strona główna

ARTYKUŁY

Elektrotechnika

Doświadczenia w stosowaniu czujników antenowych do pomiaru wyładowań niezupełnych silników

Elektrotechnika

23 grudzień 2009

Doświadczenia w stosowaniu czujników antenowych do pomiaru wyładowań niezupełnych silników

autor: Sławomir Szymaniec

W artykule przedstawiono doświadczenia w stosowaniu czujników antenowych do pomiaru wyładowań niezupełnych w silnikach elektrycznych. Pomiary te miały na celu ocenę stanu izolacji uzwojeń off-line i on-line. Autor przedstawił wyniki badań własnych, w szczególności omawiając anteny na bazie termorezystorów RTD, anteny paskowe oraz pętlowe.

Do pomiarów wyładowań niezupełnych (wnz – PD – Partial Discharge) w maszynach elektrycznych, mających na celu ocenę stanu izolacji uzwojeń, można stosować m.in. termorezystory RTD (Resistance Temperature Detector) oraz czujniki paskowe SSC (Stator Slot Couplers) używane jako anteny [1-5, 7, 8]. Dobór anten do pomiarów wnz w silnikach powinien być poprzedzony wyborem zakresu pomiaru wnz ze względu na wpływ zakłóceń przemysłowych.
Należy ustalić zakres częstotliwości sygnału wnz, w którym jest najkorzystniejszy stosunek sygnału do szumu (zakłóceń). Długoletnie badania przemysłowe w tym zakresie prowadziła firma ADW EL. Ustalono, że najkorzystniejszy jest zakres od 1 do 150 MHz (standard PDA PREMIU M) [1]. Na rysunku 1 przedstawiono rezultaty badań w uproszczonej formie graficznej. Rosyjska firma VIB ROC ENTER, prowadząc podobne badania w późniejszym okresie, ustaliła, że najkorzystniejszy jest zakres 1-20 MHz. Autor w swoich badaniach przyjął do pomiarów wnz silników właśnie taki zakres.

Rys. 1. Widmo wnz (PD) maszyn elektrycznych w czasie ich eksploatacji oraz widmo zakłóceń, wg danych firmy ADW EL [1]

Kolejne ważne elementy w doborze anten to [8]:
– wybór rodzaju anten,
– formalne i techniczne możliwości ich zainstalowania oraz dostrojenia,
– możliwości kalibracji toru pomiarowego.

Spośród możliwych do zastosowania w pomiarach wnz maszyn elektrycznych należy wymienić 3 rodzaje anten: paskowe SSC , wykorzystujące termorezystory RTD oraz pętlowe.

Anteny paskowe

Anteny te opracowano w latach osiemdziesiątych w kanadyjskiej firmie Iris [7]. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowe rozwiązania anten paskowych tej firmy. Anteny paskowe skonstruowano specjalnie jako czujniki do badań diagnostycznych stanu izolacji w oparciu o pomiary wnz dla dużych generatorów. Wykonane są na bazie szkła epoksydowego. Zastosowanie tego materiału powoduje, że antena ma bardzo dobre parametry dielektryczne i mechaniczne: dzięki epoksydowemu podłożu dielektrycznemu jest w stanie pracować nawet przy bardzo wysokich temperaturach, rzędu 150°C. Podstawowe parametry anten firmy Iris: pasmo 10-100 MHz, grubość 2 mm, długość do 53 cm.

Rys. 2. Anteny paskowe firmy Iris przygotowane do montażu

Istnieje możliwość dopasowania szerokości anteny do rozmiarów żłobka. Antena mierzy wnz zarówno przy wyjściu uzwojenia ze żłobka, jak i z wnętrza żłobka. Ma dwa obwody pomiarowe i dwa wyprowadzenia. Każde z dwóch wyprowadzeń jest wykonane za pomocą kabla koncentrycznego. Czujniki SSC instalowane są w generatorach i silnikach w żłobkach pod klinami (rys. 3).

