Pomiary WNZ Metodą UHF w 400 kV GIS

Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki pomiarów wyładowań niezupełnych wykonane metodą bardzo wysokiej częstotliwości w rozdzielnicy gazowej izolowanej SF6 na napięcie 400 kV. Opisano sposób kontroli rozmieszczenia sond bardzo wysokiej częstotliwości w przedziałach rozdzielnicy według zaleceń CIGRE, a więc określono czułość metody w celu detekcji krytycznych defektów generujących sygnały wyładowań niezupełnych. Metoda pomiaru w zakresie bardzo wysokiej częstotliwości jest stosowana na całym świecie przez producentów GIS podczas rutynowych testów w fabryce, podczas rozruchu w miejscu zainstalowania oraz przez użytkowników w celu zapewnienia kontroli w trakcie eksploatacji.

Summary This paper presents the results of the partial discharge measurements peformed on 400 kV GIS with ultra high frequency method. The sensitivity check of the location of ultra-high frequency couplers installed in the GIS was performed according to the CIGRE requirements so the sensitivity of ultr-high frequency method to detect critical defects was verified. The ultra- -high frequency measurement method is used worldwide by GIS manufacturers during routine testing in the factory, during on-site tests and by utilities for continuous in-service monitoring.

Słowa kluczowe: rozdzielnica gazowa z SF6, pomiar wyładowań niezupełnych, metoda bardzo wysokiej częstotliwości. Keywords: gas insulated substation, partial discharge measurements, ultra-high frequency method.

Wstęp

Rozdzielnice wysokiego napięcia z izolacją z SF6 (GIS) działają od ponad 45 lat i wykazują wysoki poziom niezawodności. Doświadczenie wskazuje jednak, że niektóre awarie w eksploatacji są związane z defektami w izolacji. Wiele z tych defektów można wykryć za pomocą diagnostyki wyładowań niezupełnych (WNZ). Istnieje duże zapotrzebowanie na system monitorowania WNZ, który jest w stanie zapewnić użytkownikom wykrycie defektów w początkowej fazie rozwoju a następnie monitorować ich ewoucję. Metoda pomiaru bardzo wysokiej częstotliwości (UHF), która została wprowadzona w późnych latach 80-tych do wykrywania WNZ, jest stosowana na całym świecie przez producentów GIS podczas prób odbioru w fabryce oraz prób w miejscu zaistalowania jak również w czasie eksploatacji [1, 2, 3]. Metoda UHF jest mniej wrażliwa na hałas, dzięki czemu jest łatwiejsza w obsłudze w porównaniu z metodą konwencjonalną wykonywaną zgodnie z IEC 60270 [4]. W artykule przedstawiono zastosowanie zaproponowanej przez CIGRE metody weryfikacji czułości systemu detekcji WNZ metodą UHF dla rozdzielnicy GIS na napięcie 400 kV [5].

Rys. 1. Typowe źródła WNZ w GIS, [6]. Typowe źródła WNZ i wynikające z nich zagrożenie dla wytrzymałości elektrycznej izolacji

Na rys.1 pokazano lokalizację typowych defektów w przedziale rozdzielnicy gazowej. Jak pokazano na rys. 1, typowe źródła WNZ to: y Ruchome, przewodzące cząstki umiejscowione na powierzchni obudowy. y Defekty na powierzchni elektrod. y Wadliwie zamocowane elementy rozdzielnicy. y Defekty we wnętrzu izolatorów odstępnikowych. y Defekty na powierzchni izolatorów odstępnikowych. Wyznaczenie defektu o parametrach krytycznych wymaga określenia najmniejszych jego wymiarów, przy których następuje obniżenie wytrzymałości elektrycznej izolacji do poziomu uznanego za minimalny przy próbach napięciowych rozdzielnicy po jej zmontowaniu w miejscu eksploatacji. Wymiary krytyczne muszą być odniesione do rodzaju napięcia probierczego i jego wartości. W tabeli I podano krytyczne i wykrywalne długości defektów dla każdego

