Print

Detekce korozivní síry v terénu pomocí elektrických měření

-- 10.12.2018

Detection of corrosive sulphur in the field using electrical testing methods

ANOTACE

Korozivní síra je poměrně novým fenoménem, o němž jsme si před několika lety mysleli, že se netýká strojů provozovaných v rámci ČR a SR. Skutečnost ukazuje, že tento názor byl mylný a dotýká se poměrně významné skupiny strojů. Příspěvek se zabývá metodou, která umožňuje neinvazivní detekci jevů poukazujících na přítomnost korozivní síry nebo stříbra v transformátoru pomocí elektrických metod měření. Součástí je i verifikace předpokladů z praxe.

ABSTRACT

Corrosive sulphur is pretty new phenomena which was just few years ago „exotic“ for central European region. Current experience shows significantly different picture and several transformers are affected by this phenomena. This lesson is aimed for non‑invasive detection of corrosive sulphur (eventually silver) presence in transformers using non‑invasive electrical measurement. Essential part of material is field experience of authors.

1. ÚVOD

Současně s technickým rozvojem prvků distribuce, výroby a přenosu elektrické energie dochází k pokroku v oblasti technických řešení a používaných materiálů, v souladu s tím lze zaznamenat i rozvoj diagnostických metod umožňujících lépe popsat a pochopit chování jednotlivých prvků. V posledním desetiletí se objevil fenomén ovlivňující spolehlivý a bezpečný provoz jednoho z klíčových prvků této oblasti – výkonového transformátoru.

Fenomén korozivní síry byl zpočátku považován za okrajový a týkající se provozu výkonových transformátorů v podmínkách ne zcela odpovídajících evropskému prostředí – dynamické zatěžování v prostředí s vysokou teplotou a vlhkostí, případně nasazení v oblasti HV DC stanic. Současnost ukazuje, že korozivní síra se týká provozu strojů i v našich podmínkách a existuje statisticky zajímavé číslo případů potvrzující kladnou detekci symptomů, jež poukazují na přítomnost korozivní síry či korozivního stříbra (obdobný jev vznikající degradací stříbřených kontaktů, například v přepínačích odboček).

Doposud se přítomnost korozivní síry určuje laboratorní metodou založenou na detekci DBDS v odebraném vzorku transformátorového oleje. Paradoxem je, že korozivní síra, respektive vodivé povlaky vytvořené působením této sloučeniny jsou nebezpečné hlavně z hlediska usazování na izolačním systému transformátoru a kvůli jeho postupné degradaci, která se může projevovat pouze lokálně. Následkem je snížení dielektrické pevnosti celého systému a jeho selhání, jež se následně projevuje fatálními haváriemi strojů. Určení příčiny takovéto havárie bývá komplikované, neboť stroj je obvykle výrazně poškozen, hlavně v oblasti, kde vznikl polovodivý povlak.

Materiál je věnován novému možnému postupu detekce přítomnosti polovodivých a vodivých povlaků přímo na izolačním systému pomocí metody FDS, jejíž princip je popsán v kapitole 2.

V materiálu budou zmíněny jak teoretické výzkumy v této oblasti, tak praktická měření v rámci ČR/SR.

2. FDS – DIELEKTRICKÁ SPEKTROSKOPIE VE FREKVENČNÍ DOMÉNĚ

Jednou z nových diagnostických metod pro diagnostiku různých izolačních systémů je metoda dielektrické spektroskopie, v tomto případě na základě frekvenční závislosti. Jejím principem je sledování odezvy (polarizace) částic na základě změny frekvence v širokém pásmu. Uplatnění najde tato metoda v diagnostice elektrických strojů, zařízení a prvků. V tomto článku budou popsány aplikace zejména v oblasti výkonových transformátorů. Tato metoda je použitelná i v dalších aplikacích, jako je vinutí elektrických strojů (generátory, motory), přístrojových transformátorů s olejovou náplní a dalších.

