Ć

w.3.Pomiar wnz metodą elektryczną …

1

ĆWICZENIE 3

POMIAR WNZ METODĄ ELEKTRYCZNĄ Z

WYKORZYSTANIEM MIERNIKA DDX 7000

1. WIADOMOŚCI OGÓLNE

1.1. Zagadnienia podstawowe

Postęp w konstrukcji układów izolacyjnych wysokonapięciowych urządzeń

elektroenergetycznych wiąże się ze stosowaniem coraz wyższych naprężeń
roboczych i wprowadzeniem materiałów syntetycznych, które są szczególnie
wrażliwe na ich działanie. Jednym z podstawowych narażeń takich układów, na
co wskazują doświadczenia eksploatacyjne, są wyładowania niezupełne (wnz),
które są tym groźniejsze im wyższe jest napięcie znamionowe urządzenia.

Wyładowania niezupełne są definiowane jako lokalne wyładowania

elektryczne, które mają miejsce tylko w części układu elektroizolacyjnego i nie
powodują bezpośrednio utraty przez ten układ właściwości izolacyjnych, przy
czym wyładowanie takie nie przekształca się w przewodzący kanał plazmowy
zwierający elektrody. Długotrwałe działanie wyładowań niezupełnych może
przyczynić się jednak, poprzez mikro i makroskopowe zmiany w strukturze
układów izolacyjnych, do stopniowej degradacji izolacji tego układu, a w
konsekwencji do przedwczesnego jej zniszczenia i po upływie krótszego bądź
dłuższego czasu do przebicia układu izolacyjnego.

Różnego typu wyładowania niezupełne mogą pojawić się zarówno w nowym

układzie izolacyjnym jak i układzie eksploatowanym. Ulot występuje, gdy
elektrody znajdują się w atmosferze gazu (dielektryki gazowe jak powietrze) lub
cieczy (dielektryki ciekłe jak olej mineralny). Wyładowania ślizgowe
(powierzchniowe) pojawiają się, gdy wyładowanie rozwija się wzdłuż
powierzchni

dielektryka,

do

którego

przylegają

krawędzie

elektrod.

Wyładowania wewnętrzne występują we wtrącinach gazowych znajdujących się
wewnątrz dielektryka stałego. Pomiar intensywności wyładowań niezupełnych

Ć

w.3.Pomiar wnz metodą elektryczną …

2

stanowi więc ważny wskaźnik mówiący o jakości procesu produkcji lub jakości
eksploatowanego układu izolacyjnego danego urządzenia elektroenergetycznego.

Pomiar wnz może być wykonany jako próba wyrobu bądź typu. Można go

zrealizować jako wyodrębniony, ale również w ramach próby napięciem
przemiennym wytrzymywanym. Do pomiaru wnz stosuje się metodę akustyczną,
ultrasonograficzną czy też najbardziej klasycznie – metodę elektryczną, która
pozwala na ilościową ocenę poziomu wyładowań niezupełnych. Ta ostatnia jest
stosowana w nowoczesnych urządzeniach (cyfrowe detektory wyposażone w
stosowne oprogramowanie) umożliwiających wykorzystanie zaawansowanej
analizy zebranych w czasie pomiaru danych do określenia miejsca występowania
wyładowań niezupełnych. Pomiar wnz przy użyciu takich detektorów wymaga
jednak odpowiedniej wiedzy oraz staranności przy przygotowaniu próby tj. przy
wykonywaniu połączeń czy prowadzeniu i łączeniu uziemień. Ważnym aspektem
jest też prawidłowa kalibracja układu pomiarowego.

1.2. Układy pomiarowe w metodzie elektrycznej

Najpowszechniej stosowanym w praktyce inżynierskiej wskaźnikiem

intensywności wyładowań niezupełnych jest ładunek pozorny. Zgodnie z normą
IEC 60270 oraz broszurą CIGRE nr 366 ładunek pozorny (q) definiuje się jako
ładunek, który doprowadzony nagle między zaciski badanego obiektu zmieniłby
skokowo napięcie na tych zaciskach o tę samą wartość, co same wyładowania.
Ładunek maksymalny wyładowań (q

max

) to analogicznie największy powtarzalny

ładunek wyładowań występujący podczas wykonywania pomiaru. Pomiar
ładunku pozornego oparty jest na pomiarze spadku napięcia na rezystancji
(impedancji detekcyjnej). Ładunek pozorny mierzony jest w pikokulombach
[pC], a podawana jest zgodnie z normą IEC 60270 jego największa wartość
zarejestrowana w okresie prowadzenia pomiaru (wspomniany wyżej
maksymalny ładunek pozorny).

