MONITORING PARCIJALNIH PRAŽNJENA KOD HIDROGENERATORA. INT, Koste Glavinića 8a, Beograd * HE Đerdap 1, Kladovo **

Transcription

1 MONITORING PARCIJALNIH PRAŽNJENA KOD HIDROGENERATORA A.Milošević *, N.Kartalović *, D.Kovačević *, S.Milosavljević * i M.Damjanović ** INT, Koste Glavinića 8a, Beograd * HE Đerdap 1, Kladovo ** Apstract: U radu je prikazan jedan sistem za permanentni monitoring (kontinualni nadzor) parcijalnih pražnjenja na hidrogeneratorima. U okviru revitalizacije agregata u HE Đerdap 1 na svih šest generatora postavlja se sistem za monitoring parcijalnih pražnjenja. Na novom (revitalizovanom) generatoru G6 uspešno je pušten u funkciju sistem za monitoring parcijalnih pražnjenja, tipa ICMmonitor. Sistem je funkcionalno povezan sa sistemom za upravljanje agregatom (SCADA). U radu je prikazano tehničko rešenje datog sistema. Da bi se sistem u punom kapacitetu koristio u svrhu praćenja parcijalnih pražnjenja i dijagnostike izolacionog sistema namotaja statora potrebno je uraditi nekoliko prethodnih ispitivanja, takozvano mapiranje generatora. U tom cilju je utvrđen način prostiranja električnog signala parcijalnih pražnjenja kroz namotaj odnosno pojedinu granu faze. Jedan od dobijenih rezultata je spektar signala parcijalnih pražnjenja u zavisnosti od mesta izvora pražnjenja. Utvrđeno je slabljenje signala u pojedinačnim mernim kanalima, preslušavanje i karakter preslušavanja između faza. U radu su uporedno prikazana početna (bazna) ispitivanja parcijalnih pražnjenja na generatoru urađena sa ugrađenim monitoring sistemom i prenosivim ispitnim uređajem. Utvrđeni bazni parametri daju mogućnost efikasne dijagnostike stanja izolacionog sistema tokom dalje eksploatacije. Prikazane su analize podataka dobijenih monitoringom parcijalnih pražnjenja tokom prve godine rada generatora. Ključne reči: parcijalna pražnjenja, monitoring, hidrogenerator, dijagnostika MONITORING OF PARTIAL DISCHARGES ON HYDRO GENERATORS A.Milošević *, N.Kartalović *, D.Kovačević *, S.Milosavljević * i M.Damjanović ** INT, Koste Glavinića 8a, Beograd * HE Đerdap 1, Kladovo ** Abstract: This paper presents a system for permanent monitoring of partial discharges on hydro generators. As part of the revitalization of aggregates in hydro power plant Djerdap 1, system for monitoring partial discharge installs in all six generators. A system for monitoring partial discharge, type ICMmonitor was successfully put into operation on the new (rehabilitated) generator G6. The system is connected to SCADA system. The paper shows the technical solution of that system. In order to achieve the full capacity of monitoring system, it is necessary to do some preliminary testing, so-called mapping of generator. For this purpose, it was assessed partial discharge signal propagation through a stator winding or through a particular branch of phase. The results provide a spectral analysis of partial discharge signals depending on the position of discharge. The signal attenuation in the single measuring channel, cross-talk or the character of cross-talk between phases is also obtained. The paper presents comparative studies of partial discharge on generator made with built-in monitoring system and with portable test device. The initial parameters give the possibility of an effective condition diagnostics of insulation systems during further exploitation. The analysis of partial discharge monitoring during the first year of generator operation is presented. Key words: partial discharge, monitoring, hydro generator, diagnostics