Zazwyczaj do pełnego monitoringu wystarcza komplet 6 anten, jednak dla większych generatorów liczba czujników wzrasta. Antena ma bardzo dobrą czułość, a ponadto jest odporna na wszelkiego rodzaju zakłócenia zewnętrzne i wewnętrzne. Wszystkie impulsy o czasie trwania dłuższym niż 6 ns są traktowane jak zakłócenia [7].

Anteny paskowe mają także wady:
– wyładowania są wykrywane jedynie w żłobkach, w których anteny zainstalowano, oraz w polu obejmującym 6 najbliższych żłobków,
– długotrwały, wielogodzinny montaż przez zespół specjalistów.

Rys. 3. Anteny paskowe umieszczone w żłobkach generatora

Anteny wykorzystujące termorezystory RTD i anteny pętlowe

Anteny do pomiarów wnz w silnikach, wykorzystujące czujniki temperatury typu termorezystory Pt100 oraz anteny pętlowe, autor opracował we własnym zakresie [8].

Termorezystory Pt100 są powszechnie stosowane w silnikach elektrycznych do pomiaru temperatury uzwojeń stojana. Montuje się je fabrycznie w danym żłobku, w miejsce wyciętej przekładki międzywarstwowej uzwojenia. Autor na drodze eksperymentalnej opracował antenę, której części składowe przedstawiono na rysunku 4. Antena to otwarty obwód drgający LC. Obwód staje się otwarty, tzn. przekształca się w antenę, gdy jego długość stanowi istotną część długości fali, na którą obwód został nastrojony.

Jakość anteny jako elementu odbierającego jest tym wyższa, im jej długość jest bardziej zbliżona do ¼ lub ½ długości fali. Antena zaczyna wydajnie pracować, jeżeli jej długość przekracza 1/10 długości fali [6]. Długość anteny musi być odpowiednią wielokrotnością długości fali λ

gdzie:
λ – długość fali [m],
c – prędkość światła (3×108 m/s),
f – częstotliwość [Hz].
Zależność między pojemnością, indukcyjnością a częstotliwością w obwodzie rezonansowym można wyrazić wzorem

gdzie:
L – indukcyjność układu antenowego [H],
C – pojemność układu antenowego [F].

W układach antenowych zastosowanych w silnikach autor starał się ustawić częstotliwość rezonansową anten na 10 MHz, wykorzystując do tego indukcyjności i pojemności: Pt100, przewodów dołączonych do termorezystorów oraz umieszczone na płytce drukowanej zespołu antenowego pojemności i indukcyjności. Starano się również drogą eksperymentalną ustalić pasmo przenoszenia anten na zakres od 1 do 20 MHz [8].

Na rysunku 5 przedstawiono przykładowy oscylogram napięcia z anteny na bazie czujnika Pt100, w czasie pomiarów wnz jednego z silników przemysłowych, a na rysunku 6 przykład pomiarów wnz silnika o mocy 2,6 MW, z wykorzystaniem fabrycznie zamontowanych w silniku termorezystorów Pt100.
a)

Rys. 4. Antena na bazie termorezystora Pt100: a) rysunek poglądowy pokazujący zasadę działania anteny (termorezystor + układ separacji galwanicznej), b) układ dostrojenia anteny

Rys. 5. Oscylogram napięcia z anteny na bazie czujnika Pt100 w czasie pomiarów wnz jednego z silników przemysłowych

Rys. 6. Zestaw pomiarowy wnz silnika o mocy 2,6 MW, z wykorzystaniem fabrycznie zamontowanych w silniku termorezystorów Pt100 (instalacja aparatury pomiarowej bez zatrzymywania silnika)

Rys. 7. Wnętrze stojana: a) z fragmentem A anteny pętlowej, b) z fragmentem B anteny pętlowej, c) z fragmentem C anteny pętlowej

Instalację aparatury pomiarowej wykonano bez zatrzymywania silnika. W wyniku pomiarów wnz stwierdzono, że izolacja uzwojeń silnika na czołach wymaga gruntownego oczyszczenia. Silnik w dogodnym technologicznie czasie zatrzymano, czoła gruntownie oczyszczono a izolację poddano regeneracji. Kontrolne pomiary wnz silnika po wykonaniu tych zabiegów wykazały kilkukrotne
zmniejszenie poziomu wnz.

