Możliwości zastosowania metody emisji akustycznej do diagnostyki

Paweá BERGER1,2, Sebastian BORUCKI1, Andrzej CICHOē1
Politechnika Opolska, Wydziaá Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Instytut Elektroenergetyki i Energii Odnawialnych (1),
EthosEnergy Poland S.A., ul. PowstaĔców ĝląskich 85, 42-701 Lubliniec (2)
doi:10.15199/48.2015.10.05
MoĪliwoĞci zastosowania metody emisji akustycznej do
diagnostyki zestawu trzech jednofazowych przeáączników
zaczepów zainstalowanych w transformatorze
elektroenergetycznym
Streszczenie. W artykule przedstawiono praktyczny przykáad diagnostyki podobciąĪeniowych przeáączników zaczepów (PPZ) z wykorzystaniem
metody emisji akustycznej (EA). Badania przeprowadzono dla zestawu trzech przeáączników jednofazowych typu 3xVRC I 701 zainstalowanych w
trójfazowym transformatorze o mocy 12 MVA. Pomiary wykonano dla jednostki nowej na stacji prób. AnalizĊ uzyskanych wyników wykonano w
dziedzinie czasowej i czasowo – czĊstotliwoĞciowej. Opis sygnaáów EA generowanych przez PPZ w dziedzinie czasowej wykonano za pomocą
przebiegów czasowych, moduáu transformaty Hilberta i czasów charakterystycznych. W dziedzinie czasowo – czĊstotliwoĞciowej mierzone sygnaáy
opisano za pomocą spektrogramów widma gĊstoĞci mocy przy wykorzystaniu krótkoczasowej transformaty Fouriera. Dodatkowo wyniki pomiarów
uzyskanych metodą emisji akustycznej porównano z rezultatami badaĔ oscylograficznych.
Abstract. In this paper, practical example of application of acoustic emission method (AE) to on-load tap changer diagnostics (OLTC) is presented.
Research was performed on three single phase OLTCs of 3xVRC I 701 type, mounted in three-phase transformed which rated power is 12 MVA.
Measurements were carried out in manufacturers transformers test facility for brand new unit. Analysis of obtained results was performed in time and
time-frequency domains. In time domain, EA signals generated by OLTC were described by its time-amplitude composition, Hilbert transform
modulus and characteristic times. In time-frequency domain measured signals were described by power spectral density obtained by application of
short-time Fourier transform. Additionally, results of measurements obtained with application of EA method were compared with results obtained with
oscilographic analysis. (Possibilities of application of acoustic emission method for diagnostic purposes of three single-phase on-load tap
changers mounted in power transformer).
Sáowa kluczowe: podobciąĪeniowy przeáącznik zaczepów, diagnostyka urządzeĔ elektroenergetycznych, metoda emisji akustycznej.
Keywords: on-load tap changer, power electric equipment diagnostics, acoustic emission method.
Wprowadzenie
WiĊkszoĞü transformatorów eksploatowanych w polskim
systemie elektroenergetycznym jest wyposaĪona w
podobciąĪeniowe przeáączniki zaczepów (PPZ), które
umoĪliwiają regulacjĊ napiĊcia poprzez zmianĊ ich
przekáadni. Przegląd rozwiązaĔ konstrukcyjnych PPZ
przedstawiono w m. in. pracach [1, 3, 5, 7, 9]. Urządzenia te
są przystosowane do wspóápracy z automatycznymi
regulatorami napiĊcia sieci, które porównując zadaną
wartoĞü z wartoĞcią mierzoną, dokonują zmiany poáoĪenia
zaczepów PPZ [2, 6, 10, 11].
Rys. 1. Widok ogólny PPZ trójfazowego (a) i zestawu trzech
przeáączników jednofazowych (b)
W praktyce eksploatacyjnej spotyka siĊ dwa
rozwiązania technologiczne związane z montaĪem PPZ w
kadzi
transformatora.
WiĊkszoĞü
przeáączników
charakteryzuje siĊ budową trójfazową i umoĪliwia
wykonanie procesu áączeniowego we wszystkich fazach
równoczeĞnie (rys. 1a). Ze wzglĊdu na duĪą wartoĞü
prądów áączeniowych stosuje siĊ równieĪ rozwiązania
jednofazowe, w których wewnątrz kadzi transformatora
instaluje siĊ zestawy trzech jednofazowych przeáączników
wykonujących procesy áączeniowe w poszczególnych
fazach (rys. 1b).
