1

Diagnostyka w

Diagnostyka w

elektroenergetyce

elektroenergetyce

Wykład

Wykład

III

III

Urządzenia elektroenergetyczne

Urządzenia elektroenergetyczne

oraz ich defekty

oraz ich defekty

jako źródła sygnałów i zaburzeń

jako źródła sygnałów i zaburzeń

dr

dr

inż. Paweł Zydroń

inż. Paweł Zydroń

AGH, Kraków

AGH, Kraków

Plan wykładu

1.

1.

Diagnostyka techniczna

Diagnostyka techniczna

–

–

pojęcia

pojęcia

i definicje

i definicje

2. Rodzaje badań

2. Rodzaje badań

3. Parametry diagnostyczne

3. Parametry diagnostyczne

4.

4.

Narażenia eksploatacyjne

Narażenia eksploatacyjne

5. Napięcia probiercze i testowe

5. Napięcia probiercze i testowe

Sygnały i zaburzenia

Urządzenia elektroenergetyczne są źródłem różnego
rodzaju sygnałów i zaburzeń, przede wszystkim elektro-
magnetycznych – w szerokim zakresie widma.

Znaczenie diagnostyczne mogą mieć:
– zaburzenia niskiej częstotliwości (harmoniczne 50Hz),
– zaburzenia radioelektryczne,
– zaburzenia w.cz. do zakresu mikrofalowego,
– promieniowanie cieplne (podczerwień),
– promieniowanie widzialne,
– promieniowanie ultrafioletowe.

Ponadto zastosowanie mają metody detekcji emisji
akustycznej oraz pomiary hałasu.

Pomiary zaburzeń elektromagnetycznych

Pomiary zaburzeń elektromagnetycznych (EMI) są związane
z dwiema podstawowymi grupami zagadnień:
1. szeroko rozumianą problematyką kompatybilności

elektromagnetycznej (EMC), w której obiekty
elektroenergetyczne stanowią potencjalne źródła zakłóceń,
wytwarzające w otaczającym je środowisku
elektromagnetycznym sygnały o poziomach
przekraczających dopuszczalne;

2. metodami diagnostycznymi opartymi o detekcję antenową

sygnałów wytwarzanych przez defekty i uszkodzenia
występujące w obiektach elektroenergetycznych,
a prowadzące do lokalnych wzrostów natężenia pola
elektrycznego, powyżej wartości natężenia krytycznego –
powodującego powstawanie wyładowań niezupełnych.

Zaburzenia E-M na liniach WN

Zaburzenia EM wokół obiektów elektroenergetycznych są
wywoływane przez wyładowania elektryczne:

•

zupełne – iskrowe;

•

niezupełne.

W zależności od intensywności działania wyróżnić można:

•

wyładowania ulotowe świetlące – na przewodach linii

napowietrznych i osprzęcie;

•

wyładowania snopiące – na osprzęcie;

•

wyładowania ulotowe powierzchniowe (pełzne)

– na izolatorach liniowych i aparatowych;

•

wyładowania ślizgowe – na izolatorach przepustowych;

•

przeskoki częściowe – np. pomiędzy nie uziemionymi

elementami metalowymi;

•

przeskoki pomiędzy stykami w obwodach prądowych

– np. w wyłącznikach;

•

wyładowania niezupełne wewnątrz układów izolacyjnych

– np. w wewnętrznych defektach izolatorów liniowych

•

wyładowania niezupełne w iskiernikach odgromników

zaworowych.

Krytyczne natężenie pola

elektrycznego

Warunkiem wystąpienia wyładowań jest przekroczenie wartości
krytycznej natężenia pola określonej wzorem Peeka:

(

)

]

/

[

/

1

2

1

cm

kV

r

A

m

m

E

E

peak

o

cr

⋅

+

⋅

⋅

⋅

⋅

=

δ

δ

(3.1)

gdzie:

E

o

– natężenie jonizacji zderzeniowej – w warunkach

normalnych (20°C, 1013hPa) ok. 31 [kV/cm]

r

– promień zastępczy przewodu [cm];

A

– współczynnik empiryczny określający obszar wokół
przewodu, w którym przekroczone jest krytyczne natężenie
pola – dla warunków j.w. A = 0.308 [cm

1/2

];

m

1

– współczynnik stanu przewodów

m

2

– współczynnik pogodowy

δ – gęstość względna powietrza

ϑ

δ

+

=

273

p

k

d

(3.2)

gdzie:

p – ciśnienie powietrza [Pa];

ϑ – temperatura [°C]; k

d

= 0,00289.