W kolejnym etapie badań własnych autor zajmował się wykorzystaniem anten pętlowych do pomiarów wnz. Termorezystory Pt100 zastąpiono pętlami przewodu w miarę możliwości technicznych nawiniętymi w silniku wokół czół uzwojeń (rys. 7). Na rysunku 8 przedstawiono przykładowy oscylogram napięcia z anteny pętlowej w czasie pomiarów wnz jednego z silników przemysłowych. Ten rodzaj czujnika jest szczególnie interesujący, bo przy sprzyjających okolicznościach (możliwość nawinięcia wokół czół pełnej wielokrotnej pętli) ma strefę widzenia wnz pełne 360o. Oznacza to możliwość mierzenia wszystkich wyładowań w strefie czół.

Autor prowadził również badania z antenami paskowymi, w tym własnej konstrukcji. Na rysunku 9 przedstawiono przykład takiej anteny, a na rysunku 10 ilustrację z badań w warunkach stacji prób. Uzyskane pozytywne rezultaty badań stały się podstawą do zbudowania przenośnych przyrządów do pomiarów wnz silników w warunkach off-line. Na rysunku 11 przedstawiono prototypową sondę do pomiarów wnz, zbudowaną przez autora w oparciu o antenę paskową. Zbudowano również sondę w oparciu o antenę na bazie termorezystorów Pt100.

Anteny przenośne są bardzo przydatne do dokładnego określenia miejsca emisji wnz z uzwojeń silnika. Wskazują bardzo wyraźnie miejsca osłabienia izolacji uzwojeń. Na rysunku 12 przedstawiono pomiar off-line wnz stojana silnika o mocy 4,4 MW wykonywany wspomnianą sondą, z wykorzystaniem miernika wartości szczytowej. Korzystając z sondy wykryto dwa miejsca wyraźnego osłabienia stanu izolacji uzwojeń stojana. Izolację uzwojenia stojana poddano lokalnemu remontowi właśnie w tych miejscach.

Uwagi końcowe

W trakcie badań własnych autor wykazał bardzo dużą użyteczność w pomiarach wyładowań niezupełnych silników układów antenowych typu termorezystory RTD wraz z zespołami antenowymi. Termorezystory RTD mają dużą czułość na wnz powstające blisko danego RTD (zależy to od budowy danego silnika – czułość ta w ocenie autora jest rzędu 0,3÷0,02 V/nC). Instalację aparatury pomiarowej można wykonać bez zatrzymywania silnika, korzystając z fabrycznie zamontowanych czujników temperatury i ich wyprowadzeń znajdujących się na zewnątrz silnika.

W trakcie badań własnych autor wykazał bardzo dużą użyteczność w pomiarach wyładowań niezupełnych silników układów antenowych typu termorezystory RTD wraz z zespołami antenowymi. Termorezystory RTD mają dużą czułość na wnz powstające blisko danego RTD (zależy to od budowy danego silnika – czułość ta w ocenie autora jest rzędu 0,3÷0,02 V/nC). Instalację aparatury pomiarowej można wykonać bez zatrzymywania silnika, korzystając z fabrycznie zamontowanych czujników temperatury i ich wyprowadzeń znajdujących się na zewnątrz silnika.

Rys. 8. Oscylogram napięcia z anteny pętlowej w czasie pomiarów wnz jednego z silników przemysłowych

Rys. 9. Antena paskowa do pomiarów wnz silników

Rys. 10. Prototypowa antena paskowa w czasie pomiarów off-line wnz stojana

Rys. 11. Sonda do pomiarów wnz wykorzystująca antenę paskową

Rys. 12. Pomiary wnz off-line na stojanie prototypową sondą, wykorzystującą antenę przenośną

Rys. 13. Pomiar off-line wnz stojana silnika o mocy 4,4 MW, wykonywany prototypową sondą z wykorzystaniem miernika wartości szczytowej

Pomiar wnz przez poszczególne termorezystory umieszczone w silniku daje możliwość lokalizowania miejsc generowania wnz, czyli miejsc osłabienia izolacji uzwojeń. Przedstawione w artykule uwagi warto uwzględniać przy projektowaniu nowych silników elektrycznych, aby już fabrycznie przygotować silnik do takich pomiarów.