Istnieją dwa podstawowe układy do pomiaru ładunku pozornego wyładowań

niezupełnych (rys. 3.1). Układ (a) z detekcją szeregową (prądową)
charakteryzuje się większą czułością pomiarową w porównaniu do układu (b) z
detekcją równoległą (napięciową), gdyż w pierwszym z nich cały prąd wywołany
przez wyładowanie przepływa przez impedancję Z

m

. Ze względów praktycznych

(np. wymagane uziemienie jednej z elektrod badanego obiektu) układ szeregowy
nie zawsze może być stosowany, ustępując w większości przypadków miejsca
układowi równoległemu.

Ć

w.3.Pomiar wnz metodą elektryczną …

3

Rys. 3.1.Układy stosowane do pomiaru ładunku pozornego wyładowań

niezupełnych: a) z detekcją szeregową (połączenia szeregowego obiektu badanego i

impedancji detekcyjnej),b) z detekcją równoległą (połączenia szeregowego kondensatora

sprzęgającego i impedancji detekcyjnej); T

r

– transformator probierczy, Z

n

– filtr

pomiarowy, C

k

– kondensator sprzęgający, C

a

– obiekt badany, Z

m

– impedancja

detekcyjna, M

i

– miernik wnz (układ detekcyjny z wzmacniaczem szerokopasmowym)

Pomiar

wyładowań

niezupełnych

realizowany

z

wykorzystaniem

nowoczesnych detektorów powinien umożliwić korelację wyników pomiarów z
typami wyładowań niezupełnych, rodzajami defektów stanowiących źródła
wyładowań (miejsce występowania) oraz etapami ich rozwoju (intensywność
wyładowań). W przypadku diagnozy urządzeń będących w eksploatacji, pomiary
wnz powinny być wykonywane w oparciu o ocenę porównawczą wyników
pomiarów wykonywanych w dłuższym okresie czasu dla urządzeń tego samego
typu. Konieczne jest zatem zgromadzenie bazy danych o defektach związanych z
występowaniem wnz, która pozwoliłaby na przeprowadzenie obiektywnego
wnioskowania diagnostycznego. Tworzenie takiej bazy może być oparte m.in. na
zebranych doświadczeniach o uszkodzeniu układów izolacyjnych urządzeń
elektroenergetycznych w eksploatacji, pomiarach laboratoryjnych wykonanych
w układach modelowych zawierających zdefiniowane źródła wyładowań czy też
analizy teoretycznej i modelowania matematycznego procesów zachodzących w
układach izolacyjnych WN. Pomiary wnz, ze względu na cel i stopień ich
złożoności można podzielić na:

•

detekcję impulsów wyładowań – stwierdzenie obecności bądź braku

wyładowań w określonym zakresie napięć probierczych;

•

obserwację występowania i lokalizację wyładowań – określenie miejsca ich

występowania;

•

pomiar wielkości charakterystycznych i ich rejestracja w czasie;

•

porównanie zarejestrowanych wielkości charakterystycznych;

•

identyfikacja rodzajów występujących wyładowań;

•

automatyczna diagnostyka – rozpoznanie form wyładowań i ocena procesów

degradacji z użyciem komputerowego systemu ekspertowego.

Ć

w.3.Pomiar wnz metodą elektryczną …

4

Istotnym zagadnieniem związanym z prowadzeniem pomiarów wyładowań

niezupełnych są zakłócenia, które mogą pojawić się w obwodzie pomiarowym.
Dotyczy to szczególnie przypadków, gdy wymagana jest duża czułość pomiarów
rzędu pojedynczych pC. Stosuje się więc zabiegi mające na celu ograniczenie
tych zakłóceń do poziomu pozwalającego prowadzić pomiar. Do zabiegów tych
należą:

•

eliminacja zakłóceń leżących poza badanym układem przez zastosowanie

odpowiednich ekranów wyrównujących rozkład pola elektrycznego, co
zapobiega ulotowi,

