PL246382B1 - Analizator wyładowań niezupełnych i sposób diagnozowania izolacji uzwojeń transformatorów i maszyn elektrycznych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest analizator wyładowań niezupełnych (1) w izolacji uzwojeń maszyn elektrycznych i transformatorów, dużych i średnich mocy bazuje na czujniku ozonu MO. Wyjście z czujnika ozonu MO jest połączone z przetwornikiem analogowo-cyfrowym A/C, który jest połączony dwukierunkowo z mikrokontrolerem µC. Wyjście z mikrokontrolera µC jest połączone z pamięcią nieulotną PN, W centrali diagnostycznej jest zainstalowana sygnalizacja LED z kolorowymi paskami: zielonym - OK, żółtym — ostrzeżenie i czerwonym - alarm. Elementy analizatora (1): MO, A/C, µC są zasilane napięciem z modułu zasilania MZ. Stan stężenia ozonu zapisany w pamięci nieulotnej PN analizatora jest przekazywany w komunikacji bezprzewodowej do centrali diagnostycznej, w której jest zainstalowana sygnalizacja LED i opcjonalnie komputer diagnostyczny KD. Sposób diagnozowania izolacji uzwojeń maszyn elektrycznych i transformatorów, dużych i średnich mocy analizatorem (1) wyładowań niezupełnych polega na tym, że jeden lub kilka, analizatorów (1) przymocowuje się do górnego jarzma transformatora suchego bądź do górnej wewnętrznej powierzchni kadzi transformatora olejowego, a w maszynach elektrycznych budowy zamkniętej do wewnętrznej powierzchni, tarczy łożyskowej (3), kadłuba (4), jarzma (5) bądź czół uzwojenia (6), korzystnie od strony wylotowej powietrza chłodzącego, natomiast w maszynach elektrycznych o budowie otwartej analizator (1) zamocowuje się na wylocie powietrza chłodzącego. Po zainstalowaniu analizatora (1) zapisuje się w pamięci PN tło stężenia ozonu w powietrzu i jest to próg bazowy P, a następnie skaluje się mikrokontroler µC. W czasie eksploatacji transformatora bądź maszyny elektrycznej analizator (1) kontroluje stężenie ozonu i informacje przekazuje do centrali diagnostycznej. Wzrost stężenia ozonu do wartości P1 ≤ 120% progu bazowego jest stanem dopuszczalnym i stacji diagnostycznej świeci się pasek zielony, wzrost stężenia ozonu w zakresie P2 = 121% ÷ 200% progu bazowego jest stanem zagrożonym i świeci się pasek żółty, wzrost stężenia ozonu powyżej wartości P2 > 200% progu bazowego jest stanem alarmowym i świeci się pasek czerwony.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zastosowanie analizatora wyładowań niezupełnych w izolacji uzwojeń transformatorów i maszyn elektrycznych dużych i średnich mocy oraz sposób diagnozowania izolacji uzwojeń bazujący na pomiarze analizatorem intensywności wyładowań niezupełnych.

Wyładowania niezupełne w izolacji uzwojeń są przyczyną w dużym stopniu awarii transformatorów i maszyn elektrycznych wysokonapięciowych. Wysokonapięciowa izolacja uzwojenia jest wielowarstwowa. Czas pracy, temperatura i drgania powodują, że izolacja rozwarstwia się, między warstwami izolacji powstają szczeliny powietrzna, a w nich zachodzą wyładowania niezupełne. Następstwem wyładowań niezupełnych jest postępująca elektroerozja, która degraduje izolację i w konsekwencji prowadzi do jej przebicia. Jedną z metod nadzoru nad stanem technicznym izolacji maszyn są badania wyładowań niezupełnych. Intensywność wyładowań niezupełnych jest parametrem pozwalającym oceniać stan techniczny izolacji eksploatowanej maszyny. Wzrost intensywności wyładowań niezupełnych jest symptomem pogarszania się stanu izolacji prowadzący do jej przebicia.