Přístroj používaný na diagnostiku metodou FDS (v ČR poměrně rozšířený IDAX 206, IDAX 300 či IDA 200) je založen na generátoru sinusového napětí 140 Vef ve frekvenčním rozsahu 10 kHz až 0,0001 Hz. Jedná se o kompaktní přístroj o hmotnosti cca 6 kg, jehož výkon plně postačuje pro diagnostiku výkonových transformátorů a papírem izolovaných kabelů (pro aplikace na kabelech s izolací ze zesítěného polyetylénu lze připojit externí vysokonapěťovou jednotku). Princip funkce je měření generovaného napětí a proudu vycházejících z měřeného vzorku a jejich následné vyjádření v požadované podobě (Z, cos φ, tan δ, c, ε’, ε’’, Δε a v dalších možných podobách – v určitých případech sledování pouze hodnoty tan δ neposkytne celkový obraz o měřeném vzorku, jak bude vysvětleno dále). Přístroj používá i třetí ochrannou elektrodu, která se obvykle připojuje k tanku transformátoru nebo k izolaci kabelu. Díky frekvenční selektivitě ampérmetru a filtraci signálu může přístroj bez problémů pracovat i v místech se silnou elektromagnetickou indukcí. Přesnost metody byla porovnávána s tradičními vn přístroji 10 kV a 20 kV bez jakýchkoli odchylek. Významnou předností je široké frekvenční pásmo, jež dovoluje poměrně rozsáhlou diagnostiku různých částí měřeného vzorku.

Na výkonových transformátorech lze měřit všechny izolační stavy (např. mezi jednotlivými vinutími, mezi vinutími a zemí, diagnostikovat průchodky atd.). Diagnostikou lze určit tan δ při 50 Hz, včetně správné teplotní kompenzace, a dále například vlhkost papírové izolace a vodivost oleje bez ohledu na teplotu transformátoru. Principem je měření ve frekvenčním rozsahu 1 kHz až 0,0001 Hz, přičemž každý z prvků (teplota, vodivost oleje, vlhkost papírové izolace, konstrukční uspořádání), který ovlivňuje naměřené hodnoty, se projevuje jiným způsobem při různých frekvencích (viz obrázek 1). To nám umožňuje jednotlivé vlivy odseparovat, případně přepočítat na vztažné podmínky, např. 20 °C.

Z obrázku 2 si vezmeme za příklad graf odpovídající izolaci hlavního vinutí. Vlhkost papírové izolace se projevuje zejména v zakřivení charakteristiky v jejích koncových částech a v její strmosti ve střední části, vodivost oleje na posunu křivky pod úhlem 45° (změna vlhkosti se projeví pouze posunem v tomto směru) a konstrukce transformátoru na výšku křivky. Teplota má vliv na celkový posun křivky v horizontální rovině, což při znalosti teploty v rámci měření umožňuje přepočíst naměřenou tan δ na nominální teplotu bez rizika špatného směru korekce (viz obrázek 1).

Z obrázku 1 je patrné, že bez znalosti směrnice (tj. pouze měření v jednom bodě) křivky v nejbližším okolí není dost dobře možné korigovat tan δ při 50 Hz na zvolenou teplotu, neboť směrnice může mít v závislosti na kombinaci vodivosti, vlhkosti a teploty jak kladnou, tak zápornou hodnotu. Široké frekvenční pásmo též umožňuje modelování průběhu křivky až za hranice měření.

Co se týče dalšího porovnání s „klasickými“ diagnostickými metodami, předností je interpretace založená na konstrukci transformátoru, krátká doba potřebná na měření, opakovatelnost testu, menší citlivost na elektromagnetickou indukci oproti DC a snadná pochopitelnost a modelovatelnost výsledků měření. Je však zapotřebí v tomto případě zmínit možnost napěťové nelinearity, kterou tímto způsobem není možno zjistit. Vzhledem ke kapacitě měřených vzorků není reálné zkonstruovat přenosný přístroj, jenž by ve frekvenčním rozsahu od 1 kHz umožňoval generovat napětí v řádech kV.

