1. مقدمه بگيرند اما يك طرح دو بعدي براي عايق اصلي ترانسفورماتور كافي ميباشد. با ساده سازي شكل عايق اصلي بين سيم پيچ HV و سيم پيچ LV به

Transcript

1 No. F-16-TRN-1277 عيب يابي عايق كاغذ روغن ترانسفورماتور قدرت به روش FDS محمد مرتاضي احمد مرادي دانشگاه آزاد اسلامي واحد تهران جنوب تهران ايران چكيده سنجش حوزه ي فركانس سيستم هاي عايقي كاغذ روغن روش تشخيص جديدي براي تخمين زدن كهنگي و مقدار رطوبت در لايه هاي عايق ترانسفورماتور هاي برق را ميسر ساخته است. اولين قدم اندازه گيري و آناليز كردن رفتار دي الكتريك سيستم هاي ورقه كاغذي و وابستگي آنها به دما و مقدار رطوبت و كهنگي فراورده ها در روغن و پرس برد در ميان يكديگر است. اين مقاله هدايت الكتريكي عايق روغن و پرس برد با مقادير پارامترهايي مثل دما و رطوببت را توصيف ميكند. رسانايي الكتريكي به نوع عايق الكتريكي وابسته است كه اين رسانايي از روش تكرار محاسبات بر روي ترانسفورماتورهاي قدرت صورت ميگيرد. ويژگي هاي هندسي ترانسفورماتور ها به شكل تخميني صورت گرفته است. از اين رو يك مدل پايه براي ترانسفورماتور به دست امده است. سپس اين مدل با اندازه گيري هاي ) FDS طيف سنجي حوزه فركانس ( به دست آمده از كار ترانسفورماتور مقايسه و تاييد شده است. واژههاي كليدي هدايت الكتريكي پاسخ فركانسي دي FDS كاغذ روغن دي الكتريك پرس برد الكتريك 1. مقدمه به عنوان طيف نگاري دامنه فركانس (FDS) نيز شناخته ميشود كه در دهه ي اخير به عنوان روشي براي اندازه گيري رطوبت در عايق سلولز در ترانسفورماتور مورد استفاده قرار گرفته است. مدل ساري لايه ه يا ترانسفورماتور قدرت مبتني بر شكل ساده و فرضي ميباشد. اشخاص ميتوانند شكل سه بعدي عايق اصلي را در نظر بگيرند اما يك طرح دو بعدي براي عايق اصلي ترانسفورماتور كافي ميباشد. شكل (1)- عايق اصلي ترانسفورماتور قدرت با ساده سازي شكل عايق اصلي بين سيم پيچ HV و سيم پيچ LV به شكل عايق دو لايه اي شامل روغن و كاغذ سلولوزي مطرح شده است. به علاوه فرض ميشود كه طيف دي الكتريك عايق كاغذي ميتواند براي سه شاخه رسانايي الكتريكي و مدل ريلكسيشن عايف لايه لايه و ضريب نسبي دي الكتريك وابسته مي باشد. به عبارت ديگر طيف دي الكتريك عايق روغني مي تواند با هدايت الكتريكي اش تكرار شود و اين وابسته به ثابت

2 دي الكتريك ميباشد. با توجه به محدوده طيف فركانس گرفته شده دي الكتريك روغن هيچ گونه رفتار قطبي شدن را نشان نمي دهد. نتايج آزمايشگاه درستي و فرض اشاره شده در بالا را تاي دي مي كند. ميدان الكتريكي بين قسمت HV و LV هسته همگن فرض شده است. اين فرض ميتواند براي برش قسمت هاي مهمي از عايق هسته بكار گرفته شود. صفحات مواد عايقي به صورت عمود بر ميدان الكتريكي فرض شده اند. رسانايي سطحي مواد عايقي نيز ناچيز فرض شده است. با اين مفروضات لازم به ذكر است كه مدل به دست آمده از عايق ساده شده و شبيه به 2 لايه از خازن ميباشد. معادله 1 براي محاسبه ظرفيت خازني معادل در داكت اصلي عايق استفاده ميشود. تابع مجموع دي الكتريك براي پرس برد εpb مدل شده با تابع دي الكتريك لايه لايه و رسانايي به صورت زير است : اسپيسر نيز ميتواند با همان تابع دي الكتريك پرس برد مدل شود زيرا جنس اسپيسر و پرس برد ها از يك نوع سلولوز ميباشد. تابع دي الكتريك عايق روغن تاثيرات قطبي شدن در فركانس مطرح شده را نشان نميدهد بنابراين با تابع زير ميتوان مدلش كرد : هم رسانايي روغن و هم پرس برد هردو با مقدار رطوبت و دما تغيير ميكند. تحقيقات بسياري در شرايط Arrhenius-type انجام شده كه بستگي به دما را براي رسانايي عايق روغن را با معادله زير نشان مي دهد كه اين شرايط دراندازه گيري ه يا اين لابراتوار نيز رعايت شده است : شكل ( 2 )-مدل عايقي در ميدان الكتريكي همگن كه EA انرژي اغازين فعاليت و Rm مقدار محتويات گاز ميباشد. 2. شبيه سازي. زماني كه نتايج براي اندازه گيري مطرح و سپس بيرون اورده شد نياز به شبيه سازي به عنوان هسته ي مركزي روش عيب يابي براي كنترل دستگاه هاي اندازه گيري FDS بسيار حياتي ميباشد. ما براي شبيه سازي از يك مدل اهمي خازني براي عايق اصلي ترانسفورماتور استفاده ميكنيم. اندازه گيري هاي FDS معمولي بر پايه ي فركانس هاي كم تا 100 ميكرو هرتز انجام ميگيرد كه اين امر سبب طولاني شدن اجتناب ناپذيري در زمان اندازه 2