2

Parametry impulsów prądowych ulotu

Wyładowania wytwarzają krótkotrwałe impulsy prądowe o dużych
stromościach i krótkich czasach trwania, których kształt przybliża się:

• krzywą dwuwykładniczą:

[

]

)

/

exp(

)

/

exp(

)

(

1

2

τ

τ

t

t

I

t

i

−

−

−

⋅

=

0

(3.3)

gdzie:

τ

1

,

τ

2

–

stałe czasowe składowych eksponencjalnych;

I

0

–

wartość prądu składowych w chwili t = 0.

Widmo amplitudowe tego impulsu określa wzór:

2

2

1

2

2

1

4

2

1

0

)

(

)

(

)

(

α

α

ω

α

α

ω

α

α

ω

+

+

+

−

⋅

= I

i

(3.4)

gdzie:

α

1

,

α

2

– stałe tłumienia, będące odwrotnościami stałych

czasowych

τ

1

,

τ

2

.

Parametry impulsów prądowych ulotu

W innym modelu kształt impulsu przybliża się:

• krzywą normalną (Gaussa):

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

−

−

⋅

=

2

2

0

0

2

)

(

exp

)

(

σ

t

t

I

t

i

(3.5)

gdzie:

σ –

współczynnik rozmycia impulsu;

I

0

– amplituda impulsu wyładowania.

Jego widmo amplitudowe określa wzór:

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

−

⋅

⋅

⋅

=

2

exp

2

)

(

2

2

0

σ

ω

σ

π

ω

I

I

(3.6)

W każdym z przypadków im krótszy impuls tym szersze pasmo

częstotliwości generowanych zaburzeń!

Parametry impulsów prądowych ulotu

t

i

T

w

I

max
90%

50%

10%

T

r

T

r

– rise time

T

f

– fall time

T

w

– pulse width

T

f

Parametry impulsów prądowych ulotu

Typowe wartości parametrów

Polarność

I

max

[mA]

T

r

[ns]

T

f

[ns]

T

w

[ns]

częstość

powtarzania

[1/s]

ulot dodatni

50

10

100

200

up tp 10.000

ulot ujemny

2

3

80

100

up to 100.000

Częstotliwości detekcji ulotu elektrycznego

10

5

10

6

10

7

10

8

10

9

3·10

4

3·10

5

3·10

6

3·10

7

3·10

8

3·10

9

f [Hz]

częstotliwość

UHF

ultra high

VHF

very high

HF

high

MF

medium

LF

low

ba

da

nia

pomiar

y

wykrywanie ulotu

elektrycznego

10

10

10

4

10

3

10

2

10

1

10

0

10

–1

λ

[m]

5·10

5

SHF

super high

Częstotliwości detekcji ulotu elektrycznego

Ze względu na impulsowy charakter zaburzeń związanych
z ulotem elektrycznym szczególnie niekorzystnie oddziałują one
w zakresach, w których stosowana jest modulacja amplitudy AM
(ang. Amplitude Modulation). Dotyczy to więc częstotliwości
radiowych poniżej zakresu fal ultrakrótkich (UKF) oraz pasma
transmisji obrazu telewizyjnego.

Klasyczne pomiary tych zaburzeń są wykonywane w zakresie

od 0,15 do 30 [MHz], określanym jako zakres

zaburzeń radioelektrycznych.

3

Wyładowania niezupełne są źródłem zaburzeń przede wszystkim w zakresach
częstotliwości radiowych, w

szczególności fal długich i średnich, tzn. dla

częstotliwości do 3 [MHz]. Przybliżoną wartość natężenia zakłóceń radiowych
można określić ze wzoru empirycznego:

FW

m

F

D

F

d

E

K

ZR

+

+

+

+

−

+

≈

20

ln

8949

,

13

93

,

3

ln

3686

,

17

)

95

,

16

(

50

(3.7)

gdzie:

ZR – wartość natężenia zakłóceń radiowych [dB];
K – współczynnik K=3 dla 750kV i 3,5 dla pozostałych napięć;
E

m

– maksymalna wartość natężenia pola elektrycznego na przewodzie [kV/m];

d – średnica przewodu [cm];
F – współczynnik F= –4dB dla pojedynczego przewodu i F=4,3422ln(n/4) dla

n>1 (n - liczba przewodów w wiązce);

D – odległość przewodu od anteny [m];
h – wysokość zawieszenia przewodu nad ziemią [m];
R – odległość anteny od najbliższego przewodu fazowego [m];
F

FW

- współczynnik pogodowy (F

FW

=17 - deszcz i wilgoć; F

FW

=0 - dobra, sucha

pogoda).