typu defektu. Wykrywalne wartości uzyskano za pomocą konwencjonalnych pomiarów PD wykonywanych przy napięciu nominalnym. Na tym poziomie napięcia, tylko krytyczne cząstki mogą być wykrywane poprzez pomiar WNZ. Przy napięciu probierczym przemiennym wszystkie krytyczne defekty będą wykazywać WNZ, ale ich wielkość może być bardzo niska (poniżej 1 pC ładunku pozornego), w zależności od długości defektu i napięcia znamionowego GIS. Wielkość WNZ dla tego samego defektu umieszczonego w GIS o różnym poziomie napięcia zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia znamionowego. Wartość ładunku pozornego jest odwrotnie proporcjonalna do całkowitej szerokości izolacji, więc im wyższy poziom napięcia w urządzeniu, tym niższa czułość pomiaru PD. W normie IEC 62271-203 [7] ustalono maksymalna˛ dopuszczalna˛ wartość ładunku pozornego w rozdzielnicy SF6 na poziomie 10 pC. Należy jednak wyraźnie zaznaczyć, że nie istnieje bezpośredni związek między wartością ładunku pozornego a rzeczywistym zagrożeniem izolacji rozdzielnicy. Już wartości rzędu kilku pikokulombów mogą być groźne przy defektach nieruchomych, a z kolei wartości rzędu tysięcy pikokulombów, odpowiadające WNZ wytwarzanym przez wadliwie zamonicy i na tej podstawie podejmować luje się, by pomiary diagnostyczne od

cowane elementy rozdzielnicy, moga˛ prowadzić do awarii dopiero po dłuższym czasie. Zatem dopuszczalna wartość ładunku pozornego w rozdzielnicy powinna być wyznaczana w zależności od typu defektu [6].

Pomiar WNZ w czasie prób fabrycznych i w miejscu zainstalowania

Zasadą jest, że do eksploatacji wprowadza się rozdzielnicę dokładnie sprawdzoną w czasie prób pomontażowych i wolną od wyładowań niezupełnych. zgodnie z obowiązującą procedurą, nie gwarantuje jednak wykrycia wszystkich potencjalnie groźnych defektów w izolacji. Dodatkowo, istnieje możliwość wystąpienia defektów powodowanych zużyciem elementów rozdzielnicy. Dlatego też niezbędne są badania diagnostyczne rozdzielnicy w eksploatacji. Rozdzielnice najwyższych napięć, usytuowane w strategicznych punktach systemu energetycznego, wymagają ciągłego monitorowania poziomu wyładowań niezupełnych, przy czym priorytet ma tu metoda UHF. Pozostałe rozdzielnice powinny być poddawane

Tabela I Krytyczne i wykrywalne długości defektów, [6]

1) Podane w tablicy długości krytyczne defektów odpowiadają typom defektów poddanym próbom w laboratorium. 2) Napięcie podniesienia się cząstki.

Tabela II Zalecana częstość okresowych pomiarów WNZ, [6]

okresowej kontroli przy zastosowaniu metody UHF lub akustycznej. Każde pojawienie się sygnału WNZ powinno być natychmiast przeanalizowane. Należy dokonać identyfikacji defektu, oceny zagrożenia dla izolacji rozdzieldecyzje co do eliminacji lub pozostawienia w niej defektu [6]. Na podstawie doświadczeń eksploatacyjnych postuWykonanie pomontażowych badań

bywały się z podaną w tabeli II częstością [6].

Pomiary metodą UHF

Wyładowaniom niezupełnym w SF6 towarzysza˛ bardzo krótkie impulsy elektryczne o czasie trwania poniżej 1 ns, a więc o widmie częstotliwości dochodzącym do wartości rzędu GHz. Prowadzą one do powstania fali elektromagnetycznej w rozdzielnicy. W praktyce pomiaru natężenia pola elektrycznego w zakresie UHF dokonuje się za pomocą sond umieszczonych wewnątrz lub na zewnątrz obudowy rozdzielnicy, w różnych jej miejscach. Pomiar taki pozwala na określenie typu defektu i umożliwia jego lokalizację. W większości przypadków, w celu uzyskania jak najlepszej czułości, sondy umieszcza się we wnętrzu rozdzielnicy. Wdrożenie układu UHF wymaga stosowania określonej dwuetapowej procedury w celu kontroli zarówno właściwego rozmieszczenia sond w rozdzielnicy, jak i poprawnej pracy całego układu pomiarowego [6]. Kontrolę czułości układu UHF można przeprowadzic´ za pomocą udaru skalującego. W pierwszym etapie należy wyznaczyć amplitudę udaru skalującego, który doprowadzony do sondy wytworzy w jej otoczeniu sygnał UHF o amplitudzie i częstotliwości odpowiadającym sygnałowi emitowanemu przez ładunek pozorny rzeczywistego defektu o wartości 5 pC. W tym celu należy umieścić w przedziale rozdzielnicy, w niewielkiej odległości, dwie sondy pola C1 i C2 (rys. 2) i jeden z typowych defektów (ruchomą cząstkę przewodzącą lub ostrze na elektrodzie wysokiego napięcia), po czym do układu należy doprowadzić napięcie probiercze i zmierzyć poziom WNZ (rys 2 a). W chwili gdy ładunek pozorny osiąga wartość 5 pC, należy dokonać pomiaru sygnału na czujniku C2. Po usunięciu defektu, do sondy C1 należy doprowadzić niskonapięciowy udar o czasie trwania czoła około