W pomiarach wnz silników istotnym uzupełnieniem termorezystorów zainstalowanych fabrycznie mogą być RTD zainstalowane dodatkowo w czasie przeglądu silnika bądź jego remontu od strony
napędowej i przeciwnapędowej, w obszarach najbliższych części czołowej uzwojeń. Szczególnie ważny jest obszar początków uzwojeń fazowych, połączeń międzycewkowych i międzygrupowych.

Zespół czujników oparty na wykorzystaniu RTD można dodatkowo uzupełnić czujnikami antenowymi typu długi przewód (L >> d ), umieszczonymi wokół czół w postaci pętli bądź fragmentów pętli (są to tzw. anteny pętlowe). Ten rodzaj czujnika jest szczególnie interesujący, bo w sprzyjających okolicznościach (możliwość nawinięcia wokół czół pełnej wielokrotnej pętli) ma strefę widzenia wnz pełne 360o. Oznacza to możliwość mierzenia wszystkich wyładowań w strefie czół. Czujniki antenowe wykorzystujące termorezystory oraz anteny pętlowe są bardzo przydatne do pomiarów wnz i diagnostyki stanu izolacji uzwojeń on-line.

Do pomiarów wnz maszyn elektrycznych (w szczególności offline) z powodzeniem można stosować anteny paskowe. Jest to bardzo przydatny pomiar w warunkach stacji prób czy zakładu remontowego. Można określić obszary uzwojenia mające pogorszoną izolację uzwojeń. Autor w badaniach własnych stwierdził bardzo dużą przydatność do lokalizacji miejsc emisji wnz anten przenośnych.

Litera tura
[1] PD monitoring. Nota aplikacyjna firmy ADW EL, 2003
[2] B ertenshaw D., Sasic M.: On-line Partial Discharge Monitoring on MV Motors-Case Studies on Improved Sensitivity Couplers. Nota aplikacyjna firmy ADW EL International 2002
[3] B lokhintsev M. et al.: Field Experiences on the Measurement of Partial Discharges on Rotating Equipment. IEEE PES’98, Tampa 1998
[4] Golubev A., Paoletti G.: Partial Discharge Theory and Technologies related to Medium Voltage Electrical Equipment. 2000 IEEE. IAS 34th Annual Meeting, Phoenix 1999
[5] K ane C. et al.: Advantages of Continuous Monitoring of Partial Discharges in Rotating Equipment and Switchgear. 2003 AIS E Meeting, Pittsburgh 2003
[6] Matuszczyk J.: Poradnik antenowy. WK Ł, Warszawa 2002
[7] S tone G.C. et al.: Electrical insulation for rotating machines. IEEE PRESS , Series on Power Engineering 2004
[8] S zymaniec S.: Diagnostyka stanu izolacji uzwojeń i stanu łożysk silników indukcyjnych klatkowych w warunkach przemysłowej eksploatacji. Studia i Monografie, Wydawnictwo Politechniki Opolskiej 2006 z. 193

Źródło: Wiadomości elektrotechniczne

Tagi

POMIAR WYŁADOWAŃ NIEZUPEŁNYCH

CZUJNIKI ANTENOWE

SŁAWOMIR SZYMANIEC

Średnia ocena:

REKLAMA

Newsletter

Administratorem danych osobowych jest Media Pakiet Sp. z o.o. z siedzibą w Białymstoku, adres: 15-617 Białystok ul. Nowosielska 50, @: biuro@elektroonline.pl. W Polityce Prywatności Administrator informuje o celu, okresie i podstawach prawnych przetwarzania danych osobowych, a także o prawach jakie przysługują osobom, których przetwarzane dane osobowe dotyczą, podmiotom którym Administrator może powierzyć do przetwarzania dane osobowe, oraz o zasadach zautomatyzowanego przetwarzania danych osobowych.

Komentarze (0)