Doświadczenia aplikacyjne w monitoringu on line stanu izolatorów przepustowych

150 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 11b/2010

Marek ANDRZEJEWSKI, Wiesław GIL, Wiktor MASŁOWSKI

MIKRONIKA

Poznań

Doświadczenia aplikacyjne w monitoringu on-line stanu

izolatorów przepustowych

Streszczenie. W artykule za

prezentowano doświadczenia aplikacyjne, zebrane w trakcie monitoringu on-line izolatorów przepustowych. Omówiono

rozwiązanie monitoringu z uwzględnieniem asymetrii napięć liniowych. Przedstawiono zarejestrowane przebiegi współczynnika start dielektrycznych
oraz pojemności przepustów. Zwrócono uwagę na potencjalny wpływ przepięć łączeniowych i atmosferycznych na rejestrowane właściwości.
Podkreślono wpływ temperatury otoczenia na obserwowane zjawiska.

Abstract. The collected field experiences of on-line bushing supervising are presented. The approach taking into consideration the line asymmetry
is discussed. The registered diagrams of capacity and loss factor changes are shown. It is noticed that the switching and lightning overvoltages can
involve the rapid changes of bushing features. It is underlined that the observed phenomena depend on environmental temperature. (Field
experiences with on-line bushing monitoring).

Słowa kluczowe: nadzór on-line izolatorów przepustowych, asymetria napięć liniowych, współczynnik start dielektrycznych, pojemność
Keywords: on-line bushing monitoring, line voltage asymmetry, loss factor, bushing capacity

Wstęp

Jak wskazują statystyki, uszkodzenia transformatorów

najwyższych mocy wynikające z defektu izolatorów
przepustowych są najczęstszą przyczyną awarii jednostek
pracujących pod napięciem 400 kV. Ostatnim, krajowym
przykładem całkowitego zniszczenia transformatora
wskutek awarii izolatora przepustowego był pożar jednostki
400/110kV w jednej ze stacji elektroenergetycznych na
południu Polski.

Służby eksploatacyjne dążą do tego, aby tego typu

zdarzeniom skutecznie zapobiegać. Obok regularnych
badań diagnostycznych izolatorów prowadzonych off-line,
wdrażane i stosowane są metody monitoringu on-line [1],
wymagające instalacji sond pomiarowych w przepustach
izolatorów oraz specjalizowanych urządzeń pomiarowo
kontrolnych. Urządzenia te są najczęściej zintegrowane z
systemami stacyjnymi.

Integracja tych metod i urządzeń w ramach szeroko

wprowadzanych w ostatnich latach systemów monitoringu
on-line transformatorów, daje szansę wykrycia wczesnych
symptomów uszkodzenia izolatora, podjęcia we właściwym
czasie decyzji o szczegółowej diagnostyce i ewentualnej
wymianie izolatora przepustowego.

Metody monitoringu on-line izolatorów przepustowych

W literaturze [1, 2] są opisywane metody monitoringu

przepustów, oparte o sumowanie prądów upływu lub
analizę napięć mierzonych w gniazdach pomiarowych
izolatorów przepustowych. Na podstawie tych pomiarów
wyznacza się względne zmiany współczynnika stratności,
oraz zmiany pojemności izolatora przepustowego.

Niektóre opracowania dotyczące monitoringu izolatorów

przepustowych, podnoszą wagę wpływu asymetrii sieci na
dokładność i właściwości użytkowe tych metod [2]. W
dalszej części niniejszego artykułu zaprezentowano
właściwości dotychczas stosowanego rozwiązania – bez
uwzględnienia asymetrii sieci oraz przedstawiono
modyfikację uwzględniającą asymetrię sieci. Modyfikację tą
wprowadzono ostatnio na kilku transformatorach w ramach
instalowanego eksperckiego systemu monitoringu
transformatorów.

