Monitoring částečných výbojů pro včasnou diagnostiku elektrických zařízení

Monitoring částečných výbojů je zásadní pro bezpečný a spolehlivý provoz energetických zařízení, jako jsou transformátory, kabely, zapouzdřené rozvodny, generátory, motory a další elektrická zařízení. Aktivita částečných výbojů v čase může způsobit postupnou erozi izolačního materiálu, kdy náklady na odstranění následných nečekaných poruch mohou být fatální. Tyto poruchy způsobují provozovatelům škody z důvodu neplánovaných odstávek zařízení, nesplnění výkonnostních cílů a regulačních pokut, ale mohou vést také k požárům, výbuchům a vážným zraněním. Závady mohou být způsobeny vadným zpracováním ve fázi výroby, špatnými postupy při instalaci zařízení nebo poruchami v jakémkoliv okamžiku předpokládané životnosti. Monitorování částečných výbojů přináší provozovatelům spolehlivé podklady pro analýzu skutečného stavu důležitých zařízení, umožní jim přizpůsobit strategii údržby a rozhodovat o plánu obnovy.

Důležitost a výhody včasné diagnostiky

Existuje několik přístupů k aplikaci diagnostiky částečných výbojů. Základní rozdělení je v provádění měření off-line nebo on-line. V prvním případě je nutné zařízení odstavit z provozu a odpojit – a k simulaci aktivity částečných výbojů za běžného provozu je třeba mít dostatečně výkonný externí zdroj napětí. Měření on-line lze, po instalaci vhodných senzorů, provádět za provozu. Každý z těchto přístupů má své výhody. Mohou se však ideálně doplňovat, jak bude uvedeno dále.

Obr. 1. Příklad průrazu na koncovce kabelu 110 kV v důsledku kritické degradace izolace působením částečných výbojů

Prodlužování lhůt pravidelných profylaktických měření z důvodu úspor je častým jevem posledních let. Snadno tak může nastat situace, kdy perioda mezi měřeními je příliš dlouhá na to, aby bylo možné odhalit vznikající závady v raném stádiu. Pouze v případě, kdy jsou částečné výboje sledovány kontinuálně v běžném provozu, je možné okamžitě identifikovat změny v jejich aktivitě, jakmile tyto změny nastanou. Můžeme si tak být jisti, že zařízení pracuje s optimální mírou rizika poruchy. Náhlé změny v aktivitě mohou být signálem pro nasazení off-line diagnostiky, která se může zaměřit na konkrétní oblast, zatížit zařízení vyšším zkušebním napětím, lokalizovat přesně zdroj závady atd.

Mnoho starších energetických zařízení, která byla instalována v 70. a 80. letech minulého století je stále v provozu. Často jsou pořád ve slušné kondici a jejich plošná obměna jen pro jejich stáří by byla finančně extrémně náročná. Ovšem s přibývajícím věkem těchto zařízení je zjištění jejich skutečné kondice stále důležitější. Pouze analýza dat z diagnostických měření může určit jejich skutečný stav a být podkladem pro plánování obnovy nebo prodloužení životnosti. Systémy, které umožňují trvalý monitoring na bázi předinstalovaných senzorů, jsou dostupné přibližně od začátku tohoto tisíciletí. To znamená, že v ČR i SR, a také v ostatních státech Evropy, nejsou obvykle starší zařízení vybavena monitoringem přímo z výroby. Paradoxně tak monitorovací systémy lze nalézt spíš v zemích s mladší energetickou infrastrukturou, např. na Středním východě a v Africe.

Monitoring částečných výbojů je však i v Evropě stále běžnější, protože starší aktiva jsou nahrazována novými nebo jsou upgradována – naštěstí lze ve většině případů nalézt řešení i pro starší zařízení, která to potřebují nejvíce.

Co jsou částečné výboje?

K tomuto tématu existuje spousta odborné literatury, většinou plné složitých teorií a vzorců, navozující nováčkům v oboru pocity méněcennosti a zmaru. Teoretické znalosti jsou vždy dobrým základem, bez nich by se žádný obor nemohl rozvíjet. Tento článek je ovšem určen širšímu okruhu čtenářů, proto přináší jen základní přehled o teorii výbojů.

Když je izolační materiál vystaven elektrickému namáhání vyššímu, než je normální provozní stav, pro který byl konstrukčně navržen, nebo je-li izolace poškozena, dojde při překročení jeho dielektrické pevnosti k průrazu – vodivému přemostění celé izolace. Ale izolační materiál nemusí být vždy zcela homogenní a v jeho objemu se mohou nacházet mikroskopické dutinky, které obsahují vzduch a další plyny.