Analizując
przyczyny
wystĊpowania
awarii
transformatorów wysokiego napiĊcia moĪna stwierdziü, Īe
jednym z najczĊstszych powodów wyáączeĔ jednostek z
ruchu są uszkodzenia PPZ. Od kilku lat prowadzi siĊ prace
zmierzające
do
opracowania
nowych
metod
diagnostycznych
pozwalających
na
ocenĊ
stanu
technicznego bez koniecznoĞci wyáączenia transformatora z
ruchu energetycznego. Jedną z takich metod jest metoda
EA bazująca na wykorzystaniu sygnaáów akustycznych
generowanych przez PPZ. Sygnaáy te mierzone są zarówno
w paĞmie niskich jak i wysokich czĊstotliwoĞci.
W czasie procesu áączeniowego sygnaáy te mogą byü
generowane przez ukáad mechaniczny przeáącznika, pracĊ
styków lub wyáadowania elektryczne. Dla wiĊkszoĞci typów
PPZ, Ğrodowiskiem pracy jest olej izolacyjny, w którym
powstająca fala ciĞnienia akustycznego propaguje i dociera
do metalowej kadzi. Istnieje wiĊc moĪliwoĞü rejestracji
sygnaáów
EA
przez
przetwornik
piezoelektryczny
przymocowany do zewnĊtrznej czĊĞci kadzi. Uzyskany w
ten sposób sygnaá EA zawiera informacje charakteryzujące
pracĊ przeáącznika mocy i wybieraka [8]. Wyniki prac
związanych z wykorzystaniem metody EA do diagnostyki
PPZ trójfazowych przedstawiono mi w pracach [2, 3, 4]
W artykule przedstawiono przykáad diagnostyki zestawu
trzech jednofazowych PPZ umieszczonych we wspólnej
kadzi transformatora.
Charakterystyka ukáadu pomiarowego
Pomiary
wykonano
dwoma
przetwornikami
pomiarowymi przymocowanymi do zewnĊtrznej Ğcianki
kadzi transformatora w obszarze pracy PPZ. Zastosowano
dwa rodzaje przetworników: szerokopasmowy przetwornik
stykowy typu WD AH 17 (rejestrujący sygnaá akustyczny)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 91 NR 10/2015
31
sáuĪący do rejestracji sygnaáów w paĞmie wysokich
czĊstotliwoĞci i akcelerometr typu 4514-B-001 rejestrujący
drgania mechaniczne – sygnaá wibroakustyczny, w paĞmie
niskich czĊstotliwoĞci.
Przetwornik WD AH 17 charakteryzuje siĊ wysoką
czuáoĞcią (55 dB ± 1,5 dB w odniesieniu do V/ms-1) i
szerokim pasmem przenoszenia: od 100 kHz do 1 MHz w
zakresie ± 10 dB. Przetwornik ten wyposaĪony jest w ukáad
róĪnicowy pomiaru sygnaáów EA. Zastosowanie tego ukáadu
pozwala na eliminacjĊ sygnaáów zakáócających, które mogą
pojawiü siĊ pod wpáywem pola elektromagnetycznego
oddziaáującego na przetwornik i przewód pomiarowy. Ma to
szczególne znaczenie podczas wykonywania pomiarów
przy przepáywie prądu podczas procesu przeáączania PPZ.
.
Rys. 2. Widok ogólny ukáadu pomiarowego: a) przetworniki pomiarowe, b) ukáad akwizycji danych, c) system Pulse DYN-XI
Drugim rodzajem przetwornika byá akcelerometr typu
4514-B-001. Do rejestracji i analizy sygnaáów wibroakustycznych generowanych podczas procesu przeáączania
badanych PPZ wykorzystano tor pomiarowy bazujący na
systemie Pulse DYN-XI, firmy Bruel&Kjael (rys 2).
Wykorzystany system Pulse DYN-XI posiadaá 4 kanaáy,
moĪliwoĞü równolegáych pomiarów bez multipleksowania w
zakresie do 51,2 kHz oraz cechowaá siĊ duĪą dynamiką,
która pokrywaáa zakres napiĊü wyjĞciowych typowego
akcelerometru z wbudowanym przedwzmacniaczem. RozdzielczoĞü przetwarzania systemu Pulse wynosiáa 24 bity
bez wzglĊdu na wartoĞü zadanej czĊstotliwoĞci próbkowania. Podczas pomiarów stosowano akcelerometry typu
4514-B-001, firmy Brüel & Kjær, które charakteryzowaáy siĊ
-2
(f = 160 Hz),
czuáoĞcią
10 +12/-8%
mV / ms
czĊstotliwoĞcią rezonansową frez = 32 kHz i liniowym
pasmem w zakresie 5 – 10000 Hz z tolerancją ±10%.
