Metody pomiaru wnz

Poziom wnz, częstość ich powtarzania oraz kąt fazowy występowania wnz względem przyłożonego napięcia zależą od rodzaju badanej maszyny, materia-łów z jakich wykonany jest jej układ izolacyjny, stanu izolacji, rodzaju zastoso-wanego układu pomiarowego oraz od warunków w jakich odbywa się pomiar, w tym od poziomu zakłóceń towarzyszących pomiarom [65, 66, 81, 84, 133, 134, 182, 220].

W literaturze można znaleźć różne podziały metod pomiaru emisji wnz [141, 142, 203, 220, 252]. Zdaniem autora podstawowy podział obejmuje:

 metody bezpośrednie elektryczne za pomocą np. sprzęgaczy pojemnościo-wych (kondensatory bezwyładowaniowe), przekładników prądopojemnościo-wych wy-sokiej częstotliwości HFCT (High Frequency Current Transformer) lub

RFCT (Radio Frequency Current Transformer), anten radiowych wysokiej 1000 100 10 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 [mV] 10000 n liczba impulsów wnz w ciągu 1s przy przyjętej rozdzielczości amplitud wnz

wykres dla impulsów o polaryzacji +

Q_max+ ^{Amplituda wyładowań wnz}

NQN₊

44 Jest to największy powtarzalny ładunek wyładowań występujący podczas pomiarów.

 współczynniki normalizujące:  współczynniki Qm

Są definiowane jako amplituda wnz odpowiadająca występowaniu 10 impulsów na sekundę (rys. 2.9). Przy danej polaryzacji impulsów, Qm

określa jak głęboka jest degradacja izolacji w najgorszym miejscu uzwojenia [1,158]. Wskaźnik Qm wyznacza się oddzielnie dla dodat-niej i ujemnej polaryzacji impulsów Qm+ i Qm-. Współczynniki Qm są przez niektórych producentów aparatury diagnostycznej oznaczane symbolem Qmax. W dalszej części pracy przyjęto używać oznaczenie

Qmax. Gdy zachodzi możliwość kalibracji toru pomiarowego amplitudę

wnz wyraża się w pC. Przy braku możliwości kalibracji amplitudę wnz

wyraża się w mV.

 współczynniki NQN (Normalized Quantity Number)

Jest to całkowita aktywność wnz przy danej polaryzacji impulsów. Określa ją dla danej polaryzacji impulsów całkowita liczba impulsów.

NQN jest proporcjonalna do całkowitej ilości miejsc o pogorszonych

właściwościach izolacyjnych, monitorowanych podczas pomiarów [1, 158]. NQN wyznacza się oddzielnie dla dodatniej i ujemnej pola-ryzacji impulsów: NQN+ i NQN-.

 parametr PDI (Partial Discharge Intensity) [220]

Jest to moc wyładowań, liczona według wzoru (2.14) dla rzeczywi-stych wartości napięć, jednakowych dla wszystkich impulsów, a nie chwilowych, indywidualnych napięć ui (dla każdego ładunku qi). Jed-nostką PDI jest mW.

 ilość impulsów n w czasie 1s,

W wielu urządzeniach parametr ten oznacza się przez PPS (Pulse Per

Second).

Relacje między wskaźnikami Qmax, NQN oraz ilością impulsów n (PPS) przedstawiono na rysunku 2.9. Na rysunku 2.10 podano dodatkowo wzajemną relację między napięciem i polaryzacją impulsów wnz.