Monitorowanie izolatorów przepustowych może być

elementem modułu monitoringu całego transformatora lub
autonomicznym układem współpracującym z systemem
sterowania i nadzoru stacji SSiN. Integracja nadzoru nad
izolatorami przepustowymi z systemem monitoringu

transformatorów lub z systemem SSiN, ułatwia
udoskonalenie metody oceny stanu technicznego
izolatorów gdyż można wtedy łatwo wprowadzić korektę
odchyłek zmian współczynnika stratności i pojemności,
wynikających z asymetrii sieci.

Układ pomiarowy bez korekcji asymetrii sieciowej

W gniazdach pomiarowych izolatorów strony pierwotnej

i wtórnej są umieszczone sondy pomiarowe. Na rysunku 1
przedstawiono ideowy schemat elektryczny sondy
pomiarowej dla jednej fazy. Kondensator referencyjny,
umieszczony w sondzie, tworzy dzielnik pojemnościowy z
pojemnością przepustu, dodatkowo zabezpieczony
układami przeciwprzepięciowymi. Sonda pomiarowa CPT
jest wkręcona do gniazda pomiarowego przepustu.
Napięcie z tego dzielnika jest doprowadzane specjalnym
kablem do rejestratora pomiarowego SMT.

Rys.1. Schemat elektryczny układu pomiarowego dla jednej fazy
(CPT – sonda pomiarowa, C

– pojemność izolatora

przepustowego, C

– pojemność sondy pomiarowej CPT, U

–

napięcie w przepuście (ok. 230 kV), U

– napięcie na wyjściu sondy

CPT i napięcie na wejściu modułu SMT (ok. 40 V)

Na rysunku 2 przedstawiono powiązania logiczne

sprzętu realizującego monitoring izolatorów w układzie
opartym o porównywanie napięć mierzonych w punktach
pomiarowych izolatorów. Jest to układ bez korekcji
asymetrii.

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 11b/2010 151

Trzy napięcia z każdej strony transformatora, z sond

napięciowych CPT, są doprowadzone za pomocą
ekranowanego kabla do rejestratora SMT-102. To
urządzenie, umieszczone w szafie zawieszonej na
transformatorze, mierzy amplitudy napięć dla
poszczególnych faz oraz kąty pomiędzy fazami. Parametry
techniczne rejestratora prezentuje tabela 1.

Rys.2. Schemat aplikacji do monitorowania izolatorów
przepustowych

Tabela 1. Parametry techniczne urządzenia do monitoringu on-line
izolatorów przepustowych

Parametr

Wartość

zakres pierwszego progu napięciowego

0,4 ÷ 800 [kV AC]

zakres drugiego progu napięciowego

0,4 ÷ 800 [kV AC]

pierwszy przedział czasowy trwania
napięcia

0 ÷ 100 [µs]

drugi przedział czasowy trwania napięcia

0,1 ÷ 26 [ms]

szybkość zmiany napięcia powodująca
rejestrację oscylogramu

1 ÷ 2000 [kV/µs]

zakres pomiaru napięcia fazowego
skutecznego

0 ÷ 800 [kV AC]

częstotliwość próbkowania

2 500 000

[próbek / sekundę]

zakres pomiaru częstotliwości

46 ÷ 54 [Hz]

rezystancja wejścia pomiarowego

5 [M

]

format danych

Comtrade

Na podkreślenie zasługuje próbkowanie przebiegów

napięć z częstotliwością 2 500 000 próbek/sekundę. Dzięki
temu uzyskano możliwość rejestracji przebiegów
przepięciowych, występujących podczas wyładowań
atmosferycznych i zaburzeń łączeniowych.

SMT-102 nie tylko rejestruje przebiegi napięć, ale także

wyznacza pojemność C

oraz zmianę współczynnika strat

dielektrycznych tg

 dla przepustów w każdej z faz górnej i

dolnej strony napięcia. Podczas kalibracji urządzenia
przyjmuje się, że wartość C

jest równa wartości zmierzonej

podczas ostatnich badań okresowych transformatora w
trybie off-line. Na bieżąco obliczane są odchyłki obliczonych
wartości pojemności każdej z faz względem początkowej
wartości oraz względem pozostałych faz.