Natomiast jako wzorzec drgaĔ wykorzystano kalibrator typu
4294 firmy Brüel & Kjær o czĊstotliwoĞci wzorcowej
f = 159,15+/- 0,02% i przyĞpieszeniu g = 10 +/- 3% m/s2.
Pomiary przeprowadzono podczas pracy transformatora
pod obciąĪeniem. Zakres zmiany poáoĪeĔ styków PPZ
wynikaá z moĪliwoĞci regulacyjnych przyáączonego ukáadu.
W trakcie pomiarów przeprowadzono: rejestracjĊ sygnaáów
wibroakustycznych generowanych przez PPZ w paĞmie
niskich
czĊstotliwoĞci
oraz
rejestracjĊ
sygnaáów
akustycznych
generowanych
w
paĞmie
wysokich
czĊstotliwoĞci.
Analiza wyników pomiarowych
Pierwszym etapem badaĔ byáo przeprowadzenie
pomiarów metodą oscylograficzną. Podczas pomiarów tą
metodą w badanym ukáadzie PPZ wymuszano przepáyw
prądu staáego, a nastĊpnie rejestrowano jego przebiegi
czasowe w trakcie przeáączeĔ na kolejne zaczepy.
RejestracjĊ prowadzono osobno dla kaĪdej fazy.
Przykáadowy przebieg prądów rejestrowanych w badanym
PPZ przedstawiono na rys. 3.
Cechą charakterystyczną pracy zestawu trzech
jednofazowych PPZ jest przesuniĊcie w dziedzinie czasu
cyklu áączeniowego przeáączników w poszczególnych
fazach. Wynika ono z budowy ukáadu PPZ i sposobu jego
regulacji. Zjawisko to moĪna zaobserwowaü równieĪ na rys.
3. Cykl áączeniowy rozpoczyna siĊ zadziaáaniem
32
przeáącznika w fazie B, nastĊpnie po jego zakoĔczeniu
rozpoczyna siĊ przeáączenie w fazie A, a na koĔcu po
pewnym czasie moĪna zaobserwowaü cykl áączeniowy w
fazie C.
Rys. 3. Wyniki pomiarów oscylograficznych badanego zestawu
przeáączników
Zjawisko nierównoczesnego zadziaáania przeáączników
w poszczególnych fazach umoĪliwia wyodrĊbnienie z
sygnaáów wibroakustycznych zarejestrowanych za pomocą
akcelerometru i z sygnaáów akustycznych zarejestrowanych
za pomocą szerokopasmowego przetwornika stykowego
struktur odpowiadającym kolejnym cyklom áączeniowym w
poszczególnych fazach. Na rys. 4 przedstawiono przebiegi
czasowe i moduáy transformaty Hilberta sygnaáów
wibroakustycznych.
Rys. 4. Przebieg czasowy (a) i moduá transformaty Hilberta (b)
sygnaáów wibroakustycznych
Na rys. 4a przedstawiono struktury czasowe sygnaáu
wibroakustycznego. Widoczne są wyraĨne trzy skáadowe
odpowiadające pracy poszczególnych PPZ. Struktury te
odpowiadają kolejno przeáączeniom odpowiednio w fazach:
B, A i C. Charakteryzują siĊ one podobną kompozycją lecz
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 91 NR 10/2015
zróĪnicowaną amplitudą, co w gáównej mierze wynika
z metody prowadzenia pomiaru. Czas przerwy miĊdzy
zadziaáaniem kolejnych przeáączników jest zbliĪony do
czasów
zarejestrowanych
metodą
oscylograficzną.
Obserwacja sygnaáów wibroakustycznych w dziedzinie
czasu umoĪliwia wyodrĊbnienie z zarejestrowanego
sygnaáu skáadowych odpowiadających kolejnym cyklom
áączeniowym PPZ zainstalowanym w poszczególnych
fazach. Na ich podstawie moĪliwe jest okreĞlenie czasów
niejednoczesnoĞci dziaáania zestawu trzech jednofazowych
PPZ zainstalowanych w transformatorze.