Wyładowania zupełne (iskrowe) powodują powstawanie zakłóceń w szerszym
zakresie częstotliwości – od 30 MHz do 3GHz – wpływając na jakość odbioru
programów telewizyjnych, szczególnie przy dobrej pogodzie. Gdy znane są wartości
natężeń zakłóceń radiowych wówczas poziom zakłóceń telewizyjnych można
szacować na podstawie wzoru:

2

,

3

)

/

15

(

1

)

/

(

1

log

20

2

2

10

+

⎥

⎥
⎦

⎤

⎢

⎢
⎣

⎡

+

+

−

=

h

h

R

f

ZR

ZTV

(3.8)

gdzie:

ZTV – wartość natężenia zakłóceń telewizyjnych [dB];
ZR – wartość natężenia zakłóceń radiowych w odległości 15 [m] od osi
najbardziej
odległego skrajnego przewodu fazowego [dB];
f – częstotliwość [MHz];
R – odległość anteny od najbliższego przewodu fazowego [m];

h – wysokość zawieszenia przewodów fazowych nad ziemią [m].

Mierniki zaburzeń radioelektrycznych

Dla detekcji wąskopasmowej wykorzystywane są przede wszystkim mierniki
zaburzeń radioelektrycznych RDV (ang. Radio Disturbance Voltage).
Wymagania dotyczące tych urządzeń zamieszczone są odpowiednich normach
krajowych i międzynarodowych.

Kompletny układ pomiarowy zakłóceń radioelektrycznych zawiera:

– zespół antenowy (antenę) – A;
– tor transmisji sygnału – B;
– miernik zaburzeń C, stanowiący wąskopasmowy, strojony

w szerokim zakresie częstotliwości odbiornik radiowy.

A

B

C

Mierniki zaburzeń radioelektrycznych

Zespół antenowy (A) jest z reguły wyposażony w komplet wymiennych anten
prętowych (składowa E) i ramowych (składowa H) dostosowanych do pracy
w różnych zakresach częstotliwości. Przy pomiarach zakłóceń w polu
pobliskim dla pomiaru natężenia pola elektrycznego należy stosować anteny
prętowe. Dla pomiarów w polu dalekim mogą być stosowane zarówno anteny
prętowe, jak i ramowe ze względu na współzależność składowych elektrycznej
i magnetycznej pola.

Tor transmisyjny (B) winien umożliwiać umieszczenie anteny w pewnej

odległości od samego miernika (C).

Miernik zaburzeń radioelektrycznych (C) składa się z wąskopasmowego

układu wejściowego o dużej selektywności i strojonej częstotliwości środkowej
f

0

oraz układu detektora wartości quasi-szczytowej.

Detekcja zaburzeń radioelektrycznych

Zakres detekcji

• częstotliwość f

0

f

0

= 0,15

÷ 30 MHz

poziom sygnału

częstotliwość

zaburzenia

∆

f

f

m

Detekcja:

• pasmo ∆f

8 kHz

≤ ∆f ≤ 10 kHz

• detector wartości quasi-

szczytowej

1. CISPR Publication 16-1: „Specification for radio disturbance and immunity

measuring apparatus and methods - Part 1: Radio disturbance and immunity
measuring apparatus”, IEC International Special Committee on Radio Interference

2. CISPR Publication 16-2: „Specification for radio disturbance and immunity

measuring apparatus and methods - Part 2: Methods of measurement of
disturbances and immunity”, IEC International Special Committee on Radio
Interference

3. Polska Norma PN-CISPR 16-2: „Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -

Wymagania dotyczące urządzeń i metod pomiarów zaburzeń radioelektrycznych i
odporności na zaburzenia radioelektryczne - Metody pomiarów zaburzeń
radioelektrycznych i odporności na zaburzenia radioelektryczne”

