CC BY
29
Analysis of Partial Discharge Activity for Evaluation of the State of High Power Electric Generators Stator Windings
Dumitrescu Sorin
INCDE ICEMENERG, Bucharest
Abstract. The paper shows the importance of trending of partial discharge activity in assessing the insulation condition. It is presented the principle of the measurement method and the quantities that characterize partial discharges and also the criteria utilized for the assessement of the insulation condition of the hydrogenerators. Results of the measurements made on several hydrogenerators are presented, like the variation with time of the two main quantities that characterize the partial discharges, maximum magnitude, Qm and the normalized quantity, NQN over a period of about 10 years. Further, a classification of the insulation condition by 3 main and 2 intermediary categories and the definition of these categories are given. The criteria used for the assessment of the insulation condition are presented in the form of a table: quantitative criteria by the ± NQN and ± Qm values and qualitative criteria for the analysis of the 2D and 3D diagrams. At the end of each set of measurements, an analyze of the insulation condition annual evaluation is made, also a verdict is put, and of course, the recommendations made relating to the maintenance and the decisions that have been taken. The paper ends with several considerations on the method of on-line partial discharges and especially, on the conditions for valid trending activity in time.
Keywords: partial discharges, measurement method, hydrogenerators, stator insulation, condition, evaluation, trending, maintenance.
Evolutia activitatii descarcarilor partiale ca mijloc pentru evaluarea starii infa^urarilor statorice ale
generatoarelor electrice de mare putere Dumitrescu Sorin
INCDE ICEMENERG, Bucure§ti, Romania Rezumat. Lucrarea prezinta importanta cunoa§terii evolutiei activitatii descarcarilor partiale pentru evaluarea starii izolatiei. Este prezentat principiul metodei de masurare §i a marimilor care caracterizeaza descarcarile partiale, precum §i criteriile utilizate pentru evaluarea starii izolatiei generatoarelor hidro. Rezultatele masuratorilor efectuate pe mai multe hidrogeneratoare sunt prezentate, cum ar fi variatia in timp a celor doua marimi principale ce caracterizeaza descarcarile partiale, amplitudinea maxima, Qm §i cantitatea normalizata, NQN pe o perioada de aproximativ 10 ani. in plus, o clasificare a starii izolatiei in 3 categorii principale §i 2 intermediare cu definirea acestor categorii, sunt date. Criteriile utilizate pentru evaluarea starii izolatiei sunt prezentate sub forma unui tabel: criterii cantitative de ± NQN §i ± valori Qm §i criterii calitative pentru analiza diagramelor 2D §i 3D. La sfar§itul fiecarui set de masurari, se face o analiza a starii izolatiei, o evaluarea anuala, de asemenea, un verdict este pus, §i desigur, recomandarile facute cu privire la intretinere §i deciziile care au fost luate. Lucrarea se incheie cu cateva consideratii privind metoda descarcarilor partiale on-line §i, mai ales, conditiile de masurare pentru care evolutia descarcarilor partiale prezinta importanta §i valoare. Cuvinte-cheie: descarcari partiale, hidrogeneratoare, starea izolatiei statorice, evaluare, trend, intretinere, activitate, evolutie.
Анализ процесса развития частичных разрядов как средства для оценки состояния статорных обмоток электрогенераторов большой мощности Думитреску Сорин
Научно-исследовательский институт в области энергетики, Бухарест, Румыния
Аннотация. В статье представлены важность деятельности в области развития знаний о частичных разрядах для оценки сопротивления изоляции. Представлен принцип методики измерения величин, характеризующих частичные разряды, а также и критерии, используемые для оценки состояния сопротивления изоляции гидрогенераторов. Представлены результаты измерений, выполненных на нескольких гидрогенераторах, например, изменение во времени двух основных величин, которые характеризуют частичные разряды, величина максимальной амплитуды Qm и нормализованная величина NQN в течение, приблизительно, 10 лет. Кроме того, приведена классификация изоляции трех основных категорий и двух промежуточных. Критерии, используемые для измерения сопротивления изоляции представлены в виде таблицы: количественные критерии ± NQN и ± Qm и качественные критерии для анализа 2D и 3D графики. В конце каждого набора измерений, проводится анализ состояния изоляции: годовая оценка и выносятся рекомендации и решения по техническому обслуживанию. В заключение в
работе делается вывод о методе частичных разрядов в on-line в Интернете и, в частности, условия измерения, для которых изменение частичных разрядов имеет значение.
Ключевые слова: частичные разряды, гидрогенераторы, состояние изоляции статора, оценка, тренд, поддержание состояния, действие, развитие.
I. INTRODUCERE
În anul 1999, în România au fost montati cuplori capacitivi de tip IRIS la 40 de hidrogeneratoare cu puteri cuprinse între 27 MW §i 165,5 MW. Începând cu anul 1999, mäsurätorile au fost efectuate de cätre diferite firme §i de cätre 2 centrale hidroelectrice. Nu existä mäsurätori sistematice care sa fi fost efectuate pentru toate cele 40 de hidrogeneratoare. INCDE ICEMENERG a initiat evaluarea periodicä, în fiecare an sau o datä la doi ani, la 24 de hidrogeneratoare. În acelaçi timp, a reuçit sä recupereze arhiva rapoartelor de mäsurare a 13 hidrogeneratoare. Dintre acestea 3 generatoare mai semnificative hidro sunt prezentate în acest articol. Astfel, pentru fiecare hidrogenerator sunt date diagrame de variatie a parametrilor descärcärilor partiale (DP), anume ±NQN §i ±Qm, în timp, pe perioade de aproximativ 10 ani §i sunt prezentate diagrame 2D §i 3D. În plus, pentru fiecare hidro generator analizat sunt prezentate analiza rezultatelor mäsurätorilor, clasificarea stärii izolatiei;Sunt prezentate observatii cu privire la corelatia dintre rezultatele obtinute §i lucrärile de întretinere §i recomandärile de întretinere §i mäsuräri.
În lucrare sunt prezentate mäsurätorile §i analizele facute pe 3 hidrogeneratoare, anume:
- HG2 CHE Märi§elu, 75 MW, 15,75 kV (12 mäsurätori anuale), cat. II-III, propuneri de întretinere,continuarea mäsurärilor PD, teste suplimentare;
- HG4 CHE Vidraru, 55 MW, 10,5 kV (11 mäsurätori anuale), cat. II, continuarea mäsurärilor PD, teste suplimentare;
- HG2 CHE Remeti, 45 MW, 10,5 kV (9 mäsuräri anuale) cat. II-III, propunerile de întretinere, continuarea mäsurärii PD, teste suplimentare.
Izolatia mfä§urärilor statorice ale tuturor acestor generatoare este de tip mica-epoxi. Generatorul electric este o componentä esentialä a unei centrale hidroelectrice. O defectiune a statorul generatorului hidro poate duce la o întrerupere de functionare extinsä §i reparatii extinse §i costisitoare. Defectarea prematurä a maçinilor electrice este în mare parte cauzata de deteriorare a sistemelor de izolatie, datoritä actiunii permanente sau accidentale a solicitärilor
termice, electrice, mecanice, de mediu etc.[1] [2] [3] (tabelul I).
Tabel I.
Deterioran la generatoare [1]
Tipul deteriorar» Procentul
Deteriorarea izolatiei 56%
Deteriorare mecanicä 24%
Deteriorare termicä 17%
Deteriorarea lagärelor 3%
Evaluarea stärii de izolatie a hidrogeneratoarelor este cheia pentru estimarea corectä a duratei de viatä economicä §i riscul potential de defect, precum §i pentru a evalua beneficiile §i costul generatorului pentru o eventualä modernizare[4]. Pentru orice generator hidro este necesar sä se analizeze parametrii care ar trebui investigati pentru evaluarea stärii cantitative §i cele care sunt mai importante decât altele. Dintre toate componentele generatorului, statorul este partea cea mai criticä din cauza nivelului ridicat al câmpului electric comparativ cu rotorul, dar §i din pricina vibratiilor §i temperaturilor, deloc de neglijat.
II. Descárcárile partiale
Descärcärile partiale (PD) sunt mici descärcäri electrice nedisruptive, care au loc în microcavitätile existente în izolatie. Descärcärile sunt partiale datoritä faptului cä, în serie cu cavitatea micro, unde au loc descärcäri, existä, de asemenea, o zonä cu izolatie solidä.
Pulsurile descärcärilor partiale sunt fenomene foarte rapide, care dureazä doar câteva nanosecunde. Izolatiile, în special cele stratificate, nu pot fi considerate ca fiind perfect omogene. Existä întotdeauna dimensiuni mici, microcavitäti, umplute cu gaz rezultat din diferitele contractii ale constituentilor izolatiei sau chiar din procesul tehnologic de executie în sine. Aparitia unor astfel de microcavitäti §i fisuri este favorizatä de actiunea intermitentä a solicitärilor termice §i mecanice la care izolatia este supusa în timpul functionärii, precum §i la actiunea factorilor poluanti (umiditate, praf, ulei) din mediul mconjurätor.
În conditiile existentei unui câmp electric, aceste microcavitäti se ionizeazä §i, atunci când tensiunea între douä suprafete opuse se atinge un gradient disruptiv al gazelor continute în
microcavitati, descärcärile partiale (ionizäri) apar. Aparitia §i dezvoltarea de descärcäri partiale interne are un impact negativ asupra izolatiei, ceea ce duce la formarea de micro- cavitäti care cresc cu timpul, formând canale atunci când mai multe astfel de cavitäti se unesc, §i în cele din urmä rezultând cratere. Astfel, izolatia este släbitä §i se pot produce gäuri care compromit izolatia.
Descärcärile partiale sunt mäsurate, detectate, ca pulsuri de tensiune, astfel în timpul alternantei pozitive a formei curbei tensiunii, se formeazä pulsuri orientate cätre în jos (Fig. 1). Aceste pulsuri sunt numite descärcäri partiale de polaritate negativä §i au loc în primul sfert al perioadei formei de undä sinusoide, în momentul creçterii amplitudinii alternantei pozitive a tensiunii aplicate cavitätii. Similar, în timpul celui de-al treilea sfert al perioadei, apar pulsuri pozitive, orientate cätre în sus. Aceste pulsuri sunt numite descärcäri partiale de polaritate pozitivä §i apar în timpul creçterii alternantei negative.
1 —ß 20ms
Oms \ ' \ I A ! y i / / I
Fig. 1. Reprezentare pulsurilor negative çi pozitive [11]: 1-puls negativpe alternantâpozitivâ aprimului
sfert al unei perioade de 20 ms; 2- puls pozitiv pe altemantâ negativâ al celui de-al treilea sfert a unei perioade de 20 ms.
Ori de câte ori are loc o degradare în sistemul de izolatie, cauzatà de conditiile termice, electrice, mecanice sau ambientale, aceasta este, în general, însotità de generarea de descàrcàri partiale PD [5]. Prezenta lor poate indica nu doar stresul electric, dar, de asemenea, solicitàrile termice, mecanice sau ambientale. De exemplu, în sistemul de izolatie a maçinilor rotative de înaltà tensiune, golurile sau exfolierile din interiorul izolatiei cu micà epoxidicà poate sà aparà datorità temperaturii mai mari din timpul functionàrii generatorului [6]. Forta mecanicà poate cauza vibratia unei bare fatà de miezul statorului, ceea ce duce la aparitia unor descàrcàri în crestàtura, între izolatia principala (groundwall) §i miez [6]. Contaminarea
suprafetei izolatiei statorice (a mfa§urärilor) conduce la aparitia de descärcäri de suprafatä intense (tracking) [7].
Mai mult decât atât, atunci când se efectueazä teste de descärcäri partiale, este important sä se §tie cä un singur set de mäsuräri pe un generator/ma§inä oferä informatii incomplete despre starea de mbätränire efectivä a sistemului de izolatie. În consecintä, cel mai eficient mod §i totodatä cel mai fiabil pentru evaluarea stärii izolatiei este acela de a trasa tendinta, evolutia activitätii descärcärilor partiale de-a lungul timpului, cu mäsuräri regulate. Analiza evolutiei descärcärilor de-a lungul timpului, pentru aceeaçi ma§inä electricä, în conditii similare, folosind acelaçi echipament de mäsurare permite o evaluare clarä §i de încrederea a stärii. Este posibilä înregistrarea activitätii descärcärilor partiale prin douä metode. Cu toate cä aceste douä metode folosesc acelaçi echipament pentru a înregistra activitatea, ele au diferite avantaje. Avantajul mäsurärilor on-line [10] este cä activitatea este înregistratà cu maçina rotindu-se normal, iar aceasta se confruntä cu toate solicitärile de operare: termice, electrice, de mediu §i mecanice. În consecintä, în cazul în care mäsurätoarea este realizatä în mod corespunzätor, aceastä metodä oferä cea mai mare probabilitate de estimarea corecta a rezultatelor. Metoda online de testare a descärcärilor PD oferä urmätoarele avantaje:
- distributia tensiunii la bornele mfa§urärii este corectä;
- mäsurärile sunt efectuate la temperatura de functionare §i umiditate normale;
- fortele mecanice normale sunt prezente.
Deci, pentru a obtine date valide, este
important sä se asigure cä conditiile de functionare ale maçinii rämän în mod aceleaçi atunci când testele sunt efectuate, pentru a obtine evolutia activitätii descärcärilor.
Metoda off-line de detectare §i mäsurare a descärcärilor PD reprezintä un bun complement al celor on-line, chiar dacä are unele dezavantaje majore. De exemplu, este nevoie de o sursä de alimentare separatä pentru a alimenta înfaçurarea statoricä; maçina trebuie sa fie disponibila pentru dezasamblare; sau partial demontata; conditiile de mediu, cum ar fi compozitia gazelor, presiunea §i umiditatea sunt diferite de conditiile de functionare; în particular, temperatura mfa§urärii este de obicei mai micä decât temperatura de lucru. In plus, aceasta nu poate detecta descärcarea în crestäturä sau în bare, deoarece nu
existä nici-o fortä mecanicä care sä actioneze în interiorul maçinii.
În general, cele patru surse ale descärcärilor partiale ale mfa§urärilor statorice ale generatoarelor (Fig. 2) sunt [9]:
- descärcäri partiale interne în izolatia principalä (groundwall);
descärcärile de suprafatä din interiorul crestäturilor, dintre bare si miez; descärcäri partiale la interfata dintre conductoarele din cupru §i izolatia conductoarelor elementare sau izolatia principalä;
descärcärile de suprafatä la capetele mfä§urärilor.
slot exit discharge ■ 4
(due to bar Vibration) Alleged grading /
to die iitljric Stator bar:
Fig. 2. Sursele descärcärilor partiale PD din sistemul de izolatie al hidrogeneratoarelor [1].
III. METODA DE MÀSURARE
Mäsurarea(detectarea) on-line a descärcärilor partiale poate fi realizatä numai pe generatoarele echipate anterior cu cuplori, de exemplu cuplori capacitivi. Metoda constä în montarea în prealabila mai multor cuplori pe terminalele sau pe barele colectoare la ieçirea din statort, apoi scoaterea semnalelor la un bloc terminal, exterior, urmând mäsurarea activitätii PD din timpul functionärii generatorului, cu ajutorul unui analizor conectat la bornele de conectare respective. Cuplorii sunt de obicei izolatoare de tip capacitiv, având o capacitate de aproximativ 80-100 pF cu o functionare la tensiuni de 25-30 kV.
N
În functie de tipul §i dimensiunea generatorului §i a mfä§urärii statorului, se folosesc douä sisteme de montare a cuplorilor:
- Sistemul de montare diferential (DIF-PDA) (Fig. 3), cu un cuplor pe fiecare cale de curent electric a fiecärei faze, la aproximativ 1 metru de la punctul de conectare a cäilor de curent;
- Sistemul de montare directional (DIR-BUS) (Fig. 4 §i Fig. 6) cu doi cuplori pe fiecare fazä, la aproximativ 2 m unul fatä de celälalt §i de 1 metru de ieçirea din generator.
0.651
cb
Fig.3. Sistem de montare diferential DIF (PDA) - douä cäi de curent electric în paralel cu doi cuplori pentru o fazä statoricä -cb = cutie de borne.
Fig.4. Sistem de montare directional DIR(BUS) o cale de curent cu doi cuplori per fazä.
Aceste sisteme permit eliminarea zgomotului electric care apare în interiorul §i în apropierea maçinii, care interfereazä cu semnalele utile ale activitätii descärcärilor partiale. Este posibilä discriminarea descärcärilor partiale prin compararea semnalelor de la cele doi cuplori asociati, situati pe douä cäi de curent electric ale unei faze (pentru sistemul differential), sau la ieçirea din aceeaçi fazä (pentru sistemul
Figura 5 Echipament pentru mäsurarea activitätii on-line (Analizor PD, cutie cu terminale, laptop cu software dedicat)
Sistemul de mäsura calculeazä urmätoarele cantitäti:
- cantitatea normalizatä ("activitatea totalä") a PD, notata cu ± NQN, este o märime relativä exprimatä în unitäti relative (u.r.), corespunzätoare ariei de sub curba numärului de impulsuri functie de amplitudine (din diagrama 2D) negativä §i pozitivä;
- amplitudinea maximä (peak) a PD, notatä cu simbolul ±Qm, care este märimea corespunzätoare unei rate de 10 impulsuri pe secundä (negative §i pozitive), exprimatä în mV.
Sistemul de mäsurare afi§eazä urmätoarele diagrame:
- diagrame bidimensionale (2D): numärul de impulsuri pe secundä §i fereasträ (rata de impulsuri), fatä de märimile care definesc ferestrele;
- diagrame tridimensional (3D): rata impulsurilor pe secundä fatä de unghiul de fazä al tensiunii sinusoidale la care acestea apar §i dimensiunea ferestrei în care se mäsoarä.
Rata impulsurilor - pps (scala verticalä în Fig.7) indicä cât de räspânditä este deteriorarea.
directional) §i, tinând cont de diferenta de timp de câteva nanosecunde cu care ajung semnalele la analizor, datoritä distantei electrice dintre cuplorii asociati se poate obtine o filtrare a semnalului util (cel provenit de la maçina de testat). Cuplorii sunt conectati la cutia de borne, la care este cuplat §i sistemul de mäsurare alcätuit dintr-un analizor de descärcäri partiale cu un laptop, cu software specializat (Fig. 5)
1_ i. J I ' ■
Fig. 6 Amplasarea cuplorilor la ieçirea din generator(montaj DIR, se observa pe interior doar un set de 3 cuplori) -CHE Mâriçelu
Amplitudinea impulsurilor (scala orizontalä în Fig. 7) - indicä cât de mari sunt impulsurile sau cât de aproape este izolatia de un defect.
10000
¡n
— 1000
tu
CL
Q 10
-O
E
'¿'jv | 400 | S00 800
•Qm +Q)tl
Magnitude of pulses (mV)
Fig. 7. Definirea principalilor parametri ai descärcärilor partiale [12]: 1- curba impulsurilor pozitive; 2- curba impulsurilor negative; A1-aria corespunzätoare pulsurilor pozitive; A2-aria corespunzätoare pulsurilor negative; An-aria ferestrei de referintä cu 10000 impulsuri pe secunda
la 800 mV; +Qm - amplitudinea maxima a impulsurilor pozitive; -Qm - amplitudinea maxima a impulsurilor negative.
Pentru evaluarea stärii izolatiei statorice a hidrogeneratoarelor sunt folosite câteva reguli
prezentate în [12] çi utilízate în cazul de fatä. (Tabel II)
Valorile limitä a amplitudinii maxime Qm çi a cantitätii normalizate NQN sunt prezentate în
Tabelul III [12]. Acestea sunt stabilite în functie de nivelul tensiunii nominale al generatoarelor çi de starea izolatiei.
Tabel II
Categorii ale stärii izolatiei
Categoria Descrierea stärii Nivelul de risc
I Stare foarte buna, izolatie Functionare färä riscuri
I - II Stare acceptabilä, deterioräri Functionare färä riscuri
II Deterioräri normale, lente Risc de sträpungere mediu
II - III Deterioräri lente, normale, deterioräri de amploare medie Risc de sträpungere mediu
III Deterioräri severe Risc crescut de sträpungere
Tabel III
Criterii cantitative [12]
Categoria Starea izolatiei 9 ± NQN (u.r.) ± Qm (mV)
<15 kV > 15 kV < 7 kV 10A15 kV > 15 kV
I Bunä <100 <200 < 60 < 170 <300
II Deterioräri normale, lente 100-250 200-400 60-140 170 - 400 300-600
III Deteriorari severe >250 >400 >140 >400 >600
In tabelul IV sunt prezentate criteriile calitative ce stau la baza aprecierii stärii izolatiei prin analiza diagramelor bi §i tridimensional. [12]
Conform cu [12], amplitudinea maxima Qm reprezintä gradul de deteriorare al izolatiei, in cel mai afectat punct, iar cantitatea normalizata NQN este proportionalä cu degradarea totalä a izolatiei.
Tabel IV
Parametrul evaluat Valoarea evaluatä Starea izolatiei
2. Aspectul curbelor în diagramele 2D Preponderenta polaritätii pozitive Raportul R=+Qmax/-Qmax > 2 Pozitia curbelor + p/sf =f(mV) in 2D (curbele + p/sf peste curbele -p/sf) DP de suprafatä, în zona crestäturii, între izolatie çi peretele crestäturii datoritä deteriorärii lacului conductor de acoperire, R= 1-2 cat. I, R >2 cat. II, R>> 2 cat. III
3. Prezenta DP în diagramele 3D pe sinusoidä Prezenta of pulsurilor negative PD la unghiuri electrice a intre 00 si 900, centrat la 450 DP de volum din cauza dezlipirilor (goluri) între izolatie si conductorul de cupru (efect ciclic)
Prezenta of pulsurilor pozitive PD la unghiuri a intre 1800 §i 2700, centrat la 2250 DP de suprafata în zona crestäturilor între izolatie çi peretele crestäturii din cauza deteriorärii lacului semiconductor
4. Aspectul diagrameloi 3D çi 2D privind DP în zona frontalä ín diag. 3D, prezenta DP la a = 150, 750 , 1950, 2550 ín diag. 2D, cocoa§e ale curbelor + p/sf =f(mV) la amplitudini inalte §i frecvente ale pulsurilor p/sf ioase DP de suprafata în zona capetelor frontale din cauza depunerilor de praf, ulei, reziduuri, poluanti çi/sau din cauza släbirii consolidärii penelor çi/sau din cauza deteriorärii lacului conductor de la suprafata izolatiei
5. Creçterea aparitiei DP în diagramele 3D (p/sf çi mV) 0-20 p/sf Categoria I - Stare buna
20-50 p/sf Categoria II - Deterioräri lente, normale
>50 p/sf Categoria III - Deterioräri severe
IV. REZULTATE §I DISCUTII
Cuplorii folositi pentru màsuràrile de descàrcàri partiale sunt de tip capacitiv, cu C=80pF, Umax= 25kV (IRIS), móntate în sistem directional DIR [28].Màsuràrile au fost efectuate pe trei hidrogeneratoare de la diferite centrale electrice, în 3 regimuri de operare stabilizate (1-gol excitat, 2-jumatate din puterea nominala, 3-putere maxima).
1. HG 4, CHE Vidraru
În anii 2003 §i 2010, au fost efectuate ample lucràri de întretinere pentru hidrogeneratorul nr.4 de la CHE Vidraru: barele statorice au fost înlocuite în 2003 (izolatia a fost de aproximativ 24 de ani vechime) §i reîmpànat în 2010, fierul statorului a fost reparat iar capetele frontale ale înfaçuràrilor au fost relàcuite cu lac semiconductor. Màsuràtorile de PD, dupà toate aceste lucràri, au aràtat o îmbunàtàtire evidentà în valorile parametrilor PD: evolutia parametrilor PD a fost crescàtor monotonà (Fig. 8). Astfel, activitatea totalà reprezentatà de valorile +NQN, a crescut de la aproximativ 110-250 u.r. (Categoria I-II de severitate) la aproximativ 320 u.r. (Categoria III) iar valorile ±Qm de aproximativ 120 mV (categoria I de severitate) la 270 mV (categoria II). Dupà lucràrile de întretinere, în 2010, valorile NQN+ scad pânà la aproximativ 200 u.r. (Categoria II), iar valorile Qm± scad înapoi la 120 mV (categoria I).
În Fig. 8 se poate observa cà, pentru toate màsuràtorile s-au obtinut valori cvasi-egale, iar impulsurile pozitive §i negative au raportul +Qm/-Qm»1. Curbele impulsurilor negative si pozitive functie de amplitudini au aspect de împletire în toate regimurile de functionare §i pentru toate fazele, sau acestea prezintà o uçoarà preponderentà a impulsurilor de polaritate negativà. Aceasta indicà aparitia PD de volum în zona dintre crestàturi din cauza delaminàrilor dintre straturi §i golurile din izolatie, ca urmarea efectului termic, care corespunde categoriei a II-a de stare a izolatiei.
\
MO \\
> E_3oa E 25Q \\
\\ -NQN-
"¿200 _On»
O Z 100
3001 3003 3005 2007 200Ô 2011
Time
Fig. 8. Evolutia parametrilor DP, NQN Qm pentru HG4, faza C, CHE Vidraru.
Aparitia unor impulsuri PD negative pe toate fazele in intervalul unghiului a = 0 - 90o a fost observata cu o rata a pulsului (repetarea frecventei) care variaza intre 40 §i 100 p/sf (pulsuri per secunda §i fereastra) (corespunzand categoriei III), dar de amplitudini scazute. De asemenea, s-au observat pulsuri DP pozitive la a = 180 - 270°, cu rate ale pulsurilor de 80100 p/sf (de asemenea, corespunzatoare categoriei III), cu magnitudini reduse. In plus,au fost observate PD in zona frontala, respectiv, la unghiuri a = 150, 750, 1950, 2550 cu rata pulsurilor de 30-100 p/sf §i amplitudini scazute (categoria III). In urma masuratorilor efectuate in 2009 au fost recomandate lucrari de reimpanare a intregii infa§urari statorice, de injectare de conductor in crestaturi §i de relacuire cu lac semiconductor a capetelor de bobina frontale.
Rezultatele masuratorilor efectuate in 2010 sunt prezentate in Fig. 9 (diagrama 3D). Se poate observa o scadere a ratei pulsurilor la 10 -40 p/sf (corespunzand categoriei II de starea a izolatiei) pe faza C, precum §i pe celelealte faze. Se observa impulsuri negative PD in intervalul unghiului a = 0 - 90o de amplitudini mici la 5 p/sf. Persistenta impulsurilor PD negative, indica aparitia DP de volum, in special intre izolatie §i conductorul din cupru [8] [12]. In acela§i timp, se poate nota o scadere pe toate fazele a ratei pulsurilor de la 10 la 40 p/sf (categoria II) si pulsuri pozitive PD in intervalul unghiului a = 180o - 270o. Persistenta impulsurilor PD pozitive indica aparitia PD de suprafata in crestaturi. Scaderea ratei pulsurilor la10-40 p/sf (categoria II) a PD in zona frontala este observata, de asemenea, ceea ce indica o imbunatatire a starii suprafetei la capetele bobinelor frontale [8] [12].
IMM1, Pulis'JM
\
1H»\
\
\ \
Mffgniludp IrnV]
33S
Fig. 9. (3D diagram) Variatia ratei pulsurilor functie de amplitudini pe perioada de 20 ms la HG4,faza C, CHE Vidraru.
Prin urmare, lucràrile de întretinere efectuate în anul 2010 au dus la reducerea valorilor parametrilor PD, astfel încât starea generalà a izolatiei a fost îmbunàtàtità. Astfel, starea izolatiei a trecut de la categoria III, în 2009, în categoria a Il-a, în 2010. Au fost recomandate continuarea màsuràtorilor PD periodice. De asemenea, s-a recomandat un set de màsuràri suplimentare §i teste (tan 5 , tensiune màrita, màsurarea localà a PD cu sonda corona), pentru a confirma faptul cà starea de izolare este în aceeaçi categorie de severitate.
2. HG 2, CHE Remeti
În perioada 2000 - 2010, parametrii DP, +NQN, de la HG2, Remeti, au crescut de la150 u.r. la 450 u.r. (depàçind limita maximà), ceea ce indicà o creçtere a deterioràrii izolatiei (categoria III) (Fig. 10). Parametrii ±Qm au crescut de la 50-100 mV pânà la 270-350 mV, ràmânând totuçi în intervalul de referintà (170-400 mV), indicând astfel dezvoltarea deterioràrilor lente, normale (care corespund categoriei a II-a de stare a izolatiei). În perioada 2004-2005, au fost efectuate lucràri de întretinere (reîmpànare radialà, relàcuire a pàrtii frontale), care a condus la reducerea temporarà în valorile +NQN §i ±Qm (Fig. 10).
500 «50 400 £■350
E
a 3oo "250
100
SO
—A
/V
/ ez -t*
/ \ y
——
-MOW--NQW--Om* -Om-
ises 2000 2002 20W
20DS 2010
liiiii;
Fig. 10. Evolutia parametrilor NQN Qm,pentru hG2, faza B, CHE Remeti.
Magmlurfa of pulses (mV)
Fig. 11. Variatia ratei pulsurilor functie de pentru HG2, faza B, CHE Remetil-pulsuri pozitive;2-pulsuri negative.
ín diagrama 2D (Fig. 11), este prezentatá variatia ratei pulsului functie de amplitudini pe faza B. Pentru toate másurátorile, au fost obtinute valori aproape egale ale pulsurilor pozitive §i negative, iar raportul +Qm/-QmA1. Curbele rata pulsurilor functie de amplitudini au aspect de ímpletire, ín toate regimurile de functionare. Acest lucru a indicat aparitia PD de volum ín zona crestáturii datoritá delaminárilor dintre straturi §i golurile din izolatie, ca urmare a efectului termic, (care corespunde categoriei a II-a de stare a izolatiei) [12].
ín diagrama 3D (Fig. 12), aparitia unor impulsuri PD pozitive la unghiuri a= 180 - 270°, care au evoluat ín timp (de la rate de puls de aproximativ 10-20 p/sf, ín 2007, la rate de puls de 30-50 p/sf ín 2010), ínsá cu amplitudini scázute. Aceste evolutii indicá o cre§tere a PD din cauza cavitátilor existente (goluri) íntre izolatie §i conductorul din cupru (efect al sarcinii ciclice) [12], de amploare medie (categoria II-III), precum §i dezvoltarea de DP de suprafatá ín zona crestáturii (íntre izolatie §i peretele crestáturii din cauza deteriorárii lacului conductor). S-a observat, de asemenea, o cre§tere ín timp a valorilor PD, la unghiuri a = 15o a=195°, §i a=255o, indicand aparitia DP de suprafatá ín zona frontalá (cu rata de paná la 0-30 p/sf §i amplitudini mici), care corespund categoriei a II-a de starea izolatiei. Dupá ce au fost efectuate lucrári de íntretinere ín perioada 2004-2005, aparitia acestor descárcári PD s-a diminuat, ínsá ín anul 2010 au reapárut.
Astfel, íntreaga izolatie, pe ansamblul ei, a fost inclusá ín categoria II-III (tab. II), cu deteriorári normale, lente ín íntreaga izolatie, care tinde sá se extindá. Izolatia a fost afectatá ín totalitatea sa pentru cá au fost observate DP de volum ín zona crestáturilor din cauza delaminárilor (dezlipirilor dintre straturi §i goluri).
ds iirií íp'fiw)
Fig. 12. Variatia ratei pulsurilor functie de amplitudini pe o perioada de 20 ms pentru HG2, faza B, CHE Remeti.
3. HG 3, CHE Märiselu La CHE Märi§elu activitatea descärcärilor partiale a fost inregistratä cu douä analizoare diferite incepänd cu anul 2003 (Fig. 13). Acesta este motivul pentru care datele parametrilor intre 2003 §i 2007 nu sunt comparabile cu datele din perioada 2008-2015. Se observä cä valorile parametrilor sunt de aproximativ patru ori mai mari decät valorile recent mäsurate, cu toate cä nu au fost efectuate rebobinäri, sau lucräri de intretinere speciale sau alte modificäri aduse izolatiei statorice, incepänd cu anul 2003.De§i conditiile de operare au fost aproximativ acelea§i in timpul testelor PD on-line, este clar acum cä trendul activitätii descärcärilor partiale trebuie sä fie realizat cu acela§i echipament/analizor, in scopul obtinerii unor rezultate comparabile pentru a fi credibile.
400Q 3500 f 3000 O 2500
1
w
\\ i -NQN-(C) -Qm+(C)
z 0 1500 1000 500 \ // \\
\\ - - -
> 16
2002 20 03 20 04 20 05 20 06 20 07 20 08 20 tin 09 20 10 20 11 20 12 20 13 20 14 20 15 20
Fig. 13. Evolutia parametrilor NQN Qm pentru HG3, faza C, CHE Mâriçelu.
ín perioada 2008-2014 valorile NQN §i Qm sunt ridicate pe toate fazele ale HG3. Pe parcursul perioadei 2008-2014, valorile NQN au depä§it valoarea maximä de referintä de 400 u.r., variind in jurul valorii de 1100 u.r. pe toate fazele. Acest lucru a indicat o deteriorare in cre§tere care corespunde categoriei III de stare a izolatiei. Parametrii Qm variazä in domeniul (400-800 mV), ceea ce indicä o deteriorare severä a izolatiei (categoria a II-III). Aspectul de zig-zag al curbelor de variatie a PD s-a datorat lucrärilor de intretinere simple efectuate. Efectul unor lucräri asupra statorului a dus la un anumit nivel de imbunätätire a parametrilor PD, insa nu una majorä.
ín anul 2012, in urma unui test de inaltä tensiune continuä de 31,2 kV, dupä aproximativ 30 de secunde de la aplicarea tensiunii, faza C, a sträpuns. Bara sträpunsä din planul 1 a fost inlocuitä, §i de asemenea, alte cäteva bare din planul 2 au fost inlocuite cu bare noi din rezervä. Cu aceastä ocazie au fost realizate lucräri de curätare §i de läcuire partialä §i reimpänare.
Màsuràrile de descàrcàri partiale au fost efectuate în 2014. Acestea au relevat faptul cà parametrii principali, NQN §i Qm, au valori similare cu cele din 2011, chiar o uçoarà îmbunàtàtire a fazei C, dar în 2015, se pare cà descàrcàrile partiale au reapàrut,aceasta confirmând starea de îmbàtrânire a izolatiei.
În diagrama bi-dimensionalà (Fig.14) este prezentatà variatia ratei pulsurilor functie de amplitudinile lor la generatorul HG3, Màriçelu. Se poate observa o cvasi-egalitate între impulsurile negative §i cele pozitive, astfel cà curbele lor au un aspect de suprapunere (ce indicà aparitia PD de volum în zona crestàturii §i care corespunde categoriei III de stare a izolatiei).
Magnitude of pulses (mV]
Fig. 14. Variatia ratei pulsurilor functie de mplitudinile lor la HG3, faza C, CHE' Mariçelu: pulsuri pozitive; pulsuri negative.
Figura 15 prezintä aparitia pulsurilor pozitive §i negative la unghiurile electrice a = 0 - 90° §i a= 180 - 270°, indicând aparitia prezenta DP de volum §i de suprafatä în zona crestäturii. În acelaçi timp, pentru toate fazele, se observä aparitia de impulsuri pozitive §i negative PD la a = 150, 750, 1950, 2550 cu o ratä a pulsului de aproximativ 40-50 p/sf pe fazä A §i B §i peste 50 p/sf pe faza C §i cu amplitudini relativ mari, indicând PD de suprafatä în zona capetelor frontale [12].
Fig. 15. Variatia ratei pulsurilor functie de amplitidini pe o perioada de 20 ms la HG3, faza C, CHE Mâriçelu.
La o evaluare globalà, ignorând màsuràrile ce nu pot fi comparate din 2003 pânà în 2007, rezultà cà izolatia de la HG3, CHE Màriçelu prezintà DP de volum în zona crestàturilor, din cauza delaminàrilor çi a golurilor (efectul termic), cât çi între izolatie çi barele din cupru (efect al sarcinii ciclice). S-au mai detectat în urma màsuràrii çi analizei çi descàrcàri de suprafatà în zona frontala din cauza consolidàrii slàbite sau a deterioràrii lacului conductor. Au fost recomandate lucràrile de întretinere (reîmpànare, relàcuirea în zona frontalà) çi continuarea màsuràrilor PD periodice. În acelaçi timp, au fost recomandate un set suplimentar de màsuràri çi teste (tan5, tensiune màrità, màsurarea PD locale cu sonda corona), pentru a confirma çi pentru a verific oportunitatea generatorului pentru rebobinare.
CONCLUZII
Pentru evaluarea în mod corect a stàrii izolatiei generatoarelor electrice este obligatoriu:
- màsuràrile sà fie efectuate de càtre persoane cu experientà çi cu pregàtire în domeniul izolatiilor electrice;
- utilizarea unui singur analizor/echipament pe întreaga perioadà de monitorizare a activitàtii descàrcàrilor, pentru rezultate valide în ceea ce priveçte trendul acestora;
- conditiile de operare ale generatorului (tensiune, sarcinà, temperatura cuprului) sà fie aceleaçi;
- efectuarea de màsuràri periodice de descàrcàri partiale (cel putin de 2 ori pe an).
Criteriile folosite în lucrare pot fi îmbunàtàtite prin efectuarea a cât mai multe teste (monitorizarea activitàtii çi evolutiei parametrilor descàrcàrilor partiale, în timp, çi corelarea acestora cu lucrârile de mentenantà. Ideal ar fi efectuarea unui set de màsuràri înainte çi dupà astfel de reparatii, lucràri.
Astfel, cea mai eficientà çi credibilà solutie pentru evaluarea stàrii izolatiei este de a efectua testarea maçinii în conditii similare, cu acelaçi analizor, pentru respectivul generator. Doar atunci, trasarea evolutiei activitàtii parametrilor descàrcàrilor partiale, NQN çi
Qm reprezinta date valoroase pentru corecta evaluare a
izolatiei statorice a generatoarelor.
BIBLIOGRAFIE
[1] X. Wang, Partial Discharge Analysis of Stator Insulation at Arbitrary Voltage Waveform Stimulus, Thesis, KTH School of Electrical Engineering, Stockholm, Sweden, 2015.
[2] G.Tanasescu, B. Gorgan, O. Dragomir, G. Constantinescu, P.V.Notingher, C.R. Parlog, „Online Monitoring and Diagnosis System for Hydrogenerator Condition Assessment", Proceedings of 8th International Symposium on ADVANCED TOPICS IN ELECTRICAL ENGINEERING, Bucharest, 2013, Paper ELMAD 16, pp. 1-6.
[3] G.C. Stone, E.A. Boulter, I. Culbert, H. Dhirani, Electrical Insulation for Rotating Machines: Design, Evaluation, Aging, Testing, and Repair, IEEE Press, John Wiley & Sons, Second Edition, 2014.
[4] HAP Condition Assessment Manual, Guide for Generator Condition Assessment, 2011.
[5] A. Haddad, D. Warne, Advances in High Voltage Engineering, The Institution of Engineering and Technology, London, UK, 2004.
[6] R. Brütsch, M. Tari, K Fröhlich, T Weiers, R Vogelsang, "Insulation Failure Mechanisms of Power Generators", IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 24, No. 4, 2008.
[7] J. H. Dymond, N. Stranges, ''Stator Winding Failures: Contamination, Surface Discharge, Ttracking'', IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 38, No. 2, 2002.
[8] D. Zlatanovici, S. Dumitrescu, "Assessment of the Electric Hydrogenerator Stator Insulation Condition by Means of Online Partial Discharge Measurement", U.P.B. Sci. Bull., Series D, Vol. 75, No.3, 2013, pp. 199-210.
[9] IEEE Trial-Use Guide to the Measurement of Partial Discharge in Rotating Machinery'', IEEE Std 14342000, 2000.
[10] M. F. Cabanas, J. G. Norniella, M. G. Melero, C. H. Rojas, J. M. Cano, F. Pedrayes and G. A. Rocajo, ''Detection of Stator Winding Insulation Failures: Online and Off-line Tests'', 2013 IEEE Workshop on Electrical Machines Design Control and Diagnosis, Paris, France, 2013, pp. 210-219.
[11] Energy Technical Standard on tests and measurements on equipment and electrical installations 01 116NTE, Bucharest, 2002.
[12] SR 9385-1: 2008 Part 1: Synchronous Hydro Generators. Part 1: General Technical Conditions.
Despre autor
Dumitrescu Sorin Adrián este cercetátor la Institutul National de Cercetare-f > Dezvoltare Energeticá ICEMENERG Bucure§ti. A absolvit ín anul 2006 Facultatea de
Inginerie Electricá din cadrul Universitátii Politehnica din Bucure§ti, iar din anul 2014 este doctorand la aceea§i facultate, la Departamental de Ma§ini, Materiale §i Actionári Electrice. A avut numeroase colaborári, lucrári §i articole scrise, aláturi de prof.dr.ing. Dan Zlatanovici ín domeniul generatoarelor electrice §i a izolatiilor acestora, iar teza de doctorat face referire la estimarea duratelor de viatá ale generatoarelor electrice de ■ mare putere. E-mail: [email protected]