2 1. UVOD U HE Đerdap 1, na generatoru G6 instalian je sistem za monitoring parcijalnih pražnjenja. Pušten je u funkciju u maju Instalaciji sistema prethodile su određene analize radi usklađivanja tehničkih karakteristika dostupnih sistema za monitoring i tehničkih zahteva za instalaciju na generator i povezivanje sa sistemom upravljanja (SCADA) [2]. Generator G6 u HE Đerdap 1 spada u najkrupnije generatore uopšte, tabela 1. Činjenica da generator ima velike dimenzije, tri faze sa po tri grane namotaja, veliki broj štapova po grani i da su sve distance od interesa relativno velike, postavlja pred sistem za monitoring parcijalnih pražnjenja neuobičajene i teške zahteve. Rešenje je zahtevalo pažljiv izbor tipa i konfiguracije sistema koji može da udovolji svim postavljenim zahtevima. Tako je izabran sistem tipa ICMmonitor a sama instalacija je jedna od najkompleksnijih na svetu. Testiranje instaliranog sistema za monitoring parcijalnih pražnjenja je potvrdilo da on ispunjava sve tražene zahteve i da je od posebnog značaja za eksploataciju agregata. Tabela 1. Tehnički podaci za generator G6, HE Đerdap 1 od interesa za parcijalna pražnjenja [3] Opšti podaci Namotaji Izolacija Dimenzije proizvođač Snaga Naznačeni linijski napon naznačena struja Электросила MVA kv 7739 A broj obrtaja u minutu Broj faza 3 Broj grana po fazi 3 Spoj faza ukupan broj žlebova 756 Ukupan broj štapova 1512 Klasa izolacije Naznačeni factor dielektričnih gubitaka tg 0.03 Y, zvezdište (prigušnica) Dielektrična čvrstoća pri 50 Hz 25 kv/mm Probojni napon štapa pri 50 Hz Spoljni prečnik kućišta statora Dužina statora F >65 kv m 1.75 m 2. TEHNIČKE KARAKTERISTIKE INSTALIRANOG SISTEMA ZA MONITORING PARCIJALNIH PRAŽNJENJA Sistem za on-line monitoring i merenja parcijalnih pražnjenja je namenjen u prvom redu za permanentno praćenje aktivnosti parcijalnih pražnjenja kod hidrogeneratora. Sistem je kompaktan, industrijski koncipiran, zasnovan na softverskom upravljanju. Uređaj ima sopstveni mikroračunar koji upravlja autonomno mernim procedurama, komunikacijom i alarmnim sistemom kao i sopstvenu memoriju. Moguće je povezivanje i sa udaljenim računarom radi proširenja memorijskog

3 kapaciteta i daljinskog upravljanja. Takođe je moguće povezivanje sa centralnim računarom, serverom, radi povezivanja više sistema u globalni sistem nadzora. Na slici 1 data je šema sistema za monitoring parcijalnih pražnjenja koji je ugrađen na generatoru G6 u HE Đerdap 1 sa naznačenim sastavnim delovima. Na slici 2 prikazan je ambijent u kojem je postavljen sistem. Slika 1. Šema sistema za monitoring parcijalnih pražnjenja na generatoru G6 u HE Đerdap 1. Sastavni delovi: 1-davači, 2-kondicioneri signala, 3-multiplekser, 4-predpojačavač za merni signal, 5- mikroprocesorski deo sistema, 6-antena sistema za eliminaciju smetnji, 7- predpojačavač sistema za eliminaciju smetnji, 8-analogni signali (SCADA), 9-mrežni deo sistema, 10-alarmni izlazi. [2] Slika 2. Ambijent u kojem je postavljen uređaj za parcijalna pražnjenja u HE Đerdap 1;strelicom je označen rman uređaja za merenje parcijalnih pražnjenja [3].

