Automatizácia skúšobných meraní transformátorov s využitím meracieho systému

Automatizácia skúšobných meraní transformátorov s využitím meracieho systému

Ing. Miroslav Gutten, PhD., Ing. Róbert Zahoranský,
doc. Ing. Ján Michalík, PhD., Ing. Mariana Beňová,
Žilinská univerzita (ŽU), Žilina

1. Automatizácia meraní transformátorov s využitím meracieho systému DST

Koncepcia automatizácie meraní bola použitá aj pri návrhu a stavbe meracieho a diagnostického systému transformátorov (DST), ktorý je určený pre výrobcov transformátorov i pre organizácie opravujúce transformátory.

Na vývoji zmieneného systému sa podieľali katedra teoretickej a aplikovanej elektrotechniky (KTAE), Elektrotechnická fakulta (EF) ŽU, katedra merania a automatizácie (KMA), Strojnícka fakulta (SF) ŽU a firma Lambda Control, s. r. o., Liptovský Hrádok.

To, že tento prístup má svoje uplatnenie a opodstatnenie, ukázala aj prax a niekoľkoročná bezporuchová prevádzka systému DST v štyroch opravárenských pracoviskách v SR a ČR.

V súčasnosti tieto pracoviská používajú systém DST pri kontrole kvality svojich opráv – k určeniu skutočnosti, či bude oprava ekonomicky výhodná, a hlavne k meraniu nových parametrov transformátora po oprave. Ak sa DST zaradí do vstupnej podnikovej kontroly, možno ním overiť a potvrdiť parametre udané v protokole o meraní nového transformátora dodaného jeho výrobcom. Systém DST je možné použiť pre komplexné meranie rôznych typov a veľkostí distribučných transformátorov.

Obr. 1. Meracia a ovládacia skriňa DST

Systém DST je určený predovšetkým na:

a) kontrolu izolačných stavov a meranie odporov:

• meranie izolačného stavu oleja,
• meranie izolačného odporu,
• meranie činného odporu vinutí,
• skúška indukovaným napätím,
• skúška priloženým napätím na vinutiach vn a nn;

b) striedavé skúšobné merania:

• meranie prevodu naprázdno,
• kontrola hodinového uhla,
• meranie naprázdno,
• meranie nakrátko;

c) ďalšie skúšky alebo merania podľa špecifických požiadaviek skúšobne.

Celý systém pozostáva zo zdrojových elektrických zariadení a z meracích a regulačných prístrojov, prehľadne umiestnených v meracej a ovládacej skrini (obr. 1), ktoré sú ovládané softwarovo z počítača.

Obr. 2. Celkový pohľad na skúšobný priestor skúšobne vo VSE a. s., SV Krompachy

Konkrétne, pre meranie a skúšky na distribučných transformátoroch 22/0,4 kV do zdanlivého výkonu 1 000 kV·A, pozostáva systém DST vo VSE, a. s., SV Krompachy (obr. 2) z týchto zdrojových elektrických zariadení:

• skúšobný 1fázový transformátor 30 kV·A, 0,38/100 kV,
• skúšobný 1fázový transformátor 300 V·A, 0,38/5 kV,
• kapacitný delič vn 150 kV s prevodovým pomerom 1 000/1,
• 3fázový olejový regulačný autotransformátor 72 kV·A, 0 až 420 V,
• prevodový transformátor 63 kV·A, 400/1 000 V,
• frekvenčný menič 100 až 300 Hz, 18,5 kW.

Obr. 3. Predný panel výkonového analyzátora v systéme DST

Diagnostický systém transformátorov má certifikovanú presnosť meraní 0,5 %; to je dosiahnuté použitím trojfázového výkonového analyzátora. Okrem tohto meracieho prístroja sú v štruktúre DST použité aj ďalšie číslicové prístroje, ako napr. jednosmerný číslicový zdroj 20 V/18 A, automatický číslicový prevodomer 100 V, prístroj na meranie izolačného odporu 5 kV a plnoautomatická skúšačka oleja 100 kV.