Badanie wyładowań niezupełnych w izolacji uzwojenia są prowadzone w czasie pracy maszyn, są to badania on-line. Wyładowania niezupełne emitują fale elektromagnetyczne. Znane i stosowane sposoby bazują na antenach zainstalowanych wewnątrz transformatorów bądź maszyn elektrycznych, które odbierają fale elektromagnetyczne. Sygnały z anten są rejestrowane na aparaturze pomiarowej zainstalowanej na zewnątrz transformatora lub maszyny badanej. Metoda ta ma obszerną literaturę, jednak w praktyce okazuje się mało wiarygodna, gdyż sygnały pomiarowe są silnie zakłócane. Sygnały zakłócające, pochodzą z różnych źródeł i są kilkakrotnie większe od sygnału emitowanego przez wyładowania niezupełne. Wyładowania elektryczne w powietrzu powodują wydzielanie się ozonu potwierdza to publikacja P. Yao, H. Zheng, X. S. Yao nad Z. Ding: „A Method of Monitoring Partial Discharge in Switchgear Based on Ozone Concentration”. IEEE Transactions on Plasma Science. Wykazano w niej, że pole elektryczne między izolacją i szczeliną powietrzną wzbudza wyładowania niezupełne, które wytwarzają ozon. Artykuł nie przedstawia jednak rozwiązania aplikacyjnego dla celów diagnostycznych maszyn elektrycznych. Znany jest wzór użytkowy CN211043559U (China Yangtze Power Co.) Highvoltage electrical equipment partial discharge monitoring device based on ozone concentration, który dotyczy monitorowania wyładowań niezupełnych, na podstawie pomiaru stężenia ozonu w rozdzielniach wysokiego napięcia. Urządzenie ma budowę modułową. Moduły, z wyjątkiem bezdotykowego ekranu, są umieszczone w skrzynkach ochronnych zainstalowanych w strefie urządzeń elektrycznych wysokiego napięcia. Rozwiązanie przedstawione nie dotyczy transformatorów i maszyn elektrycznych. Znany jest patent KR20130035727A (Korea Electric Power Corp). Partial Discharge Monitoring System w którym przedstawiono rozwiązanie pobierania z silnika elektrycznego powietrza chłodzącego zawierającego ozon i dostarczanie go do analizatora stężenie ozonu, który jest poza silnikiem. Patent JP2021056050A (JFE STEEL CORP.[JPJ]. Insulator deterioration diagnostic device and insulator deterioration diagnostic method for electric rotary machine dotyczy maszyn elektrycznych. Przedstawiono w nim sposób cechowania układu pomiarowego w danej maszynie elektrycznej. W maszynie elektrycznej mierzone jest, metodą elektryczną, wyładowanie niezupełne, a czujnikiem ozonu mierzony jest w powietrzu w maszynie jego stężenie. Wyniki pomiaru są przekazywane do przetwornika A/C i komputera. Wykazano, że związek między wyładowaniem niezupełnym a stężeniem gazu jest liniowy. Jest to cechowanie układu pomiarowego jednej określonej maszyny elektrycznej.

Układ pomiarowy wyładowań niezupełnych w przedstawionych rozwiązaniach jest rozproszony, bowiem składa się z oddzielnych modułów: zasilacza, czujnika stężenia ozonu, przetwornika A/C, mikroprzetwornika i monitora lub komputera. W miejscu pomiaru umieszczony jest tylko czujnik pomiaru stężenia ozonu.

Znane są także analizatory pomiaru stężenia ozonu w powietrzu. Analizatory takie oferują różne firmy w Internecie. Analizatory te są wykorzystywane do pomiaru stężenia ozonu w miejscu przebywania ludzi. Najwyższe dopuszczalne stężenie ozonu NDS w miejscu pracy ludzi jest podane w normie PN-Z-04007-2:1994 i wynosi 0,15 mg/m³. Analizatory te, ze względu na wymiary i cenę, nie nadają się do pomiaru stężenia ozonu wewnątrz transformatorów i maszyn elektrycznych.

Celem wynalazku jest umieszczenie scalonego miniaturowego i taniego analizatora wyładowań niezupełnych wewnątrz transformatora i maszynie elektrycznej bazującego na pomiarze stężenia ozonu i sposób diagnozowania izolacji poprzez ciągły pomiar stężenia wyładowań niezupełnych i przesyłanie tej informacji do centrali diagnostycznej.

Według wynalazku analizator wyładowań niezupełnych, w izolacji uzwojeń transformatorów i maszyn elektrycznych dużych i średnich mocy, jest układem scalonym w jeden zespół obejmujący elementy: czujnik ozonu MO, przetwornik analogowo-cyfrowy A/C, mikrokontroler gC, pamięć nieulotna PN i moduł zasilania MZ. Wyjście z czujnika ozonu jest połączone z przetwornikiem A/C, a ten jest połączony dwukierunkowo z mikrokontrolerem gC. Wyjście z mikrokontrolera gC jest połączone z pamięcią PN. Elementy analizatora: czujnik ozonu MO, przetwornik A/C, mikrokontroler gC i pamięć PN są zasilane napięciem z modułu MZ. Stan stężenia ozonu zapisany w pamięci PN analizatora jest przekazywany w komunikacji bezprzewodowej do centrali diagnostycznej w której jest zainstalowany komputer diagnostyczny i opcjonalnie sygnalizacja LED z kolorowymi paskami: zielonym - OK, żółtym - ostrzeżenie i czerwonym - alarm.