Aparatura diagnostyczna wielu firm zajmujących się pomiarami wnz, obok wyznaczenia współczynników normalizujących proponuje dodatkowe funkcje użytkowe typu:

 analiza wielkości impulsów wnz; jest to dwuwymiarowy wykres, który przedstawia liczbę n wyładowań wnz zarejestrowanych w ciągu 1s w funk-cji ich amplitudy dla danej polaryzafunk-cji impulsów wnz [1, 220],

 analiza fazy impulsów wnz; jest to trójwymiarowy wykres, który przedsta-wia liczbę wyładowań n wnz w ciągu 1s w zależności od kąta napięcia zasi-lania dla danej fazy maszyny oraz w zależności od amplitudy wnz [mV] dla danej polaryzacji impulsów wnz [1, 220],

 analiza trendów zmian wymienionych wcześniej wielkości w funkcji czasu przy uwzględnieniu temperatury, wilgotności i obciążenia; należy

zauwa-45 żyć, że w trakcie pomiarów wnz nie mierzy się rzeczywistego lokalnego wyładowania, ale ładunek indukowany tym wyładowaniem na sąsiadują-cych elektrodach – zaciskach układu pomiarowego (w badaniach przemy-słowych przy pomiarach on-line jest to zmiana napięcia wyrażona w mV, co oznacza, że mierzy się falę wędrującą od płynącego ładunku do układu pomiarowego [1, 81, 220]).

Rys. 2.9. Wykres wnz dla przykładowej maszyny ilustrujący sposób wyznaczania

współczynni-ków normalizujących Qmax+ i NQN+ według firmy ADWEL [1, 220]

Rys. 2.10. Wzajemna relacja przebiegu napięcia i polaryzacji ładunków

podczas emisji wnz [1, 220]

2.5.3. Metody pomiaru wnz

Poziom wnz, częstość ich powtarzania oraz kąt fazowy występowania wnz względem przyłożonego napięcia zależą od rodzaju badanej maszyny, materia-łów z jakich wykonany jest jej układ izolacyjny, stanu izolacji, rodzaju zastoso-wanego układu pomiarowego oraz od warunków w jakich odbywa się pomiar, w tym od poziomu zakłóceń towarzyszących pomiarom [65, 66, 81, 84, 133, 134, 182, 220].

W literaturze można znaleźć różne podziały metod pomiaru emisji wnz [141, 142, 203, 220, 252]. Zdaniem autora podstawowy podział obejmuje:

 metody bezpośrednie elektryczne za pomocą np. sprzęgaczy pojemnościo-wych (kondensatory bezwyładowaniowe), przekładników prądopojemnościo-wych wy-sokiej częstotliwości HFCT (High Frequency Current Transformer) lub

RFCT (Radio Frequency Current Transformer), anten radiowych wysokiej 1000 100 10 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 [mV] 10000 n liczba impulsów wnz w ciągu 1s przy przyjętej rozdzielczości amplitud wnz

wykres dla impulsów o polaryzacji +

Q_max+ ^{Amplituda wyładowań wnz}

NQN₊

46 częstotliwości SSC (Stator Slot Couplers), termorezystorów RTD czy ce-wek Rogowskiego ,

 metody elektromagnetyczne, np. za pomocą sensorów napięcia (TEV) i po-miarów radiometrycznych UHF,

 metody detekcji akustycznej, np. za pomocą akcelerometrów, czujników ultradźwiękowych i mikrofonów audio,

 metody optyczne, takie jak włókno-optyczne, fotopowielacze,

 metody chemiczne, takie jak analizy rozpuszczonego gazu DGA (Dissolved

Gas Analysis),

 metody termiczne, takie jak termografia, pośrednie pomiary temperatury z tak zwanych hot spotów.

Ze względu na środowisko, w którym działają czujniki do pomiaru wnz, ce-lowe jest, aby do pomiarów stosować więcej niż jeden tylko typ czujnika. Zasto-sowanie dwóch różnych sensorów jest bardzo przydatne w rozróżnianiu praw-dziwych impulsów wnz, które charakteryzują się bardzo krótkim czasem trwania wyładowania (10–9 ms), niską amplitudą, innymi źródłami hałasów w środowi-sku oraz występowaniem innych zakłóceń poziomu impulsów. Rekomendowane metody pomiaru emisji wnz ze względu na obszar zastosowań przedstawiono w tabeli 2.2. W obszarze maszyn wirujących zalecaną metodą pomiaru wnz jest metoda elektryczna z wykorzystaniem sprzęgaczy pojemnościowych [142].