Meracie prístroje boli pri realizácii meracieho systému DST vybraté predovšetkým s dôrazom na presnosť a schopnosť diaľkového ovládania cez priemyselné sériové komunikačné rozhranie RS-232-C/IEEE-488. Takáto zostava silových zariadení a ich prepojení s meracími prístrojmi umožňujú komplexné riešenie meracích úloh spolu s automatickým prevedením.

2. Využitie číslicového výkonového analyzátora v meracom systéme DST

Trojfázový výkonový analyzátor (obr. 3) slúži v systéme DST k meraniu prúdu, napätia a výkonu vo všetkých troch fázach. Meria jednosmerné aj striedavé hodnoty s analýzou neharmonického priebehu. Dokáže automaticky prepínať osem napäťových a šesť prúdových rozsahov. Rozsah meranej frekvencie je od 0,1 Hz do 300 kHz. Na analyzátore je možné nastaviť minimálny čas pre priemerovanie signálu a čas pre aktualizované zobrazovania veličín. Uvedený čas možno meniť v piatich úrovniach (100, 250, 500 ms, 1 a 2 s). Na prístroji je možné voliť synchronizáciu, ktorá je požadovaná pre meranie frekvencie a čiastočne pre harmonickú analýzu. Okrem toho, zobrazované hodnoty ukazujú lepšiu stabilitu, keď je synchronizácia vhodne zvolená.

Pre zvolenie synchronizácie sa používajú tieto kritériá:

• prúdová synchronizácia pre meranie prúdu, napätia a výkonu,
• napäťová synchronizácia pre meranie iba napätia.

Merací analyzátor v systéme DST disponuje sériovým rozhraním RS-232-C a rozhraním IEEE-488. Prístroj sa pripája k sériovému portu počítača (COM) deväťžilovým vodičom s konektorom CANON. V prípade použitia rozhrania RS-232-C je možné prepojiť iba dve zariadenia (počítač – merací prístroj). Pri použití rozhrania IEEE-488 je možné do siete zapojiť až pätnásť zariadení, čo je výhodnejšie pre automatizovaný systém.

Základné nastavenie parametrov komunikačného rozhrania je uvedené v tab. 1.

Komunikačný protokol tohto prístroja je jednoduchý a obsahuje príkazy na ovládanie prístroja, prepínanie rozsahov, čítanie stavových registrov prístroja a čítanie nameraných hodnôt, vrátane harmonických zložiek FFT (Fast Fourier Transformation, rýchla Fourierova transformácia). Štruktúru niektorých vybraných príkazov a ich význam ukazuje tab. 2.

Tab. 2. Štruktúra príkazov a ich význam vo výkonovom analyzátore v systéme DST

Príkazy sa zadávajú v textovom formáte. Každý vysielaný príkaz musí byť ukončený znakmi CR (Carriage Return, návrat vozíka – hodnota 13D) a LF (Line Feed, posun o riadok – hodnota 10 D). Každý reťazec znakov odpovede je taktiež ukončený týmito znakmi. Príkazom FUNC je možné zadať aj kombináciu viacerých požadovaných parametrov pre príkaz „DATA?“: FUNC „VOLT„, „VOLT1„, „VOLT2„, „VOLT3„, „CURR„, „CURR1„, „CURR2„, „CURR3„, „POW:FACT„, „VOLT1:FFAC„, „VOLT2:FFAC„, „VOLT3:FFAC„ + Chr(13) + Chr(10).

Príkaz „DATA?„ potom vráti znakový reťazec s nameranými hodnotami v požadovanom poradí fázových a združených napätí a prúdov, výkonu atď. [4].

3. Popis automatizovaného ovládania niektorých meraní pomocou systému DST

Tu je uvedený len jednoduchý popis niektorých skúšobných meraní na transformátoroch ovládaných systémom DST.

