PDF version - Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny

ELEKTRYKA
Zeszyt 2-3 (230-231)
2014
Rok LX
Andrzej SIKORA, Barbara KULESZ
Politechnika Śląska w Gliwicach
ZASTOSOWANIE METODY ROZMYTEJ FALI NAPIĘCIOWEJ
W POMIARACH IZOLACJI MASZYN ELEKTRYCZNYCH
Streszczenie. W artykule przedstawiono problem przyspieszenia starzenia się
izolacji w maszynie elektrycznej współpracującej z energoelektronicznym układem
przekształtnikowym. Opisano metodę oceny stanu izolacji bazującej na generacji napięcia
zmiennego przy przerwaniu obwodu zasilanego prądem stałym. Pokazano przykłady
odpowiedzi różnych układów izolacyjnych przy zastosowaniu tej metody.
Słowa kluczowe: maszyna elektryczna, układ izolacyjny, degradacja izolacji, fala napięciowa
FREQUENCY RESPONSE METHOD IN DIAGNOSING CONDITION OF
INSULATION SYSTEM IN ELECTRICAL MACHINES
Summary. The paper presents problem of accelerated insulation aging in electrical
machine cooperating with power electronics converter. The method of assessing
insulation’s condition based on generation of ac voltage during breaking dc current
flowing through the circuit is described. Examples of ac voltage wave generated in
different insulation systems are shown.
Keywords: electrical machine, insulation system, insulation degradation, voltage wave
1. SPECYFIKA PRACY MASZYNY ELEKTRYCZNEJ ZASILANEJ
Z PRZEKSZTAŁTNIKA ENERGOELEKTRONICZNEGO
Od kilkunastu lat obserwuje się lawinowy wzrost zastosowania nowoczesnych układów
przetwarzania energii, złożonych z transformatorów współpracujących z układami
przekształtnikowymi. Układy takie są stosowane w przemyśle, tam gdzie np. wymagane jest
zasilanie odbiorników dużej mocy jakimś nietypowym napięciem (odbiory prądu stałego lub
przemiennego inne niż typowe trójfazowe), w energetyce rozproszonej, gdyż pozyskiwanie
energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, takich jak farmy baterii słonecznych oraz
wysokosprawne małe elektrownie wodne i elektrownie wiatrowe, z generatorami
synchronicznymi najczęściej wzbudzanymi magnesami trwałymi, wymaga dostosowania
104
A. Sikora, B. Kulesz
częstotliwości i napięcia do parametrów sieci elektroenergetycznej. Stosowane są też
w mniejszych układach, np. układach ładowania akumulatorów. W energetyce częściej
stosowane są transformatory olejowe (z izolacją papierowo-olejową lub bawełniano-olejową),
gdyż są znacznie tańsze od transformatorów suchych, a bezpieczeństwo pożarowe i ekologiczne w energetyce nie stanowi problemu, albowiem transformatory olejowe w energetyce są
stosowane powszechnie od wielu lat i zagadnienie jest dobrze opanowane.
W eksploatacji maszyn elektrycznych kluczową rolę odgrywa stan izolacji uzwojeń.
Degradacja izolacji wskutek postępującego upływu czasu jest zjawiskiem naturalnym, może
również następować wskutek warunków pracy maszyny. Postępujące osłabienie izolacji może
w rezultacie prowadzić do awarii maszyny, np. w wyniku zwarcia zwojowego, fazowego lub
doziemienia.
Transformatory mogą być połączone z przekształtnikami energoelektronicznymi po
stronie napięcia pierwotnego lub wtórnego. Często układy takie wykorzystują sterowanie typu
PWM. Napięcie podawane na uzwojenia transformatora nie jest więc napięciem sinusoidalnym o częstotliwości 50 Hz, lecz jest to ciąg impulsów prostokątnych o zmiennej szerokości i częstotliwości zależnej od szybkości kluczowania zaworów energoelektronicznych.
