1
Diagnostyka w
Diagnostyka w
elektroenergetyce
elektroenergetyce
Wykład
Wykład
III
III
Urządzenia elektroenergetyczne
Urządzenia elektroenergetyczne
oraz ich defekty
oraz ich defekty
jako źródła sygnałów i zaburzeń
jako źródła sygnałów i zaburzeń
dr
dr
inż. Paweł Zydroń
inż. Paweł Zydroń
AGH, Kraków
AGH, Kraków
Plan wykładu
1.
1.
Diagnostyka techniczna
Diagnostyka techniczna
–
–
pojęcia
pojęcia
i definicje
i definicje
2. Rodzaje badań
2. Rodzaje badań
3. Parametry diagnostyczne
3. Parametry diagnostyczne
4.
4.
Narażenia eksploatacyjne
Narażenia eksploatacyjne
5. Napięcia probiercze i testowe
5. Napięcia probiercze i testowe
Sygnały i zaburzenia
Urządzenia elektroenergetyczne są źródłem różnego
rodzaju sygnałów i zaburzeń, przede wszystkim elektro-
magnetycznych – w szerokim zakresie widma.
Znaczenie diagnostyczne mogą mieć:
– zaburzenia niskiej częstotliwości (harmoniczne 50Hz),
– zaburzenia radioelektryczne,
– zaburzenia w.cz. do zakresu mikrofalowego,
– promieniowanie cieplne (podczerwień),
– promieniowanie widzialne,
– promieniowanie ultrafioletowe.
Ponadto zastosowanie mają metody detekcji emisji
akustycznej oraz pomiary hałasu.
Pomiary zaburzeń elektromagnetycznych
Pomiary zaburzeń elektromagnetycznych (EMI) są związane
z dwiema podstawowymi grupami zagadnień:
1. szeroko rozumianą problematyką kompatybilności
elektromagnetycznej (EMC), w której obiekty
elektroenergetyczne stanowią potencjalne źródła zakłóceń,
wytwarzające w otaczającym je środowisku
elektromagnetycznym sygnały o poziomach
przekraczających dopuszczalne;
2. metodami diagnostycznymi opartymi o detekcję antenową
sygnałów wytwarzanych przez defekty i uszkodzenia
występujące w obiektach elektroenergetycznych,
a prowadzące do lokalnych wzrostów natężenia pola
elektrycznego, powyżej wartości natężenia krytycznego –
powodującego powstawanie wyładowań niezupełnych.
Zaburzenia E-M na liniach WN
Zaburzenia EM wokół obiektów elektroenergetycznych są
wywoływane przez wyładowania elektryczne:
•
zupełne – iskrowe;
•
niezupełne.
W zależności od intensywności działania wyróżnić można:
•
wyładowania ulotowe świetlące – na przewodach linii
napowietrznych i osprzęcie;
•
wyładowania snopiące – na osprzęcie;
•
wyładowania ulotowe powierzchniowe (pełzne)
– na izolatorach liniowych i aparatowych;
•
wyładowania ślizgowe – na izolatorach przepustowych;
•
przeskoki częściowe – np. pomiędzy nie uziemionymi
elementami metalowymi;
•
przeskoki pomiędzy stykami w obwodach prądowych
– np. w wyłącznikach;
•
wyładowania niezupełne wewnątrz układów izolacyjnych
– np. w wewnętrznych defektach izolatorów liniowych
•
wyładowania niezupełne w iskiernikach odgromników
zaworowych.
Krytyczne natężenie pola
elektrycznego
Warunkiem wystąpienia wyładowań jest przekroczenie wartości
krytycznej natężenia pola określonej wzorem Peeka:
(
)
]
/
[
/
1
2
1
cm
kV
r
A
m
m
E
E
peak
o
cr
⋅
+
⋅
⋅
⋅
⋅
=
δ
δ
(3.1)
gdzie:
E
o
– natężenie jonizacji zderzeniowej – w warunkach
normalnych (20°C, 1013hPa) ok. 31 [kV/cm]
r
– promień zastępczy przewodu [cm];
A
– współczynnik empiryczny określający obszar wokół
przewodu, w którym przekroczone jest krytyczne natężenie
pola – dla warunków j.w. A = 0.308 [cm
1/2
];
m
1
– współczynnik stanu przewodów
m
2
– współczynnik pogodowy
δ – gęstość względna powietrza
ϑ
δ
+
=
273
p
k
d
(3.2)
gdzie:
p – ciśnienie powietrza [Pa];
ϑ – temperatura [°C]; k
d
= 0,00289.