Odpor vinutia opraveného transformátora sa zisťuje pre posúdenie zhodnosti prevedenia jednotlivých fáz a odbočiek, neporušenosti obvodu a správnosti kontaktov prepínača odbočiek. Odpor jednotlivých fáz je tiež potrebné vedieť k výpočtu strát vo vinutí, popr. na zistenie teploty vinutia pri otepľovacej skúške. Pri meraní odporov vinutí ide väčšinou o meranie stredných alebo veľmi malých odporov. K tomuto účelu sa obvykle používa Ohmova metóda.

Obr. 4. Dialógové okno pre ovládanie skúšky priloženým napätím

Odpory sa pomocou systému DST meria elektronickým jednosmerným zdrojom 20 V/18 A, ktorý je umiestnený v rozvádzači pre meranie a ovládanie. Obvod merania je vyhotovený štvorvodičovou sústavou, aby sa pri meraní eliminovali nepresnosti súvisiace s veľkou dĺžkou prúdových káblov a prechodových odporov. Jednosmerné prúdy a napätia sa zaznamenávajú na výkonovom analyzátore. Po zmeraní odporov sa príslušný obvod vypína cez vybíjacie odpory po dobu minimálne 60 s na vinutiach vn a 20 s na vinutiach nn skúšaného transformátora. Týmto sa zaistí bezpečnosť obsluhy a ochrana číslicových prístrojov.

Skúška priloženým napätím priemyselnej frekvencie sa vykonáva jednofázovým striedavým napätím s predpísanou hodnotou podľa izolačnej hladiny. Napätie sa privádza medzi skratované skúšané vinutie a uzemnené vývody všetkých ostatných vinutí, uzemnený magnetický obvod, sťahovaciu konštrukciu, nádobu alebo skriňu transformátora. Skúška pomocou systému DST sa vykonáva trojfázovým regulačným autotransformátorom a jednofázovým transformátorom s prevodom 0,38/100 kV na vinutiach vn a transformátorom s prevodom 0,38/5 kV na vinutiach nn skúšaného transformátora. Napätia sa meria priamo na transformátore cez vysokonapäťový kapacitný delič s pomerom 1 000/1 V, na ktorý je sekundárne pripojený výkonový analyzátor. Systém DST automaticky nastavuje jednofázové napájacie napätie podľa zvolenej hodnoty užívateľa (pre transformátory 22/0,4 kV je to na vinutiach vn 35 alebo 50 kV a na vinutiach nn 3 kV). Program systému chráni skúšaný transformátor tým, že počas stúpania napätia a počas skúšobnej výdrže kontroluje prípadný nebezpečný pokles napätia (obr. 4). Ak pri stúpaní poklesne hodnota napätia minimálne o 13 000 V a počas výdrže o 7 000 V, program okamžite odpína meranie a vyšle chybové hlásenie.

Obr. 5. Prenesený protokol o skúške transformátora vo formáte Microsoft Excel

Skúška indukovaným napätím slúži k zisťovaniu elektrickej odolnosti susedných častí vinutia a predovšetkým k overeniu, či pri skúške priloženým napätím alebo pri rázovej skúške nenastal medzizávitový prieraz. Skúška sa pomocou systému DST napája frekvenčným meničom 100 až 300 Hz, trojfázovým regulačným autotransformátorom a zvyšovacím prevodovým transformátorom 400/1 000 V. Napájacie napätie sa nastavuje v požadovanej tolerancii podľa normy (pre transformátory 22/0,4 kV je to od 600 do 800 V). Program systému chráni skúšaný transformátor tým, že počas stúpania napätia a počas skúšobnej výdrže kontroluje prípadný nebezpečný pokles napätia. Keď pri stúpaní hodnota napätia poklesne minimálne o 60 V a počas výdrže o 30 V, program okamžite odpína meranie a vyšle chybové hlásenie. Transformátor skúške vyhovel, ak sa nevyskytol žiadny silný pokles skúšobného napätia a nedošlo k nedovoleným poškodeniam.

