Pomiary FRA + VM w warunkach kontrolowanych deformacji –

Kolejne badania w warunkach kontrolowanych deformacji rzeczywistego obiektu przeprowadzono na transformatorze typu TR 16000/110, o napięciach 115/16,5 kV, mocy 16 MVA, wyprodukowanym w 1968 roku (ryc. 9.11) [27].

Transformator został przeznaczony do złomowania ze względu na wiek; jego stan mechaniczny części aktywnej przed rozpoczęciem eksperymentu oceniony został jako dobry.

Wszystkie pomiary wibroakustyczne oraz rejestracje krzywych FRA realizowane były na transformatorze kompletnym, z częścią aktywną zanurzoną w oryginalnym oleju, z zakręconymi śrubami wieka. Na potrzeby deformacji część aktywną unoszono za pomocą dźwigu

138

Ryc. 9.11. Transformator TR 16000/110 poddany badaniom

Pomiary FRA początkowo autor przeprowadził dla wszystkich faz – zarówno po stronie górnej, dolnej, jak i dla układu międzyuzwojeniowego. W dalszej części eksperymentu mierzono odpowiedź tylko tej kolumny, w której wprowadzano deformacje.

Rejestracje wibroakustyczne dokonywane były po załączeniu transformatora pod napięcie od strony 110 kV na stacji, w której transformator był zainstalowany, co możliwe było dzięki współpracy autora oraz dr. inż. Eugeniusza Kornatowskiego, odpowiedzialnego za część wibroakustyczną badań, z Oddziałem Dystrybucji Szczecin Enea Operator. Rejestrowano zarówno stan nieustalony przebiegu, jak i stan ustalony. Deformacje polegały na luzowaniu prasowania rdzenia poprzez odkręcanie śrub prasujących górne jarzmo oraz na luzowaniu prasowania uzwojeń poprzez wybicie klinów i przekładek spod szczęk dociskowych. Dodatkowo przed pomiarami z poluzowanymi uzwojeniami załączono kilkukrotnie transformator, aby

„wstrząsnąć” częścią mechaniczną i spowodować jej naturalne rozprężenie.

W przypadku luzowania rdzenia wykonywano tylko rejestracje wibroakustyczne, gdyż taka deformacja nie skutkuje wystarczająco dużymi przesunięciami istotnych elementów w części aktywnej transformatora, które miałyby zmienić jej odpowiedź częstotliwościową.

Na ryc. 9.12 przedstawiono widok na uniesioną część aktywną transformatora podczas luzowania prasownia jarzma rdzenia.

Rycina 9.13 ukazuje graficznie wyniki analizy sygnału drgań kadzi uzyskane z wykorzystaniem dyskretnej transformaty Fouriera; na podstawie wzoru (9.3) obliczono zmiany mocy wibracji w funkcji częstotliwości.

139 Ryc. 9.12. Luzowanie prasowania rdzenia badanego transformatora

Ryc. 9.13. Zmiany mocy drgań kadzi diagnozowanej jednostki transformatorowej Źródło: [27].

Na powyższym wykresie pokazano trzy krzywe: dla przypadku transformatora idealnego (linia czerwona) oraz krzywe obliczone dla badanej jednostki przed i po rozpakietowaniu górnego jarzma rdzenia. Analizując pokazane wykresy, można stwierdzić, że mechaniczna degradacja rdzenia prowadzi do zwiększenia mocy drgań w zakresie powyżej 100 Hz, a moc wibracji ar(f) stabilizuje się na poziomie ok. 0,2 wartości mocy maksymalnej (w zakresie od 0 Hz do 100 Hz). W przypadku rdzenia w stanie oryginalnym krzywa ar(f) asymptotycznie dążyła do wartości ok. 0,05 mocy maksymalnej. Zatem mniejsza prędkość opadania ar(f) świadczy o rozwijających się uszkodzeniach rdzenia transformatora.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 f (kHz)

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 ar(f)

140

W przypadku poluzowanych uzwojeń przeprowadzono zarówno rejestracje FRA, jak i VM.

Widok poluzowanych uzwojeń ukazano na ryc. 9.14. Luzowanie polegało na usunięciu elementów dociskowych na całym obwodzie uzwojenia badanej fazy. Dodatkowo przed pomiarami właściwymi kilkukrotnie włączono transformator, by udar prądowy spowodował rozprężenie uzwojenia ku górze.

Ryc. 9.14. Uzwojenie badanego transformatora pozbawione elementów dociskowych

Na ryc. 9.15 przedstawiono krzywe odpowiedzi częstotliwościowej zmierzone przez autora w układzie pomiędzy końcami uzwojenia (end-to-end) oraz w układzie międzyuzwojeniowym.

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ międzyuzwojeniowym (b) w całym zakresie częstotliwości pomiarowych

W całym zakresie częstotliwości różnice pomiędzy charakterystykami są prawie niezauważalne, co wynika z faktu, iż samo rozprężenie uzwojeń nie jest dużej skali. Jedyne widoczne różnice występują powyżej 1 MHz, w układzie end-to-end, lecz jest to zakres częstotliwości, na który wpływ mają także czynniki związane z metodologią pomiarową, układem wyprowadzeń i połączeń, a więc nie można mieć pewności, co jest przyczyną takich różnic. Na ryc. 9.16 zaprezentowano powiększone fragmenty krzywych zmierzonych dla układu end-to-end.