2
Parametry impulsów prądowych ulotu
Wyładowania wytwarzają krótkotrwałe impulsy prądowe o dużych
stromościach i krótkich czasach trwania, których kształt przybliża się:
• krzywą dwuwykładniczą:
[
]
)
/
exp(
)
/
exp(
)
(
1
2
τ
τ
t
t
I
t
i
−
−
−
⋅
=
0
(3.3)
gdzie:
τ
1
,
τ
2
–
stałe czasowe składowych eksponencjalnych;
I
0
–
wartość prądu składowych w chwili t = 0.
Widmo amplitudowe tego impulsu określa wzór:
2
2
1
2
2
1
4
2
1
0
)
(
)
(
)
(
α
α
ω
α
α
ω
α
α
ω
+
+
+
−
⋅
= I
i
(3.4)
gdzie:
α
1
,
α
2
– stałe tłumienia, będące odwrotnościami stałych
czasowych
τ
1
,
τ
2
.
Parametry impulsów prądowych ulotu
W innym modelu kształt impulsu przybliża się:
• krzywą normalną (Gaussa):
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
⋅
=
2
2
0
0
2
)
(
exp
)
(
σ
t
t
I
t
i
(3.5)
gdzie:
σ –
współczynnik rozmycia impulsu;
I
0
– amplituda impulsu wyładowania.
Jego widmo amplitudowe określa wzór:
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⋅
⋅
⋅
=
2
exp
2
)
(
2
2
0
σ
ω
σ
π
ω
I
I
(3.6)
W każdym z przypadków im krótszy impuls tym szersze pasmo
częstotliwości generowanych zaburzeń!
Parametry impulsów prądowych ulotu
t
i
T
w
I
max
90%
50%
10%
T
r
T
r
– rise time
T
f
– fall time
T
w
– pulse width
T
f
Parametry impulsów prądowych ulotu
Typowe wartości parametrów
Polarność
I
max
[mA]
T
r
[ns]
T
f
[ns]
T
w
[ns]
częstość
powtarzania
[1/s]
ulot dodatni
50
10
100
200
up tp 10.000
ulot ujemny
2
3
80
100
up to 100.000
Częstotliwości detekcji ulotu elektrycznego
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
3·10
4
3·10
5
3·10
6
3·10
7
3·10
8
3·10
9
f [Hz]
częstotliwość
UHF
ultra high
VHF
very high
HF
high
MF
medium
LF
low
ba
da
nia
pomiar
y
wykrywanie ulotu
elektrycznego
10
10
10
4
10
3
10
2
10
1
10
0
10
–1
λ
[m]
5·10
5
SHF
super high
Częstotliwości detekcji ulotu elektrycznego
Ze względu na impulsowy charakter zaburzeń związanych
z ulotem elektrycznym szczególnie niekorzystnie oddziałują one
w zakresach, w których stosowana jest modulacja amplitudy AM
(ang. Amplitude Modulation). Dotyczy to więc częstotliwości
radiowych poniżej zakresu fal ultrakrótkich (UKF) oraz pasma
transmisji obrazu telewizyjnego.
Klasyczne pomiary tych zaburzeń są wykonywane w zakresie
od 0,15 do 30 [MHz], określanym jako zakres
zaburzeń radioelektrycznych.
3
Wyładowania niezupełne są źródłem zaburzeń przede wszystkim w zakresach
częstotliwości radiowych, w
szczególności fal długich i średnich, tzn. dla
częstotliwości do 3 [MHz]. Przybliżoną wartość natężenia zakłóceń radiowych
można określić ze wzoru empirycznego:
FW
m
F
D
F
d
E
K
ZR
+
+
+
+
−
+
≈
20
ln
8949
,
13
93
,
3
ln
3686
,
17
)
95
,
16
(
50
(3.7)
gdzie:
ZR – wartość natężenia zakłóceń radiowych [dB];
K – współczynnik K=3 dla 750kV i 3,5 dla pozostałych napięć;
E
m
– maksymalna wartość natężenia pola elektrycznego na przewodzie [kV/m];
d – średnica przewodu [cm];
F – współczynnik F= –4dB dla pojedynczego przewodu i F=4,3422ln(n/4) dla
n>1 (n - liczba przewodów w wiązce);
D – odległość przewodu od anteny [m];
h – wysokość zawieszenia przewodu nad ziemią [m];
R – odległość anteny od najbliższego przewodu fazowego [m];
F
FW
- współczynnik pogodowy (F
FW
=17 - deszcz i wilgoć; F
FW
=0 - dobra, sucha
pogoda).
Wyładowania zupełne (iskrowe) powodują powstawanie zakłóceń w szerszym
zakresie częstotliwości – od 30 MHz do 3GHz – wpływając na jakość odbioru
programów telewizyjnych, szczególnie przy dobrej pogodzie. Gdy znane są wartości
natężeń zakłóceń radiowych wówczas poziom zakłóceń telewizyjnych można
szacować na podstawie wzoru:
2
,
3
)
/
15
(
1
)
/
(
1
log
20
2
2
10
+
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
+
−
=
h
h
R
f
ZR
ZTV
(3.8)
gdzie:
ZTV – wartość natężenia zakłóceń telewizyjnych [dB];
ZR – wartość natężenia zakłóceń radiowych w odległości 15 [m] od osi
najbardziej
odległego skrajnego przewodu fazowego [dB];
f – częstotliwość [MHz];
R – odległość anteny od najbliższego przewodu fazowego [m];
h – wysokość zawieszenia przewodów fazowych nad ziemią [m].
Mierniki zaburzeń radioelektrycznych
Dla detekcji wąskopasmowej wykorzystywane są przede wszystkim mierniki
zaburzeń radioelektrycznych RDV (ang. Radio Disturbance Voltage).
Wymagania dotyczące tych urządzeń zamieszczone są odpowiednich normach
krajowych i międzynarodowych.
Kompletny układ pomiarowy zakłóceń radioelektrycznych zawiera:
– zespół antenowy (antenę) – A;
– tor transmisji sygnału – B;
– miernik zaburzeń C, stanowiący wąskopasmowy, strojony
w szerokim zakresie częstotliwości odbiornik radiowy.
A
B
C
Mierniki zaburzeń radioelektrycznych
Zespół antenowy (A) jest z reguły wyposażony w komplet wymiennych anten
prętowych (składowa E) i ramowych (składowa H) dostosowanych do pracy
w różnych zakresach częstotliwości. Przy pomiarach zakłóceń w polu
pobliskim dla pomiaru natężenia pola elektrycznego należy stosować anteny
prętowe. Dla pomiarów w polu dalekim mogą być stosowane zarówno anteny
prętowe, jak i ramowe ze względu na współzależność składowych elektrycznej
i magnetycznej pola.
Tor transmisyjny (B) winien umożliwiać umieszczenie anteny w pewnej
odległości od samego miernika (C).
Miernik zaburzeń radioelektrycznych (C) składa się z wąskopasmowego
układu wejściowego o dużej selektywności i strojonej częstotliwości środkowej
f
0
oraz układu detektora wartości quasi-szczytowej.
Detekcja zaburzeń radioelektrycznych
Zakres detekcji
• częstotliwość f
0
f
0
= 0,15
÷ 30 MHz
poziom sygnału
częstotliwość
zaburzenia
∆
f
f
m
Detekcja:
• pasmo ∆f
8 kHz
≤ ∆f ≤ 10 kHz
• detector wartości quasi-
szczytowej
1. CISPR Publication 16-1: „Specification for radio disturbance and immunity
measuring apparatus and methods - Part 1: Radio disturbance and immunity
measuring apparatus”, IEC International Special Committee on Radio Interference
2. CISPR Publication 16-2: „Specification for radio disturbance and immunity
measuring apparatus and methods - Part 2: Methods of measurement of
disturbances and immunity”, IEC International Special Committee on Radio
Interference
3. Polska Norma PN-CISPR 16-2: „Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) -
Wymagania dotyczące urządzeń i metod pomiarów zaburzeń radioelektrycznych i
odporności na zaburzenia radioelektryczne - Metody pomiarów zaburzeń
radioelektrycznych i odporności na zaburzenia radioelektryczne”
4. Polska Norma PN-93/T-06450 – „Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne.
Urządzenia i metody pomiarów zakłóceń radioelektrycznych”
5. PN-77/E-05118 Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne - Elektroenergetyczne
linie i stacje wysokiego napięcia - Dopuszczalny poziom zakłóceń - Ogólne
wymagania i badania terenowe
6. PN-E-05118/A1:1998 Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne -
Elektroenergetyczne linie i stacje wysokiego napięcia - Dopuszczalny poziom
zakłóceń - Ogólne wymagania i badania terenowe (Zmiana A1)
4
Charakterystyka filtru pasmowego
f
0
∆f
-6dB
∆f
-20dB
-6dB
-20dB
A
u
f
Odpowiedź filtru pasmowego
0
50
100
u
we
[%]
czas
a)
-100
-50
0
50
100
u
wy
[%]
czas
b)
Parametry filtru pasmowego
Szerokość pasma przenoszenia
∆f, określana dla
poziomu –6 dB, wynosi z reguły 9 kHz,
tłumienie dla częstotliwości f
0
± 20kHz ok. 60 dB.
Zakres strojonej częstotliwości środkowej f
0
klasycznego miernika zawiera się w przedziale
od 150 kHz do 30 MHz.
Detektor wartości quasi-szczytowej
τ
1
τ
2
D
C
R
Układ pomiaru wartości quasi-szczytowej to woltomierz wartości średniej
z prostownikiem o stałej czasowej ładowania
τ
1
= 1 ms i stałej czasowej
rozładowania
τ
2
= 160 ms. Ze względu na możliwość występowania efektu
nakładania się kolejnych impulsów na siebie wskazania takiego miernika
zależą nie tylko od wielkości ładunków wyładowań, ale również od
częstości ich występowania
Stosowane jednostki
Podczas pomiarów zakłóceń radioelektrycznych ich wielkość może
być określana zarówno w jednostkach bezwzględnych jak i
względnych:
– napięcia uzyskiwanego na wejściu miernika (wyjściu zespołu
antenowego);
w [
µV] i [mV] lub [dB
µV
] i [dB
mV
];
– natężenia pola wykrywanego przez antenę:
w [
µV/m] i [mV/m] lub [dB
µV/m
] i [dB
mV/m
];
W praktyce ze względu na występujące poziomy mierzonych sygnałów
częściej stosowane są jednostki względne – decybele [dB] – wyznaczane
względem pewnego określonego poziomu odniesienia,
zwykle U
0
= 1 [
µV].
Tabela 1. Przypomnienie zależności pomiędzy stosunkami wartości, a decybelami
Stosunek wartości
Decybele [dB]
Stosunek wartości Decybele
[dB]
1 0 1 0
10 20 0,1 -20
100 40 0,01 -40
1000 60 0,001 -60
2
1/2
~ 3
(1/2)
1/2
~
3
2 ~
6 ½ ~
-6
Przykład:
Napięcie na wejściu miernika wynosi 34 [dB
µV
] – określić wartość napięcia w
jednostkach bezwzględnych.
34 [dB
µV
] = 40 – 6 [dB
µV
]
co odpowiada w przybliżeniu wartości 100 * ½ = 50 [
µV]
5
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 10 20 30
45
40
35
30
25
20
15
częstotliwość f [MHz]
α
r
[dB]
45
40
35
30
25
20
15
A
B
C
D
E
F
G
H
Obliczanie wartości natężenia pola
Dla obliczenia wartości natężenia pola należy otrzymane wyniki pomiarów
napięć zakłóceń skorygować o wartość współczynników korekcji
wyznaczonych na podstawie wykresu 1.
Przykład
Dla częstotliwości 1 [MHz] poziom napięcia zakłóceń wynosi 34 [dB
µV
] –
wyznaczyć odpowiadającą mu wartość natężenia pola E.
współczynnik korekcji
α
r
(1MHz) = 31 [dB]
E [dB
µV
] = 34+31 = 65 [dB
µV/m
] co odpowiada polu ok. 1,8 [mV/m]
Dopuszczalne poziomy zakłóceń
Jakość odbioru radiowego dla modulacji AM uważa się za zadowalającą,
gdy poziom sygnału użytecznego jest wyższy o co najmniej 20 [dB] od
poziomu zakłóceń. Najwyższe poziomy zakłóceń generowanych przez
linie napowietrzne obserwuje się w zakresie od kilkuset kiloherców do
kilku megaherców (fale średnie).
Norma PN-77/E-05118 (Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne –
Elektroenergetyczne linie i stacje wysokiego napięcia - Dopuszczalny
poziom zakłóceń - Ogólne wymagania i badania terenowe) zaleca,
aby najwyższy poziom zakłóceń mierzonych w warunkach eksploatacji
w odległości 20 [m] od osi skrajnego przewodu fazowego przy
wilgotności powietrza nie większej niż 80% i temperaturze nie niższej
niż 5 [
°C] nie przekraczał 57,3 [dB] dla f
0
= 0,5 [MHz].
Pomiary zaburzeń RIV w diagnostyce linii
Pomiary zaburzeń RIV w diagnostyce linii
h
U
r
Electromagnetic wave
Synch
Spectrum
analyser
PD
Analyser
GPIB
DSO
antenna
h
r
r
d
< r
A
B
Metoda: przetwarzanie sygnałów
Metoda: przetwarzanie sygnałów
f [MHz]
p [dBm]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-100
-80
-60
-40
-20
0
∆f = 400 kHz
U [V]
t [ms]
0
5
1
0
15
20
-
4
-
2
0
2
4
DSO
DSO
PD
PD
Analyser
Analyser
+
U
s
-
U
s
0 90 180 270 360
phase [ °]
Spectrum
Spectrum
analyser
analyser
Analizator wyładowań ulotowych
Analizator wyładowań ulotowych
–
–
idea
idea
wizualizacji zaburzeń
wizualizacji zaburzeń
U [V]
t [ms]
0
5
10
15
20
-4
-2
0
2
4
+
U
s
-
U
s
0 90 180 270 360
phase [ °]
+
1
ϕ - u
memory location
Sygnał
Sygnał
Obraz
Obraz
6
Widmo tła elektromagnetycznego
Widmo tła elektromagnetycznego
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-100
-80
-60
-40
-20
0
f [MHz]
p [dBm]
14 m band
f [MHz]
p [dBm]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-100
-80
-60
-40
-20
0
11 m band
14 m band
f [MHz]
p [dBm]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-100
-80
-60
-40
-20
0
Widmo sygnału defektów modelowych
Widmo sygnału defektów modelowych
f [MHz]
U [dBm]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-100
-80
-60
-40
-20
0
defect B
f [MHz]
p [dBm]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-100
-80
-60
-40
-20
0
defect A
Selekcja częstotliwości detekcji
t [ms]
u [mV]
f
m
= 10 MHz
0
5
10
15
20
-20
-10
0
10
20
t [ms]
u [mV]
0
5
10
15
20
-20
-10
0
10
20
f
m
= 22,5 MHz
t [ms]
u [mV]
0
5
10
15
20
-20
-10
0
10
20
f
m
= 40 MHz
Wybór
Wybór
defekt A
Selekcja częstotliwości detekcji
defekt B
t [ms]
u [mV]
f
m
= 10 MHz
0
5
10
15
20
-100
-50
0
50
100
t [ms]
u [mV]
f
m
= 22,5 MHz
0
5
10
15
20
-100
-50
0
50
100
t [ms]
u [mV]
f
m
= 40 MHz
0
5
10
15
20
-100
-50
0
50
100
Wybór
Wybór
Obrazy fazowo
Obrazy fazowo
-
-
rozdzielcze zaburzeń RIV
rozdzielcze zaburzeń RIV
+U
s
- U
s
b)
0 90 180 270 360
Phase [
°]
0 90 180 270 360
Phase [
°]
+U
s
- U
s
c)
Defekt
Defekt
A
A
Defekt
Defekt
B
B
+U
s
- U
s
0 90 180 270 360
Phase [
°]
Line corona
Line corona
Defekty rzeczywiste na liniach przesyłowych
7
Defekty rzeczywiste na liniach przesyłowych
Obluzowany odstępnik – model i efekt
Inspekcja linii przesyłowej
Sygnał zaburzeń RIV i jego źródło