•

eliminacja zakłóceń mających swe źródło w obwodzie zasilającym przez

stosowanie specjalnych transformatorów probierczych, których napięcie
probiercze jest znacznie niższe niż napięcie początkowe wyładowań
niezupełnych,

•

staranne wykonanie połączeń pomiędzy elementami układu pomiarowego

oraz uziemień w układzie probierczym,

•

separacja układu probierczego specjalnym filtrem dolnoprzepustowym,

•

blokowanie filtrami dolnoprzepustowymi obwodów zasilających mierniki i

inne przyrządy stosowane w czasie pomiaru,

•

eliminacja zakłóceń przez rejestrację mierzonych wielkości leżących

powyżej poziomu szumów, np. powyżej 60% ich spodziewanej wartości,
Drugim ważnym aspektem związanym z pomiarem intensywności wnz

metodą elektryczną jest skalowanie układu pomiarowego. Z tego też względu
każdy przyrząd pomiarowy, stosowany do pomiaru ładunku pozornego wnz, jest
wyposażony w specjalny układ kalibrujący. Zadaniem kalibracji jest
wyznaczenie dla różnych zakresów pomiarowych relacji pomiędzy ładunkiem
pozornym a wskazaniem miernika czy oscylografu. Kalibracja polega na podaniu
ładunków o znanej wartości, w postaci impulsów prądowych o odpowiednio
krótkim czasie, z układu skalującego dołączonego równolegle do badanego
obiektu. Do skalowania wykorzystuję się specjalne kondensatory współpracujące
z systemem pomiarowym, które umożliwiają wykonanie tzw. kalibracji
bezpośredniej wykonywanej pod napięciem, co jest korzystne ze względu na
brak różnic w układzie pomiarowym w trakcie kalibracji jak i podczas pomiarów
lub specjalnie projektowane do tego celu zasilane bateryjnie przenośne
przyrządy zawierające generator impulsów prostokątnych o bardzo stromych
zboczach i kondensator o niewielkiej pojemności. To drugie rozwiązanie jest
skuteczne szczególnie podczas pomiarów wykonywanych w warunkach
przemysłowych, gdzie kalibracja bezpośrednia jest niemożliwa chociażby ze
względu na duże wymiary kondensatorów i brak dostatecznej przestrzeni na pole

Ć

w.3.Pomiar wnz metodą elektryczną …

5

probiercze. Układ kalibrujący wytwarza ciąg impulsów prądowych o ładunku q

s

określonym wzorem:

s

s

s

C

U

q

⋅

=

gdzie:
U

s

– amplituda napięcia fali prostokątnej z generatora;

C

s

– pojemność szeregowa.

1.3. Charakterystyka miernika DDX 7000

1.3.1. Opis przyrządu

DDX 7000 to sterowany komputerowo przyrząd pomiarowy, który dzięki

zainstalowanym w nim kartom pomiarowym odbiera sygnały wyładowań
niezupełnych generowane w izolacji badanego urządzenia i przetwarza je tak,
aby mogły być one mierzone i wyświetlane. Urządzenie zawiera także układy do
pomiaru wysokiego napięcia probierczego oraz do generowania sygnałów
kalibrujących. Wyposażone jest w ekran LCD, na którym w postaci graficznej
wyświetlane są informacje o rejestrowanych procesach, przy czym wybór
poszczególnych opcji dotyczących pomiaru oraz sposobu sterowania szeregiem
operacji należy do operatora przyrządu. Większość funkcji sterujących i
związanych z odczytem informacji jest zaimplementowana w autorskim
oprogramowaniu firmy Hipotronics, która jest producentem miernika DDX
7000. Kompletny zestaw pomiarowy, obok wymienionego wyżej zestawu
komputerowego zawiera następujące elementy:

•

filtr sieciowy Hipotronics eliminujący zakłócenia zewnętrzne przychodzące

z sieci;

•

filtr przebiegów nieustalonych Hubbel/Hipotronics, włączony w szereg z

obwodami napięciowymi, wzmacniaczem i kalibratorem, zabezpieczający
przyrząd pomiarowy przed skutkami przepięć;

•

kondensator sprzęgający o pojemności 1000 pF z dzielnikiem napięcia oraz

wbudowanym filtrem i impedancją detekcyjną - Hipotronics PSF
300/1/DDX-1;