4. Polska Norma PN-93/T-06450 – „Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne.

Urządzenia i metody pomiarów zakłóceń radioelektrycznych”

5. PN-77/E-05118 Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne - Elektroenergetyczne

linie i stacje wysokiego napięcia - Dopuszczalny poziom zakłóceń - Ogólne
wymagania i badania terenowe

6. PN-E-05118/A1:1998 Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne -

Elektroenergetyczne linie i stacje wysokiego napięcia - Dopuszczalny poziom
zakłóceń - Ogólne wymagania i badania terenowe (Zmiana A1)

4

Charakterystyka filtru pasmowego

f

0

∆f

-6dB

∆f

-20dB

-6dB

-20dB

A

u

f

Odpowiedź filtru pasmowego

0

50

100

u

we

[%]

czas

a)

-100

-50

0

50

100

u

wy

[%]

czas

b)

Parametry filtru pasmowego

Szerokość pasma przenoszenia

∆f, określana dla

poziomu –6 dB, wynosi z reguły 9 kHz,

tłumienie dla częstotliwości f

0

± 20kHz ok. 60 dB.

Zakres strojonej częstotliwości środkowej f

0

klasycznego miernika zawiera się w przedziale

od 150 kHz do 30 MHz.

Detektor wartości quasi-szczytowej

τ

1

τ

2

D

C

R

Układ pomiaru wartości quasi-szczytowej to woltomierz wartości średniej

z prostownikiem o stałej czasowej ładowania

τ

1

= 1 ms i stałej czasowej

rozładowania

τ

2

= 160 ms. Ze względu na możliwość występowania efektu

nakładania się kolejnych impulsów na siebie wskazania takiego miernika

zależą nie tylko od wielkości ładunków wyładowań, ale również od

częstości ich występowania

Stosowane jednostki

Podczas pomiarów zakłóceń radioelektrycznych ich wielkość może
być określana zarówno w jednostkach bezwzględnych jak i
względnych:

– napięcia uzyskiwanego na wejściu miernika (wyjściu zespołu

antenowego);
w [

µV] i [mV] lub [dB

µV

] i [dB

mV

];

– natężenia pola wykrywanego przez antenę:

w [

µV/m] i [mV/m] lub [dB

µV/m

] i [dB

mV/m

];

W praktyce ze względu na występujące poziomy mierzonych sygnałów

częściej stosowane są jednostki względne – decybele [dB] – wyznaczane

względem pewnego określonego poziomu odniesienia,

zwykle U

0

= 1 [

µV].

Tabela 1. Przypomnienie zależności pomiędzy stosunkami wartości, a decybelami

Stosunek wartości

Decybele [dB]

Stosunek wartości Decybele

[dB]

1 0 1 0

10 20 0,1 -20

100 40 0,01 -40

1000 60 0,001 -60

2

1/2

~ 3

(1/2)

1/2

~

3

2 ~

6 ½ ~

-6

Przykład:
Napięcie na wejściu miernika wynosi 34 [dB

µV

] – określić wartość napięcia w

jednostkach bezwzględnych.

34 [dB

µV

] = 40 – 6 [dB

µV

]

co odpowiada w przybliżeniu wartości 100 * ½ = 50 [

µV]

5

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 10 20 30

45

40

35

30

25

20

15

częstotliwość f [MHz]

α

r

[dB]

45

40

35

30

25

20

15

A

B

C

D

E

F

G

H

Obliczanie wartości natężenia pola
Dla obliczenia wartości natężenia pola należy otrzymane wyniki pomiarów
napięć zakłóceń skorygować o wartość współczynników korekcji
wyznaczonych na podstawie wykresu 1.

Przykład
Dla częstotliwości 1 [MHz] poziom napięcia zakłóceń wynosi 34 [dB

µV

] –

wyznaczyć odpowiadającą mu wartość natężenia pola E.

współczynnik korekcji

α

r

(1MHz) = 31 [dB]

E [dB

µV

] = 34+31 = 65 [dB

µV/m

] co odpowiada polu ok. 1,8 [mV/m]

Dopuszczalne poziomy zakłóceń

Jakość odbioru radiowego dla modulacji AM uważa się za zadowalającą,
gdy poziom sygnału użytecznego jest wyższy o co najmniej 20 [dB] od
poziomu zakłóceń. Najwyższe poziomy zakłóceń generowanych przez
linie napowietrzne obserwuje się w zakresie od kilkuset kiloherców do
kilku megaherców (fale średnie).