Pokud bychom chtěli zobrazit průběhy s různou vlhkostí a současně i vodivostí oleje, za příklad nám může posloužit graf označený jako obrázek 2. V tomto případě je vidět nejen kvantifikace hodnot na úrovni 50 Hz, ale i přímý výpočet obsahu vlhkosti v papírové izolaci (zde izolace vinutí). V daném jevu je kvantifikována vlhkost na základě shody mezi naměřenou odezvou (křivkou) a teoretickým modelem, který je možno kvantifikovat parametry, jako je vlhkost a vodivost (izolační odpor oleje). Stejně tak je možno naměřené křivky přesně a spolehlivě korigovat na vztažné/nominální teploty.

2.1. DETEKCE KOROZIVNÍ SÍRY

Jako nová aplikace se jeví i možnost detekce přítomnosti korozivní síry a korozivního stříbra, a to v rámci standardních testů. Přítomnost těchto sloučenin se charakteristicky projevuje na frekvenční odezvě a umožňuje tím poměrně spolehlivou selekci strojů zasažených tímto fenoménem poslední doby.

V průběhu měření se stane, že je naměřena nestandardní odezva, obvykle ve frekvenčním pásu mezi 1 Hz a 10 kHz. Zpočátku byla tato odezva přisuzována buď individuální charakteristice konkrétního stroje, nebo přítomnosti kalů. Možnost vztahu mezi touto odezvou a korozivní sírou začal být intenzivněji zkoumán v posledních 5 letech, postupem času došlo k potvrzení tohoto vztahu s vysokou mírou pravděpodobnosti.

Příklady těchto průběhů jsou uvedeny v následujících kapitolách. S těmito průběhy se v minulosti setkali i autoři, avšak v době měření byly tyto průběhy považovány za individuální odezvu stroje, nikoli za detekci rozvíjejících se důsledků působení korozivní síry.

3. LABORATORNÍ MODELOVÁNÍ PŮSOBENÍ KOROZIVNÍ SÍRY

Ačkoli se jedná o poměrně zajímavou oblast diagnostiky výkonových transformátorů, počet teoretických prací věnujících se této metodě není nikterak vysoký. Buď se jedná o známku novosti tohoto problému, nebo o znamení, že jde o poměrně komplikovanou oblast výzkumu. Jednou z mála prací, která se této problematice věnuje, je materiál „Improvements of the Transformer Insulation XY Model Including Effect of Contamination“ (literatura [1]). V tomto materiálu jsou rozděleny jevy na odezvu v rámci osy X (horizontální – bariéry) a osy Y (vertikální – oddělovače). Každá z os se projevuje trochu jinak, což může být využito v následné diagnostice.

3.1 ODEZVY V OSE X

V rámci laboratorního modelování byly nasimulovány růžově silné vrstvy polovodivé vrstvy s následujícími odezvami:

Obrázek 3a zobrazuje frekvenční závislost relativní komplexní permitivity ε’ pro tloušťky vrstev 0,5 až 2 mm. Je možno vysledovat frekvenční posun odezvy směrem k vyšším frekvencím v závislosti na zvyšující se tloušťce vrstvy a mírný nárůst amplitudy odezvy.

Obdobnou charakteristiku je možno vysledovat i na obrázku 3 b, kde je uvedena frekvenční závislost imaginární komplexní permitivity ε’’ pro tloušťky vrstev 0,5 až 2 mm. Je možno vysledovat frekvenční posun odezvy směrem k vyšším frekvencím v závislosti na zvyšující se tloušťce vrstvy.