•

kondensator kalibrujący o pojemności 100 pF) - Hipotronics CIC 300/DDX;

•

niskonapięciowy, zasilany bateryjnie kalibrator zewnętrzny Haefely KAL

451 do pośredniej kalibracji układu pomiarowego, generujący impulsy
kalibrujące o ładunku od 2 do 2000 pC i czasie narastania < 20 ns, zgodnie z
normami IEC 60270 i IEEE 454;

•

impedancję detekcyjną Haefely/Tettex AKV 568;

Ć

w.3.Pomiar wnz metodą elektryczną …

6

Zestaw DDX 7000 wraz z oprzyrządowaniem pozwala na prowadzanie

pomiarów ładunku pozornego wyładowań niezupełnych w dwóch konfiguracjach
– wykorzystując kalibrację bezpośrednią bądź pośrednią. Ta pierwsza, oparta na
standardowym układzie do pomiaru wyładowań niezupełnych z wymienionymi
wyżej kondensatorami sprzęgającym i kalibrującym pozwala na bezpośrednią
kalibrację układu pomiarowego pod napięciem i wykonywanie pomiarów przy
napięciu o wartości skutecznej do 300 kV. Wykorzystanie przenośnej impedancji
detekcyjnej oraz kalibratora niskonapięciowego daje możliwość prowadzenia
pomiarów poza stacjonarnym laboratorium, np. w warunkach przemysłowych,
kiedy użycie dużych gabarytowo kondensatorów jest niemożliwe ze względu na
niedostatecznie dużą przestrzeń na pole probiercze.

1.3.2. Sposób wizualizacji wyników pomiarów

Podstawowy sposób obserwacji zjawisk związanych z wyładowaniami

niezupełnymi polega na rejestracji impulsów wyładowań naniesionych na
krzywą napięcia przedstawioną w postaci idealizowanej sinusoidy bądź elipsy
oraz na odczycie chwilowych wartości ładunku pozornego prezentowanych w
czasie rzeczywistym na ekranie miernika.

Rys.3.2. Przykłady najczęściej występujących przebiegów związanych z różnego rodzaju

wyładowaniami niezupełnymi przy próbach transformatorów mocy: a)ulot przy

elektrodzie WN, b) ulot przy elektrodzie uziemionej, c) nieuziemiony przewodzący

element wewnątrz lub w pobliżu badanego obiektu, d) zakłócenia wywołane

nieprawidłowymi połączeniami (opcjonalnie wyładowania we wtrącinie),

e) wyładowania niezupełne w izolacji papierowo-olejowej lub pęcherzykach powietrza,

f)wyładowania powierzchniowe, g) i h) zakłócenia zewnętrzne.

Ć

w.3.Pomiar wnz metodą elektryczną …

7

Taka obserwacja pozwala na wstępne określenie poziomu intensywności

wyładowań oraz ich rodzaju i miejsca występowania. Wiąże się to z faktem, że
każdy rodzaj wyładowania (ulot, wyładowanie ślizgowe, wyładowanie we
wtrącinie) jest skorelowany, z charakterystycznym dla niego miejscem
pojawienia się na sinusoidzie napięcia, impulsów wyładowczych. Najczęściej
spotykane rodzaje wyładowań i odpowiadające im przebiegi napięcia z
impulsami pochodzącymi od wyładowań pokazane zostały na rys. 3.2.

Dzięki modułowi pogłębionej analizy, oprogramowanie urządzenia DDX

7000 pozwala zaś na zobrazowanie wyników uzyskanych pomiarów w
następujący sposób:

1) Wartości w funkcji kąta fazowego (rys. 3.3) – na wykresie pokazane są

trzy serie wyników pomiarów:

- liczba impulsów w funkcji fazy (Pulse Count);
- maksymalna intensywność wyładowań (Max Discharge);
- średnia intensywność wyładowań (Average Discharge).

Rys.3.3. Przykładowy wykres wartości w funkcji kąta fazowego

2) Diagramu intensywności (rys. 3.4) – diagram intensywności, pokazywany

w 16 kolorach, obrazuje względną intensywność impulsów wyładowania w
poszczególnych pozycjach fazowych. Niebieski oznacza intensywność najniższą,
czerwony najwyższą.