Norma PN-77/E-05118 (Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne –
Elektroenergetyczne linie i stacje wysokiego napięcia - Dopuszczalny
poziom zakłóceń - Ogólne wymagania i badania terenowe) zaleca,
aby najwyższy poziom zakłóceń mierzonych w warunkach eksploatacji
w odległości 20 [m] od osi skrajnego przewodu fazowego przy
wilgotności powietrza nie większej niż 80% i temperaturze nie niższej
niż 5 [

°C] nie przekraczał 57,3 [dB] dla f

0

= 0,5 [MHz].

Pomiary zaburzeń RIV w diagnostyce linii

Pomiary zaburzeń RIV w diagnostyce linii

h

U

r

Electromagnetic wave

Synch

Spectrum

analyser

PD

Analyser

GPIB

DSO

antenna

h

r

r

d

< r

A

B

Metoda: przetwarzanie sygnałów

Metoda: przetwarzanie sygnałów

f [MHz]

p [dBm]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-100

-80

-60

-40

-20

0

∆f = 400 kHz

U [V]

t [ms]

0

5

1

0

15

20

-

4

-

2

0

2

4

DSO

DSO

PD

PD

Analyser

Analyser

+

U

s

-

U

s

0 90 180 270 360

phase [ °]

Spectrum

Spectrum

analyser

analyser

Analizator wyładowań ulotowych

Analizator wyładowań ulotowych

–

–

idea

idea

wizualizacji zaburzeń

wizualizacji zaburzeń

U [V]

t [ms]

0

5

10

15

20

-4

-2

0

2

4

+

U

s

-

U

s

0 90 180 270 360

phase [ °]

+

1

ϕ - u

memory location

Sygnał

Sygnał

Obraz

Obraz

6

Widmo tła elektromagnetycznego

Widmo tła elektromagnetycznego

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-100

-80

-60

-40

-20

0

f [MHz]

p [dBm]

14 m band

f [MHz]

p [dBm]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-100

-80

-60

-40

-20

0

11 m band

14 m band

f [MHz]

p [dBm]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-100

-80

-60

-40

-20

0

Widmo sygnału defektów modelowych

Widmo sygnału defektów modelowych

f [MHz]

U [dBm]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-100

-80

-60

-40

-20

0

defect B

f [MHz]

p [dBm]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-100

-80

-60

-40

-20

0

defect A

Selekcja częstotliwości detekcji

t [ms]

u [mV]

f

m

= 10 MHz

0

5

10

15

20

-20

-10

0

10

20

t [ms]

u [mV]

0

5

10

15

20

-20

-10

0

10

20

f

m

= 22,5 MHz

t [ms]

u [mV]

0

5

10

15

20

-20

-10

0

10

20

f

m

= 40 MHz

Wybór

Wybór

defekt A

Selekcja częstotliwości detekcji

defekt B

t [ms]

u [mV]

f

m

= 10 MHz

0

5

10

15

20

-100

-50

0

50

100

t [ms]

u [mV]

f

m

= 22,5 MHz

0

5

10

15

20

-100

-50

0

50

100

t [ms]

u [mV]

f

m

= 40 MHz

0

5

10

15

20

-100

-50

0

50

100

Wybór

Wybór

Obrazy fazowo

Obrazy fazowo

-

-

rozdzielcze zaburzeń RIV

rozdzielcze zaburzeń RIV

+U

s

- U

s

b)

0 90 180 270 360

Phase [

°]

0 90 180 270 360

Phase [

°]

+U

s

- U

s

c)

Defekt

Defekt

A

A

Defekt

Defekt

B

B

+U

s

- U

s

0 90 180 270 360

Phase [

°]

Line corona

Line corona

Defekty rzeczywiste na liniach przesyłowych

7

Defekty rzeczywiste na liniach przesyłowych

Obluzowany odstępnik – model i efekt

Inspekcja linii przesyłowej

Sygnał zaburzeń RIV i jego źródło