Cechą charakterystyczną takiego typu sterowania jest występowanie bardzo dużej szybkości
zmian (w szczególności narastania) napięcia, rzędu kilkudziesięciu do kilkuset V/s, czyli
o co najmniej 3 rzędy wyższej niż w układach z napięciem sinusoidalnym o częstotliwości
50 Hz. Zachodzi pytanie, czy zmiana rodzaju zasilania będzie oddziaływać na eksploatację
transformatora (w sensie np. pogarszania się parametrów izolacji). Przy transformatorach
suchych z izolacją np. żywiczną problem nie jest istotny. Standardowo transformatory
olejowe mają izolację o odporności cieplnej klasy A, to jest 105°C, gdyż zarówno olej, jak
i izolacja zwojowa (papier lub bawełna) w wyższej temperaturze ulegają degradacji. Praktyka
eksploatacyjna wykazała, że żywotność transformatorów olejowych współpracujących
z przekształtnikami energoelektronicznymi jest kilka razy mniejsza od żywotności
transformatorów zainstalowanych w sieciach elektroenergetycznych i pracujących przy stałej
częstotliwości i stałym napięciu.
Zjawisko szybszej degradacji izolacji międzyzwojowej przy zasilaniu napięciem innym
niż sinusoidalne jest doskonale znane i opisane w przypadku popularnego napędu
przekształtnikowego złożonego z falownika napięcia i silnika indukcyjnego klatkowego
[10,11,12,13,20,22]. Izolacja takiego silnika pracuje w znacznie trudniejszych warunkach niż
izolacja silnika zasilanego napięciem sinusoidalnym. Im krótsze są czasy narastania napięcia
w poszczególnych impulsach prostokątnych napięcia zasilającego (poniżej 1 s), tym bardziej
ujawniają się zjawiska falowe w układzie przewody zasilające – silnik. Przewody takie można
rozpatrywać jako linię długą złożoną z szeregu czwórników typu zawierających szeregowo
indukcyjności i równolegle pojemności. Takie rezonansowe obwody skutkują pojawianiem
się w układzie przebiegów o częstotliwościach rzędu kilkunastu-kilkudziesięciu MHz.
Zastosowanie metody rozmytej fali napięciowej…
105
Przebiegi te powodują m.in. ładowanie pojemności (w szczególności międzyzwojowych
uzwojeń) silnika, co z kolei prowadzi do występowania przepięć na zaciskach silnika. Zależą
one głównie od charakteru impulsów napięciowych (kształt, częstotliwość), typu i długości
przewodów zasilających. Występujące przepięcia mogą być kilka razy wyższe od napięcia
znamionowego danego uzwojenia.
Maksymalna szybkość narastania napięcia (du/dt)max jest definiowana tak, jak to zaznaczono na rys.1c, czyli (du/dt)max=(0,9UDC-0,1UDC)/tr. W literaturze napięcie maksymalne na
uzwojeniu przyjęto określać Umax = 2,1UDC, przy czym napięcie stałe w obwodzie pośredniczącym prostownik-falownik, z uwagi na dużą wartość pojemności (falownik napięciowy),
przyjmuje się dla prostownika zasilanego napięciem 3-fazowym UDC=22Uf. Dla falownika
zasilanego z sieci 3x400 V, Uf = 231 V; UDC = 653 V; Umax=1371V~6UfN.
Minimalny czas narastania napięcia na uzwojeniu od wartości 0,1UDC do 0,9UDC wynosi
(tr)min  0,45 s, stąd maksymalna szybkość narastania napięcia (du/dt)max = 1450 V/s.
b)
a)
C z1
C
C z2
C
R
L
C o1
C
C o2
C
UPWM
C z3
C
C o3
C
C z4
C
UPWM
Cz1
C o4
C
C z5
C
C o5
C
c)
u(t)
Umax
0,9UDC
UDC
0,1UDC
0 t
r
t
Rys. 1a) Przykładowy schemat zastępczy uzwojenia silnika z pojemnościami do masy Co i międzyzwojowymi Cz; b) schemat zastępczy dla chwili (t = 0) załączenia impulsu napięcia, c) wygenerowane przepięcie na uzwojeniu
Fig. 1a) Exemplary equivalent scheme for motor winding – Co are capacitances between winding and
ground, Cz are turn-to-turn capacitances; b) equivalent scheme for voltage switching time
instant (t = 0), c) overvoltage generated at winding
106
A. Sikora, B. Kulesz
Jak wynika z pojemnościowego schematu zastępczego uzwojenia – rys.1a, w pierwszej
mikrosekundzie prawie całe napięcie odkłada się na pierwszych zwojach uzwojenia, gdyż
Co>>Cz, a następnie przechodzi na pozostałe zwoje. Gdy przebieg napięcia na uzwojeniu
ustali się, wówczas jego rozkład na poszczególnych zwojach jest równomierny.