Tabela 2.2. Rekomendowane metody pomiaru wnz ze względu na obszar zastosowań według

[142]

zastosowanie czujniki rekomendacja

maszyny wirujące, kable przekładniki prądowe zalecane maszyny wirujące sprzęgacze

pojemno-ściowe ^zalecane maszyny wirujące, rozdzielnie, kable,

szyny ^{cewki Rogowskiego zalecane} kable, maszyny wirujące, rozdzielnie HFCT wymagane rozdzielnie i aparatura rozdzielcza TEV wymagane izolowane powietrzem rozdzielnice

wysokiego napięcia ^{UHF niezalecane} transformatory olejowe, zamknięte

rozdzielnice, szyny ^{akustyczne zalecane} rozdzielnie z izolacją powietrzną metody optyczne zalecane transformatory olejowe, rozdzielnie z

izolacją olejową ^{DGA niezalecane}

Zalecany dla metody bezpośredniej schemat układu pomiarowego wnz w silnikach i generatorach przedstawiono na rysunku 2.11a (według IEC 60270). W układzie tym należy stosować sprzęgacze pojemnościowe zintegrowane, bezwyładowaniowe, epoksydowo-mikowe przeznaczone do pomiarów impul-sów wyładowań niezupełnych wysokich częstotliwości pochodzących z

urzą-dzeń wysokiego napięcia z przedziału od 3.3 kV do 27 kV. Sprzęgacze należy montować na głównych wyjściach przewodów z silników, generatorów, roz-dzielni lub w skrzynkach zaciskowych transformatorów. Schemat prawidłowego i niedopuszczalnego podłączenia sprzęgaczy pojemnościowych przedstawiono na rysunku 2.13. Czujniki przystosowane są do pracy w pomieszczeniach za-mkniętych, jeżeli jednak wymaga tego sytuacja, muszą być umieszczane w specjalnych szafkach. Są nieczułe na zakłócenia pochodzące od innych przy-rządów elektrycznych i elektronicznych. Pracują w przedziale częstotliwości od 4÷100 MHz w zależności od pojemności sprzęgacza. Tradycyjnie stosowane w maszynach mają 80pF pojemności.

a) b)

Rys. 2.11. Zalecana metoda pomiaru wnz w silnikach i generatorach: a) schemat układu

pomia-rowego według [IEC60270], b) wpływ pojemności sprzęgaczy na jakość pomiaru wskaźnika NQN (Normalized Quantity Number) [1]

a) b)

Rys. 2.12. Porównanie jakości pomiaru wnz przy wykorzystaniu sprzęgaczy o pojemności:

a) 500pF, b) 80pF [23,24]

Wykrywanie wyładowań z większą dokładnością jest możliwe poprzez za-stosowanie sprzęgaczy o większej pojemności. Wzrost dokładności pomiaru w zależności od pojemności czujników przedstawia rysunek 2.11b. Innym po-twierdzeniem skuteczności i dokładności sprzęgaczy o większych pojemno-ściach są wyniki badań przeprowadzonych przez firmę Adwel [1,23]. Porówna-no w niej jakość pomiaru przy użyciu sprzęgaczy o pojemPorówna-ności 500pF i 80pF. 6

46 częstotliwości SSC (Stator Slot Couplers), termorezystorów RTD czy ce-wek Rogowskiego ,

 metody elektromagnetyczne, np. za pomocą sensorów napięcia (TEV) i po-miarów radiometrycznych UHF,

 metody detekcji akustycznej, np. za pomocą akcelerometrów, czujników ultradźwiękowych i mikrofonów audio,

 metody optyczne, takie jak włókno-optyczne, fotopowielacze,

 metody chemiczne, takie jak analizy rozpuszczonego gazu DGA (Dissolved

Gas Analysis),

 metody termiczne, takie jak termografia, pośrednie pomiary temperatury z tak zwanych hot spotów.