4 c) Slika 3. Sprežna jedinica a) sprežni kondenzator i niskonaponska impedansa; b) električna šema niskonaponske impedanse sa izolovanim BNC izlazom; c) fotografija montiranog davača [6]. Davač ili sprežna jedinica za permanentnu ugradnju kod monitoringa rotacionih mašina predstavljena je na slici 3. Sprežna jedinica u prvom redu ne sme da naruši pouzdanost i sigurnost visokonaponske mašine, ni mehanički ni električno. Sa druge strane mora da bude dobra sprega sa korisnim signalom i dobra zaštita od signala smetnji. Prema slici 3 b, visokonaponski kondenzator služi da odvoji svojom impedansom visoki napon na objektu od niskonaponskog dela. U niskonaponskom delu su dve impedanse. Prvu, mernu impedansu, čine L 3.9mH, R 150, R 1k a drugu, zaštitnu, čini kondenzator kapacitivnosti C 0.5 F. Posledica ovih impedansi je da nije isti prenosni odnos naponskog razdelnika za brze impulse parcijalnih pražnjenja i spore impulse mrežnog napona i njegovih harmonika koji relativno lako prolaze kroz induktivnost L i koji preko male impedanse kondenzatora od C 0.5 F odlaze u zemlju. Ovo govori o potrebi pažnje prilikom kalibracije sistema, gde je bitno da brzina impulsa kalibratora mora biti ista kao i impulsa parcijalnih pražnjenja. Kondenzator C 0.5 F galvanski odvaja merni signal parcijalih pražnjenja od uzemljenja, čime se ograničavaju struje izjednačavanja potencijala dislociranih delova sistema. Kondicioneri signala su vrlo važan elemenat sistema, oznaka CTB1, slika 1, pozicija 2. Pored prilagođenja impedanse za koaksijalni kabal (50Ω) sadrži i prenaponsku zaštitu i uzemljenje. Multiplekser, slika 1, pozicija 3, je multiplikator mernih signala, u ovom slučaju do broja 12. Odabrani signal sa multipleksera se dovodi na predpojačavač i dalju obradu. Predpojačavač, slika 1, pozicija 4, je istovremeno i filter, propusnik opsega. Koriste se dva tipa predpojačavača kako bi se pokrio frekventni opseg koji je od interesa kod parcijalnih pražnjenja u izolacionom sistemu hidrogeneratora. Zbog velikih gabarita namotaja i velike zone namotaja na najvišem naponu potrebno je koristiti standardni predpojačavač za niske frekvencije, prema IEC60270 (ulazna impedansa 10kΩ/50pF, izlazna impedansa 50Ω, merni opseg 40kHz-800kHz). Visokofrekventni predpojačavač za visoke ulazne frekvencije (opsega 2MHz-20MHz, ulazna impedansa 50Ω/50pF, izlazna impedansa, 50Ω, Izlazni signal pozitivan, unipolaran, merni se koristi za detekciju događaja parcijalnih pražnjenja namotaja u relativnoj blizini davača). U mikroprocesorskom delu sistema, slika 1, pozicija 5, signali se digitalizuju, obrađuju i memorišu po određenim softverskim procedurama. Pored obrade podataka, mikroprocesorski deo služi i za upravljanje merenjima, te mrežnu i internet kominikaciju. Sistem za eliminaciju smetnji se sastoji od antenskog dela, slika 1, pozicija 6, i predpojačavača slika 1, pozicija 7, kao i mikroprocesorske obrade signala. S obzirom na okruženje sistema u kojem su prisutne intenzivne smetnje u širokom frekventnom spektru, ovaj sistem je neophodan u ovakvim instalacijama.