OcenĊ zarejestrowanych sygnaáów w dziedzinie
czasowo-czĊstotliwoĞciowej,
wykonano
za
pomocą
dwuwymiarowych spektrogramów widmowej gĊstoĞci mocy.
Na rys. 5 przedstawiono spektrogramy widmowej gĊstoĞci
mocy sygnaáów wibroakustycznych generowanych przez
badany zestaw PPZ
w przebiegu wibroakustycznym zaprezentowanym na rys.
4a. Wynika to z wiĊkszej czuáoĞci zastosowanego
przetwornika i wiĊkszej czĊstotliwoĞci próbkowania sygnaáu.
Poza mechaniczną praca styków gáównych badanych
PPZ w analizowanym sygnale widoczne są równieĪ
zdarzenia akustyczne generowane przez pracĊ styków
rezystancyjnych. Na rys. 7 przedstawiono spektrogram
widmowej
gĊstoĞci mocy sygnaáów akustycznych
rejestrowanych w paĞmie wysokich czĊstotliwoĞci.
Rys. 7. Spektrogramy widmowej gĊstoĞci mocy sygnaáów
akustycznych generowanych przez zestaw trzech jednofazowych
PPZ zainstalowanych w transformatorze elektroenergetycznym
Rys. 5. Spektrogramy widmowej gĊstoĞci mocy sygnaáów
wibroakustycznych
generowanych
przez
zestaw
trzech
jednofazowych
PPZ
zainstalowanych
w
transformatorze
elektroenergetycznym
Analiza czasowo – czĊstotliwoĞciowa prowadzona jest
w paĞmie niskich czĊstotliwoĞci w zakresie od ~0 do 8 kHz.
UmoĪliwia ona wykrycie defektów związanych z
mechanicznym zuĪyciem styków przeáącznika oraz
defektami związanymi z ukáadem przeniesienia napĊdu. W
omawianym przypadku zarówno ksztaát jak i zawartoĞü
skáadowych czĊstotliwoĞciowych nie wskazują na
wystĊpowanie defektów natury mechanicznej.
Zastosowanie
akcelerometrów
nie
pozwala
na obserwacjĊ intensywnoĞci zjawisk elektrycznych
wystĊpujących podczas procesu áączeniowego. Dlatego
wyniki badaĔ zestawu PPZ metodą akustyczną powinny
byü uzupeánione o pomiary wykonane za pomocą
szerokopasmowego przetwornika stykowego. Na rys. 6
przedstawiono przebiegi czasowe i moduá transformaty
Hilberta sygnaáów akustycznych rejestrowanych w paĞmie
wysokich czĊstotliwoĞci.
Rys. 6. Przebieg czasowy (a) i moduá transformaty Hilberta (b)
sygnaáów akustycznych rejestrowanych w paĞmie wysokich
czĊstotliwoĞci
W przedstawionym na rys. 6a przebiegu czasowym
widoczna jest wiĊksza liczba zdarzeĔ akustycznych niĪ
Na
przedstawionych
spektrogramach
widmowej
gĊstoĞci mocy widoczne są struktury czasowo –
czĊstotliwoĞciowe,
których
pasmo
dominujących
czĊstotliwoĞci zawiera siĊ w przedziale ok. 10 – 100 kHz.
NajwiĊkszą amplitudą odznaczają siĊ struktury związane z
mechaniczną pracą styków gáównych PPZ. Na obrazach
widmowej gĊstoĞci mocy moĪna wyróĪniü dwa gáówne
przedziaáy czĊstotliwoĞci, w których wystĊpują lokalne
maksima. Pierwszy zawiera czĊstotliwoĞci z zakresu (10 –
40 kHz), natomiast drugi (50 – 100 kHz). Przedstawiony na
rys. 7 udziaá skáadowych czasowo – czĊstotliwoĞciowych
jest typowy dla badanego typu PPZ i nie wskazuje na
istnienie defektów natury elektrycznej.
Podsumowanie
Na podstawie przedstawionych w artykule rezultatów
moĪna stwierdziü, Īe dziĊki zastosowaniu nowoczesnych
metod cyfrowego przetwarzania sygnaáów w dziedzinie
czasu i w dziedzinie czasowo-czĊstotliwoĞciowej, istnieje
moĪliwoĞü wykorzystania metody EA do oceny stanu
technicznego zestawu trzech jednofazowych PPZ
zainstalowanych w transformatorze elektroenergetycznym.