0.5 ns i zwiększać amplitudę udaru do wartości, przy której sygnał na sondzie C2 będzie w przybliżeniu równy sygnałowi obserwowanemu uprzednio, dającemu ładunek pozorny o wartości 5 pC (rys. 2 b). Weryfikacja czułości układu UHF powinna być kontynuowana w miejscu zainstalowania rozdzielnicy (drugi etap). Skalujący udar, o wcześniej wyznaczonej amplitudzie, jest doprowadzany kolejno do każdej sondy. Jednocześnie mierzona jest odpowiedź na ten sygnał na sąsiedniej sondzie. Odpowiedź ta w każdym przypadku powinna umożliwić identyfikację defektu. Jej brak wskazywałby na niewłaściwe, zbyt odległe rozmieszczenie sond.

Pomiary WNZ metodą UHF w rozdzielnicy GIS na napięcie 400 kV

Pomiary WNZ w czasie prób pomontażowych

Rozdzielnica GIS na napięcie 400 kV została oddana do użytkowania w 2009 roku (rys. 3). We wnętrzu rozlokowano zgodnie z [5] 158 sond UHF. Zostały one umieszczone we wnętrzu rozdzielnicy zarówno w polach rozdzielczych jak i w oddziałach szyn zbiorczych. Pierwszy etap sprawdzenia, czy czułość zainstalowanych czujników UHF jest wystarczająca do wykrycia sygnałów pochodzących z określonego krytycznego źródła WNZ w każdym przedziale GIS, został wykonany w fabryce. Stwierdzono, że impuls o amplitudzie 10 V generuje sygnał równoważny sygnałowi WNZ o wartości 5 pC generowanym przez defekt. W ramach drugiego etapu przeprowadzono próby w miejscu zainstalowania GIS. Sygnał z generatora impulsów był doprowadzany do jednej z sond UHF i mierzony na sąsiedniej sondzie. Tłumienie sygnału z generatora impulsów było mierzone pomiędzy dwiema sąsiednimi sondami umieszczonymi: y W tych samych szynach zbiorczych. y W różnych szyn zbiorczych. y Jedna w szynie zbiorczej a druga w najbliższym polu rozdzielczym. Przykład pomiarów tłumienia sygnału pomiędzy sonadami umieszczonymi w tych samych szynach zbiorczych jest przedstawiony na rys. 4. Rozmieszczenie sond jest poprawne w tym przypadku, gdyż sygnał z kalibratora o amplitudzie 10 V doprowadzony do sondy w głównej szynie zbiorczej jest widoczny na sąsiedniej sondzie w tej samej szynie. W 2013 r. układ rozdzielnicy został roz

Rys. 2. Układ do wyznaczenia amplitudy udaru skalującego [6].

Rys. 3. Rozdzielnica 400 kV GIS, [8].

Rys. 4. Sprawdzenie poprawnego rozmieszczenia sond UHF na szynach zbiorczych przy użyciu generatora impulsów o amplitudzie 10 V.

szerzony o dodatkowe pole rozdzielcze, a pomiary WNZ w czasie prób polowych wykonano wykorzystując uprzednio zainstalowane sondy UHF i doprowadzając napięcie probiercze przemienne z zewnętrznego źródła. Sygnał przypominający WNZ został wykryty w jednej z faz, na sondzie umieszczonej w przedziale głównych szyn zbiorczych. Sygnał ten nie był widoczny na sąsiednich sondach UHF. W celu lokalizacji miejsca emisji WNZ, wykonano pomiary na zewnętrznych sondach UHF dostarczonych prze konstruktora rozdzielnicy i umiejscowionych na czas próby w bezpośrednim sąsiedztwie wewnętrznej sondy (rys. 5). Nie udało się jednak określić typu defektu i miejsca jego lokalizacji.