5 Radi potpunije analize mernih rezultata parcijalnih pražnjenja neophodno je imati i informacije o nekoliko važnih veličina stanja radnih parametara generatora kao što su aktivna i reaktivna snaga, temperatura jezgra, temperatura namotaja ili neke druge, zavisno od konkretnih uslova eksploatacije. Signali tih veličina se iz sistema za upravljanje agregatom (SCADA) uvode žičano u uređaj za merenje parcijalnih pražnjenja, modul na slici 1, pozicija 8. Daljinsko upravljanje sistemom za monitoring parcijalnih pražnjenja i prenos podataka se realizuje preko lokalne računarske mreže ili preko internet pristupa, slika 1, pozicija 9. U sistem upravljanja od strane sistema za monitoring parcijalnih pražnjenja prosleđuju se signali dva tipa alarma i signal o ispravnoj funkcionalnosti sistema, slika 1, pozicija 10. Prema sadašnjem softverskom rešenju postoji implementirana alarmna funkcija uređaja. Moguće je podesiti alarmni sistem na dve veličine: maksimalna magnituda impulsa prividnog naelektrianja Q p i maksimalna struja NQS parcijalnih pražnjenja. Prema konceptu sistema zaštite i iskazanoj potrebi moguće je programirati i neke druge alarmne veličine. Uređaj, odnosno alarmna procedura, povezan je preko PC sa sistemom za zaštitu i sistemom za akviziciju i upravljanje, što daje široke mogućnosti. Prema softverskom rešenju vodi se posebna evidencija alarma. 3. UTVRĐIVANJE PARAMETARA SISTEMA ZA MONITORING PARCIJALNIH PRAŽNJENJA Radi verifikacije rada sistema za monitoring parcijalnih pražnjenja potrebno je uraditi nekoliko ispitivanja. Jedno od ispitivanja je utvrđivanje prostiranja (propagacije) signala kroz provodnu strukturu generatora. Prostiranje se karakteriše dinamikom spektralne slike i slabljenjem signala za pojedine merne kanale. Kvalitativno i kvantitativno pokazivanje sistema se verifikuje pomoću referentnog sistema za merenje parcijalnih pražnjenja Snimanje propagacije signala parcijalnih pražnjenja Za utvrđivanje propagacije signala analiziran je vremenski odziv signala na impulsnu pobudu po dubini namotaja. Ispitivanja su vršena na povezanom namotaju, sa postavljenim davačima i povezanom impedansom u zvezdištu. Impulsni generator je postavljan na donje slobodne glave namotaja koje još nisu bile zalivene (izolovane). Izabrana je prva grana prve faze, 1C1-1C4. Snimanja signala su vršena na davaču na početku fazne grane (1C1) i u zvezdištu (1C4). Signal je sniman digitalnim osciloskopom i analiziran je frekventni spektar impulsnog odziva. Na slici 4 dati su izabrani dijagrami od mnogobrojnih snimljenih vezanih za propagaciju signala. Na dijagramima a i c, na kanalu CH1 je signal snimljen na faznom davaču 1C1 a na kanalu CH2 je signal snimljen na davaču u zvezdištu, 1C4. Prvo je izvršena spektralna analiza samog impulsa sa impulsnog generatora, kalibratora, tako što je povezan na sam davač, odnosno štap broj 755. Na dijagramu b data je frekventna karakteristika signala dobijena na osnovu vremenskog oblika signala sa dijagrama a, CH1. Maksimalna relativna (normirana) amplituda se dobija na 650 khz, ali je uočljiv i jedan maksimum oko 1.7 MHz. Na dijagramu d data je frekventna karakteristika signala dobijena na osnovu vremenskog oblika signala sa dijagrama c, CH1. Maksimalna relativna (normirana) amplituda se opet dobija na oko 600 khz, ali se dobija i novi pik na oko 150 khz. Znači da dolazi do disperzije spektra tokom prostiranja signala parcijalnih pražnjenja kroz namotaj. Da li je ta disperzija signala parcijalnih pražnjenja upotrebljiva za procenu mesta sa koga potiču, ostaje da se utvrdi narednim istraživanjima. Posebno je zanimljivo ponavljanje maksimuma na oko 1.7 MHz. Istraživanjima treba utvrditi poreklo ovog signala.