Skúška izolačného stavu oleja. Bezprostredne pred začiatkom skúšky sa vyprázdni skúšobná nádobka a jej steny, elektródy a ostatné časti sa opláchnu skúšanou kvapalinou. Nádobka sa vyprázdni a znovu sa pomaly naplní skúšanou kvapalinou tak, aby sa vylúčila tvorba vzduchových bublín. Meracia nádobka sa umiestni do plnoautomatického skúšobného zariadenia a spustí sa miešanie. Po prvý raz sa napätie pripojí na takmer 5 min po skončení plnenia a po kontrole, či nie sú viditeľné žiadne bubliny v medzere medzi elektródami. Napätie sa automaticky pripojí na elektródy a rovnomerne sa zvyšuje od nulovej hodnoty rýchlosťou 2,0 kV/s ±0,2 kV/s, kým nenastane prieraz. Prierazné napätie predstavuje maximálnu hodnotu dosiahnutého napätia, pri ktorej sa obvod automaticky preruší (vytvorením oblúka). Nameraná hodnota sa zaznamená a uloží do pamäti. S tou istou vzorkou sa vykoná šesť prierazov s prerušením (pauzou) najmenej 2 min po každom prieraze pred opakovaným pripojením napätia. Ak sa použije miešadlo, musí pracovať nepretržite po celý čas skúšky. Z týchto šiestich prierazov sa nakoniec vypočíta priemerná hodnota v kilovoltoch.

Obr. 6. Chybové hlásenie pred meraním prevodu

Meranie nakrátko sa spravidla vykonáva na vinutí vyššieho napätia pri menovitej frekvencii a menovitom prúde, pričom je vinutie nižšieho napätia spojené nakrátko. Ak nie je možné merať pri menovitom prúde, dovoľuje sa merať pri zníženom prúde, a to najmenej pri 50 % menovitej hodnoty. Meranie sa napája daným trojfázovým autotransformátorom cez zvyšovací prevodový transformátor 0,4/1 kV. Systém DST nastavuje napájací prúd minimálne na hodnotu 50 % štítkovej hodnoty primárneho prúdu transformátora. Pri nastavovaní prúdu si program kontroluje prúdy na jednotlivých fázach, aby sa predišlo vážnym poruchám a chybám pri meraní transformátora. Pri prekročení nebezpečnej nesymetrie prúdu program automaticky zastaví meranie a vyšle chybové hlásenie. Po skončení merania si program výpočtom kontroluje garantované tolerancie napätia nakrátko (±10 %) a činiteľa tvaru. Pri prekročení tolerancií sú namerané hodnoty zobrazené červenou farbou.

4. Charakteristika programu meracieho systému DST

Program pre diagnostiku transformátorov DST pracuje v prostredí operačného systému MS Windows XP. Pre ovládanie programu boli použité štandardné ovládacie prvky operačného systému MS Windows, ovládanie programu je preto jednoduché a intuitívne. Merať je možné na meracom stanovišti, ktoré si riadiaci program pripája automaticky podľa zvoleného stojanu z prostredia programu. Výsledky jednotlivých meraní spolu so zadanými štítkovými údajmi možno zaradiť a uchovávať v databáze meraní, popr. zobraziť a vytlačiť protokol aktuálneho merania alebo meraní uložených v databáze (obr. 5). Program si po spustení, ale aj pred vlastním meraním testuje všetky potrebné zariadenia, ako sú meracie prístroje, zdroje, vstupné a výstupné moduly. Pri zistenej poruche sa na obrazovku vypíše chybové hlásenie. V prípade, že vo zvolenom meraní program nenájde potrebné štítkové údaje, popr. zistí, že sú chybné, vypíše chybové hlásenie (obr. 6), ktoré upozorní obsluhu meracieho pracoviska na nesprávnosť či nekompletnosť zadaných štítkových údajov. Potom sa obsluha vráti do záložky Štítkové údaje a potrebné údaje doplní, popr. opraví, a opäť pokračuje ďalej na konkrétnom meraní.