  
Obr. 2. Měření částečných výbojů zařízením ICMsystem přímo v terénu – na výkonovém transformátoru
Obr. 3. Měření částečných výbojů na generátoru zařízením ICMsystem

Dielektrická pevnost dutinky v izolantu je nižší než pevnost okolního dielektrika. Při běžném provozu nenastane průraz celé izolace, ale výboj se omezí jen na její část, na objem dutinek. Odtud pochází pojem částečné výboje, který dává název celé vědní disciplíně. Elektrické výboje uvnitř dutinek v izolaci charakterizují nejtypičtější představu částečných výbojů, proto se na ni zaměříme, i když existují i další druhy částečných výbojů. Je nutné doplnit, že také na povrchu izolace probíhají výboje, tzv. plazivé výboje, které na rozdíl od vnitřních výbojů narušují izolaci z vnější strany.

V závislosti na materiálu izolantu a velikosti dutinky může tato aktivita být pro různá zařízení různě kritická. Jisté však je, že při těchto dílčích výbojích dochází k postupné degradaci a narušování izolantu (povrchu dutinky), ohnisko se rozšiřuje a „prorůstá“ dál. V momentě, kdy je již izolace dostatečně oslabena, dojde k průrazu.

Částečné výboje se objevují všude tam, kde existuje nějaká nedokonalost, prasklina nebo inkluze v pevném izolantu, bublina či cizí částice v kapalině (např. v oleji) nebo kolem elektrod v plynném izolantu. Vady mohou vzniknout špatnou instalací, v důsledku běžného provozního opotřebení a také jako proces zestárnutí.

Ne všechny výboje jsou stejné. Koronový výboj ve vzduchu, vznikající na ostrých hranách venkovního vedení, je pro zařízení relativně neškodný, zatímco jiné formy výbojů mohou působit různou rychlostí – způsobí poruchu v řádu od několika hodin do několika let. Monitorování částečných výbojů proto musí být schopno přesně analyzovat typ a umístění částečných výbojů; rozlišovat mezi naléhavými případy, kdy je třeba naplánovat opravu, a těmi, kde stačí, když provozovatel bude sledovat trend. Přesné určení doby do průrazu není možné, mluvíme tu o určité míře pravděpodobnosti s jedinou jistotou – konečným průrazem izolace.

Měření částečných výbojů

Transformátory, zapouzdřené rozvodny (GIS), generátory, motory a kabelové instalace nejsou obvykle snadno přístupné pro vnitřní kontroly a údržbu. Monitoring částečných výbojů poskytuje celou řadu možností, jak „vidět“, co se děje uvnitř. Využívá skutečnosti, že aktivita částečných výbojů vyzařuje akustické vlny a vysokofrekvenční elektromagnetické signály a produkuje proudové impulsy.

Společnost Power Diagnostix, člen skupiny Megger, je výrobcem modulárních monitorovacích zařízení, jejichž rozsah je vhodný pro všechny tyto typy signálů v celé řadě aplikací, a to v režimu off-line i on-line. Modularita je velkou výhodou těchto zařízení; uživatelé se mohou kdykoliv rozhodnout pro postupné rozšiřování svých základních systémů. Mnoho dílů měřicího řetězce lze použít pro off-line a současně pro on-line diagnostiku.

Další variantou nebo možná předstupněm trvalého monitoringu může být občasný monitoring. V tomto případě jsou senzory osazeny trvale, ale snímání probíhá pouze po určitý čas (např. několik hodin nebo dnů) přenosným detektorem, který lze v jinou dobu použít pro měření na jiných částech zařízení. Alternativou je tzv. bodové testování (spot testing), kdy se senzory osadí jednorázově pouze pro účely měření na konkrétním zařízení a po skončení měření je lze přesunout jinam. Jedním měřicím systémem tak lze monitorovat postupně více zařízení.

Obr. 4. Diagnostický přístroj ICMsystem v maximální 10kanálové konfiguraci

Při konvenčním^*) měření částečných výbojů podle IEC 60270 (elektrické impulzy snímané vazebním kondenzátorem a měřicí impedancí) je nutné před každým měřením provést kalibraci. Do měřicího obvodu se paralelně k měřenému objektu připojí kalibrátor částečných výbojů a aplikují se impulzy náboje známých hodnot pro kalibraci. U nekonvenčních metod, jako jsou akustická měření nebo měření v pásmu UHF, se pro měření používají jiná frekvenční pásma, než určuje norma IEC 60270. Měřicí obvod se také skládá z jiných prvků. Jejich doménou je především měření on-line. Kalibrace není možná, lze však udělat zkoušku citlivosti.