Szybkość narastania napięcia zasilania jest tego samego rzędu co czas propagacji
napięcia wzdłuż uzwojenia silnika; impulsy są więc tłumione na kolejnych zwojach, czyli
najwyższe napięcie odkłada się na pierwszych zwojach uzwojenia (nawet do 85% napięcia
zasilania). Napięcie to często już jest wyższe od napięcia zapłonu korony wyładowań
niezupełnych. Napięcie zapłonu nie jest stałe, gdyż zależy przede wszystkim od wykonania
uzwojenia (budowa, rodzaj izolacji) i warunków środowiskowych pracy (temperatura,
wilgotność, atmosfera chemiczna). Wyładowania rozwijające się w szczelinach, mikropęknięciach. banieczkach powietrza istniejących w izolacji emitują fale elektromagnetyczne
i promieniowanie ultrafioletowe i podwyższają lokalnie temperaturę. Powietrze w szczelinach
na skutek pola elektrycznego o wysokim natężeniu ulega silnemu zjonizowaniu. W wysokiej
temperaturze i w obecności pola elektrycznego zachodzą reakcje chemiczne głównie między
aktywnym tlenem i stałym dielektrykiem izolacji. Powstają związki chemiczne, m.in. gazowe
(tlen, ozon, tlenki azotu), ciekłe (woda, kwasy) i stałe, co prowadzi np. do wzrostu przewodności powierzchniowej dielektryka, powstaje też żrący kwas azotowy. Zwiększone straty
dodatkowe w silniku i straty dielektryczne prowadzą do zwiększonego przyrostu temperatury
silnika. Zwiększony jest hałas magnetyczny i drgania. Reasumując, za postępującą degradację
izolacji silnika (ale również przewodów zasilających) odpowiadają procesy cieplne i chemiczne, będące skutkiem oddziaływania pola elektrycznego, temperatury i wilgotności.
Wiele firm stosuje specjalne układy izolacyjne w silnikach przeznaczonych do pracy
z przekształtnikami (ang. Inverter Grade Insulation System - wprowadzony przez firmę
U.S.Electrical Motors, polegający na zwiększeniu grubości izolacji, przewody emaliowane
o zwiększonej odporności na wyładowania koronowe). Te metody są stosowane już od lat
90. XX w.
Specyfika zasilania transformatora z przekształtnika energoelektronicznego jest podobna
jak w przypadku silników i polega na tym, że przekształtnik generuje ciąg impulsów prostokątnych napięcia o dużej częstotliwości (rzędu kilkuset do kilku kHz) równej częstotliwości
przełączania zaworów energoelektronicznych i o dużej stromości narastania napięcia
(w pojedynczym impulsie napięciowym - rzędu 100V/μs - p. rys. 2 i 5). Podobnie jak
w silnikach, tego typu zasilanie powoduje silnie nierównomierny rozkład napięcia wzdłuż
uzwojenia, nierównomierne narażenie izolacji poszczególnych zwojów i szybko postępującą
degradację izolacji zwojowej. Dodatkowo pojawiają się lokalne przegrzania uzwojeń i izolacji. Problem ten jest stosunkowo słabo rozpoznany w literaturze przedmiotu i transformatory olejowe stosowane w układach z przekształtnikami energoelektronicznymi
Zastosowanie metody rozmytej fali napięciowej…
107
projektowane są nadal według zasad wypracowanych dla klasycznych transformatorów
energetycznych, tj. zasilanych napięciem sinusoidalnym o częstotliwości przemysłowej.