Urządzenie SMT-102 jest w stanie wykryć pogorszenie

się współczynnika strat dielektrycznych tg

 w jednym lub w

dwóch przepustach jednocześnie przy następujących
założeniach:
 tg



dla każdej z faz nie może zmniejszyć się lecz tylko

może się zwiększyć,

 tg



zwiększa się tylko w jednym lub dwóch przepustach

jednocześnie,

 przesunięcie fazowe przekładników napięciowych jest

niezmienne w czasie,
Współczynnik strat dielektrycznych tg

 kondensatora C

jest obliczany w układzie trójfazowym, czyli wszystkie trzy
izolatory przepustowe danego poziomu napięcia
jednocześnie uczestniczą w obliczeniach wszystkich trzech
współczynników strat dielektrycznych tg

 dla trzech

kondensatorów C

. Współczynnik strat dielektrycznych tg



dla obydwu stron napięciowych transformatora jest
obliczany niezależnie.

Rejestracja przepięć

Zastosowane rozwiązanie umożliwia rejestrację

przepięć. Jest to unikalna funkcjonalność. Wprowadzono ją,
aby przy jednoczesnym wyznaczaniu pojemności oraz tg



uzyskać możliwość skorelowania gwałtownej zmiany tych
wielkości z wystąpieniem przepięć na zaciskach liniowych
transformatora. Szybka rejestracja przebiegów napięć z
częstotliwością próbkowania 2,5 MHz pozwala na wykrycie
narastania zbocza impulsu przepięciowego. Dodatkowy
pomiar czasu trwania tego impulsu daje możliwość
identyfikacji przepięć atmosferycznych oraz łączeniowych.
Jeśli przy gwałtownej zmianie pojemności lub
współczynnika strat dielektrycznych tg

, jednocześnie

wystąpiło przepięcie łączeniowe lub atmosferyczne, to z
dużym prawdopodobieństwem można stwierdzić, iż izolator
przepustowy uległ uszkodzeniu i należy skierować go do
badań laboratoryjnych off-line.

Na rysunku 3 zaprezentowano rzeczywiste przepięcia

zarejestrowane na izolatorach przepustowych 400 kV
autotransformatora 330 MVA.

Rys.3. Oscylogram z zarejestrowanymi przepięciami

Dodatkową zaletą zastosowanego rozwiązania jest

możliwość kontroli ochrony przeciwprzepięciowej. Jeżeli do
transformatora docierają impulsy napięciowe o wartości
większej niż maksymalne napięcie ochrony odgromowej, to
należy przeprowadzić sprawdzenie tejże ochrony.

Korekta asymetrii napięć liniowych

Doświadczenia eksploatacyjne wykazały, że dla

poprawnego działania monitoringu izolatorów
przepustowych należy uwzględniać asymetrię napięć w

152 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 11b/2010

sieci. Napięcia liniowe występujące na izolatorach mierzy
się za pomocą innego przetwornika pomiarowego, na
przykład SMT-103. Mierzy się amplitudy napięć dla
poszczególnych faz oraz kąty pomiędzy fazami – w celu
uwzględnienia asymetrii napięć w sieci. Asymetria napięć
sieciowych może powodować znaczne zniekształcenie
wyniku pomiaru pojemności oraz tg



monitorowanego

izolatora przepustowego.

Do układu przedstawionego na rysunku 2 wprowadzono

modyfikację, pokazaną na rysunku 4. Modyfikacja ta polega
na dodaniu dodatkowego przetwornika mierzącego
amplitudy i kąty napięć liniowych. Wartości te są
przekazywane do urządzenia SMT-102, wyznaczającego
zmiany pojemności i stratności przepustu.