5. Záver

Vývoj diagnostického a meracieho systému transformátorov naznačuje trend vývoja s dobou, ktorá sa jednoznačne nezaobíde bez výpočtovej techniky. Vďaka výpočtovej technike sa v skúšobníctve kladie väčší dôraz na bezpečnosť obsluhy a elektrických zariadení s cieľom minimalizovať nebezpečné následky pri meraní. Merania transformátorov sú jednoduchšie, komplexnejšie a namerané hodnoty sú vďaka vysokej presnosti systémov v súlade s požiadavkami noriem STN.

Literatúra:
[1] MICHALÍK, J. – GUTTEN, M. – BEŇOVÁ, M. – KORENČIAK, D.: Diagnostické a meracie systémy výkonových transformátorov. ADVANCES in Electrical and Electronic Engineering, 2/2003, s. 3–7.
[2] MICHALÍK, J. – GUTTEN, M.: Prehľad diagnostických a meracích systémov transformátorov. In: Zborník prednášok IV. Medzinárodnej konferencie: Nové smery v diagnostike a opravách elektrických strojov a zariadení, ŽU Žilina, 2002, s. 215–218.
[3] MICHALÍK, J. – GUTTEN, M. – BEŇOVÁ, M. – ZAHORANSKÝ, R.: Diagnostický systém transformátorov. EE, 2000, roč. 6, č. 5, s. 11–13.
[4] LEM Norma GMBH: Operating Instruction Power Analyzer D4000, LEM Norma GMBH, A 460201 GA4 E, užívateľská príručka k prístroju LEM D4000.

Ing. Miroslav Gutten sa narodil 3. 2. 1972 v Žiline. V roku 1997 absolvoval štúdium na EF ŽU a v roku 2002 obhájil dizertačnú prácu (PhD.). Od roku 1999 pôsobí ako odborný asistent na KTAE ŽU v Žiline. V rámci vedeckej činnosti pracuje na vývoji niekoľkých meracích a diagnostických systémov transformátorov v SR a ČR.

Ing. Róbert Zahoranský absolvoval v rokoch 1990 až 1995 štúdium na SF ŽU v Žiline na katedre obrábania a automatizácie (KOA). V rokoch 1995 až 1997 pracoval ako vývojový pracovník u súkromnej firmy. Od 1. 11. 1997 pôsobí na KOA ŽU v Žiline, kde je v súčasnosti externým doktorandom. Jeho práca sa zaoberá umelou inteligenciou v riadiacich automatizovaných systémoch, počítačovým videním a rozpoznávaním obrazu. V oblastiach meranie a regulácia technologických procesov a ich vizualizácia, riadiace systémy a programovanie spolupracuje aj s praxou, kde už bolo realizovaných niekoľko projektov, medzi ktoré patrí napr. diagnostický systém transformátorov, riadiace aplikácie v potravinárstve či projekt merania emisií v teplárni Žilina.

Doc. Ing. Ján Michalík, PhD., absolvoval v roku 1969 Vysokú školu dopravnú v Žiline, Fakultu strojnícku a Fakultu elektrotechnickú, odbor elektrická trakcia a energetika v doprave. Kandidátsku dizertačnú prácu obhájil v roku 1981 na EF SVŠT Bratislava. V roku 1984 bol vymenovaný za docenta v odbore elektrické stroje a prístroje. V rokoch 1986 až 2001 bol vedúcim KTAE na EF ŽU v Žiline a od roku 2001 vykonáva funkciu dekana EF ŽU v Žiline. Vo svojej práci sa zaoberá diagnostikou elektrických strojov a od roku 1997 sa venuje problematike technologického vybavenia diaľničných tunelov, resp. diaľničných dopravných systémov.

Ing. Mariana Beňová skončila v roku 1997 inžinierske štúdium na katedre elektrickej trakcie a energetiky. Od roku 1999 pracuje na KTAE ŽU, kde spolupracuje pri vývoji diagnostických a meracích systémov výkonových transformátorov. Okrem toho sa zaoberá aj analýzami neharmonických priebehov a ich vplyvmi na elektrické stroje.