowe
Fig. 2. Maps of ADP descriptor on lateral walls of the tank of transformer within chosen frequency
bands: (a) 20-200 kHz, (b) 20-70 kHz, (c) 110-200 kHz. Tank dimensions (X, Y)
in centimeters: X – running position along the transformer tank, 0 – the center of the tap
changer, positive X values – part of the tank from higher voltage side, negative X values – part
of the tank from lower voltage side, + - marked measuring points
78
A. Olszewska
4. ANALIZA SYGNAŁÓW EA Z WYBRANYCH OBSZARÓW NA MAPIE
DESKRYPTORA ADP
Na mapie deskryptora ADP obliczonego w paśmie 110-200 kHz (rys. 2c) widoczne są
dwa obszary, dla których zarejestrowane sygnały mają największe wartości deskryptora ADP.
Są to obszary, do których docierają sygnały generowane w źródłach WNZ.
Maksymalne wartości deskryptora ADP występują w obszarze znajdującym się
w dolnej części przełącznika zaczepów (PZ) i są to wartości wskazujące na działanie źródła
WNZ odpowiedzialnego za zaawansowany proces deformacyjny. Drugi obszar o dużych
wartościach deskryptora ADP występuje od strony dolnego napięcia (DN) o współrzędnych
X=-380-420 cm, Y=230270 cm.
W celu określenia właściwości sygnałów pochodzących od zidentyfikowanych źródeł
WNZ przeprowadzono analizę sygnałów EA zarejestrowanych w wybranych punktach
pomiarowych, znajdujących się we wskazanych obszarach. W ramach pracy przedstawiono
wyniki analizy sygnałów EA zarejestrowanych w punkcie pomiarowym PA072(2) (X=0 cm;
Y=95 cm) w obszarze PZ oraz w punkcie pomiarowym PA116(3) (X=-415 cm; Y=235 cm)
w obszarze zlokalizowanym od strony DN.
Charakterystyki podstawowe, należące do sygnału zarejestrowanego w punkcie
pomiarowym PA072 przedstawione są na rysunku 3. Obrazują one właściwości sygnałów
pochodzących od zlokalizowanego w obszarze przełącznika zaczepów źródła WNZ.
Sygnał zarejestrowany w punkcie pomiarowym PA072 ma następujące właściwości:
jest okresowy, jego główne pasma częstotliwości to 110-125 kHz oraz 135-145 kHz,
występuje on dwukrotnie w czasie trwania jednego okresu napięcia zasilania w fazach
różniących się o 1800 i jest bardzo dobrze zlokalizowany w fazie. Okresowy charakter tego
sygnału uwidaczniają „wąskie” tunele na charakterystyce fazowo-czasowej (rys. 3c).
Charakterystyki podstawowe dla sygnału pochodzącego od źródła WNZ zlokalizowanego
w okolicy punktu pomiarowego PA116(3) badanego transformatora przedstawione są
na rysunku 4. Główne pasma częstotliwości są identyczne jak dla sygnału przedstawionego
na rysunku 3, ale lokalizacja w fazie dla tego sygnału jest inna. Przedziały, w których sygnał
jest rejestrowany, są szerokie, co może świadczyć o tym, że jest to rozległe źródło WNZ.
Wartość deskryptora ADP dla tego sygnału wskazuje na jego mniejszy stopień
zaawansowania (ADP=-3,78).
Lokalizacja wyładowań niezupełnych...
79
Rys. 3. Podstawowy opis sygnału EA zarejestrowanego w punkcie pomiarowym PA072(2) przy
filtracji w paśmie 110-200 kHz: (a) sygnał, (b) charakterystyka częstotliwościowa,
(c) charakterystyka
fazowo-czasowa,
(d) uśredniona
charakterystyka
fazowa,
(e), (f) uśrednione spektrogramy STFT; ADP = -2,04
Fig. 3. Basic description of AE signal recorded at measuring point PA072(2) within the band of
110-200 kHz: (a) signal, (b) frequency characteristic, (c) phase–time characteristic,
(d) averaging phase characteristic, (e) and (f) averaging STFT spectrograms, ADP = -2,04
Przeprowadzone badania i analizy sygnałów EA dla badanego transformatora wykazały
występowanie:


wyładowania zlokalizowanego w obszarze PZ – okolice punktu pomiarowego
PA072 o współrzędnych X=0 cm; Y=95 cm,
dodatkowego źródła WNZ od strony DN – okolice punktu pomiarowego PA116
o współrzędnych X=-415 cm; Y=235 cm.