---

*) Konvenční metody jsou měření podle IEC 60270, využívají normou daný měřicí obvod s vazebním kondenzátorem a dané frekvenční pásmo. Nekonvenční metody jsou tedy vše, co se nevejde do tohoto vymezení – např. UHF sensory…

---

Měření závisí na vazebních zařízeních, která snímají impulzy částečných výbojů. Vysokofrekvenční signál je převeden a odeslán do detektoru částečných výbojů. Signál často prochází předzesilovačem, který vyladí další signály na pozadí a zajistí impedanční přizpůsobení. Pro detekci částečných výbojů v kabelech nebo detekci rušení v uzemnění transformátorů jsou používány vysokofrekvenční proudové senzory (High Frequency Current Transformer – HFCT) v klešťovém nebo průvlečném provedení.

Měřicí zařízení od Power Diagnostix vykresluje signál částečných výbojů nejen jako jeho amplitudu, ale také jako fázově rozložené vzory částečných výbojů (Phase-Resolved Partial Discharge – PRPD). Analýza fázového rozložení je důležitá pro určení typu částečných výbojů. Každý typ má své charakteristické rysy a jeho identifikace pomáhá odhadnout druh závady. Některé vzory fázového rozložení ukazují na typické a rozpoznatelné problémy; např. delaminace ve vrstvách papíru v transformátoru má velmi jasný vzor PRPD, v ostatních případech přesné určení polohy zdroje částečných výbojů (s přesností na několik centimetrů) může vyžadovat pokročilejší analýzu.

Při činnostech v terénu je od měřicí techniky vždy vyžadováno robustní provedení. Odolnost a spolehlivost jsou obzvlášť důležité, pokud jde o trvalý monitoring. Jestliže má např. transformátor technický život 40 až 50 let, musíme být schopni monitorovat jej po celou dobu života. Modulární systém od Power Diagnostix je pro tento účel nanejvýš vhodný. Navíc umožňuje zákazníkům vyměnit nebo doplnit některé komponenty a senzory, přičemž si zachová ostatní díly sestavy. Snadno se používá, snadno se upgraduje.

Aktivita částečných výbojů produkuje také akustické vlny. Ve srovnání s elektrickými signály se akustické signály pohybují relativně pomalu, při rychlostech určených médiem, ve kterém se signál šíří – v oleji, kovu nebo plynu. Použitím několika akustických senzorů je možné lokalizovat zdroj částečných výbojů analýzou rozdílů ve zpoždění akustických signálů. Samotná akustická měření však pravděpodobně neposkytnou užitečné informace o stavu zařízení, obvykle se jedná o referenční měření – buď jako první krok k nalezení výbojů, nebo zejména jako prostředek k následné lokalizaci poruchy.

V případě transformátorů izolovaných olejem bývá rozhodnutí o diagnostice částečných výbojů často vyvoláno výsledky chromatografické analýzy plynů rozpuštěných v oleji (Dissolved Gas Analysis – DGA), protože aktivita částečných výbojů v oleji produkuje typické plyny. Monitoring plynů je důležitou součástí komplexní péče o transformátory, DGA však neposkytuje skoro žádné informace o příčině a umístění zdroje částečných výbojů. Vzor fázového rozložení částečných výbojů (PRPD) získaný výše popsanými metodami může proto pomoci identifikovat typ aktivity částečných výbojů. A lokalizace pomocí akustických senzorů dokonce pomůže určit umístění zdroje. To významně urychluje proces opravy.

Obr. 5. Přístroj ICMcompact ve stolním a kufříkovém provedení

Přístrojové vybavení

Společnost Power Diagnostix, člen skupiny Megger, nabízí kompletní řadu diagnostických systémů, z nichž každý je dodáván s vyměnitelným příslušenstvím, včetně vazebních kondenzátorů, senzorů, kabelů, měničů frekvence a předzesilovačů. Samozřejmostí jsou různé možnosti potlačení rušení.