Ze względu na środowisko, w którym działają czujniki do pomiaru wnz, ce-lowe jest, aby do pomiarów stosować więcej niż jeden tylko typ czujnika. Zasto-sowanie dwóch różnych sensorów jest bardzo przydatne w rozróżnianiu praw-dziwych impulsów wnz, które charakteryzują się bardzo krótkim czasem trwania wyładowania (10–9 ms), niską amplitudą, innymi źródłami hałasów w środowi-sku oraz występowaniem innych zakłóceń poziomu impulsów. Rekomendowane metody pomiaru emisji wnz ze względu na obszar zastosowań przedstawiono w tabeli 2.2. W obszarze maszyn wirujących zalecaną metodą pomiaru wnz jest metoda elektryczna z wykorzystaniem sprzęgaczy pojemnościowych [142].

Tabela 2.2. Rekomendowane metody pomiaru wnz ze względu na obszar zastosowań według

[142]

zastosowanie czujniki rekomendacja

maszyny wirujące, kable przekładniki prądowe zalecane maszyny wirujące sprzęgacze

pojemno-ściowe ^zalecane maszyny wirujące, rozdzielnie, kable,

szyny ^{cewki Rogowskiego zalecane} kable, maszyny wirujące, rozdzielnie HFCT wymagane rozdzielnie i aparatura rozdzielcza TEV wymagane izolowane powietrzem rozdzielnice

wysokiego napięcia ^{UHF niezalecane} transformatory olejowe, zamknięte

rozdzielnice, szyny ^{akustyczne zalecane} rozdzielnie z izolacją powietrzną metody optyczne zalecane transformatory olejowe, rozdzielnie z

izolacją olejową ^{DGA niezalecane}

Zalecany dla metody bezpośredniej schemat układu pomiarowego wnz w silnikach i generatorach przedstawiono na rysunku 2.11a (według IEC 60270). W układzie tym należy stosować sprzęgacze pojemnościowe zintegrowane, bezwyładowaniowe, epoksydowo-mikowe przeznaczone do pomiarów impul-sów wyładowań niezupełnych wysokich częstotliwości pochodzących z

urzą-dzeń wysokiego napięcia z przedziału od 3.3 kV do 27 kV. Sprzęgacze należy montować na głównych wyjściach przewodów z silników, generatorów, roz-dzielni lub w skrzynkach zaciskowych transformatorów. Schemat prawidłowego i niedopuszczalnego podłączenia sprzęgaczy pojemnościowych przedstawiono na rysunku 2.13. Czujniki przystosowane są do pracy w pomieszczeniach za-mkniętych, jeżeli jednak wymaga tego sytuacja, muszą być umieszczane w specjalnych szafkach. Są nieczułe na zakłócenia pochodzące od innych przy-rządów elektrycznych i elektronicznych. Pracują w przedziale częstotliwości od 4÷100 MHz w zależności od pojemności sprzęgacza. Tradycyjnie stosowane w maszynach mają 80pF pojemności.

a) b)

Rys. 2.11. Zalecana metoda pomiaru wnz w silnikach i generatorach: a) schemat układu

pomia-rowego według [IEC60270], b) wpływ pojemności sprzęgaczy na jakość pomiaru wskaźnika NQN (Normalized Quantity Number) [1]

a) b)

Rys. 2.12. Porównanie jakości pomiaru wnz przy wykorzystaniu sprzęgaczy o pojemności:

a) 500pF, b) 80pF [23,24]

Wykrywanie wyładowań z większą dokładnością jest możliwe poprzez za-stosowanie sprzęgaczy o większej pojemności. Wzrost dokładności pomiaru w zależności od pojemności czujników przedstawia rysunek 2.11b. Innym po-twierdzeniem skuteczności i dokładności sprzęgaczy o większych pojemno-ściach są wyniki badań przeprowadzonych przez firmę Adwel [1,23]. Porówna-no w niej jakość pomiaru przy użyciu sprzęgaczy o pojemPorówna-ności 500pF i 80pF.

