Praktické zkušenosti s dielektrickou frekvenční spektroskopií

Obrázek 1: Dopady vodivosti oleje a vlhkosti Obrázek 1: Dopady vodivosti oleje a vlhkosti

V diagnostice elektrotechnických zařízení se stále objevují nové metody a ty již zavedené se vylepšují, případně se začínají uplatňovat na více zařízeních. Stejně tak je tomu i u dielektrické spektroskopie, která se dříve používala pouze k analýze dielektrických vlastností materiálů; nyní je možné ji využít ke komplexní diagnostice celých elektrotechnických objektů. Článek se zabývá vlivem zvolených parametrů této metody na konečné výsledky diagnostiky.

  1. Úvod

Dielektrická spektroskopie je diagnostická metoda, kterou lze využít ke zkoumání dielektrických vlastností materiálů. Tato metoda má uplatnění v různých odvětvích průmyslu, například v elektrotechnickém a chemickém průmyslu. Principem této metody je vystavování testovaného subjektu působení elektrického pole o konstantní nebo měnící se frekvenci. Hlavním využitím této metody v diagnostice elektrických zařízení je zjišťování frekvenčně závislé komplexní permitivity různých materiálů. Velké uplatnění má například v diagnostice olejových transformátorů, kabelových vedení a kapacitorů. U transformátorů a kapacitorů je tato metoda použitelná jak ke sledování trendů, tak ke zjištění aktuálního stavu zařízení bez znalosti historických dat. U kabelových vedení se však tato metoda využívá pouze ke sledování trendů. Užití této metody pro analýzu stavu olejových transformátorů má velkou výhodu v tom, že umožňuje zjištění stavu oleje bez odebírání vzorků. Dielektrické vlastnosti oleje se v důsledku jeho degradace, případně se změnou obsahu vody mění. Tyto změny jsou detekovatelné pomocí dielektrické spektroskopie.

  1. Dielektrická spektroskopie s použitím přístroje IDAX

Jedním z přístrojů umožňujících tuto analýzu je IDAX od firmy Megger. Hodnoty získané při měření jsou kapacita izolačního systému, ztrátový činitel TD, obsah vody v oleji a jeho vodivost. Vyhodnocení probíhá tak, že jsou naměřené hodnoty porovnávány s modelovými křivkami, které jsou obsaženy v softwaru tohoto zařízení. Modelová křivka tedy vždy představuje stav měřeného objektu v ideálním provozním stavu a naměřené křivky pak ukazují stav reálný. Čím větší je rozdíl těchto křivek, tím větší je odchýlení od požadovaného stavu. Díky databázi modelových křivek velkého množství transformátorů tak není potřeba k diagnostice těchto zařízení znalost historických dat. Z toho také vyplývá, že čím víc modelů je v databázi uloženo, tím přesnější mohou být prováděná měření. Na obrázku číslo 1 můžeme vidět, jak se změní tvar křivky při změně vlhkosti, teploty a vodivosti oleje.

Samotné měření vyžaduje odpojení primárního i sekundárního vinutí a následné vzájemné propojení každé části zvlášť. Na vysokonapěťovou část se přivádí zkušební napětí a na nízkonapěťové části je připojená sonda. Analyzují se tedy dielektrické vlastnosti hlavní izolace mezi vysokonapěťovou a nízkonapěťovou částí. Zemnicí body přístroje, případně zesilovače, je-li použit, jsou společně s testovaným objektem spojeny. Délka samotného měření je závislá na nastavení konečné frekvence. Test tedy může zabrat jen několik minut, ale také i několik hodin. Volitelné je rovněž zkušební napětí. Maximální možné zkušební napětí se odvíjí od použitých přístrojů a jmenovitého napětí testovaného objektu. V případě, že je použit pouze přistroj IDAX, je maximální možné zkušební napětí 140 Vrms. Pokud je ale připojen zesilovač VAX, je možné navýšit maximální možné napětí na 1400 Vrms. Cílem měření je porovnat, jaký dopad má úroveň použitého napětí a konečná frekvence na výsledky analýzy pomocí dielektrické spektroskopie. Už z principu je samozřejmé, že čím nižší bude mezní frekvence, tím přesnější bude měření, nicméně záleží na času, který je na diagnostiku objektu přidělen, jelikož s nižším mezním kmitočtem také razantně narůstá čas a napěťové omezení je způsobeno dostupnými přístroji.