6 a) b) c) d) Slika 4. Propagacija signala impulsnog generatora (kalibratora) kroz namotaj; a) osciloskopski snimak signala kalibratora (20 nc) na štapu br. 755 i odziva u zvezdištu; b) spektralna analiza signala sa kanala CH1, dijagram a; c) osciloskopski snimak odziva na signal kalibratora (20 nc) na štapu br. 60; d) spektralna analiza signala sa kanala CH1, dijagram c [3] Određivanje slabljenja i preslušavanja Radi određivanja karakteristika namotaja vršena su merenja slabljenja signala u vremenskom domenu za pojedine merne kanale, odnosno fazne grane. Impuls (2 nc) je generisan na davaču u zvezdištu i meren je odziv na svim davačima, svih devet grana namotaja. U tabeli 2 su dati podaci merenja slabljenja. Može se primetiti da je slabljenje relativno veliko i raznoliko, od najmanjeg od oko 31 db do oko 44 db. Slabljenje je uslovljeno velikim gabaritima namotaja kao i neohodnim dugačkim kablovima za prenos signala. Treba napomenuti da se parametri slabljenja ne uračunavaju posebno u korekcije signala već se to jednostavno rešava u postupku kalibracije.

7 Oznaka davača (prijemnika) Tabela 2. Prikaz slabljenja za pojedine grane (faze) namotaja [3]. Odziv na zvezdištu U 1 (V) Odziv na prijemniku U i (V) U i (V) / U 1 (V) Slabljenje db Faza C1 1c c c Faza C2 1c c c Faza C3 1c c c VERIFIKACIJA SISTEMA ZA MONITORING PARCIJALNIH PRAŽNJENJA ICMmonitor: Faza C1 (gran 1C1), U=15.75 kv ICMsystem: Faza C1 (sve grane), U=15.75 kv ICMmonitor: Faza C3 (gran 1C3), U=15.75 kv ICMsystem: Faza C3 (sve grane), U=15.75 kv Slika 5. Upoređenje mapa pražnjenja uređaja za monitoring (ICMmonitor) i referentnog uređaja za merenje parcijalnih pražnjenja (ICMsystem) [4].

8 Radi verifikacije rada instaliranog sistema za monitoring parcijalnih pražnjenja vršeno je upoređenje mapa pražnjenja uređaja za monitoring (ICMmonitor) i referentnog uređaja za merenje parcijalnih pražnjenja (ICMsystem) pod istim uslovima, odnosno uz istovremeno merenje. Rezultati upoređenja su dati na slici 5. Treba naglasiti da je rezultat referentnog uređaja prikazan u bipolarnoj vrednosti rezultata (dvoznačno) a rezultat monitoringa je unipolaran. Sa slike se može videti da je prikaz rezultata suštinski istovetan. Neke od razlika koje se mogu uočiti su ili grafičke prirode (rezolucija monitora i A/D konverzije) ili je stvar podešavanja parametara prikaza ili merenja. Međutim, osnovna razlika merenja sistemom za monitoring ICMmonitor i referentnim uređajem ISMsystem potiče od razlike samog mernog objekta. Naime, ICMsystem meri, u konkretnom slučaju, celu fazu C3, sve tri grane istovremeno, dok ICMmonitor meri svaku granu pojedinačno. Sa slike 6 se može zaključiti da originalno pražnjenje potiče iz grane 1C3 a da se na granama 2C3 i 3C3 pojavljuju oslabljeni signali preneti provodnim vezama uz neizbežno slabljenje. Time se ujedno može istaći i određena prednost sistema za monitoring parcijalnih pražnjenja u odnosu na merenja na objektu u isključenom stanju. treća faza, grana 1C3, U= 27 kv treća faza, grana 2C3, U= 27 kv treća faza, grana 3C3, U= 27 kv Slika 6. Mape parcijlanih pražnjenja, tip: nagomilavanje (kumulativni); faza treća: C3; grane 1C3, 2C3, 3C3; napon ispitivanja U=27 kv [5]. 5. DIJAGNOSTIKA POMOĆU SISTEMA ZA MONITORING PARCIJALNIH PRAŽNJENJA Instalirani sistem za monitoring parcijalnih pražnjenja je dragocena pomoć u dijagnostici stanja izolacionog sistema generatora. Tokom testiranja sistema, u režimu isključene mašine, u grani 1C3 su primećena vrlo intenzivna pražnjenja tipa "pražnjenja na krajevima štapa", slika 6. Nametnula se potreba praćenja uočenog stanja tokom rada generatora. Tako je uočena pojava pražnjenja u of lajn režimu uočena i u on lajn režimu pri čemu je primećeno multipliciranje (pojava novih žarišta), slika 7. Posledica pomenutog tipa pražnjenja je pojava takozvanog belog praha na mestima poluprovodnog premaza na glavi štapa, sto je i uočeno, slika 8. 1C3 2C3 3C3 Slika 7. Mape parcijalnih pražnjenja generator u radu sa ugrađenim ICMmonitorom; tip mape: nagomilavanje (kumulativni); faza treća: C3; grane 1C3, 2C3, 3C3; napon rada linijski, Un=15.75kV. [5]