Autorom znany jest przykład układu zasilającego odlewniczy piec indukcyjny, składający
się z transformatora trójfazowego olejowego (SN = 670 kVA; U1N = 3x6 (1 ± 0,0225) kV;
I1N = 64,47 A; U2N = 3x590 V; I2N = 656,6 A; układ połączeń Dy11; uz% = 5,85%; rok
budowy 2006) i przekształtnika energoelektronicznego: 3xAC/1xAC o częstoliwości
kluczowania napięcia ok. 400 Hz. Układ zasilania został zainstalowany w piecu odlewniczym w 2007 roku. Transformator ten ma uzwojenie pierwotne połączone w trójkąt, zaś jego
uzwojenie wtórne połączone jest w gwiazdę z izolowanym punktem neutralnym, co wynika
ze specyfiki konstrukcji układu chłodzenia wodą cewki wzbudnika. Pomimo że prąd
pobierany z transformatora jest znacznie odkształcony, co wynika z pracy transformatora na
prostownik, napięcia międzyfazowe mają przebiegi sinusoidalne tylko lekko odkształcone
(rys. 3). Brak uziemienia punktu neutralnego gwiazdy pozwala na występowanie dowolnego
(zmieniającego się z wraz częstotliwością kluczowania zaworów energoelektronicznych)
napięcia między punktem neutralnym gwiazdy a uziemieniem transformatora.
1500
napięcie fazowe u A w V
1000
500
0
0
0,005
0,01
0,015
-500
-1000
-1500
czas t w s
Rys. 2. Przebieg napięcia fazowego transformatora, szybkość zmian 115V/s
Fig. 2. Transformer’s phase voltage waveform, voltage rate 115V/s
0,02
0,025
108
A. Sikora, B. Kulesz
napięcie międzyfazowe u AB w V
1000
500
0
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
-500
-1000
czas t w s
Wartość napięcia w V
Rys. 3. Przebieg napięcia międzyfazowego transformatora
Fig. 3. Transformer’s phase-to-phase voltage waveform
częstotliwość w Hz
Rys. 4. Widmo napięcia fazowego transformatora w zakresie do 8000 Hz, THD = 114%
Fig. 4. Harmonic spectrum of transformer’s phase voltage in the frequency range up to 8000 Hz,
THD = 114%
Zastosowanie metody rozmytej fali napięciowej…
109
napięcie fazowe u A w V
1500
1200
900
600
300
0
0,0019
0,002
0,0021
0,0022
0,0023
0,0024
czas t w s
Rys. 5. Przebieg napięcia fazowego- zbocze impulsu prostokątnego z rys. 2
Fig. 5. Transformer’s phase voltage – rising edge of voltage shown in Fig. 2
W czerwcu 2012 r. przeprowadzono badania diagnostyczne izolacji transformatora [16].
Zostały one wykonane standardowo przez analizę chromatograficzną gazów rozpuszczonych
w oleju, oznaczenie ich składu i koncentracji oraz interpretację wyników [3].
Ilorazy stężeń koncentracji gazów palnych wynoszą: C2H2/C2H4 = 0,9x10-3 (wartość <
0,1); CH4/H2 = 21,6 (wartość > 1); C2H4/ C2H6 = 1,75 ( wartości zawarte w przedziale 1 - 4).
Koncentracje gazów w stosunku do wartości dopuszczalnych zostały przekroczone np. dla
metanu ponad 17 razy, dla etanu ponad 36 razy, dla etylenu prawie 42 razy, dla propylenu 818
razy. Sumarycznie dla wszystkich gazów palnych stężenie w l/l zostało przekroczone
56648/2500, czyli ponad 22 razy.
Podane w nawiasach wartości graniczne świadczą, że lokalnie temperatura w transformatorze osiągała wartość w przedziale 300ºC-700ºC (przy izolacji klasy A, czyli temperaturze
maksymalnej trwale dopuszczalnej równej 105ºC). Izolacja papierowa transformatora była
więc silnie przegrzana. Badania oleju transformatora wykazały, że po upływie około 7 lat olej
uległ głębokiej degradacji, co negatywnie wpływa na jakość izolacji i istotnie zagraża
żywotności transformatora. W klasycznych układach elektroenergetycznych żywotność
nieprzeciążanych transformatorów ze względu na jakość izolacji przyjmuje się na około
40 lat.