ICMsystem
Špičkový přístroj s vysokou úrovní kvality a technické invence, který umí zpracovat signály z vazebních kondenzátorů, snímačů UHF i akustické signály, je navržen jako univerzální přístroj, vhodný pro širokou škálu aplikací. Měřit lze v režimu off-line v továrních nebo laboratorních podmínkách nebo on-line za normálních provozních podmínek.

ICMcompact
Univerzální nástroj, kterým lze dělat diagnostická měření přístrojových transformátorů, motorů a generátorů, rozváděčů a jejich komponent, kabelů a izolátorů. Lze jej použít také pro přejímací zkoušky v laboratořích kontroly kvality nebo pro práci v terénu. Používá se ve spojení s notebookem a softwarem ICMcompact.

ICMmonitor
Jde o systém pro trvalé monitorování částečných výbojů. Pro vstup signálu lze využít vazební kondenzátory, VF proudový transformátor (HFCT), UHF senzory nebo akustické senzory, podle konkrétní aplikace. Uživatelé mohou nastavit alarmy, které se spustí při dosažení určitých úrovní částečných výbojů. Modulární systém lze také přizpůsobit pro měření různých zařízení, včetně transformátorů, zapouzdřených rozvoden, motorů, generátorů a kabelů. Existuje také v přenosné verzi (ICMmonitor portable), která je vhodná pro dočasný on-line monitoring.

ICMflex
Je určen k off-line diagnostice částečných výbojů a ztrátového činitele tgd, kabelů vn, ale také třeba motorů a generátorů. Jelikož se jedná o diagnostiku off-line, je k uskutečnění diagnostického měření zapotřebí také vhodný zdroj – buď střídavý 50 Hz, nebo VLF zdroj 0,1 Hz.

AIAcompact
Je všestranný nástroj pro pravidelné on- -line hodnocení stavu zapouzdřených rozvoden izolovaných plynem, který kombinuje metody UHF a akustické detekce.

ATTanalyser
Jednoúčelový přístroj pro akustickou detekci a především lokalizaci částečných výbojů na transformátorech a zapouzdřených rozvodnách. Obzvlášť vhodný při zkouškách plynem izolovaných částí GIS/GIL během uvádění do provozu. Pokud dojde během zkoušky k přeskoku, je důležité také rychle odhalit, kde přesně k němu došlo, což výrazně zkrátí čas potřebný na opravu.

Obr. 6. Systém ICMmonitor zabudovaný ve skříni jako součást systému pro on-line monitoring generátorů

Monitoring částečných výbojů v rozvodnách izolovaných plynem

Plynem izolované rozvodny (Gas Insulated Switchgear – GIS) jsou velmi důležitá zařízení. Vysoká intenzita elektrického pole v relativně malém prostoru způsobuje, že každá porucha může vést k rozsáhlým škodám a dlouhým výpadkům. S fluoridem sírovým SF6, plynem, který se obvykle nachází uvnitř izolačních komor, je navíc třeba zacházet se zvláštní opatrností, protože má ze všech známých látek největší potenciál vlivu na globální oteplování. Proto jsou plynem izolovaná zařízení ideálním kandidátem na permanentní on-line monitoring. V případě, že na zařízení není on-line monitoring uplatněn, je důležité alespoň kontrolovat pravidelně jejich stav. Kompaktní rozvodny GIS, stejně jako plynem izolované vodiče (Gas Insulated Lines – GIL) patří obvykle k nejspolehlivějším zařízením v elektroenergetice, jakmile se však začnou blížit konci projektovaného technického života, jsou diagnostické přenosné systémy od Power Diagnostix řešením, jak jejich život prodloužit.

Signál, který generují částečné výboje uvnitř GIS, se šíří z místa vzniku. Použité senzory dokážou tyto signály detekovat, zesílit a převést je na měřitelné hodnoty. Závady způsobující vznik částečných výbojů lze detekovat externími akustickými a UHF senzory, avšak nejlepších výsledků se vždy dosáhne vestavěnými interními senzory. Na ty je třeba pamatovat již ve fázi projektování nových rozvoden GIS.

Mezi zdroje poruch, které mohou vést ke vzniku částečných výbojů uvnitř GIS, patří volné kovové částice pohybující se uvnitř izolační komory, volné kontakty nebo různé výstupky a ostré hrany. Pro jejich detekci lze externí senzory UHF připojit k nestíněným přírubám nebo k povrchu pohledového inspekčního okénka. Většina moderních systémů GIS může být již z výroby osazena vestavěnými senzory UHF, které umožňují diagnostiku. Volné kovové částice někdy v izolační komoře GIS doslova „poskakují“, v takových případech jsou k detekci zvláště vhodné akustické senzory. Jejich umístění bývá nejúčinnější na dně nádoby, protože právě v těchto místech se obvykle nacházejí volné částice.