3 گيري در فركانس هاي پايين ميشود. همچنين اين روش به دليل مقاومت در برابر نويز هاي محيط گزينه ي خوبي ميباشد. همچنين وجود نويز در محيط باعث افزايش زمان متوسط در تقويت كننده ميشود كه يك مشكل تكنيكي در دستگاه هاي عيب يابي عايق كاغذ روغن ترانسفورماتور قدرت به روش FDS FDS تجاري موجود ميباشد. پس در مقالات چديد در زمينه ي عيب يابي به اين روش تلاش بر كوتاه كردن زمان اندازه گيري نيز انجام شده است. ما در اين مقاله براي اندازه گيري از تكنيك استفاده از موج سينوسي متناوب استفاده ميكنيم. كه اين امر سبب كاهش قابل توجهي در زمان اندازه گيري ميشود. شكل (5) - نتايج به دست آمده از شبيه سازي شكل (3)- موج سيسنوسي ورودي شكل (4)- مدار اهمي خازني مورد شبيه سازي 3

4 3,1 رسانايي روغن 3.نتايج آزمايشگاهي عيب يابي عايق كاغذ روغن ترانسفورماتور قدرت به روش FDS رسانايي نمونه هاي عايق روغن از ترانسفورماتور هاي قدرت با تغيير دما در آزمايشگاه هاي داخلي اندازه گيري شده است. دما در اين تست به صورت پلكاني و 10 درجه سانتي گراد از 20 تا 110 درجه سانتي گراد افزايش يافته است. رسانايي با جريان مستقيم با ولتاژ 500 ولت با پلاريته مثبت و منفي اندازه گيري شده است. چون تغيير مهم و زيادي بين نتايج پلاريته مثبت و منفي وجود ندارد تنها نتايج اندازه گيري از پلاريته مثبت در شكل 6 نمايش داده شده است. نتايج به دست آمده ثابت ميكند كه ضريب رسانايي به دماي Arrhenius-type بستگي دارد. رسانايي ويژه كه از حالت Arrhenius اندازه گيري شده منحني با شكل هاي متفاوتي را براي ميدان ها و غلظت هاي متفاوت نشان ميدهد. براي ميدان يكسان منحني پيري عايق به صورت خطوط موازي شيفت يافته نشان داده شده است. شكل 6 رفتار رسانايي ويژه نمونه هاي مختلف روغن در مقابل دما را نشان ميدهد. در حالت بالا انرژي فعال سازي غالبا به متوسط و غلظت ديناميكي اندازه گيري شده وابسته است. ارتباط رسانايي ويژه و دماي روغن بر اين حقيقت استوار است كه غلظت بالا و دماي كم مقاومت بالايي در برابر تمايل حركت حامل هاي شارژ شده از يون ها از غلظت پايين و دماي بالا نشان ميدهد. اين يون ها ميتوانند به صورت گوي هاي داراي شارژ و ميدان الكتريكي در داخل سيال در حال اندازه گيري حركت نمايند. شكل (6)- وابستگي دما به رسانايي ويژه روغن ترانسفورماتور هاي نمونه در سرويس 3,2 اندازه گيري هاي پرس برد براي تست پرس برد يك محفظه داراي اب و هواي ثابت استفاده شده است. تابع دي الكتريك بسيار به تغييرات اب و هوا حساس مي باشد پس وجود محفظه ي اب و هوايي بسيار ضروري است. محفظه ي اب و هوايي براي مرطوب كردن پرس برد نمونه و همچنين ثابت نگه داشتن دما در طول آزمايش استفاده ميشود. پرس برد ها ابتدا مرطوب و سپس با عايق روغن جديد اشباع ميشوند. رطوبت _ 0,7 1,2_ 2,5_3,5 و 7 درصد در اين آزمايش فراهم شده. كه اندازه گيري هاي %7 در زمان نشر اين مقاله همچنان در حال انجام بوده و نتايج آن در اين مقاله نشان داده نشده است. اندازه گيري هاي دي الكتريك با ALFA-A دي الكتريك اناليزر از شركت نول تكنولوژي انجام شده است. منحني نمونه رسم شده در شكل 4 صحت منحني هاي كشيده شده را نشان ميدهد. منحني قرمز رنگ منحني نمونه و منحني با نقاط آبي رنگ در بالاي شكل نمونه نمايشي از قسمت موهومي و حقيقي ظرفيت خازني و در پايين آن ضريب تلفات Tan δ رسم شده است.و اين مورد به خوبي قابل ملاحظه است كه منحني نمونه كاملا منطبق بر منحني اندازه گيري شده ميباشد. پس رسانايي پرس برد در مقادير مختلف رطوبت و دما توضيح داده شد. و نتايج آن در شكل 8 نمايش داده شده است. 4

5 همانگونه كه در شكل 8 نشان داده شده است رسانايي پرس برد اشباع شده با روغن متاثر از ميزان رطوبت و دما مي باشد. شكل 8 تغيير رسانايي بر حسب رطوبت و دما را به صورت لگاريتمي نشان ميدهد. شبيه شكل 6 براي عايق روغن با فرض مطمي ني مي توان تابع Arrhenius را شبيه تابع شماره 4 براي فرايند هاي گرمايي و آنچه دنبال ميكنيم بيان نمود. در شكل 8 اين مورد قابل رويت است كه در رطوبت هاي متفاوت خطوط با شيب يكسان و به طور شيفت يافته از هم رسم شده اند. و ضمنا براي تاثير رسانايي از دو تابع تشريحي ) تجربي ( دما و رطوبت در پرس برد استفاده نمود. اين وابستگي به رطوبت ميتواند در عيب يابي ترانسفورماتور هاي قدرت كه در بخش 4,1 شرح داده ميشوند مورد استفاده قرار گيرد. شكل( 7 ) - منحني اندازه گيري شده پاسخ فركانسي تابع دي الكتريك پرس برد اشباع شده با روغن شكل( 8 ) - وابستگي دما به رسانايي ويژه پرس برد اشباع شده با روغن در رطوبت 4.مقايسه مدل FDS در ترانسفورماتورهاي قدرت مدل عايقي ترانسفورماتور قدرت در شكل 2 قطعا مدلي ساده ميباشد. اين مدل هرگز براي عيب يابي ضريب دي الكتريك ترانسفورماتور در صورتي كه ساختار هندسي ترانسفورماتور را شناخته باشيد كافي نيست. اين داده ها بياني از طرح بسيار ساده آرشيو شده از توليد كننده گان ميباشد. دانش در مورد مواد عايقي مثل روغن و كاغذ و پرس برد بسيار براي اهداف عيب يابي مناسب ميباشد. داده ها به تابع 1 داده ميشود سپس به صورت تابع غير خطي كمترين مجموع مربعات نمودار با روش FDS رسم ميشود. مقادير به دست آمده از تابع 1_2 و 3 در مورد عايق اصلي ترانس مقادير كافي اي ميباشند. در اين مقاله نتايج سه ترانسفورمر ژنراتور بيان شده است. تراسفورماتور ها عملكرد معمولي در بار زياد و ثابت را دارا هستند و تنها حساسيت بيشتري به پيري عايق در مقايسه با ترانسفورماتور هاي جايگزين در زير تنش ها و نوسانات زياد بار را دارا هستند. پارامتر هاي الكتريكي و ه دن سي ترانس ها در جدول 1 نشان داده شده است. قابل ذكر است كه اين ترانسقورماتور ها از سه شركت متفاوت كه نام انها بيان نميشود انتخاب گرديده لذا تفاوت در شكل هاي به دست آمده از داده ها امري بديهي ميباشد. و اين تفاوت محدود در نتايج به دست آمده به دليل استفاده از مواد مختلف در ساخت عايق توسط توليد كننده گان ميباشد. منحني به دست آمده مشابه منحني تشخيص داده شده از پرس برد در شكل 7 ميباشد كه همچنين با اندازه گيري FDS در ترانس تشخيص داده شد و نتايج در شكل 9 نمايش داده شده است. جدول 2 نتايج پارامتر هاي روغن و پرس برد را نمايش ميدهد. 5

6 4,1 روش عيب يابي رسانايي پرس برد به دست امده در شكل 8 ضرب ميشود تا ميانگين رطوبت مشخص گردد. با اين وجود مقادير به دست آمده به وسيله رطوبت سنج براي پرس برد كه به صورت نمونه از ترانسفورناتور در سرويس گرفته شده نياز به بازبيني دارند. اين امر در ترانسفورماتور در زمان جدا سازي ترانسفورماتور قابل انجام است. پس تمام نتايج به دست آمده در اين مقاله از آن نقطه به بعد ميباشد. براي T 3 و T 2 جداسازي برنامه ريزي شده اند و نتايج مطالعات بر آنها در مقالات بعدي چاپ ميگردد. محتويات رطوبت نمونه هاي پرس برد از طي فرايندي طولاني و با حالت هاي مختلف انجام شده تا پخش رطوبت و نتايج به دست امده در شكل 10 را توضيح دهد. شكل( 9 )-منحني تابع 1 در عايق اصلي با اندازه گيري هاي FDS با استفاده از پارامتر هاي جدول 1 شكل( 10 ) - محتويات رطوبت از پرس برد در در نقاط بالايي 6

7 نتايج شكل 10 نشان ميدهد كه رطوبت بالاتر از نقاط بالايي ترانسفورماتور ميباشد. اين ميتواند توسط پديده هات اسپات كه در نقاط بالايي ترانسفورماتور رخ داده است شرح داد. افزايش دما فراين پيري و سپس دي پليمريزاسيون در پرس برد را تسريع ميكند. و همچنان كه در تحقيقات افراد ديگر مشخص است پيري عايق نتيجه ي رطوبت در عايق ميباشد. از جدول 2 ميتوان ديد كه ميانگين رسانايي ويژه پرس برد با روش هاي رسم نمودار حدود fs/m41 تعيين شده است. ميانگين دماي روغن در طول اندازه گيري هاي FDS حدود 21 درجه سانتي گراد ميباشد. ترانسفورماتور 10 روز قبل براي سرويس از مدار خارج شده است پس دماي آن را ميتوان در نقطه ي تعادل در نظر گرفت. هنگام ضرب يكي از مراجع با دماي 21 درجه در شكل 5 مقادير ميانگين رطوبت بين %1,2 و %2,5 پيدا ميكند و به مقادير بالا نزديك تر ميشود. اين مقدار به مقادير اندازه گيري شده رطوبت از پرس برد هاي نمونه بسيار نزديك است. براي تحقيق درستي اين موارد خطوط موازي شيفت يافته در منحني بايد توسط مولف بررسي گردد. 5.نتيجه گيري مدل شرح داده شده در اين مقاله براي عايق اصلي بر پايه شكل هندسي و تركيب پارامتر هاي مواد طراحي شده است. براي اين هدف مدل لايه لايه دي الكتريك به شكل ساده اي از تابع Havriliak-negami رسم شده است. اين تابع از ضريب ويژه رسانايي و پرمتيويتي نسبي براي ساختن تابع دي الكتريك مواد عايقي پيدا شده در ترانسفورماتور استفاده ميكند. اين مدل آزمايشات وسيعي را پشت سر گذاشته وثابت شده كه تابع دي الكتريك ساخته شده براي عايق روغن و پرس برد اشباع شده با روغن قابل قبول و اطمينان است. نتايج عيب يابي آورده شده در اين مقاله با نمونه هاي پرس برد ترانسفورماتور هاي در سرويس بازبيني شده و كاملا مورد اطمينان است. روش ديگر بازبيني, نتايج اندازه گيري FDS براي برند هاي ديگر ترانسفورماتور كه به عنوان مرجع براي محك اندازه گيري و تعيين سالخوردگي عايق استفاده شده اند ميباشد. از طرف ديگر مقادير به دست آمده از منحني رسم شده ميتواند توسط اندازه گيري FDS شناخته شده كه به اختلالات و شرايط آب و هوايي حساس اند رسيدگي شود. مراجع [1] S. M. Gubanski et al., Dielectric response methods for diagnostics of power transformers, IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 19, no. 3, pp , May-June 2003 [2] J. Blennow et al., Field experiences with measurements of dielectric response in frequency domain for power transformer diagnostics, IEEE,Trans. Power Delivery vol. 21, no. 2, pp , April 2006 [3] E. Van der Ouderaa, J. Schoukens and J. Renneboog Peak factor minimization of input and output signals of linear systems, IEEE Trans. Instr. Meas., vol. 37, no. 2 pp , June 1988 [4]W.S. Zaengl, Application of Dielectric Spectroscopy in time and frequency domain for HV power equipment, IEEE Electrical Insulation Magazine Vol. 19 Issue 6, Nov.-Dec [5] Lundgaard, L.; Hansen, W.; Linhjell, D. & Painter T. Aging of oil-impregnated paper in power transformers Power Delivery, IEEE Transactions on, Power Delivery, IEEE Transactions on, ,19, 7