48 Wyniki porównania pomiaru przedstawia rysunek 2.12. Wszystkie pomiary przeprowadzane były na tej samej maszynie i w takich samych warunkach. Do-świadczenie to pokazuje, jaki wpływ na pomiary ma dobór sprzęgaczy pojem-nościowych. Użycie czujników o większej pojemności daje większą pewność pomiaru. Barierą do powszechnego stosowania jest jednak bardzo wysoka cena.

Według innych autorów [23, 25, 81, 141, 220] z dobrym skutkiem w meto-dzie bezpośredniej mogą być stosowane termorezystory RTD, które pełnią w takim układzie pomiarowym funkcję anten częstotliwości radiowych [220]. Termorezystory są montowane wewnątrz uzwojenia maszyn elektrycznych pod-czas ich produkcji lub remontu dla pomiaru temperatury. Następnie termorezy-story podłącza się z zespołami przyłączeniowymi za pomocą specjalnych prze-wodów. Konstrukcja urządzeń pozwala na podłączenie co najmniej trzech czuj-ników po jednym na fazę. Kalibrację czujczuj-ników RTD należy przeprowadzać podczas postoju maszyny elektrycznej, natomiast samo przyłączenie czujnika może odbyć się w czasie pracy silnika. „Wstrzykiwanie” impulsów w uzwojenie stojana maszyny przeprowadza się za pomocą folii aluminiowej i odpowiednie-go kalibratora [178].

a) b)

Rys. 2.13. Schematy podłączenia sprzęgaczy pojemnościowych: a) prawidłowy, b)

nieprawi-dłowy [61]

Do pomiarów bezpośrednich są również używane anteny radiowe wysokiej częstotliwości SSC, które są ukierunkowanymi antenami radiowymi wysokiej częstotliwości. Używa się ich do wykrywania wnz głównie w generatorach. Pokryte są laminatem epoksydowym, który zabezpiecza je przed narażeniami zewnętrznymi. Mogą mierzyć częstotliwości od 100 do 1000 MHz. Ich impe-dancja wewnętrzna wynosi 50  przy częstotliwości falowej [103]. Posiadają zdublowane wyjście sygnałowe, dzięki czemu możliwe jest odróżnienie wyła-dowań zachodzących w szczelinie od wyławyła-dowań zachodzących na czołach cewek. Czujniki te mają wymiary przystosowane do umieszczenia ich w szcze-linie pomiędzy cewką a stojanem. Są wykonane w postaci pasków o grubości ok. 2 mm i długości ok. 50 cm. Szerokość ich jest uzależniona od szerokości szczeliny [220]. Dzięki czujnikom SSC monitorowane są wyładowania

niezu-49 pełne w żłobku, w którym się znajduje dany czujnik oraz w okolicach sześciu sąsiednich żłobków [220]

.

W niektórych układach do pomiaru wnz są również stosowane czujniki

RFCT (Radio Frequency Current Transformer). Są to przekształtniki prądowe

wysokiej częstotliwości. Służą do wykrywania wyładowań niezupełnych w po-jedynczych żyłach. Czujniki te odfiltrowują z przebiegu prądu impulsy wnz w zakresie częstotliwości od 500 kHz do 50 MHz. Zakłada się je na przewody uziemiające lub sygnałowe, w których napięcie nie przekracza 220 V. Czujniki mogą być zakładane na grubych przewodach oraz w miejscach, w których nie-możliwe jest odłączenie przewodu; dzięki swej modułowej budowie dzieli się on na dwie części skręcane ze sobą [220].