Rys.4. Schemat aplikacji do monitorowania izolatorów
przepustowych z uwzględnieniem asymetrii zasilania

Poniżej przedstawiono zależności matematyczne,

wykorzystane dla uwzględniania wpływu napięć linii U

pomiary pojemności i tg



Dla równoległego obwodu zastępczego izolatora

przepustowego współczynnik start dielektrycznych opisany
jest równaniem:

(1)









Rys.5. Schemat zastępczy izolatora przepustowego, f –
częstotliwość sieci (50Hz), C – pojemność przepustu (wcześniej
oznaczana jako C

), R – rezystancja symbolizująca straty w

przepuście

Podczas normalnej pracy układu, obliczane są kąty

między fazami (



AB,



BC,



CA), występujące fizycznie na

linii WN. Kąty między fazami przekładników napięciowych,
mierzone za pomocą urządzenia SMT-103 są obarczone
błędem przesunięcia fazowego, wprowadzanego przez
przekładniki napięciowe. W urządzeniu SMT-102 jest ten
błąd uwzględniony. Wprowadzony jest offset w postaci
współczynnika „b”, który można wprowadzić za pomocą
programu konfiguracyjnego lub obliczyć automatycznie w
czasie tzw. kalibracji obiektowej. Kalibracja ta jest
przeprowadzana w trybie on-line, na podstawie znanej
początkowej wartości tangensa delta oraz znanych kątów
międzyfazowych na wyjściu sond CPT. Zastosowano
następujące zależności do obliczania kątów między fazami
na linii podczas normalnej pracy urządzenia:











(2)





















gdzie:





– kąt zmierzony między fazami A i B linii WN

pochodzący z przekładników napięciowych; kąt jest
zmierzony przez urządzenie SMT-103 i zawiera błąd
wprowadzony przez dwa przekładniki napięciowe, to jest
dla linii A i B,




– pomocniczy współczynnik; stała wartość

programowalna, którą ustawia się jednorazowo w
programie konfiguracyjnym,

 b

– offset dla korekcji błędu wprowadzonego przez

przekładniki napięciowe.

Przy korekcie asymetrii zasilania, współczynnik strat

dielektrycznych tg

 dla jednej fazy jest obliczany dwukrotnie

– względem pozostałych dwóch faz. Wynika stad, że dla
fazy A otrzymujemy dwa wyniki tg



AwB

– współczynnik strat

dielektrycznych dla fazy A względem fazy B i tg



AwC

–

współczynnik strat dielektrycznych dla fazy A względem
fazy C.

Analogicznie dla pozostałych faz są wyprowadzane

odpowiednie wzory.





























AwB

arctg

180









gdzie:

 M

– współczynnik dzielnika pojemnościowego,





– kąt między fazami z przekładników napięciowych,

zmierzony za pomocą SMT-103 i obliczony według
wzorów (czyli bez błędu wprowadzanego przez
przekładniki napięciowe),





– kąt między fazami z CPT, zmierzony za pomocą

SMT-102,

 tg



– początkowa, znana wartość współczynnik strat

dielektrycznych tg

 fazy A.

Przykładowe rejestracje

Na rysunkach 6-8 przedstawiono przykładowe

rejestracje z urządzeń monitorujących izolatory
przepustowe, wykonane na obiektach należących do PSE
Operator S.A. Na rysunku 6 zaprezentowano wpływ
asymetrii zasilania. Po lewej stronie tego wykresu są
przedstawione rejestracje współczynników strat
dielektrycznych tg

 przy braku rejestracji napięć z

przekładników linii U

, czyli bez uwzględnienia asymetrii

sieci. Po prawej stronie pokazany jest obraz
współczynników strat dielektrycznych po wprowadzeniu
urządzeń realizujących kompensację asymetrii zasilania
transformatora.

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 11b/2010 153

Na rysunku 7 jest zaprezentowany przebieg zmian

pojemności w fazie C, na tle pozostałych pojemności
izolatorów przepustowych 110 kV. Izolator fazy C, po
zbadaniu off-line został skierowany do wymiany.