Sposób diagnozowania izolacji uzwojeń, transformatorów i maszyn elektrycznych, dużych i średnich mocy, analizatorem wyładowań niezupełnych, według wynalazku polega na tym, że jeden lub kilka, analizatorów przymocowuje się do górnego jarzma transformatora suchego bądź do górnej wewnętrznej powierzchni kadzi transformatora olejowego, a w maszynach elektrycznych budowy zamkniętej do wewnętrznej powierzchni: tarczy łożyskowej, czół uzwojenia, kadłuba, bądź jarzma, korzystnie od strony wylotowej powietrza chłodzącego, natomiast w maszynach elektrycznych o budowie otwartej analizator zamocowuje się na wylocie powietrza chłodzącego. Po zainstalowaniu analizatora zapisuje się w pamięci nieulotnej tło stężenia ozonu w powietrzu i jest to próg bazowy P, a następnie skaluje się mikrokontroler gC. W czasie eksploatacji transformatora bądź maszyny elektrycznej analizator kontroluje stężenie ozonu i informacje przekazuje do centrali diagnostycznej. Wzrost stężenia ozonu do wartości P1 < 120% progu bazowego jest stanem dopuszczalnym i w stacji diagnostycznej świeci się pasek zielony, wzrost stężenia ozonu w zakresie P2 = 121% + 200% progu bazowego jest stanem zagrożonym i świeci się pasek żółty, wzrost stężenia ozonu powyżej wartości P2 > 200% progu bazowego jest stanem alarmowym i świeci się pasek czerwony.

Przedmiot wynalazku jest zilustrowany w przykładzie rozwiązania na rysunkach na których przedstawiono: fig. 1 schemat blokowy scalonego analizatora dozymetrycznego, fig. 2 przekrój maszyny elektrycznej z umieszczonymi analizatorami pomiarowymi ozonu.

Analizator (1) wyładowań niezupełnych w izolacji uzwojeń, transformatorów i maszyn elektrycznych dużych i średnich mocy, jest układem scalonym, jak na rysunku fig. 1. Analizator składa się z pięciu podzespołów: czujnika ozonu MO, przetwornika A/C, mikrokontrolera gC, pamięci nieulotnej PN i modułu zasilania MZ. Czujnik ozonu MO kontroluje stężenie ozonu w swoim otoczeniu. Wyjście z czujnika ozonu MO jest połączone z wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego A/C. Przetwornik A/C, jest połączony dwukierunkowo z mikrokontrolerem gC. Wyjście z mikrokontrolera gC jest połączone z pamięcią nieulotną PN. Elementy analizatora (1): MO, A/C, gC i PN są zasilane napięciem z modułu zasilania MZ. Stan stężenia ozonu zapisany w pamięci nieulotnej PN analizatora jest przekazywany w komunikacji bezprzewodowej do centrali diagnostycznej (2) w której jest zainstalowany komputer diagnostyczny KD i opcjonalnie sygnalizacja LED z kolorowymi paskami: zielonym - OK, żółtym - ostrzeżenie i czerwonym - alarm.

Sposób diagnozowania izolacji uzwojeń, transformatorów i maszyn elektrycznych dużych i średnich mocy, analizatorem (1) wyładowań niezupełnych bazuje na zjawisku fizyczno-chemicznym, a mianowicie, że wyładowania elektryczne w powietrzu wytwarzają ozon. Wyładowania niezupełne w izolacji są wyładowaniami elektrycznymi. Sposób diagnozowania wyładowań niezupełnych polega na tym, że jeden lub kilka, analizatorów (1) przymocowuje w powietrzu wewnątrz transformatora bądź maszyny elektrycznej. W transformatorach olejowych analizator (1) przymocowuje się do górnej wewnętrznej powierzchni kadzi bądź pokrywy. W transformatorach suchych analizator (1) zamocowuje się do jarzma górnego. W maszynach elektrycznych budowy zamkniętej analizator (1) umieszcza się wewnątrz maszyny przymocowując go do czół uzwojenia (6) bądź do powierzchni wewnętrznej, np. tarczy łożyskowej (3), kadłuba (4), jarzma (5), korzystnie od strony wylotowej powietrza chłodzącego. W maszynach elektrycznych o budowie otwartej analizator (1) zamocowuje się na wylocie powietrza chłodzącego. Po zainstalowaniu analizatora (1) zapisuje się w pamięci nieulotnej PN tło stężenia ozonu w powietrzu i jest to próg bazowy P, a następnie skaluje się mikrokontroler gC. W czasie eksploatacji transformatora bądź maszyny elektrycznej analizator (1) kontroluje stężenie ozonu i informacje przekazuje do centrali diagnostycznej (2). Wzrost stężenia ozonu do wartości P1 < 120% progu bazowego jest stanem dopuszczalnym i w stacji diagnostycznej (2) świeci się pasek zielony, wzrost stężenia ozonu w zakresie P2 = 121% + 200% progu bazowego jest stanem zagrożonym i świeci się pasek żółty, wzrost stężenia ozonu powyżej wartości P2 > 200% progu bazowego jest stanem alarmowym i świeci się pasek czerwony.