110
A. Sikora, B. Kulesz
2. BADANIA IZOLACJI MASZYN ELEKTRYCZNYCH
Znanych jest wiele metod pozwalających na ocenę stanu izolacji głównej i zwojowej
maszyny elektrycznej, podobnie jak zdefiniowanych jest wiele różnych parametrów
opisujących stan tej izolacji. Można tu przytoczyć np. metodę badania izolacji głównej
napięciem stałym (polaryzacyjną) czy też metodę badania udarami napięciowymi. Zastosowanie konkretnej metody uzależnione jest od postawionego celu badań, od dostępnej aparatury,
umiejętności diagnosty itp. Z czysto inżynierskiego punktu widzenia pożądane jest, aby użyta
metoda pomiaru była tania, prosta w implementacji i przede wszystkim prosta w interpretacji.
Do takich metod zaliczyć można metodę rozmytej fali napięciowej pod pewnymi warunkami
opisanymi w podrozdziale 2.1, a wynikającymi ze specyfiki tej metody.
2.1. Metoda rozmytej fali napięciowej
Metoda ta używana jest przede wszystkim do badań izolacji zwojowej [7, 8, 9, 18, 26, 27,
28]. Ponieważ uszkodzenie izolacji głównej jest w większości przypadków pochodną stanu
(postępującej degradacji) izolacji zwojowej, zaś izolacja ta starzeje się szybciej, można więc
jej użyć również do badania izolacji głównej maszyny. W metodzie tej zakłada się, że
schemat układu izolacyjnego silnika można przedstawić jako kombinację elementów R, L, C,
odwzorowujących rezystancje oraz indukcyjności zezwojów i rezystancje i pojemności
izolacji głównej. Przykład takiego schematu podano na rys.6.
R9
C5
R5
R3
R1
C3
C1
L1
R6
U DC
R10
C6
R7
C4
R8
R4
R2
L2
C2
Rys. 6. Przykładowy schemat układu izolacyjnego dla cewki składającej się z dwóch zwojów: R1, R2 –
rezystancje zezwojów, L1, L2 – indukcyjności zezwojów, C1 do C6 – pojemności izolacji
głównej, R3 do R10 – rezystancje izolacji głównej
Fig. 6. Example of insulation’s equivalent scheme for winding consisting of two turns: R1, R2 – turns’
resistances, L1, L2 – turns’ inductances, C1 to C6 – main insulation’s capacitances, R3 do R10 –
main insulation’s resistances
Zastosowanie metody rozmytej fali napięciowej…
111
Układ taki zasila się napięciem stałym tak, aby płynący przez uzwojenie prąd był nie
większy od 10% prądu znamionowego uzwojenia. Następnie przerywa się obwód i rejestruje
przebieg fali napięciowej wzbudzonej w uzwojeniu. Pomiary powtarza się, o ile to możliwe,
dla wszystkich uzwojeń fazowych maszyny oddzielnie, jeśli nie, to dla uzwojeń połączonych
ze sobą. Na tym kończy się część pomiarowa metody.
Z pomierzonego przebiegu napięcia należy określić następujące wielkości:
– częstotliwość oscylacji napięcia
– obwiednię przebiegu,
– wartość maksymalną indukowanego napięcia.
Częstotliwość oscylacji nie zależy od wartości przerywanego prądu ani też od
parametrów źródła zasilającego, tylko od parametrów schematu zastępczego uzwojenia.
Jeśli izolacja zwojowa uzwojenia jest w dobrym stanie, to generowana przy wyłączeniu
prądu fala napięciowa rozkłada się równomiernie na poszczególne zwoje cewki, zaś
częstotliwość generowanego napięcia zależy od parametrów uzwojenia i parametrów izolacji
zwojowej. Wzrost częstotliwości napięcia już o 5% przy zachowaniu kształtu, czyli obwiedni
napięcia świadczy o pogorszeniu się izolacji zwojowej uzwojenia. Zmiana kształtu napięcia
indukowanego również świadczy o pogorszeniu się izolacji zwojowej.