Rys.6. Pomiary po instalacji przetworników referencyjnych

Rys.7. Zmiany pojemności w izolatorze przepustowym C

. Po

badaniach off-line przeprowadzono jego wymianę

Na rysunku 8 zaprezentowano zmiany pojemności

izolatorów przepustowych 400 kV oraz zmiany temperatury
otoczenia – jak widać, występuje wyraźna korelacja zmian
tej pojemności w zależności od zmian temperatury
otoczenia.

Rys.8. Zmiana pojemności GN w zależności od temperatury

Analiza korelacji temperaturowej – wytyczne do
ustawień progów ostrzegawczych i alarmowych

Podczas monitorowaniu izolatorów przepustowych

należy zwrócić uwagę na zmienność badanych parametrów
w funkcji temperatury otoczenia. Definiowanie progów
ostrzegawczych i alarmowych, a także podpowiedzi w
ekspertowych systemach monitoringu musi uwzględniać tą
właściwość. Przy definiowaniu wspomnianych progów
ostrzegawczych i reguł wnioskowania należy mieć na
uwadze występujące wzajemne korelacje wielkości w
funkcji temperatury. Na rysunku 9 i 10 zaprezentowano

przebiegi zmian pojemności izolatorów przepustowych w
zestawieniu ze zmianą temperatury otoczenia. Można
zauważyć, iż zmiany pojemności na poszczególnych
izolatorach przepustowych strony GN odpowiadają
zmianom temperatury otoczenia.

Rys.9. Zmiana pojemności od wartości początkowej – zmierzonej
podczas instalacji SMT-101 [%] w korelacji ze zmianami
temperatury otoczenia Ta [

Wnioski

Monitoring on-line izolatorów przepustowych, oparty o

analizę zmian wartości ich pojemności oraz tg



. daje

możliwość wykrycia rozwijającego się uszkodzenia.
Rejestracja przepięć docierających do izolatora
przepustowego i ich identyfikacja zwiększa
prawdopodobieństwo wykrycia przyczyny powstania zmiany
parametrów izolatora i poprawnego wnioskowania o jego
stanie technicznym. W przyjętej metodzie nie należy
pomijać wpływu zmian napięć w sieci gdyż nie
uwzględnienie tego wpływu powoduje znaczne
zniekształcenie wskazań.

Monitoring on-line nie eliminuje potrzeby pomiarów off-

line izolatorów przepustowych. Może on wskazać jedynie z
dużym prawdopodobieństwem możliwość rozwijania się
uszkodzenia izolatora przepustowego.

Autorzy dziękują pracownikom PSE Operator S.A.,

którzy udostępnili dane wykorzystane do przygotowania
tego referatu, a wcześniej służyli niezbędną pomocą we
wdrażaniu omawianych układów oraz dzielili się z nami
swoim doświadczeniem.

LITERATURA

[1] T e n b o h l e n S., Experience-based evaluation of economic

benefits of on-line monitoring systems of power transformers,
CIGRE, (2002), 12-110

[2] P i c h e r P., R a j o t t e C., Field experience with on-line bushing

diagnostic to improve transformer reliability, CIGRE, Bruges,
(2007)

Autorzy: Marek Andrzejewski, Badawczo-Rozwojowa Spółdzielnia
Pracy Mikroprocesorowych Systemów Automatyki MIKRONIKA, ul
Wykopy 2/4, 60-001 Poznań,

e-mail:

marek.andrzejewski@interia.pl
Wiesław Gil,

Badawczo-Rozwojowa Spółdzielnia Pracy

Mikroprocesorowych Systemów Automatyki MIKRONIKA, ul
Wykopy 2/4, 60-001 Poznań,

e-mail:

wiesław.gil@mikronika.com.pl
Wiktor Masłowski,

Badawczo-Rozwojowa Spółdzielnia Pracy

Mikroprocesorowych Systemów Automatyki MIKRONIKA, ul
Wykopy 2/4, 60-001 Poznań, e-mail: wiktor@mikronika.com.pl