3)

Wartości w funkcji czasu (rys. 3.5) – ten diagram przedstawia wyniki

całej próby, przy czym każdy z punktów reprezentuje cały blok danych. W
przypadku jednego bloku otrzymujemy na wykresie jeden punkt reprezentujący
ten blok. Można przytoczyć następujące wykresy:

Ć

w.3.Pomiar wnz metodą elektryczną …

8

- intensywność maksymalną i średnią (PD Max, PD average) - maksymalna i

ś

rednia wartość ładunku w funkcji czasu;

- prąd - suma odczytów ładunku pozornego × 1/t - prąd w każdym bloku

danych w funkcji czasu;

- wskaźnik kwadratowy - suma kwadratów ładunku × 1/t - wskaźnik

kwadratowy w funkcji czasu.
- częstość repetycji - całkowita liczba impulsów × 1/t - częstość repetycji w
każdym bloku danych w funkcji czasu.

Rys. 3.4. Przykładowy wykres intensywności wyładowań

Rys. 3.5. Przykładowy wykres wartości w funkcji czasu dla przypadku maksymalnej

wartości ładunku pozornego

4) Finger print (rys. 3.6) – tzw. odcisk palca wyładowań, czyli zestaw 29

operatorów statystycznych obliczonych na podstawie danych zebranych przez
DDX.

5) Wykres fraktalowy (rys. 3.7) – wykres ten przedstawia alternatywny

widok tych samych danych, które pokazane są na diagramie intensywności. Oś
„z” przedstawia tutaj intensywność wyładowania, oś „x” fazę, a oś „y” liczbę
wyładowań.

Ć

w.3.Pomiar wnz metodą elektryczną …

9

Rys. 3.6. Przykładowy wykres „odcisku palca” wyładowania

Rys. 3.7. Przykładowy wykres fraktalowy

6) Wykres poziomu wyładowań od czasu lub napięcia (rys. 3.8) –

przedstawia on zależność ładunku pozornego wyładowań (w pC) od czasu lub
napięcia. Wybór sposobu rejestracji jest możliwy z poziomu użytkownika przed
rozpoczęciem rejestracji, jednak taki sposób rejestracji wyników nie jest
możliwy jednocześnie z wykresami opisanymi w podpunktach 1-5.

Rys. 3.8. Przykładowy wykres zależności ładunku pozornego wyładowań od czasu

Ć

w.3.Pomiar wnz metodą elektryczną …

10

2. POMIARY

2.1. Pomiar ładunku pozornego wyładowań niezupełnych z

wykorzystaniem kalibracji bezpośredniej

Schemat połączeń

Rys. 3.9. Schemat układu pomiarowego do pomiaru ładunku pozornego

wyładowań niezupełnych z wykorzystaniem kalibracji bezpośredniej

Sposób wykonania pomiaru

Po zapoznaniu się z urządzeniem pomiarowym i aparaturą znajdującą się na

polu probierczym należy, zgodnie z instrukcjami prowadzącego ćwiczenie,
przeprowadzić kalibrację układu pomiarowego, przy czym należy pamiętać, ze
kalibracja jest wymagana przy każdorazowej zmianie parametrów układu, a więc
również przy zmianie badanego obiektu. Wartość ładunku kalibrującego poda
prowadzący ćwiczenie.

Po skalibrowaniu układu pomiarowego, dla układu elektrod:

a)

modelującego wyładowania powierzchniowe,

b)

modelujacego wyładowania we wtrącinie gazowej w dielektryku stałym,

należy zaobserwować kształt i miejsce występowania impulsów na

sinusoidzie napięcia oraz zarejestrować zmiany ładunku pozornego w czasie dla
poziomów napięć probierczych wskazanych przez prowadzącego. Dla
wybranego przypadku należy zwizualizować wyniki pomiaru z wykorzystaniem
modułu pogłębionej analizy.

Ć

w.3.Pomiar wnz metodą elektryczną …

11

Opracowanie wyników pomiaru

W sprawozdaniu należy zamieścić zarejestrowane podczas pomiarów

przebiegi zmian ładunku pozornego w czasie dla wybranych napięć probierczych
oraz zestawić tabelarycznie maksymalne wartości ładunku pozornego dla danych
poziomów napięcia. Należy również ocenić krytycznie zaobserwowane podczas
pomiarów zjawiska.