Zasadniczą cechą tej metody jest fakt, że układy izolacyjne maszyn są w pewnym sensie
niepowtarzalne, czyli każda maszyna charakteryzuje się unikalnym schematem zastępczym
układu izolacyjnego. Wskutek tego nie można określić uniwersalnych wartości parametrów
odpowiadających danemu stopniowi zużycia izolacji. Wyniki pomiarów muszą być więc
porównywane z wynikami badań prowadzonych wcześniej, a najlepiej przeprowadzonych dla
izolacji nowej tej samej maszyny. Metoda ta doskonale się więc nadaje dla monitorowania
w długim przedziale czasowym stanu izolacji, natomiast określenie na jej podstawie stanu
izolacji bezpośrednio (bez dysponowania wynikami badań wcześniejszych) nie jest możliwe.
2.2. Ilustracja metody rozmytej fali napięciowej – badania laboratoryjne
Metoda napięciowej fali rozmytej zostanie przedstawiona na przykładzie testów
przeprowadzonych na uzwojeniu stojana maszyny indukcyjnej. Badanie wykonano dla 3 stojanów o identycznych uzwojeniach (ta sama liczba zwojów, długość i przekrój drutu, powłoka
lakiernicza), przy czym stojan nr 1 nie był impregnowany, stojan nr 2 był impregnowany
metodą kropelkową, zaś stojan nr 3 był impregnowany metodą próżniową (VPI). Były to
stojany wykonane specjalnie dla potrzeb badań, nigdy nie pracowały w maszynie
elektrycznej. Wielkość mechaniczna odpowiadała produkowanym silnikom o wzniosie wału
80 mm. Widok jednego ze stojanów przedstawia rys. 7, zaś wygenerowane przebiegi napięcia
rys. 8.
112
A. Sikora, B. Kulesz
Rys. 7. Obiekt badań – stojan silnika indukcyjnego (zdjęcie własne)
Fig. 7. Test object – stator of induction motor (authors' photo)
a)
1500
1000
napięcie w V
500
0
0
0,00005
0,0001
-500
-1000
-1500
czas w s
b)
1500
1000
napięcie w V
500
0
0
0,00005
-500
-1000
-1500
czas w s
0,0001
Zastosowanie metody rozmytej fali napięciowej…
113
c)
1500
1000
napięcie w V
500
0
0
0,00005
0,0001
-500
-1000
-1500
czas w s
Rys. 8. Wygenerowane przebiegi napięcia: a) dla stojana nr 1 (brak impregnacji), b) dla stojana nr 2
(impregnacja metodą kropelkową), c) dla stojana nr 3 (impregnacja metodą próżniową)
Fig. 8. Generated voltage waveforms: a) stator #1 – not impregnated, b) stator #2 – impregnated by
trickle process, c) stator #3 – impregnated with VPI method
W tabeli 1 podano wielkości opisujące przebiegi z rys. 8.
Tabela 1
Wielkości charakterystyczne dla przebiegów wygenerowanych napięć
Wielkość
Częstotliwość przebiegu
w kHz
Wartość maksymalna
wygenerowanego
napięcia w V
Logarytmiczny
dekrement tłumienia
Stojan nr 1
(brak
impregnacji)
Stojan nr 2
(impregnacja
metodą
kropelkową)
Stojan nr 3
(impregnacja metodą
próżniową)
47,9
49,6
72,5
940
980
1340
1,18
1,25
1,42
3. PODSUMOWANIE
Zastosowanie w obwodach współpracujących z transformatorami przekształtników
energoelektronicznych postawiło przed użytkownikami nowe problemy eksploatacyjne.
Zasilanie uzwojeń transformatorów napięciem nie sinusoidalnym, wolnozmiennym o częstotliwości przemysłowej (50 Hz), lecz prostokątnym o częstotliwościach rzędu kilku kHz,
sprawiło, że izolacja uzwojeń poddana jest narażeniom zupełnie nowego typu. Szybkości
narastania napięcia, o kilka rzędów wyższe niż przy napięciach sinusoidalnych 50 Hz,
sprawiają, że napięcie nie rozkłada się na uzwojeniu równomiernie, powstają lokalne
naprężenia i ogniska podwyższonej temperatury, co sprawia, że degradacja izolacji postępuje
114
A. Sikora, B. Kulesz
znacznie szybciej niż w przypadku transformatorów pracujących w obwodach “konwencjonalnych”. W szczególności problem ten jest istotny dla transformatorów olejowych. Stałe
monitorowanie stanu izolacji jest więc niezmiernie ważne z punktu widzenia niezawodności
eksploatacyjnej układów.