Wartości deskryptorów w obszarze znajdującym się w dolnej części PZ wskazują
na działanie źródła WNZ odpowiedzialnego za zaawansowany proces deformacyjny.
Konsultacje z konstruktorami wykazały, że źródłem sygnałów WNZ zarejestrowanych
w okolicy punktu pomiarowego PA116 jest metalowy element konstrukcyjny występujący
w tym obszarze.
80
A. Olszewska
Rys. 4. Podstawowy opis sygnału EA zarejestrowanego w punkcie pomiarowym PA116(3) przy
filtracji w paśmie 110-200 kHz: (a) sygnał, (b) charakterystyka częstotliwościowa,
(c) charakterystyka
fazowo-czasowa,
(d) uśredniona
charakterystyka
fazowa,
(e), (f) uśrednione spektrogramy STFT; ADP = -3,78
Fig. 4. Basic description of AE signal recorded at measuring point PA116(3) within the band of
110-200 kHz: (a) signal, (b) frequency characteristic, (c) phase–time characteristic,
(d) averaging phase characteristic, (e) and (f) averaging STFT spectrograms, ADP = -3,78
5. PODSUMOWANIE
Metoda EA jest szczególnie przydatna do lokalizacji źródeł WNZ, głównie ze względu
na możliwość wykonania pomiarów w warunkach przemysłowych, bez konieczności
wyłączania badanego transformatora z eksploatacji.
W pracy przedstawiono przykład skutecznej lokalizacji źródeł WNZ w olejowym
transformatorze energetycznym metodą stopnia zaawansowania sygnałów. Przeprowadzone
w ramach pracy badania dostarczają informacji o występowaniu w transformatorze źródeł
WNZ, pozwalają na ich lokalizację, jak również określają stopień zaawansowania
rejestrowanych sygnałów EA.
Możliwość określenia miejsca generacji wyładowań niezupełnych i powiązania ich
z określoną częścią układu izolacyjnego może przyczynić się do podjęcia właściwej decyzji
Lokalizacja wyładowań niezupełnych...
81
dotyczącej badanego układu. Właściwa lokalizacja miejsc występowania WNZ pozwala
wnioskować o ich stopniu szkodliwości dla badanej izolacji. W zależności od umiejscowienia
WNZ mogą zostać podjęte działania, zmierzające do wyeliminowania ich przyczyny.
W przypadku transformatora przeznaczonego do remontu, zlokalizowanie miejsca
wystąpienia WNZ może ukierunkować remont, a tym samym skrócić czas jego trwania.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Skubis J.: Emisja akustyczna w badaniach izolacji urządzeń elektroenergetycznych. IPPT
PAN, Warszawa 1993.
Markalous S.M., Tenbohlen S., Feser K.: Detection and location of partial discharges in
power transformers using acoustic and electromagnetic signals. IEEE Transactions
on Dielectrics and Electrical Insulation 15, 6, 2008, p. 1576-1583.
Sikorski W., Siodła K., Morańda H., Ziomek W.: Location of partial discharge sources in
power transformers based on advanced auscultatory technique. IEEE Transactions on
Dielectrics and Electrical Insulation 19, 6, 2012, p. 1948-1956.
Witos F., Olszewska A.: System do analizy sygnałów emisji akustycznej generowanych
przez wyładowania niezupełne w izolacji transformatorów elektroenergetycznych.
„Przegląd Elektrotechniczny” 2012, R. 88, nr 11b, s. 154-157.
Witos F.: Badania wyładowań niezupełnych metodą emisji akustycznej i metodą
elektryczną. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2008.
Olszewska A.: Identyfikacja i lokalizacja sygnałów emisji akustycznej w olejowych
transformatorach energetycznych. Rozprawa doktorska, Gliwice 2014.
Dr inż. Aneta OLSZEWSKA
Politechnika Śląska w Gliwicach
Wydział Elektryczny, Katedra Optoelektroniki
ul. Akademicka 2
44-100, Gliwice
Tel. 698-668-645; [email protected]