Širší výhody diagnostiky částečných výbojů

Provozovatelé energetických zařízení obvykle implementují diagnostiku částečných výbojů jako součást svých strategií údržby podle technického stavu (Condition Based Maintenance – CBM). Cílem je omezit neplánované výpadky a zlepšit spolehlivost sítě, dosáhnout lepších výsledků v oblasti bezpečnosti, prodloužit technický život aktivních zařízení a optimalizovat investice.

Měření částečných výbojů mohou poskytnout informace o povaze závad před zahájením procesu opravy. Eliminují potřebu složitých průzkumů k lokalizaci poškození a usnadňují přípravu na to, co a kde se pravděpodobně po demontáži nalezne uvnitř transformátoru nebo jiného zařízení. To velmi pomáhá zkrátit čas odstávky a opravy.

Provozovatelé distribučních a přenosových sítí obvykle obdrží přesné hodnoty měření částečných výbojů svých nových zařízení při jejich pořízení. Když si zákazník pořídí zapouzdřenou rozvodnu (GIS) nebo transformátor vvn/vn, musí mu výrobce dokladovat hodnoty, změřené v rámci ověřovacích zkoušek ve výrobním závodě (Factory Acceptance Test – FAT). Obvykle se doporučuje udělat měření částečných výbojů ještě po transportu a usazení na místě, před uvedením do provozu. Analýza výsledků měření během provozu spočívá v porovnávání aktuálních hodnot s výsledky při uvádění do provozu nebo s výsledky ověřovacích zkoušek v továrně a také předchozích diagnostických měření.

Obr. 7. Instalace systému GISmonitor pro online monitoring částečných výbojů na zapouzdřeném zařízení GIS

Závěr

Ačkoliv jsou částečné výboje pouze jedním z mnoha faktorů ovlivňujících stav zařízení, jsou uznávány jako hlavní příčina a indikace následných elektrických poruch. Zkušenosti ze zahraničí ukazují, že program prediktivní diagnostiky a monitoring částečných výbojů bývá stále častěji vyžadován pojišťovnami jako podmínka pro pojištění energetických zařízení. Analytici a makléři pojišťoven vidí v tomto přístupu souvislosti se snížením rizika plnění, kdy v případě havárií transformátorů nebo zapouzdřených rozvoden se škody pohybují v řádu desítek miliónů korun.

Existují také argumenty týkající se životního prostředí a udržitelnosti. Distribuční a přenosové sítě jsou v současné době pod tlakem, aby vyhověly rostoucímu počtu vývozních a dovozních toků elektrické energie a aby zvládly přechod na obnovitelnou „zelenou“ elektřinu a nabíjení elektrických vozidel. Vzhledem k tomu, že mnoho lokálních sítí nabízí pouze malou rezervu pro nová připojení, pomáhá monitoring částečných výbojů v celkovém přístupu ke správě sítí, včetně přesnějšího plánování údržby, oprav a obměny zařízení.

Zapouzdřené rozvodny GIS představují zvláštní výzvu pro životní prostředí. Zatímco fluorid sírový (SF₆) je vysoce účinný izolant, má také extrémně vysoký potenciál z hlediska globálního oteplování. Nová připojení zdrojů obnovitelné energie v posledních letech vedla k celkovému nárůstu rozvodných zařízení, a přestože jsou k dispozici alternativní plyny, většina nových zařízení za poslední desetiletí stále používá plyn SF6. Monitoring těchto zařízení pomáhá vyhnout se zbytečným údržbovým zásahům, kdy hrozí riziko úniku plynu.

Zkušební metodiky částečných výbojů byly vyvinuty před více než půl stoletím. Neustále roste výroba, přenos a distribuce elektrické energie, počet zařízení, potřeba elektrické energie, dramaticky roste také cena selhání dodávek nebo výroby. Modulární koncept monitoringu částečných výbojů od společnosti Power Diagnostix, člena skupiny Megger, se přizpůsobí potřebám každého obvodu. Na základě výsledků monitoringu částečných výbojů mohou všichni provozovatelé profitovat ze znalosti skutečného stavu svých kritických zařízení, přizpůsobit svou strategii údržby a profesionálně rozhodovat o plánu obnovy.

www.megger.cz   www.megger.sk