141 Na ryc. 9.16a zauważyć można różnice pomiędzy przebiegami, przy częstotliwości ok.

10–20 kHz. Jest to ewidentny wpływ rozprężenia uzwojenia; zakres ten odpowiada za tzw.

deformacje zgrubne. Co prawda zmiany te nie są duże; osiągają maksymalnie 2–3 dB, jednak w połączeniu w metodą wibroakustyczną stanowią potwierdzenie istnienia określonego defektu w części aktywnej transformatora.

10⁴ 10⁵

Ryc. 9.16. Powiększone fragmenty odpowiedzi częstotliwościowej uzwojenia fazy C w układzie end-to-end

Na ryc. 9.16b widać powiększony fragment zakresu wysokich częstotliwości z wyraźnymi zmianami od 5 do 20 MHz – lecz jak wspomniano – jest to zakres o dużej niepewności interpretacyjnej, a dodatkowo standardowy pomiar wykonywany jest zazwyczaj do 2 MHz, co oznacza, że obszar ten byłby w praktyce przemysłowej niezmierzony. Na ryc. 9.17 przedstawiono powiększone fragmenty charakterystyk odpowiedzi częstotliwościowej zmierzonej w układzie międzyuzwojeniowym pojemnościowym, czyli pomiędzy uzwojeniem górnym a dolnym danej fazy, poprzez sprzężenie pojemnościowe.

4x10⁴ 8x10⁴ 1,2x10⁵

Rys. 9.17. Powiększone fragmenty odpowiedzi częstotliwościowej uzwojenia fazy C w układzie międzyuzwojeniowym; zakres: a) 20 K–120 K, b) 1 M–20 M

142

Podobnie jak w poprzednim przypadku widoczne zmiany pojawiają się około 10–20 kHz, lecz również ok. 65 kHz (ryc. 9.17a). Ta druga zmiana polega na zwiększeniu tłumienia rezonansu o ok. 5 dB, co jest już zmianą wyraźną. Potwierdza to więc doświadczenia autora, przedstawione w rozdziale 4, które wskazują, że pomiary międzyuzwojeniowe są bardziej wrażliwe na większość deformacji. Niestety, nie są one zalecane jako pomiar standardowy, w związku z czym przy braku danych referencyjnych interpretacja takich wyników może być niemożliwa. Na ryc. 9.17b przedstawiono różnice pomiędzy krzywymi w zakresie wysokich częstotliwości – który podobnie jak w układzie end-to-end – wydaje się trudny do jednoznacznej interpretacji, chociaż zapewne w tym przypadku wynika on właśnie z rozprężenia uzwojenia.

Poniżej przedstawiono wyniki rejestracji wibroakustycznych. Wykresy pokazane na ryc. 9.18 przedstawiają przebiegi obwiedni przyspieszenia drgań kadzi w czasie do ok. 5 s od podłączenia nieobciążonego transformatora.

Ryc. 9.18. Proces stabilizacji obwiedni przyspieszenia drgań kadzi transformatora Źródło: [27].

Analiza przebiegu krzywych dowodzi, że po poluzowaniu uzwojeń transformatora wzrosła amplituda oscylacji obwiedni przyspieszenia wibracji, szczególnie w zakresie do 1,5 s (np. wzrost wartości arz(t)norm od 0,5 do 1 s). W stanie oryginalnym zmiany przyspieszenia do 1,0 s nie przekraczały 30% wartości maksymalnej. Poluzowanie uzwojeń spowodowało, iż w pierwszej sekundzie wahania amplitudy przyspieszenia przekraczały 50% wartości maksymalnej. W czasie przekraczającym 1,5 s w obu rozpatrywanych przypadkach następuje stabilizacja amplitudy drgań (obwiedni) na podobnym poziomie.

Wykorzystanie analizy czasowo-częstotliwościowej w analizie wibroakustycznej może umożliwić dokładniejsze wnioskowanie. Dodatkowo, jeżeli w procesie preprocessingu analizowanego sygnału zastosuje się algorytm odejmowania widmowego SSM [92], to diagnostyka znacznie zyska na „czytelności” wyników. Generalnie, zastosowanie metody odejmowania widmowego w diagnostyce wibroakustycznej transformatorów energetycznych stosuje się w celu zredukowania wpływu na pomiar zjawiska magnetostrykcji. Dzięki temu można znacznie poprawić jakość diagnozy dotyczącej stanu nieustalonego.

Na ryc. 9.19 pokazano spektrogramy sygnału drgań kadzi przy zastosowaniu metody SSM w przypadku badanego transformatora w stanie oryginalnym i po poluzowaniu uzwojeń.

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

143

Nie ulega wątpliwości, że widmo sygnału drgań jednostki transformatorowej z poluzowanym uzwojeniem jest znacznie „bogatsze” niż w stanie oryginalnym. Pierwotnie (stan oryginalny – zob. ryc. 9.19a) dominowała częstotliwość harmoniczna 600 Hz, która zanikała (ulegała stabilizacji) po ok. 12 s. W przypadku poluzowanych uzwojeń dominujących harmonicznych była znacznie więcej, a czas stabilizacji drgań („wygasania” stanu nieustalonego) uległ skróceniu do ok 10 s.

W opisywanym przypadku obie metody okazały się skuteczne w diagnostyce poluzowanego uzwojenia. Ewidentne różnice zarejestrowane pomiarami wibroakustycznymi można zweryfikować za pomocą pomiaru FRA.