Metoda rozmytej fali napięciowej jest jedną z wielu metod diagnostyki izolacji uzwojeń
maszyn elektrycznych. Charakteryzuje się znaczną prostotą pomiaru, wymaga bowiem
zastosowania prostego układu zasilania uzwojenia, pozwalającego na przepływ przez
uzwojenie niewielkiego prądu stałego (ok. 10% prądu znamionowego) z układem
rozłączającym prąd (np. klucz energoelektroniczny) i układu rejestrującego odpowiedź
napięciową (np. oscyloskop cyfrowy z możliwością rejestracji danych). Przykłady fal
napięciowych wygenerowanych w ten sposób na kilku uzwojeniach skonstruowanych
specjalnie dla celów badań podano w artykule, wyróżniając jednocześnie pewne wielkości
charakteryzujące te przebiegi, odmienne dla różnych rodzajów zastosowanej izolacji głównej.
Nie jest to metoda pozwalająca na bezwzględną i bezpośrednią ocenę stanu izolacji, natomiast
doskonale się sprawdza przy okresowej systematycznej diagnostyce, charakteryzuje się
taniością i łatwością zastosowania.
BIBLIOGRAFIA
1. Opis patentowy PL 210409 B1: Sposób badania diagnostycznego izolacji zwojowej.
T. Glinka, A. Polak, A. Decner. Właściciel BOBRME Komel.
2. Polska Norma PN-83/E-06040. Transformatory. Wymagania ogólne.
3. Polska Norma PN-EN 60567:2012. Urządzenia elektryczne olejowe. Pobieranie próbek
gazów oraz analiza gazów wolnych i rozpuszczonych.
4. Ramowa Instrukcja Eksploatacji Generatorów Synchronicznych. Tabela 3.9.3.
Energopomiar, Gliwice 2009.
5. Ramowa Instrukcja Eksploatacji Transformatorów. ZPBE Energopomiar-Elektryka,
Gliwice 2006.
6. Chao Tang, Rui-jin Liao, Li-jun Yang, Fei-long Huang: Research on the dielectric
properties and breakdown voltage of transformer oil-paper insulation after accelerating
thermal ageing. International Conference on High Voltage Engineering and Application
(ICHVE), 11-14 Oct. 2010, p. 389-392.
7. Decner A., Polak A.: Kryteria oceny zużycia izolacji zwojowej. Zeszyty Problemowe
BOBRME Komel „Maszyny Elektryczne” 2009, nr 81, s. 51-54.
8. Decner A., Glinka T., Polak A., Zawilak J.: Izolacja zwojowa – badania diagnostyczne.
„Przegląd Elektrotechniczny” 2008, R.84, Nr 12, s. 35-37.
Zastosowanie metody rozmytej fali napięciowej…
115
9. Decner A., Glinka T., Polak A.: Badania diagnostyczne izolacji zwojowej. Zeszyty
Problemowe BOBRME Komel „Maszyny Elektryczne” 2008, nr 79, s. 103-106.
10. Fabiani D., Montanari G.C.: The effect of voltage distortion on ageing acceleration of
insulation systems under partial discharge activity. IEEE Electrical Insulation Magazine,
volume 17, issue 3, May-June 2001, p. 24-33.
11. Fabiani D., Cavallini A., Montanari G.C.: Aging investigation of motor winding
insulation subjected to PWM-supply through PD measurements. 2005 Annual Report
Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2005, CEIDP '05, p. 434437.
12. Florkowska B., Florkowski M., Furgal J., Roehrich J., Zydron P.: The voltage stresses of
insulation systems under PWM inverter supplies. IEEE Conference on Electrical
Insulation and Dielectric Phenomena, 2009. CEIDP '09, p. 372-375.
13. Florkowska B., Florkowski M., Roehrich J., Zydron P.: The influence of PWM stresses
on degradation processes in electrical insulation systems. 2010 Annual Report Conference
on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), 17-20 Oct. 2010, p. 1-4.
14. Glinka T.: Badania diagnostyczne maszyn elektrycznych w przemyśle. Wyd BOBRME
Komel, Katowice 2002.