9 Slika 8. Pojava belog praha na svakom trećem štapu gledano sa strane rotora odnosno gornjih štapova. (Pojava praha je istaknuta elipsama) [4]. Početak rada: P = 180 MW, Q = 40 MVAr Ustaljeno stanje: P = 180 MW, Q = 40 MVAr Slika 9. Razvoj pojave parcijalnih pražnjenja u zavisnosti od zagrejanosti generatora, pri istoj snazi [4]. U daljem praćenju pojave i njenoj analizi mogu se koristiti prednosti postojanja sistema monitoringa koji omogućava detaljnu dijagnostiku pojave. To je omogućeno istraživanjem korelacija između pražnjenja i parametara rada generatora kao što su aktivna i reaktivna snaga, temperature bakra i gvožđa i dr. Na slici 9 prikazan je uticaj zagrejanosti generatora na intenzitet parcijalnih pražnjenja gde se vidi da su pražnjenja na krajevima štapova intenzivnija sa porastom zagrejanosti mašine.

10 REFERENCE [1]. N. Kartalović, Dragan Kovačević, Srdjan Milosavljević. An advanced model of partial discharge in electrical insulation. Facta Universitatis, Niš, Seria, Elec. Energy Vol 24, No1, 2011, pp ISSN [2]. D.Kovacevic, S.Milosavljevic, N.Kartalovic, N.Miladinovic, M.Savicevic, The system concept of partial discharge, International Symposium Power Plants 2008, october 2008, Vrnjacka Banja, Serbia, (CD) [3]. Nenad Kartalović, Ana Milošević, Prvi kvartalni izveštaj o merenjima parcijalnih pražnjenja i odgovarajuća dijagnostika o stanju izolacije na osnovu monitoringa parcijalnih pražnjenja na agregatu br. 6 HE Đerdap 1, Beograd 2011 [4]. Nenad Kartalović, Ana Milošević, Drugi kvartalni izveštaj o merenjima parcijalnih pražnjenja i odgovarajuća dijagnostika o stanju izolacije na osnovu monitoringa parcijalnih pražnjenja na agregatu br. 6 HE Đerdap 1, Beograd 2011 [5]. Nenad Kartalović, Ana Milošević, Treći kvartalni izveštaj o merenjima parcijalnih pražnjenja i odgovarajuća dijagnostika o stanju izolacije na osnovu monitoringa parcijalnih pražnjenja na agregatu br. 6 HE Đerdap 1, Beograd 2012 [6]. Detlev Gross, Markus Soeller, Networked Partial Discharge Monitoring and Condition Assessment of large Rotating Machines, November 2006, III ENAM Cigre-Brasil, Brasil