  1. Diagnostika stavu olejového transformátoru pomocí přístroje IDAX

Testovaným objektem je v tomto případě olejový transformátor. K diagnostice tohoto objektu byl použit přístroj IDAX ve spojení se zesilovačem VAX. Pro možnost porovnání dopadu jak frekvence, tak napětí byla provedena série měření. Zapojení bylo realizováno dle schématu (viz obr. 2) s rozdílem, že zkušební napětí bylo vyvedeno z externího zesilovače VAX, který byl k hlavní jednotce IDAX připojen pomocí konektoru, jenž je na schématu označený jako external.

Obraz343Obrázek 2: Schéma zapojení

Nejdříve byla provedena měření s mezním kmitočtem 1 mHz a poté s mezním kmitočtem 0,1 mHz. V obou případech byla použita pro diagnostiku napětí 14, 140 a 1400 Vrms. Průběhy jsou vyneseny pouze z měření, které bylo prováděno do mezního kmitočtu 0,1 mHz. Je to z toho důvodu, že křivka do 1 mHz je totožná. Výsledné hodnoty jsou tedy rozdílné pouze v tabulce.

Tabulka 1: Naměřené hodnoty vypočtené programem IDAX

 

14 V

140 V

1400 V

 

1 mHz

0,1 mHz

1 mHz

0,1 mHz

1 mHz

0,1 mHz

Vlhkost % (wt/wt)

3,3

3,2

3,3

3,2

3,3

3,3

Ztrátový činitel % TD

0,708

0,73

0,7

0,72

0,705

0,717

Vodivost (pS/m)

10,1

11,8

9,44

11,3

9,1

9,6

Z hodnot uvedených v tabulce je patrné, že u všech hodnot s výjimkou vodivosti je dopad volby napětí v případě provádění měření do mezního kmitočtu 1 mHz velmi malý. K rozdílu dochází u všech měřených hodnot, znatelnější rozdíl vzniká až při měření do mezního kmitočtu 0,1 mHz. V tomto případě sice hodnoty sledují stejný trend, ale čím nižší je použité napětí, tím větší je rozdíl oproti nejvyššímu zkušebnímu napětí. Také je zde nutno uvést, že naměřené hodnoty ztrátového činitele jsou v tabulce uvedeny pro frekvenci 50 Hz a teplotu 20 °C a vodivost je uváděna pro teplotu 25 °C.

Obraz371Obrázek 3: Závislost ztrátového činitele na frekvenci

Z křivek, které jsou vyneseny v grafu na obr. 2, je patrné, že měření ztrátového činitele na napětí 14 Vrms a 140 Vrms jsou až na pár mírných odlišností víceméně stejná. Analýza provedená při napětí 1400 Vrms se ale od nich liší už více. Nesmíme totiž zapomenout, že osy grafů mají logaritmické měřítko. Poukazuje to tedy na to, že při detailní analýze průběhů při širším spektru frekvencí dochází k velkým odlišnostem. V případě, že by byla měření provedena v ještě větším spektru, předpoklad je takový, že by se rozdíl zvyšoval. Pro korektní vyhodnocení je nutné, aby se na naměřených křivkách projevilo maximum v podobě kolene při nižších frekvencích. V případě, že se v naměřené křivce nevyskytuje, byl frekvenční rozsah nedostačující pro korektní analýzu objektu.