Obecně lze říci, že kontaminace v ose X má vyšší ztráty kvůli vyšším intenzitám elektrického pole. Obecně je možno odezvu shrnout do následující tabulky:

3.2 ODEZVY V OSE Y

Odezvy v ose Y se projevují též výraznou odchylkou od běžných průběhů, avšak oproti ose X se jedná o odlišný způsob. Obrázek 4a zobrazuje frekvenční závislost relativní komplexní permitivity ε’ pro tloušťky vrstev 0,5 až 2 mm. Je možno vysledovat frekvenční posun odezvy směrem k vyšším frekvencím v závislosti na zvyšující se tloušťce vrstvy a mírný nárůst amplitudy odezvy.

Obdobnou charakteristiku je možno vysledovat i na obrázku 4 b, kde je uvedena frekvenční závislost imaginární komplexní permitivity ε’’ pro tloušťky vrstev 0,5 až 2 mm. Je možno vysledovat frekvenční posun odezvy směrem k vyšším frekvencím v závislosti na zvyšující se tloušťce vrstvy.

Lze konstatovat, že odezvy v ose Y se projevují nejen jiným charakterem křivek, ale i odlišným frekvenčním pásmem odezvy.

3.3 SHRNUTÍ LABORATORNÍCH MODELOVÁNÍ

Laboratorní pokusy prokázaly nejen oprávněnost předpokladů o změně ve frekvenčních odezvách „kontaminovaných vzorků“ v porovnání se standardními průběhy, ale i možnost oddělení geometrického umístění kontaminace, případně definování kontaminace v obou osách, tedy jak X, tak Y.

Pokud by došlo ke kontaminaci v obou osách, projeví se ve finální odezvě dvojitým zvlněním křivky, avšak je třeba vždy vzít v potaz, jakým způsobem budeme odezvu vyjadřovat.

4. PRAKTICKÁ MĚŘENÍ Z ÚZEMÍ ČR A SR

Na území ČR a SR bylo provedeno několik měření, přičemž v rámci tohoto materiálu budou prezentovány 2 sady měření představující i různé metody srovnání, tj. jednočasové, jednočasovětypové. V obou případech nebylo zadáním detekovat či vyvrátit přítomnost korozivní síry, jednalo se o naprosto jiné důvody, ze kterých bylo měření provedeno.

4.1 ČASOVÉ POROVNÁNÍ

První měření bylo provedeno v roce 2009. Jednalo se o transformátor o napětí vyšší strany 110 kV. Účelem měření bylo zaškolení obsluhy. Při měření bylo zkonstatováno, že netypická odezva ve frekvenční oblasti 50 mHz – 5 Hz není způsobena rušením; v té době byla vysvětlována jako charakteristická pro tento stroj. Tato původní odezva (tyrkysová barva křivky) je zobrazena jako frekvenční závislost tan δ v rozsahu 1 mHz – 1 kHz v zapojení CHL (kapacita vysoké strany vůči nízké straně stroje). Toto zapojení je použito pro porovnání pro všechny 3 křivky.

V roce 2013 jsme byli provozovatelem stroje informováni, že v rozboru oleje byl detekován DBDS, což vyvolalo důvodné podezření na přítomnost korozivní síry. Bylo nám nabídnuto opakování měření, a to před depolarizací oleje (okrová křivka) a následně po depolarizaci (tmavě hnědá křivka). Okrová křivka prokazuje zvyšující se odezvu v porovnání s rokem 2009 a následný pokles odezvy po depolarizaci, přičemž k úplnému vymizení jevu nedošlo. Pro objasnění okolností bychom rádi podotkli, že měření samotné bylo provedeno třetí stranou, přičemž my jsme byli požádáni o posouzení křivek, jež pro nás v tu chvíli byly anonymní. Vyhodnocení potvrdilo časovou osu akcí na dotčeném stroji.

Toto měření prokázalo nejen možnost sledování vývoje působení korozivní síry na stroj, ale současně i korektivní vliv nápravných opatření, v tomto případě depolarizace transformátorového oleje.

4.2 ČASOVĚTYPOVÉ POROVNÁNÍ

V létě roku 2014 jsme prováděli měření 3 konstrukčně uspořádaných výkonových transformátorů, opět za zcela jiným účelem, něž byla detekce korozivní síry. Výsledná odezva je opět zobrazena jako frekvenční závislost tan δ v rozsahu 1 mHz – 1 kHz v zapojení CHL (kapacita vysoké strany vůči nízké straně stroje). Toto zapojení je použito pro porovnání pro všechny 3 křivky.

Je možno konstatovat, že všechny 3 křivky vykazují opět netypickou odezvu v rozsahu od 50 mHz až do cca 20 Hz, tedy velmi blízké frekvenční spektrum jako v předchozím případě. Pokud bychom seřadili křivky z obrázku 6 dle intenzity projevu, pak nejméně intenzivní projev má fialová křivka, následuje zelená křivka a nejintenzivnější projev je symbolizován křivkou černou. Tato informace by nebyla tak zajímavá, pokud bychom neznali rok uvedení těchto strojů do provozu – 2008, 2009 a 2011. Intenzita projevu přesně odpovídá době provozu jednotlivých strojů.

5. ZÁVĚR

Metoda dielektrické spektroskopie je (mimo jiné aplikace) vhodná nejen pro široké spektrum měření určených pro diagnostiku izolačních systémů, ale pomocí této metody je možno detekovat i projevy spojené s přítomností korozivní síry. Vzhledem k rychlosti měření, opakovatelnosti a průkaznosti je možno tuto metodu považovat za vhodnou pro prvotní detekci tohoto jevu. Teoreticky lze oddělit projevy ve vertikální ose od osy horizontální, avšak tato informace zatím není považována za příliš podstatnou. Za nejdůležitější přínos této metody je možno považovat poměrně spolehlivou detekci přítomnosti vodivých povlaků vytvořených působením korozivní síry.

6. LITERATURA

[1] Straka, Václav. Vybrané způsoby diagnostiky elektrických strojů, přístrojů a prvků – dielektrická spektroskopie ve frekvenční doméně. CIRED, 2003

[2] Straka, Václav. Teplotní korekce C a tg δ. CIRED, 2011

[3] Ohlen, Werelius, Cheng, Robatino. Improvements of the Transformer Insulation XY

Recenzent: doc. Ing. Hammer Miloš, CSc., Vysoké učení technické v Brně, FSI; osoba certifikovaná na funkci Technik diagnostik elektrických zařízení – Kategorie I

Autor: Václav Straka, Pavel Zítek, Antonín Krňoul; TMV SS, spol. s r.o.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

AMPER 2019
2019-03-19 - 2019-03-22
Místo: Výstaviště Brno
HANNOVER MESSE 2019
2019-04-01 - 2019-04-05
Místo: Hannover, Německo
Údržba pro TOP manažery 2019
2019-04-10 - 2019-04-11
Místo: Konferenční centrum Akademie věd ČR – zámek Liblice
Stlačený vzduch
2019-04-16 - 2019-04-16
Místo: Hotel Avanti ****, Brno
Dny teplárenství a energetiky
2019-04-24 - 2019-04-25
Místo: Kongresové, výstavní a společenské centrum ALDIS, Hradec Králové

Katalog

Panasonic Electric Works Europe AG
Panasonic Electric Works Europe AG
Veveří 3163/111
616 00 Brno
tel. +420 541 217 001

Brady s.r.o
Brady s.r.o
Na Pantoch 18
831 06 Bratislava
tel. +421 2 3300 4862

ABB s.r.o.
ABB s.r.o.
Štětkova 1638/18
14000 Praha 4
tel. +420739552216

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

všechny firmy
Reklama



Tematické newslettery






Anketa


Na horách/u moře
Na chalupě/chatě v tuzemsku
Co je to dovolená?

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI