CIGRE TF 15.01.09 Dielectric Response Methods for Diagnostics of Power Transformers
Dielektromos válasz módszerek transzformátorok diagnosztizálására
Members S. Gubanski (chair), CTH, Sweden P. Boss, ABB, Switzerland G. Csepes, HPC, Hungary V. Der Houhanessian, Alff Eng., Switzerland J. Filippini, CNRS, France P. Guuinic, EDF, France
U. Gäfvert, ABB, Sweden V. Karius, Trench, Switzerland J. Lapworth, NGC, UK G. Urbani, Tettex, Switzerland P. Werelius, Programma, Sweden W. Zaengl, Alff Eng., Switzerland
CIGRE TF 15.01.09 Munkabizottság feladata Az olaj-papír szigetelésben fellépő polarizációs jelenségek eddigi ismereteinek összefoglalása Modell mérések és dielektromos válaszjelenségek értelmezése (RVM, PDC, and FDS). RVM: Recovery (or Return) Voltage Measurements PDC:Polarisation and Depolarisation Currents FDS: Frequency Domain Spectroscopy A mérések végrehajtása valós transzformátoron A dielektromos mérési eredményeket befolyásoló paraméterek vizsgálata Irányelvek Electra publikációhoz
Tevékenységek Olaj-papír szigetelés modellezése (EdF and Haefely Trench gyártmányú „Pancake” model)
- Különböző szigetelési állapotok Alállomási mérések - NGC transzformátorok (UK) - Vattenfall transzformátorok (Sweden) Összegző találkozók - kapott eredmények megvitatása - meghívott előadók előadásai
PANCAKE modell Olaj-papír szigetelés modellezése (EdF and Haefely Trench gyártmányú „Pancake” model) A „Pancake” modellt az ALSTOM-Vénissieux
(France) gyárban készítették el, a szokásosan használt Kraft Thermo 70 papírból és Nynas Nytro 10GBN szigetelőolajból A modell 8 „pancake” alakú tekercsből áll (A-H) közöttük olajcsatorna különböző olaj/pressboard arányokkal (85/15 to 0/100 olaj/pressboard arány)
7
Air
10
3
5 ≈1560mm ≈1510mm ≈1300mm ≈1190mm
≈650mm
2
≈290mm ≈832mm ≈890mm ≈950mm ≈1040mm
6 4 8
1
Insulated conductors
10
Porcelain Copper conductors
Air
1
2
4 3 ≈
5
8
9
7
6
1560mm
Dynamic properties of dielectrics P(t) = P∞ + Pr (t) 0 ≤ Pr (t) ≤ (Ps − P∞ ) P, E E P
Ps
Pr(t) P∞ τ
t0 t
t
P(t) = ε0(ε∞ −1)E(t) + ε0 ∫ f(t − t0 ) E(t0 )dt0 −∞
Measurements Time domain polarisation & depolarisation currents
Frequency domain Fourier transform dielectric permittivity & losses
return voltage
Dispersive formula of polarisation ∞
ε (ω ) = ε ∞ + ∫ f (t) e− jωt dt 0
relaxation polarisation
dielectric losses
∞
ε (ω ) = ε ∞ + ∫ f (t) (cos ω t − jsin ω t )dt = 0
∞
∞
0
0
ε ∞ + ∫ f (t) cos ω tdt − j∫ f (t) sin ω tdt ε′
ε ′′ ε (ω ) = ε ′(ω ) − j ε ′′(ω )
Polarizáció mechanizmusa A gyakorlatban a legtöbb szigetelésrendszer számos különböző dielekromos anyag keveréke. Nagyon fontos, hogy megértsük, hogy minden egyes anyag saját dilelektromos válasszal rendelkezik, és ha „összerakjuk” azokat a teljes válaszfüggvény nemcsak az egyes összetevők tulajdonságait fogja visszaadni, hanem tükrözni fogja azokat a tulajdonságokat is, ahogy az összetevők egymásra hatnak. Ilyen eset az, amikor egy ionos vezetéssel rendelkező szigetelő folyadék kerül kapcsoltba egy kisebb vezetőképességű szilárd anyaggal, mint amilyen az olaj-papír szigetelési rendszer Amikor ez a két anyag érintkezésbe kerül (határfelülettel rendelkezik), töltés felhalmozódás fog kialakulni a határfelületen, mivel különbözőek a villamos tulajdonságaik. Ezt a fajta polarizációt hívják „Maxwell-Wagner” vagy határfelületi polarizációnak.
Transzformátor tekercsek sematikus elhelyezkedése
Winding C
Winding B
LIMB
Winding A
YOKE
YOKE
Magtípusú transzformátorokban főszigetelés rendszerint pressboard hengerekből, amely axiális távtartókkal kerül elválasztásra
The range for the relative barrier amount X is typically 0.15 to 0.5 (20 % to 50%). The relative spacer coverage Y is typically 0.15 to 0.25 (15 % to 25 %).
1-Y
Y SPACER
OIL
1-X
BARRIER
X
PANCAKE modell mérések A 3 módszerrel 3 különböző esetben került sor mérésekre 1 – röviddel a modell elkészülte után (1999 nyarán) 2 – a modell 65 °C –ra történő felmelegítése után(1999 nov/dec) 3 – röviddel az eredeti olaj használt (Nynas Nytro 10GBN) kevésbé vezetőképes (új) olajjal (Shell Diala D) történő feltöltés után
RVM mérés
iR (t ) = σ dcU R (t ) + ε 0ε ∞ for t2 < t < ∞
dU R (t )
and
dt
t
d + ε 0U 0 ( f (t ) − f (t − t1 )) + ε 0 ∫ f (t − τ )U R (τ ) dτ = 0 dt t2
U R (t = t2 ) = 0
RVM: Recovery (or Return) Voltage Measurements
RVM: Recovery (or Return) Voltage Measurements
RVM mérés 1000
03
02
70/30 58s 111V
04
85/15 74s 118V
50/50 55s 92V
URVM = 500V DC Urmax(V)
100
10
01
06
05
0/100ce 3600s 42.1V
0/100ou 284s 41.6V
0/100ce+ou 114s 39.0V
01
05
06
0/100ce 484s 45.9V
0/100ce+ou 314s 38.9V
0/100ou 125s 41.6V
tc(s)
10000
5000
2000
1000
500
200
100
50
20
10
5
2
1
0.5
0.2
0.1
0.05
0.02
1
Pancake model RVM measurements 03
1000
02
70/30 77s 386V
04
85/15 132s 443V
50/50 74s 292V
URVM = 2000V DC
Urmax(V)
100
06
10
01
01
0/100ou 363s 162V
0/100ce 484s 156V
0/100ce 6490s 114.2V
05 0/100ce+ou 382s 163V
5000
2000
1000
500
200
100
10000
tc(s)
50
20
10
5
2
1
0.5
0.2
0.1
0.05
0.02
1
RVM: Recovery (or Return) Voltage Measurements
3
10
2
10
1
Rmax
max of return voltage U
[v]
10
8 5 / 1 5 o i l- p re s s b o a r d r a t io 10
0 / 1 0 0 o i l- p re s s b o a r d r a t io
0
10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
c h a rg in g t im e t [ s ] c
2
10
3
10
4
Pancake RVM modelling Umax= 24.2549V at t= 279s dU/dt0=1.0796 V/s
2
10
<-calc.1 <-calc.2 <-d3r100s.txt
<-calc.3
1
10
U [V]
<-d1r100s.txt <-d2r100s.txt
0
10
3 különböző olajcsatorna kék:: 02 24/20 piros: 03 34/33, zöld: 04 53/55 -1
10
-1
10
0
10
1
2
10
10 TIME [s]
3
10
4
10
RVM measurements 03
1000
02
70/30 77s 386V
04
85/15 132s 443V
50/50 74s 292V
URVM = 2000V DC
Urmax(V)
100
06
10
100
03 70/30
01
01
0/100ou 363s 162V
0/100ce 484s 156V
0/100ce 6490s 114.2V
05 0/100ce+ou 382s 163V
04 50/50
02 85/15
10
dUr/dt(V/s)
01
1
0/100ce
05 0/100ce+ou
06
0.1
0/100ou
0.01 0.1
1
10
Urm ax(V)
100
1000
5000
2000
1000
500
200
100
10000
tc(s)
50
20
10
5
2
1
0.5
0.2
0.1
0.05
0.02
1
Pancake model PDC measurements 1E-8
ETH Zürich
Current (A)
02/36 V/5'000 s 1E-9
5300-98/NN/PDC/02-04/ 03/42 V/5'000 s
1E-10
ipol idepol 1E-11 1E+0
1E+1
04/60 V/5'000 s
θ = 20 °C 1E+2
.
Time (s)
1E+3
1E+4
PDC measurements 1.00E-8 8 6
02.08.99 before heating
4
09.11.00 after heating 2nd measuring
current [A]
2
21.02.00 after heating 1st measuring
1.00E-9 8 6
01.03.01 after oil change
4
2
1.00E-10 8 6
2nd configuration 10 mm oil/2 mm pressboard Uc=36 V, Tc=5'000 s, Temp: 20°C
4 2
1.00E+0
4
6
8
1.00E+1
2
4
6
8
1.00E+2
time [s]
2
4
6
8
2
1.00E+3
σ dc i p (t ) = C0U 0 + ε ∞δ (t ) + f (t ) ε0 id (t ) = −C0U0 (ε∞δ (t − t1 ) + f (t − t1 ) − f (t ))
4
6
8
1.00E+4
PDC:Polarisation and Depolarisation Currents 1.00E-8 8 6
02.08.99 before heating
4
09.11.00 after heating 2nd measuring
current [A]
2
21.02.00 after heating 1st measuring
1.00E-9 8 6
01.03.01 after oil change
4
2
1.00E-10 8 6
2nd configuration 10 mm oil/2 mm pressboard Uc=36 V, Tc=5'000 s, Temp: 20°C
4 2
1.00E+0
4
6
8
1.00E+1
2
4
6
8
1.00E+2
time [s]
2
4
6
8
1.00E+3
2
4
6
8
1.00E+4
Pancake model-PDC modelling 10
-9
CURRENT [A]
10
P OL. CURRE NT
-8
<-h p2lc.3 .da t <-ca
10
-10
<-h p4lc.1 .da t <-ca <-ca <-h p6lc.5 .da t
Influence of geometry Same materials 10
-11
10
0
10
1
2
10 TIM E [s ]
10
3
10
4
FDS: Frequency Domain Spectroscopy 10
F requenc y dependant los s of P res s board c ontainig 1% m ois ture
-7
20 0 C 50 0 C
10
80 0 C
-8
M as ter C urve at 20 0 C C orres ponding ac tivation energy = 0.95
-9
C'' (F)
10
10
10
10
-1 0
-1 1
-1 2
10
-8
10
-6
10
-4
-2
10 frequenc y (H z )
10
0
10
2
10
4
FDS measurements 10
1
(02) 85/15 oil/solid (03) 70/30 oil/solid (04) 50/50 oil/solid
10
loss tangent, tanδ
10
-7
10
(01) no oil gaps
0
-1
(02) 85/15 oil/solid (03) 70/30 oil/solid10
-2
(04) 50/50 oil/solid (01) no oil gaps
capacitance, F
10
-3
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
frequency, H z
10
-8
ε ′′(ω ) tgδ (ω ) = ε ′(ω ) 10
-9
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
frequency, Hz
10
1
10
2
10
3
10
1
10
2
10
3
FDS: Frequency Domain Spectroscopy
Tg delta - RVM
Pancake modell: FDS mérés
loss tangent, tanδ
10
1
-7
10
(02) 85/15 oil/solid
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
(02) 85/15 oil/solid
(03) 70/30 oil/solid
(03) 70/30 oil/solid
(04) 50/50 oil/solid
(04) 50/50 oil/solid
(01) no oil gaps
(01) no oil gaps
capacitance, F
10
-8
10
-9
10 -4
-3
10
10
-2
10
-1
10
0
frequency, Hz
1
10
10
2
10
3
10
-4
-3
10
10
-2
-1
10
10
0
frequency, Hz
1
10
2
10
3
10
Pancake modell: FDS modelling Measured 10
Tan-Delta
10
1
Calculated
02 24/20/39
02 calc
03 34/33/56
03 calc
0453/55 79
04 calc
0195/10/96
01calc
0
10
-1
10
-2
10
-3
Influence of geometry the same materials
10
-5
10
-3
10
-1
Frequency [Hz]
10
1
10
3
Pancake model FDS modelling 1
Measured
3pS/m mod
1 pS/m mod
4pS/m mod
10
2 pS/m mod 0
Tan-Delta
10
-1
10
Influence of oil conductivity -2
10
-3
10
-5
10
-3
10
10
-1
Frequency [Hz]
10
1
3
10
Pancake modell Első következtetések Mindegyik dielektromos mérésnél: – σ oil ≈ 2-3 pS/m – Nedvesség a board-ban < 1%
A mérések függnek: – Olaj tulajdonságától – Cellulóza tulajdonságától – Geometriától
Még több tapasztalatot kell gyűjteni: – A modell termikus viselkedéséről – olajcseréről
Pancake model RVM az olajcsere után CNRS, Grenoble-France
Trench, Basel-Switzerland -3
tanδ at 50Hz (10 )
Shell Diala D
Corresponding RVM tests (date)
tanδ at Conducti vity Temp. 50Hz (pS/m) -3 (10 )
26/27.02.01
21°C
0.039
1000
Urmax(V)
60°C
80°C
90°C
100°C
0.1
no meas.
no meas.
2.0
3.1
02 85/15 1677s 110V
U RVM = 500V DC 100
0.24
30°C
RVM tests results after oil change Date: Fe brua ry 2001
10
04 50/50 564s 90.4V
1
0.1 0.01
0.1
1
10 tc(s)
100
1000
10000
Electric Water content strength according at to 20°C to IEC 156 24°C
no meas.
77 kV
Pancake model 4
Pancake model 2nd config. θ ~ 20 °C
2
1E+0
1E-1
1E-8
III) 01.03.01 after oil change
9 8 7 6 5
I) 02.08.99 before heating
4 3 2
1E-4
tan δ
Capacitance (F)
3
calc. C calc. tanδ
1E-2
measured .
1E-3
1E-2
1E-1
1E+0
Polarisation spectrum (V)
continuation 1E+2
I) 02.08.99 before heating III) 01.03.01 after oil change
measured 1E+1
1E+0 1E+0
Frequency (Hz)
Modelling by Alf Engineering
Pancake model (2nd config.) Polarisation spectra calculated from PDC Uc = 500 V, Tc/ Td = 2 θ = 20 °C 1E+1
1E+2
Charging duration (s)
1E+3
Következtetések A CIGRE TF 15.01.09 itt bemutatott munkája meggyőzően bizonyítja, hogy a „dielektromos válasz módszerek” értékes információval szolgálnak a transzformátorok olaj-papír szigeteléséről, főleg a nedvességtartalomról. Az itt szereplő három dielektromos mérés vizsgálata azt mutatja, hogy az olajcsatorna, az olaj állapota, főleg az olaj vezetőképessége hatással van a válaszfüggvényekre, ezért figyelembe kell venni hatásukat, amikor e három mérés eredményeiből a szilárd szigetelőanyag nedvességtartalmát becsüljük
Következtetések (folyt.) Az RVM módszer esetén a „régi” elemzés, amely csak a domináns időállandó és a cellulóza nedvességtartalmán alapult, nem elégséges, egy „javított” adatelemzés szükséges, azaz elemezni kell a teljes mért görbét. Ez az minőségileg javított adat elemzés megoldja a korábban felmerült anomáliákat.
Következtetések (folyt.) Megállapítható, hogy a geometriai elrendezésnek van hatása a mérési eredményekre, de hatásuk nem olyan jelentős, mint az olaj vezetőképességéé. A transzformátor szigetelés jellegzetes olajcsatornák méreteit elemezve megállapítható volt, hogy elsősorban az olajcsatorna léte a van hatással az eredményekre, az olajcsatorna mérete már kevésbé fontos.
Következtetések (folyt.) A matematikai modell kapcsolatot teremt a három módszer mért eredményei között és megmutatják, hogy az olaj vezetőképesség (fajlagos ellenállás), nedvességtartalom, és a mért objektum geometriája hogyan befolyásolja a mérési eredményeket. A fentiek miatt szükséges a szigetelési rendszert alkotó összetevők tulajdonságainak ismerete. Ilyen jellegű modellezés ajánlott a három módszer eredményeinek elemzéséhez.
Következtetések (folyt.) A transzformátorok élettartamára vonatkozó üzemeltetési döntések teljes biztonságú meghozatala előtt, a három módszernél további pontosítások szükségesek. Elsősorban a három módszer által meghatározott nedvességtartalom eredményeinek összevetése szükséges a kémiai alapmódszerek eredményeivel. A különböző típusú „pressboard” ill. papír, ill. öregedési termék hatása (az olaj vezetőképessége és nedvességtartalma mellett) a dielektromos válaszfüggvényekre még nem meggyőzően kimunkált.
Következtetések (folyt.) Mivel mindhárom módszer különböző elveken alapuló és gyakorlati kivitelű, mindegyiküknek meg van a saját előnyük ill. hátrányuk. A fentebb említetteket kell értékelni, mielőtt valaki az egyik vagy másikat módszert ajánlaná. .
GUIDE for Life Management Techniques For Power Transformers Prepared by CIGRE WG A2.18 20 January 2003 Members and former members contributing to the studies are: V. Sokolov (UKR) – Convenor J. Lapworth (GBR), J. Harley (USA), P. Guuinic (FRA) – Task Force Leaders G. Alcantara (ESP), B. Astrom (BRA), J. Aubin (CAN), P. Austin (AUS), R. Baehr (DEU), P. Balma (USA), C. Bengtsson (SWE), Z. Berler (USA), P. Boss (CHE), F. Cabezon (ESP), K. Carrander (SWE), P. Christensen (BEL), G. Csepes (HUN), T. Domzalski (POL), R. de Lhorbe (CAN), K. Eckholz (DEU), N. Fantana (DEU), H. Fujita
Gibeault (CAN), P. Goosen (ZAF), P. Griffin (USA), S. Hall (GBR), G. Jiroveanu (ROM), J. Isecke (USA), A. Kachler (DEU), J. Kanters (NLD), M. Kazmierski (POL), J. Kelly (USA), M. Lachman (USA), J. Lackey (CAN), P-G Larsen (NOR), P. Leemans (BEL), S. Lindgren (USA), A. Lokhanin (RUS), L. Magallanes (MEX), A. McIntosh (GBR), O. Monzani (ITA), B. Noirhomme (CAN), T. Noonan (IRL), B Pahlavanpour (GBR), G. Polovick (CAN), L.J. Posada (MEX), V. Samoilis (GRC), L. Savio (USA), R. Sobocki (POL), C. Stefanski (USA), U. Sundermann (DEU), M. Svensson (SWE), M. Thaden (USA), T. Traub (USA), L. Valenta (CZE), B. Vanin (RUS), S. Van Wyk (ZAF), G. Zafferani (ITA).
SAFETY MARGIN
LIFE EXTENSION
CRITICAL LEVEL REMEDIAL REPAIR
NORMAL
DEFECTIVE
FAULTY
FAILED