Obraz379Obrázek 4: Závislost reálné složky permitivity na frekvenci

Obdobně jako v případě analýzy ztrátového činitele se reálná složka permitivity v závislosti na frekvenci vyvíjí stejně. Jediným rozdílem je, že průběhy všech napětí ve frekvenčním spektru od 1000 Hz do 1 Hz jsou shodné také s modelovou (červenou) křivkou. Opět však stále platí, že křivky měřené na nižší napěťové úrovni sledují jiný trend než ta nejvyšší.

  1. Diagnostika transformátorového oleje coulometrickou metodou

            Další možností, jak diagnostikovat stav olejového transformátoru, je detekce obsahu vody v oleji. Tu lze stanovit pomocí coulometrické metody.

Stanovení obsahu vody coulometrickou metodou

Obsah vody byl stanoven stechiometrickou titrační metodou Karl Fischer. Touto metodou lze stanovit malá až stopová množství vody ve vzorcích oleje. Je založena na principu jodometrického stanovení vody v roztoku a provádí se nástřikem zkoumané látky do elektrochemické nádobky.

Obraz386Obrázek 5: Coulometr

Voda reaguje s jódem a dalšími. Na 1 mol jódu se spotřebuje 1 mol vody, dojde tak k přenesení náboje odpovídajícího 1 molu elektronů. Průchodem proudu elektrochemickou titrační nádobkou je na generační platinové elektrodě oxidován jodid na elementární jód. Ten umožňuje reakci vody s dalšími složkami v roztoku. Bod ekvivalence se následně určuje bipotenciometricky pomocí dvou platinových elektrod polarizovaných střídavým proudem konstantní hodnoty. Na základě hodnoty elektrického náboje pak lze pomocí Faradayova zákona vypočítat spotřebovaný jód a tím i obsah vody ve vzorku.

Tabulka 2:  Obsah vody ve vzorcích transformátorového oleje

Číslo vzorku

1

2

3

Hmotnost vzorku (g)

2,515

2,754

2,712

Hmotnost vody (g)

6,48E-05

6,00E-05

6,16E-05

Podíl (%)

2,58E-03

2,18E-03

2,27E-03

  1. Závěr

            Ze získaných výsledků je patrné, že záleží na tom, kdo diagnostiku bude provádět a za jakým účelem. Pokud je diagnostika pouze informativní a postačují jen hodnoty vypočtené programem, pak není nutné používat vysokých napětí a velmi nízkých mezních kmitočtů. V případě, že by se jednalo o důkladnou analýzu stavu se zkoumáním jednotlivých naměřených charakteristik, záleží na obou parametrech. Ve všech naměřených charakteristikách je patrné, že k největším odchylkám dochází při velmi nízkých kmitočtech a k mírným rozdílům i u kmitočtů vysokých. V oblasti od 0,1 Hz do 100 Hz se křivky téměř kopírují.

Výhodou této metody je fakt, že i ve studeném stavu transformátoru vyhodnocuje dielektrické vlastnosti izolace transformátoru jako celku, což znamená, že i vlhkost, která je obsažena v izolačním papíru, se pomocí této metody detekuje. V případě použití coulometrické analýzy oleje je nutné, aby před odběrem vzorku byl transformátor zahřátý, jelikož až po zahřátí se voda dostává z papírové části izolačního systému do samotného oleje. Ve studeném stavu tedy bude hodnota obsažené vlhkosti podstatně nižší nežli v případě, že k odběru vzorku dojde při provozní teplotě. O tom vypovídají i hodnoty uvedené v tabulkách 1 a 2. Dle coulometrické metody je olej v transformátoru stéle v pořádku, ale dle přístroje IDAX už je v izolačním systému příliš mnoho vlhkosti. Je to dáno právě vlhkostí, která je v pevné části izolačního systému a již pomocí coulometrické metody odhalit nemůžeme.

Recenzent:

Příspěvek prošel recenzním řízením.

Autoři:

Ondřej KABOT, Lukáš Prokop, Stanislav Mišák, Denisa Fulnečková
Rubix Czech, s. r. o.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz