2014 lab 5 mmn_traductoare descarcari partiale

14
Universitatea “Lucian Blaga” Sibiu, Facultatea de Inginerie “Hermann Oberth”, Departamentul de Calculatoare si Inginerie Electrica, Electromecanica anul II Lucrarea nr. 5 Traductoare de descarcari partiale 1. Scopul lucrării Consta in prezentarea studentilor a unei noi tehnice de diagnoza a starii izolatiei aferente echipamentelor energetice primare prin utilizarea unor traductoare de descarcari partiale. 2. Consideratii teoretice 2.1. Generalitati Măsurarea nivelului emisiilor acustice produse de descărcările parţiale presupune urmărirea ultrasunetelor produse în urma descărcărilor parţiale şi descărcărilor corona prezente într-un sistem de înaltă tensiune. În funcţie de rata de repetiţie, amplitudine şi caracteristicile de frecventă ale energiei emise se poate determina locaţia şi natura sursei emisiei acustice. Descărcările parţiale în echipamentele electrice de înaltă tensiune generează atât energie electromagnetică cât şi energie acustică, această energie este radiată în toate direcţiile faţă de sursa descărcării parţiale. Traductoarele electroacustice de înaltă frecvenţă (ultrasonore) pot fi folosite pentru a detecta această energie, transformând-o în semnal electric pus la dispoziţie pentru analiza pe un osciloscop sau un sistem dedicat. Laborator ‘Masurarea marimilor neelectrice’ Page 1 of 14

Upload: andrei-stefan

Post on 27-Dec-2015

47 views

Category:

Documents


7 download

DESCRIPTION

23

TRANSCRIPT

Page 1: 2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

Universitatea “Lucian Blaga” Sibiu, Facultatea de Inginerie “Hermann Oberth”, Departamentul de Calculatoare si Inginerie Electrica, Electromecanica anul II

Lucrarea nr. 5

Traductoare de descarcari partiale

1. Scopul lucrăriiConsta in prezentarea studentilor a unei noi tehnice de diagnoza a starii izolatiei aferente

echipamentelor energetice primare prin utilizarea unor traductoare de descarcari partiale. 2. Consideratii teoretice 2.1. Generalitati

Măsurarea nivelului emisiilor acustice produse de descărcările parţiale presupune urmărirea ultrasunetelor produse în urma descărcărilor parţiale şi descărcărilor corona prezente într-un sistem de înaltă tensiune. În funcţie de rata de repetiţie, amplitudine şi caracteristicile de frecventă ale energiei emise se poate determina locaţia şi natura sursei emisiei acustice.

Descărcările parţiale în echipamentele electrice de înaltă tensiune generează atât energie electromagnetică cât şi energie acustică, această energie este radiată în toate direcţiile faţă de sursa descărcării parţiale.

Traductoarele electroacustice de înaltă frecvenţă (ultrasonore) pot fi folosite pentru a detecta această energie, transformând-o în semnal electric pus la dispoziţie pentru analiza pe un osciloscop sau un sistem dedicat.

Figura 1 Vizualizarea semnalului acustic generat de descarcarea partiale

Traductoarele ultrasonore trebuie aibă o sensibilitate sporită şi o frecventă de rezonantă apropiată de cea a semnalului acustic pentru a permite o monitorizare corectă, acestea sunt realizate pe bază de cristale piezoelectrice. Titanat-zirconat de plumb este cristalul cel mai frecvent utilizate, deşi mai puţin sensibile pot fi folosite cristale polimerice de exemplu fluorură de poliviniliden ce reprezintă o alternativă mai ieftină faţă de titanat-zirconat de plumb.

Laborator ‘Masurarea marimilor neelectrice’ Page 1 of 9

Page 2: 2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

Universitatea “Lucian Blaga” Sibiu, Facultatea de Inginerie “Hermann Oberth”, Departamentul de Calculatoare si Inginerie Electrica, Electromecanica anul II

Figura 1 Statie electrica de transformare

Frecvenţa si amplitudinea descărcării parţiale este dependentă de natura sursei. Dacă sursa este un spaţiu gol sau un defect în izolaţia transformatorului de înaltă tensiune, mărimea si forma spaţiului neuniform din izolaţia transformatorului influenţează direct caracteristicile energiei ultrasonore emise. În timp ce energia acustică călătoreşte prin mediul izolant aceasta este atenuată, componentele de înaltă frecvenţă fiind atenuate într-o proporţie mai mare.

Acest lucru face ca izolaţie să acţioneze ca un filtru trece jos. Frecvenţa de distribuţie a energiei acustice creată de o descărcare parţială este, prin urmare, o funcţie de frecvenţa a descărcării şi geometria, natura mediului de transmisie.

Ultrasunetele sunt vibraţii elastice care au frecventa mai mare decât frecventa maxima a oscilaţiilor care produc senzaţia auditiva. Domeniul de frecventa in care avem ultrasunetele este cuprins intre 20 KHz si 100 GHz. Ultrasunetele pot fi folosite ca un instrument de diagnosticare în testarea izolaţiei electrice monitorizând emisiile acustice.Deşi sunetul emis de o sursă de descarcari partiale poate avea componente din domeniul audibil până la sute de MHz, în momentul când ajunge la un punct de monitorizare accesibil, spectrul său este în general mai scăzut de ordinul sutelor de KHz. De regula nu se ia în considerare componentele de frecvenţă mai mică, datorită nivelului ridicat de interferenţă datorat altor surse de emisii acustice externe non-electrice. În general se consideră că cea mai utilă gamă de inspecţie se află în regiunea de 30kHz - 300kHz.

2.2 Detectia descarcarilor partiale folosind metoda acustica

Deşi tehnicile implicate în testarea emisilor acustice sunt aplicabile celor mai multe tipuri de instalaţii şi sisteme de izolaţii, în practică, ele tind a fi utilizate doar pentru detectarea descarcarilor partiale în echipamentele cu izolaţie în ulei precum şi pentru detectarea descărcărilor de suprafaţă de tip corona. Acest lucru se datorează faptului că uleiul, oţelul, aluminiul şi aerul sunt toate bune conductoare de sunet comparativ cu izolatori ca bitum, aluatul din compuşi de turnare, polietilenă şi hârtie impregnată în ulei.

În general, datorită costului mare al transformatoarelor electrice precum şi datorită faptului că acestea sunt elemente critice pentru sistemul energetic, transformatoarele electrice sunt monitorizate periodic folosind metoda emisiilor acustice.

Acest tip de monitorizare este folosit cu succes de mai mult de 30 de ani şi reprezintă o metodă eficientă pentru detecţia activităţii de tip descarcari partiale, oferind şi posibilitatea de a localiza sursa semnalului în interiorul transformatorului. Prin mutarea sondei în jurul cuvei cu ulei a transformatorului (figura 1) şi înregistrarea amplitudinii semnalului în fiecare punct, se poate observa o valoare maximă. Dacă în perioada de test nivelul amplitudinii descarcarii partiale rămâne aproximativ la acelaşi nivel, atunci se poate considera că punctul cu cel mai mare semnal acustic înregistrat indică direcţia către sursa Laborator ‘Masurarea marimilor neelectrice’ Page 2 of 9

Page 3: 2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

Universitatea “Lucian Blaga” Sibiu, Facultatea de Inginerie “Hermann Oberth”, Departamentul de Calculatoare si Inginerie Electrica, Electromecanica anul II

descărcării parţiale. Structura internă si construcţia unui transformator de măsură poate da indicii cu privire la posibile surse de activitate de descarcari partiale.

În cazul în care semnalul electromagnetic produs de activitatea descarcarii partiale poate fi monitorizat, fie printr-o sondă aeriană sau un traductor de curent montat în jurul neutrului, acest sistem de monitorizare poate fi folosită pentru a declanşa sistemul de monitorizare acustică, după cum se observă în figura 3.

Cum semnalul electromagnetic de va fi detectat aproape instantaneu ce are loc de descărcare parţială, diferenţa de timp între acesta şi ridicarea semnalului prin transductorul piezoelectric va fi reprezentativă pentru distanţa dintre sursă descarcarii partiale si traductor. Semnal de emisii acustice se va propaga în principal prin intermediul uleiului pentru a ajunge la transductor, distanţa până la sursa descărcării poate fi calculată folosind viteza sunetului în ulei.

Figura 3 Detectia descarcarii partiale prin metoda acustica

2.3. Prezentarea traductoarelor utilizate in detectia descarcarilor partiale

La baza monitorizării acustice stau dispozitivele cu ajutorul cărora se realizează conversia energiei vibraţiei mecanice (sunetului) în energie electrică, acestea se numesc transductoare. După principiul fizic de realizare al conversiei energiei, cu o utilizare mai largă sunt transductoarele piezoelectrice.

Ultrasunetele, ca şi sunetele, sunt oscilaţii elastice care se datorează vibraţiilor mecanice ale particulelor mediului, în jurul unor poziţii de echilibru. În gaze şi lichide se propagă un singur tip de unde elastice şi anume undele longitudinale. Efectul piezoelectric se manifesta in feroelectrici daca aceştia sunt polarizaţi, adică domeniile in care polarizarea are o orientare bine determinata sunt orientate după o singura direcţie macroscopica, direcţia câmpului extern.

Sub forma de ceramici se utilizează foarte mult titanatul de bariu (BaTiO3) si titano-zirconatii de plumb care nu sunt influenţaţi de umiditate, iar temperatura Curie poate depăşi 400 °C la titano-zirconatii de plumb.

Unii dielectrici formaţi din dipoli permanenţi care nu au centru de simetrie (de exemplu substanţele feroelectrice) prezintă efect piezoelectric direct. Dacă un astfel de cristal este supus unei deformări elastice de întindere, compresiune sau torsiune, atunci dipolii săi moleculari se rotesc iar cristalul se polarizează (figura 4).

Laborator ‘Masurarea marimilor neelectrice’ Page 3 of 9

Page 4: 2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

Universitatea “Lucian Blaga” Sibiu, Facultatea de Inginerie “Hermann Oberth”, Departamentul de Calculatoare si Inginerie Electrica, Electromecanica anul II

Figura 4 Polarizarea cristalului de titanat de bariu

Ca urmare pe feţele opuse ale cristalului apar sarcini legate care creează un câmp electric şi o diferenţă de potenţial între aceste feţe. Mărimea polarizării este direct proporţională cu deformaţia mecanică. La schimbarea sensului deformaţiei se va schimba şi semnul polarizării.

Efectul piezoelectric invers apare dacă se aplică o diferenţă de potenţial cristalului, ca urmare a rotirii dipolilor apare o deformaţie de întindere. Proprietăţile piezoelectrice şi piezomagnetice dispar atunci când materialele respective sunt încălzite peste temperatura Curie a acestora.

Figura 5 Efectul piezoelectric direct

Mărimea sarcinii electrice este proporţională cu mărimea forţei exercitate asupra cristalului, iar sensul polarizării cristalului depinde de felul deformaţiei. Acest fenomen a fost denumit efect piezoelectric direct (fig. 4.4). Cel mai răspândit senzor piezoelectric este un polimer, datorită faptului că materialele piezoceramice sunt prea fragile şi anume fluorura de poliviniliden. Efectul piezoelectric conduce la producerea unui potenţial electric atunci când traductorul este supus unei vibraţii mecanice. Primul material folosit pentru proprietăţile sale piezoelectrice a fost cuarţul, însă folosirea acestuia era limitată datorită numeroaselor dezavantaje pe care le are acest material.

Datorită permitivităţii electrice relative ridicate ( εr = 1000 - 1700) utilizarea titanatului de bariu ca receptor nu este indicată (sensibilitatea materialului este invers proporţională cu permitivitatea electrică).

Laborator ‘Masurarea marimilor neelectrice’ Page 4 of 9

Page 5: 2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

Universitatea “Lucian Blaga” Sibiu, Facultatea de Inginerie “Hermann Oberth”, Departamentul de Calculatoare si Inginerie Electrica, Electromecanica anul II

Figura 6 Constructia traductoarelor piezoelectrice

Cea mai frecventă soluţie constructivă a traductoarelor ultrasonore este cea de tip stratificat. Acest tip de traductoare sunt construite dintr-o placă piezoelectrică fixată intre două plăci metalice cum se observă în figura 6.

2.4. Caracteristicile traductorului piezoelectric

Majoritatea materialelor ceramice sunt considerate izolatori obişnuiţi dacă au constanta dielectrică K’<12 şi capacitori dacă au K>12 . Constanta dielectrică este definită ca raportul dintre permitivitatea electrică a dielectricului respectiv (ε) şi cea a vidului (ε0).

K’= ε/ ε0

unde: ε0 = 8.84 • 10-12 C2/Nm2

Coeficientul de cuplare piezoelectrică „d” se poate definii drept viteza de variaţie a polarizării (P) în funcţie de tensiunea mecanică (σ) , aplicată sub câmp electric constant (E=ct.) sau drept viteza de variaţie a deformaţiei (S) în funcţie de câmpul electric (E), aplicat la polarizare constantă (P=ct.):

Pe lângă coeficientul de cuplare piezoelectrică există şi un coeficient de tensiune (g) care descrie câmpul electric (E) produs la o tensiune mecanică (σ) , aplicată la polarizare constantă(P=ct.):

Între coeficientul de cuplare piezoelectrică (d) şi cel de tensiune (g) există o relaţie de proporţionalitate, prin intermediul permitivităţii electrice:

d= ε • gCel de-al treilea coeficient este factorul de cuplare electromecanică, k, acesta

reprezintă eficacitatea transformării energiei electrice în energie mecanică şi invers, se defineşte prin:

Senzorii trebuie să aibă coeficienţi de tensiune mari (g), pentru a genera tensiuni electrice importante la tensiuni mecanice slabe.

Materialele piezoelectrice ceramice pot fi împărţite astfel:- materiale piezoelectrice puternic dopate, acestea pot fi expuse unei solicitări mecanice şi

electrice intense, stabilitatea dată de proprietăţile structurale le face ideale pentru folosirea în aplicaţii de mare putere.

- materiale piezoelectrice slab dopate, sunt caracterizate printr-o permetivitatea electrică ridicată, un factor de cuplaj electromagnetic si modul piezoelectric mare, fiind

Laborator ‘Masurarea marimilor neelectrice’ Page 5 of 9

Page 6: 2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

Universitatea “Lucian Blaga” Sibiu, Facultatea de Inginerie “Hermann Oberth”, Departamentul de Calculatoare si Inginerie Electrica, Electromecanica anul II

ideale pentru construcţia receptoarelor de ultrasunete şi a traductoarelor de mică putere.

Tabelul 1 Proprietatile materialelor piezoelectrice la temperatura ambientala

În tabelul 1 sunt

prezentate valorile principalilor coeficienţi utilizaţi în alegera unui material, pentru construirea traductoarelor ultrasonore bazate pe efectul piezoelectric. Din cauzaasimetriei cristaline a materialelor piezoelectrice, coeficienţii de cuplare se exprimă sub formă tensorială, ij d . Primul indice arată direcţia câmpului electric sau a polarizării iar cel de-al doilea tensiunea sau deformaţia mecanică.unde: Tc = temperatura Curie

P = polarizareaD,g = coeficientul de cuplare piezoelectricaK’ = constanta dieelectrica

2.5. Sistemul de monitorizare descarcari partiale implementat

Sistem de diagnoza on-line a echipamentelor electrice (transformatoare) prin monitorizarea descarcarilor partiale este produs de Power PD, Inc.

Este de tip PD-MAT400A - sistem de diagnoza on-line al echipamentelor electrice care detecteaza si analizeaza generarea descarcarilor partiale in transformatoare, intreruptoare, echipamente electrice capsulate si alte echipamente de inalta tensiune. Patru sensori de emisii acustice se instaleaza in afara echipamentelor electrice pentru a detecta semnalele de descarcari partiale. Poate fi facut clustering pana la maximum 32 de unitati folosind RS485.

De asemenea sistemul include si un program software care permite accesarea echipamentului de la distanta folosind un modem si RS-4854. Monitorizarea caracteristicilor descarcarilor partiale este transmisa si afisata in timp real.

Laborator ‘Masurarea marimilor neelectrice’ Page 6 of 9

Page 7: 2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

Universitatea “Lucian Blaga” Sibiu, Facultatea de Inginerie “Hermann Oberth”, Departamentul de Calculatoare si Inginerie Electrica, Electromecanica anul II

Figura 7 Dispozitivul PD-MAT400A

Sistemul are urmatoarele carcateristici:- monitorizeaza continuu si detecteaza predictiv conditiile anormale din

transformatoare si echipamente electrice capsulate;- permite evitarea unor defectiuni costisitoare prin managementul efectiv al

riscurilor;- genereaza un semnal de atentionare privind potentialele defectiuni pentru a

minimiza timpul pierdut cu acestea si costurile neasteptate si pentru a usura mentenanta;

- reducere drastic intreruperile de alimentare;- reducere costurile de mentenanta.

Figura 8 Configuratia sistemului

Metoda emisiei acustice implementata este recunoscută ca un instrument eficace în testarea nondistructivă şi identificarea oricărui defect activ. Totuşi aplicaţiile sale in câmpul tensiunilor înalte sunt limitate ca număr. În figura 9 este reprezentată forma unui semnal acustic produs de o descărcarea parţială din interiorul transformatorului.

Figura 9 Semnalul emisiei acustice a descarcarii partiale

Laborator ‘Masurarea marimilor neelectrice’ Page 7 of 9

Page 8: 2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

Universitatea “Lucian Blaga” Sibiu, Facultatea de Inginerie “Hermann Oberth”, Departamentul de Calculatoare si Inginerie Electrica, Electromecanica anul II

Prin urmare semnalul emisiei acustice generat de descărcarea parţială într-un mediu poate varia, de la un semnal continuu obţinut de la o descărcare corona până la un semnal de formă pulsatorie obţinut de la o descărcare parţială în izolaţia unui echipament de inalta tensiune în ulei, după cum

a) b)

Figura 10 Semnal emisie acustic descarcare partiala a) de tip explozie b) de tip impuls

Folosind metoda acustică de monitorizare acest fenomen poate fi studiat pe o perioadă suficient de mare pentru a se forma o imagine privitoare la starea izolaţiei în scopul luării de acţiuni preventive. Insa, din pacate la ora actuală nu există un standard recunoscut  internaţional pentru monitorizarea descărcărilor parţiale prin metoda acustică.

3. Partea aplicativa

Prin intermediul sistemului de monitorizare se vor vizualiza marimile monitorizate de catre traductoarele pentru descarcari partiale

3.1. Sistemul de monitorizare

Dupa vizualizarea sistemului de monitorizare, prin intermediul aplicatiei software dedicata se vor extrage datele si se vor compara cu pragurile existente (Alarma 1 si Alarma 2) si se vor interpreta marimile monitorizate.Nr crt Data

inregSenzor 1[pss]

Senzor 1[mV]

Senzor 2[pss]

Senzor 2[mV]

Senzor 3[pss]

Senzor 3[mV]

Senzor 4[pss]

Senzor 4[mV]

nivel alarmare 1

500/scala max

500/scala max

500/scala max

500/scala max

500/scala max

500/scala max

500/scala max

500/scala max

nivel alarmare 2

750/scala max

1000/scala max

750/scala max

1000/scala max

750/scala max

1000/scala max

750/scala max

1000/scala max

Laborator ‘Masurarea marimilor neelectrice’ Page 8 of 9

Page 9: 2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

Universitatea “Lucian Blaga” Sibiu, Facultatea de Inginerie “Hermann Oberth”, Departamentul de Calculatoare si Inginerie Electrica, Electromecanica anul II

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Concluzii:Setarea pragurilor de alarmare sunt stabilite de producatorul instalatiei de monitorizare a descarcarilor partiale. Nivelul “alarmare 1” este un nivel de preavertizare, reflectand doar aparitia defectului, Nivelul “alarmare 2”, nivel de avertizare, reflectand doar dezvoltarea defectului, impunand actiuni de mentenata corectiva. In situatia in care valoarea masurata a descarilor partiale este inafara limitelor cu oricare din parametrii monitorizati se anunta producatorul instalatiei pentru mutarea celorlati trei traductori acustici in vederea localizarii defectului semnalat. Odata cu imbatranirea transformatorului descarcarile partiale trec in timp. Producatorul instalatiei este cel care asigura parametrizarea acesteia, inclusiv a gradului de sensibilitate ce permite detectia acustica a descarcarilor partiale, functie de locul de utilizare si nivelul de tensiune al transformatorului.

Scala maxima este setata la 5000 [pps] si 15000[mV]. Se calculeaza valorile din tabel pentru scala maxima setata (raportul dintre val tabel/ val scala max obtinandu-se val subunitare) si se compara cu valorile nivelelor de alarmare 1 si 2.

Bibliografie:4.1. SR EN 6000076-3, Nivelul de izolatie, incercari dielectrice si distante de

izolatie in aer pentru transformatoare de putere.

Laborator ‘Masurarea marimilor neelectrice’ Page 9 of 9