Pomiary WNZ w czasie eksploatacji

Pomiary zostały wykonane przy napięciu pracy na wszystkich zainstalowanych sondach UHF bez odłączania rozdzielnicy spod napięcia. Szczególną uwagę zwrócono na pomiary w przedziale, w którym wykryto sygnał WNZ w czasie próby pomontażowej. Dostęp do sond umieszczonych na szynach zbiorczych oraz na połączeniach wychodzących na zewnątrz budynku rozdzielnicy wymagał użycia rusztowania (rys. 6). Przed rozpoczęciem pomiarów UHF wykonano pomiary halasu w zakresie mierzonych częstotliwości od 100 MHz do 2 GHz. Pomiar w zakresie częstotliwości do 2 GHz jest narażony na działanie zakłóceń elektromagnetycznych, których źródłem mogą być: y Urządzenia stacji elektroenergetycznych; charakter zakłóceń będzie zależny od budowy poszczególnych aparatów, przy czym w pewnych przypadkach można obserwować istotne zakłócenia w zakresie częstotliwości do 100 MHz. y Ulot na połączeniach wysokiego napięcia, widoczny czasami w widmie sygnału aż do 500 MHz. y Radiowe stacje nadawcze (częstotliwości zakłóceń w zakresie od 60 do 120 MHz). y Telewizyjne stacje nadawcze (częstotliwości zakłóceń do 800 MHz). y Telefonia komórkowa (częstotliwości do 1800 MHz). y Urządzenia radarowe np. w sąsiedztwie lotnisk (zakłócenia do 1400 MHz). Zakłócenia te najczęściej dostają się do wnętrza rozdzielnicy przez przepusty wysokonapięciowe stanowią

Rys. 5. Sygnał WNZ rejestrowany w czasie próby w miejscu zainstalowania rozdzielnicy na sondzie wewnętrznej PDC2 i na zewnętrznych sondach.

Rys. 6. Pomiary WNZ na sondach umieszczonych wewnątrz i na zewnątrz budynku rozdzielnicy.

Rys. 7. Przykładowe widma rejestrowane na sondzie UHF umieszczonej na: głównej szynie zbiorczej (góra) i na sondzie w pobliżu linii napowietrznej (dół).

ce połączenie rozdzielnicy z liniami wysokiego napięcia. Po wniknięciu do wnętrza rozdzielnicy następuje propagacja zakłóceń, które oczywiście podlegają tłumieniu, ale mogą uniemożliwić osiągnięcie wysokiej czułości przy pomiarach na sondach najbliżej położonych w stosunku do przepustu. W tym przypadku wskazane jest ograniczenie zakresu częstotliwości pomiarowych. Wnikanie zakłóceń może mieć również miejsce przez szklane wizjery obserwacyjne na obudowie rozdzielnicy oraz przez izolatory odstępnikowe. Poziom hałasu jest wyższy w przypadku pomiarów na sondach umieszczonych blisko linii napowietrznej i na szynach wyprowadzonych na zewnątrz rozdzielnicy niż w przypadku sond umieszczonych na szynach zbiorczych (rys. 7). Należy zauważyć, że w sondach tych widma sygnałów UHF zawierają częstotliwości radiowe i telefonii komórkowej. Potwierdza to prawidłowe działanie i dobrą czułość samych sond. Przed rozpoczęciem pomiarów UHF, wykonano kontrolę poprawnego rozlokowania sond UHF za pomocą generatora impulsów i urządzenia rejestrującego innego konstruktora niż miało to miejsce w czasie prób odbiorczych w miejscu zainstalowania. Wykonano próby udarem o czasie trwania czoła 0,5 ns i amplitudzie 10 V. Jest to wartość typowa i uznana przez CIGRE za najczęściej stosowaną jako odpowiednik 5 pC w czasie prób laboratoryjnych [7]. Pomiary wykonano dla trzech przypadków opisanych w poprzednim rozdziale artykułu (rys. 8). Stwierdzono, iż lokalizacja sond pola w przedziałach szyn zbiorczych jest prawidłowa gdyż udary o amplitudzie 10 V doprowadzane do dowolnej sondy w szynach zbiorczych są widoczne na sąsiedniej sondzie (rys 8a i b). Defekty krytyczne, które znajdą się w tym obszarze będą wykryte w czasie pomiarów przy wykorzystaniu zainstalowanych sond UHF. Odmienna sytuacja miała miejsce, gdy udary były doprowadzone do sondy na szynach zbiorczych a pomiary wykonywano na sondach w polach rozdzielczych. W tym przypadku minimalna amplituda rejestrowanego udaru wynosi 50 V (rys. 8c). Oznacza to, że nie wszystkie defekty krytyczne będę możliwe do wykrycia. Istnieje możliwść, że tylko jedna sonda UHF będzie wskazywała obecność WNZ co uniemożliwi lokalizację miej(a)

(b)

(c) Rys. 8. Rezultaty weryfikacji rozmieszczenia sond UHF: Udar o amplitudzie 10 V został doprowadzony do sondy w głównej szynie zbiorczej a pomiar sygnału dokonano na sąsiedniej sądzie: na szynie głównnej (a), na szynie rezerwowej (b) i na sondzie w polu rozdzielczym (c).

Rys. 9. Fragment pola rozdzielczego gdzie znajduje się defekt emitujący sygnał WNZ.

Rys. 10.

Widmo sygnału WNZ.

Rys. 11.

Obraz PRPD sygnału WNZ.

Literatura

[1] B. Hampton and R. Meats, “Diagnostic Measurements at UHF in Gas Insulated Substations”, IEE Proceedings C: Generation, Transmission and Distribution, Vol. 135, Issue 2, pp. 137-145, 1988. [2] A. Bargigia, W. Koltunowicz and A. Pigini, “Detection of Partial Discharges in Gas Insulated Substations”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 7, No. 3, pp. 1239-1249, 1992. [3] CIGRE WG D1.03 (TF 09), “Risk Assessment on Defects in GIS Based on PD Diagnostics”, CIGRE Technical Brochure No. 525, February 2013. [4] IEC 60270 (2000) “High-voltage test techniques - Partial discharge measurements” International Electrotechnical Commission, Publication 60270, 2000. [5] CIGRE WG D1.25, “UHF Partial Discharge Detection System for GIS: Application Guide for Sensitivity Verification”, CIGRE Technical Brochure No. 654, April 2016. [6] W. Kołtunowicz, “Badania diagnostyczne rozdzielnic gazowych wysokiego napięcia”, Zeszyty Naukowe Politechniki Warszawskiej, z. 124, Elektryka, 2003. [7] IEC 62271-203 First Edition 2003-11, High-voltage switchgear and controlgear – Part 203: gas-insulated metal-enclosed switchgear for rated voltages above 52 kV [8] W. Koltunowicz, L.V. Badicu, D. Gebhardt, S. Abouzeid, M. Amara, “Partial Discharge Diagnostic Testing of High-Voltage Equipment”, in proceedings of GCC Power 2017 Conference in OMAN, October 2017. sca wyładowania. Konieczne więc będzie w takim przypadku użycie dodatkowych, zewnętrznych sond UHF o zmniejszonej czułości. Pomiary WNZ na wszystkich zainstalowanych sondach UHF wykonano za pomocą detektora szerokopasmowego pracującego w zakresie częstotliwości od 100 MHz do 2 GHz. W każdym punkcie pomiarowym obserwowano sygnał UHF i sprawdzano częstotliwości charakterystyczne widm pod kątem możliwej aktywności WNZ. Sygnal WNZ został zarejestrowany na jednej sondzie UHF zlokalizowanej wewnątrz jednego z pól rozdzielczych (rys. 9). Widmo sygnału WNZ jest przedstawione na rys. 10 a uzyskany dla częstotliwości pomiarowej 692 MHz obraz PRPD (ang. Phase Resolved Partial Discharge Diagram) przedstawiony jest na rys. 11. Jest to obraz typowy dla sygnału generowanego przez wtrącinę gazową znajdującą sią we wnętrzu izolatora odstępnikowego. Nie wykryto obrazu WNZ na żadnej z sąsiednich sond. W celu zlokalizowania źródła PD wykonano pomiary akustyczne w przedziałach po obu stronach sondy, ale nie udało się zlokalizować miejsca defektu. Zalecono wykonanie lokalizacji miejsca emisji sygnału WNZ metodą „time of flight” przy wykorzystaniu dodatkowych, zewnętrznych sond UHF.

Podsumowanie

y

y Aby można było wykryć i zlokalizować krytyczne defekty w izolacji rozdzielnicy z SF6 metodą UHF, konieczne jest spełnienie wymagań co do czułości systemu pomiaru WNZ zgodnie z wytycznymi zaproponowanymi przez CIGRE i opisanymi w dokumencie TB 654. Isnieje konieczność kontroli poziomu WNZ w rozdzielnicach znajdujących się w eksploatacji, gdyż nie wszystkie defekty mogą być wykryte w czasie prób pomontażowych.

Wojciech Kołtunowicz OMICRON Energy Solutions GmbH, Berlin, Germany

n