Gáówną zaletą zastosowanej metody jest moĪliwoĞü
wykonywania pomiarów podczas normalnej pracy
transformatora bez koniecznoĞci wykonywania wyáączeĔ.
Istnieje wiĊc moĪliwoĞü budowy systemu diagnostyki PPZ
dziaáającego on-line.
WaĪnym kierunkiem dalszych prac prowadzonych nad
tym zagadnieniem jest równieĪ stworzenie bazy tzw.
„odcisków palca” dla róĪnych typów PPZ znajdujących siĊ w
eksploatacji. Powinna ona zawieraü sygnatury akustyczne
wraz z ich parametrami charakterystycznymi wyznaczone
dla przeáączników nowych lub po remoncie. Wykonanie
takiego cyklu badaĔ moĪe pozwoliü na uszczegóáowienie
parametrów sygnaáów EA charakteryzujących poszczególne
typy uszkodzeĔ wystĊpujących w warunkach rzeczywistych.
LITERATURA
[1] Ainetter J., Brauner G., Mauer H., Strof T., Kalinintchenko A.,
Thyristor Aided Diverter Switch "TADS" - a Progressive
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 91 NR 10/2015
33
Concept for the Prolongation of maintenance - free intervals,
CIRED 1999
[2] CichoĔ A., Nowa metoda diagnostyki stanu technicznego
podobciąĪeniowych przeáączników zaczepów, Studia i
Monografie, Wyd. Pol. Op., z. 259, Opole, 2011
[3] CichoĔ A., Ocena stanu technicznego podobciąĪeniowych
przeáączników zaczepów metodą emisji akustycznej, Studia i
Monografie, Wyd. Politechnika Opolska, z. 352, Opole, 2013
[4] CichoĔ A., Berger P., Borucki S., Analiza porównawcza wyników
badaĔ w zakresie oceny stopnia zuĪycia styków PPZ metodą
akustyczną i oscylograficzną, Pomiary, Automatyka Kontrola,
nr 2, 2013, 152-155
[5] Dazhong S., Kraemer A., Dohnal, D., Vacuum Switching
Technology Improves the Switching Capacity of On-Load TapChangers in HVDC Applications, International Conference on
Power Systems Technology POWERCON, Chongqing, China,
2006, 1-6
[6] Kang P., On-Line Condition Assessment of Power Transformer
On-Load Tap Changers: Transient Vibration Analysis Using
Wavelet Transform and Self-Organizing Map, Ph.D.
Dissertation, Queensland Univ. Technol., Brisbane, Australia,
2000
[7] Kramer W., On - Load Tap Changers, Maschinenfabrik
Reinhausen, Regensburg, 2000
[8] Ledonard F., Foata M., Paquin J-Y., Vibroacoustic Signature
Comparison and Time - Warping Correction with Multi-Scale
34
Correlation, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol.
14, 2000, 443-458
[9] Oates C., Barlow A., Levi V., Tap Changer for Distributed
Power, 12th European Conference on Power Electronics and
Applications, Aalborg, Denmark, 2007
[10] Seitz P. P., Quak B., Erbrink J. J., Gulski E., Leich R.,
Advanced On-Site Diagnosis of Power Transformers, 2008
International Conference on Condition Monitoring and
Diagnosis, Beijing, China, 2008
[11] Schellhase H.-U., Pollock R.G., Rao A.S., Korolenko E.C.,
Ward B., Load Tap Changers: Investigations of Contacts,
Contact Wear and Contact Coking, Electrical Contacts,
Proceedings, 2002, 259 – 272
Autorzy: dr hab. inĪ. Andrzej CichoĔ, prof. PO, Politechnika
Opolska, Wydziaá Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Instytut
Elektroenergetyki i Energii Odnawialnych, 45-758, Opole, ul.
Prószkowska 76, e-mail: [email protected]; dr hab. inĪ.
Sebastian Borucki, prof. PO, Politechnika Opolska, Wydziaá
Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Instytut Elektroenergetyki
i Energii Odnawialnych, 45-758, Opole, ul. Prószkowska 76, e-mail:
[email protected]; mgr inĪ. Paweá Berger, EthosEnergy
Poland S.A., 42-701 Lubliniec, ul. PowstaĔców ĝląskich 85, e-mail:
[email protected]
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 91 NR 10/2015