15. Glinka T., Jakubiec M., Kłapciński K., Kulesz B.: Wyładowania niezupełne w izolacji
zwojowej maszyn elektrycznych zasilanych z falowników PWM. Zeszyty Problemowe
BOBRME Komel „Maszyny Elektryczne” 2001, Nr 62, s. 17-22.
16. Glinka T., Olech W., Kulesz B., Sikora A.: Identyfikacja warunków pracy transformatora
olejowego współpracującego z układem energoelektronicznym. Materiały konferencyjne
energetyki „Innowacje dla energetyki”. Wydawca: TurboCare, Lubliniec, 11-13.09.2013.
s. 73-83.
17. Glinka T., Olech W., Glinka M.: Impact of generator and power grid on unit transformer
reliability. „Przegląd Elektrotechniczny” 2012, R.88, Nr 12a, s. 101-105.
18. Grubic S., Aller J.M., Bin Lu, Habetler, T.G.:A Survey on Testing and Monitoring
Methods for Stator Insulation Systems of Low-Voltage Induction Machines Focusing on
Turn Insulation Problems. “IEEE Transactions of Power Electronics” 2008, Volume 55,
Issue 12, p. 4127-4136.
19. Heinemann, L.: An actively cooled high power, high frequency transformer with high
insulation capability. Proc. of Applied Power Electronics Conference and Exposition,
2002. APEC 2002. Seventeenth Annual IEEE, 2002. Vol. 1, p. 352-357.
20. Hyypio D.B.: Effects of risetime and cable length on motor insulation degradation
resulting from operation on PWM voltage source inverters. IEEE International Electric
Machines and Drives Conference Record, 1997, p. TC3/2.1-TC3/2.3.
21. Kohtoh, M. Ueta, G. Okabe, S. Amimoto, T. Transformer insulating oil characteristic
changes observed using accelerated degradation in consideration of field transformer
116
A. Sikora, B. Kulesz
conditions. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, June 2010,
Vol. 17, Is. 3, p. 808-818.
22. Lebey T., Castelan P., Montanari G.C., Ghinello I.: Influence of PWM-type voltage
waveforms on reliability of machine insulation system. Proceedings of 8th International
Conference On Harmonics and Quality of Power Proceedings, 1998, Vol. 2, p. 994-998.
23. Massingue F., Meijer S., Agoris P.D., Smit J.J., Lopez-Roldan J.: Partial discharge pattern
analysis of modeled insulation defects in transformer insulation .Conference Record of the
2006 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 2006, p. 542-545.
24. Nerkar Y.P., Senthil Kumar S., Narayanachar M.N., Nema R.S.: Partial discharge
oscillograms and pulse distribution in transformer oil-pressboard insulation. Proceedings
of the 1999 IEEE 13th International Conference on Dielectric Liquids, 1999, p. 265-268.
25. Pasternack B.M., Provanzana J. H., Wagenaar L. B.: Analysis of a Generator step-up
Transformer failure following faulty synchronization. „IEEE Transactions on Power
Delivery” 1988, Vol. 3, No. 3, July 1988.
26. Perisse F., Werynski P., Roger D.: A New Method for AC Machine Turn Insulation
Diagnostic Based on High Frequency Resonances. “IEEE Transactions on Dielectrics and
Electrical Insulation” 2007, Vol. 14, Iss. 5, p. 1308-1315.
27. Saha, T.K., Purkait, P.: Investigation of an expert system for the condition assessment of
transformer insulation based on dielectric response measurements. “IEEE Transactions on
Power Delivery” 2004, Vol. 19, Iss. 3, p. 1127-1134.
28. Saha T.K.: Review of modern diagnostic techniques for assessing insulation condition in
aged transformers. ”IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation” 2003,
Vol. 10, Iss. 5, p. 903-917.
29. Васютинсқий С. Б.: Вопросы теории и расчета трнсформаторов. (Глава 7-4
Перенапряҗеия в трансформаторах. Стр. 310-325). Издательство „Энергия”, 1970.
Dr inż. Andrzej SIKORA
Dr hab. inż. Barbara KULESZ
Politechnika Śląska
Wydział Elektryczny
Instytut Elektrotechniki i Informatyki
ul. Akademicka 10
44-100 Gliwice
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]