Zaletą scalonego analizatora (1) wyładowań niezupełnych są miniaturowe wymiary. Analizator (1), jeden lub więcej, umieszcza się wewnątrz transformatora bądź maszyny elektrycznej. Na rysunku fig. 2 pokazano trzy analizatory (1) przymocowane do: tarczy łożyskowej (3), pakietu blach stojana (5) i czół uzwojenia stojana (6). Analiza ozonu jest prowadzona on-line i pozwala na wczesne stwierdzenie zachodzących niekorzystnych zmian w układzie izolacyjnym transformatora bądź maszyny elektrycznej. Diagnostyka izolacji uzwojenia, poprzez, analizę chromatograficzną ozonu w powietrzu, jest niewrażliwa na zakłócenia elektromagnetyczne.

Claims (5)

1. Analizator wyładowań niezupełnych w izolacji uzwojeń maszyn elektrycznych i transformatorów, dużych i średnich mocy jest układem scalonym w jeden zespół obejmującym elementy: czujnik ozonu MO, przetwornik A/C, mikrokontroler gC, pamięć nieulotną PN i moduł zasilania MZ, znamienny tym, że wyjście z czujnika ozonu MO jest połączone z przetwornikiem A/C, który jest połączony dwukierunkowo z mikrokontrolerem μθ, a wyjście z mikrokontrolera gC jest połączone z pamięcią nieulotną PN, przy czym elementy analizatora (1): MO, A/C, gC, PN są zasilane napięciem z modułu MZ.

2. Analizator według zastrz. 1, znamienny tym, że stan stężenia ozonu zapisany w pamięci nieulotnej PN jest przekazywany korzystnie w komunikacji bezprzewodowej do centrali diagnostycznej (2) w której jest zainstalowany komputer diagnostyczny KD bądź sygnalizacja LED z kolorowymi paskami: zielonym - OK, żółtym - ostrzeżenie i czerwonym - alarm.

3. Sposób diagnozowania izolacji uzwojeń maszyn elektrycznych i transformatorów, dużych i średnich mocy analizatorem wyładowań niezupełnych przedstawionym w zastrz. 1, znamienny tym, że analizator (1), jeden lub kilka, przymocowuje się w transformatorach olejowych do górnej wewnętrznej powierzchni kadzi lub pokrywy, a w transformatorach suchych do jarzma górnego, natomiast w maszynach elektrycznych budowy zamkniętej do czół uzwojenia (6) bądź do powierzchni wewnętrznej: tarczy łożyskowej (3), kadłuba (4), jarzma (5), korzystnie od strony wylotowej powietrza chłodzącego, a w maszynach elektrycznych o budowie otwartej analizator (1) zamocowuje się na wylocie powietrza chłodzącego.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że po zainstalowaniu analizatora (1) korzystnie zapisuje się w pamięci PN tło stężenia ozonu w powietrzu i jest to próg bazowy P, a następnie skaluje się mikrokontroler gC.

5. Sposób według zastrz. 3 i 4, znamienny tym, że w czasie eksploatacji transformatora bądź maszyny elektrycznej analizator (1) kontroluje stężenie ozonu i informacje przekazuje do centrali diagnostycznej (2), wzrost stężenia ozonu do wartości P1 < 120% progu bazowego jest stanem dopuszczalnym i świeci się pasek zielony, wzrost stężenia ozonu w zakresie P2 = 121% + 200% progu bazowego jest stanem zagrożonym i świeci się pasek żółty, wzrost stężenia ozonu powyżej wartości P2 > 200% progu bazowego jest stanem alarmowym i świeci się pasek czerwony.