CZ2009262A3 - Zpusob on-line diagnostiky a predikce dielektrického chování výkonových transformátoru a zarízení k provádení tohoto zpusobu - Google Patents

Abstract

Zpusob on-line diagnostiky, predikce a optimalizace dielektrického chování výkonových transformátoru je prováden tak, že na transformátoru (1) je prubežne merena relativní vlhkost oleje a teplota oleje v jeho horní cásti, která reprezentuje nejvyšší teplotu jeho izolacního systému olej-celulóza. Ve spodní cásti je prubežne merena teplota oleje, která reprezentuje nejnižší teplotu jeho izolacního systému olej-celulóza. Jak relativní vlhkost oleje, tak obe teploty jsou periodicky snímány merícím pocítacem (5). Hodnota teploty v horní cásti transformátoru (1) je také prenášena do teplotního regulátoru (8) transformátoru (1), pricemž merící pocítac (5) ukládá v definovaných casových intervalech merené veliciny do své pameti a provádí porovnání jejich casových zmen se zadanými kriterii a vyhodnocuje požadovanou koncentracní a teplotní rovnováhu transformátoru (1). Pokud je mimo rozsah požadované koncentracní a teplotní rovnováhy, je merícím pocítacem (5) prestavena požadovaná hodnota teploty transformátoru (1) na vstupu teplotního regulátoru transformátoru (8) tak, aby se transformátor (1) zmenou svého chladicího režimu dostal do požadované teplotní a následne i koncentracní rovnováhy. Po dosažení požadovaných rovnovážných podmínek v transformátoru (1) je z rovnovážné relace mezi obsahem vody v celulóze, vypocítaného obsahu vody v oleji a strední teploty transformátoru (1), vypocítána hodnota stredního obsahu vody v celulózových materiálech transformátoru (1) a uložena do pameti mericího pocítace (5). Dále je hodnota stredního obsahu vody porovnána s hodnotami získanými z predchozích merení a na základe zadaného kriteria verifikována veroho

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu on-line diagnostiky a predikce dielektrického chování výkonových transformátorů a zařízení k provádění tohoto způsobu, které je zvláště vhodné pro on-line monitoring, predikci a optimalizaci stacionárních a dynamických hodnot dielektrické pevnosti transformátorového oleje.

Dosavadní stav techniky

Stávající základní diagnostika dielektrického chování výkonových transformátorů je ve své podstatě tzv. jednobodová a spočívá ve většině případů v odběru jednoho vzorku transformátorového oleje z daného transformátoru za jeho normálního provozu a změření jeho dielektrické pevnosti Up (kV/2.5mm) v laboratoři.

Provedení celého měření je přesně určeno normou IEC 60156 a posouzení izolačního stavu transformátoru na základě naměřených hodnot je definováno normou IEC 60 422 .

Obvyklý požadavek na:

o opakovatelnost měření (s jakou přesností jsem schopen změřit danou veličinu při opakovaném měření) o reprodukovatelnost měření (s jakou přesností dosáhnu shody naměřených hodnot s ostatními laboratořemi) by tedy měl být jednoznačně splněn a to tak, že po změření veličiny dielektrické pevnosti oleje by měl být uživatel přinejmenším schopen rozhodnout zda daný transformátorový olej splňuje I nesplňuje kriteria daná normou a následně zda může být daný transformátor bezpečně provozován či nikoliv.

Každodenní praxe ovšem ukazuje něco zcela jiného. Pole naměřených hodnot dielektrické pevnosti oleje Up pro daný transformátor je obvykle značně rozptýlené a vylučuje jednoznačný diagnostický závěr. Dielektrická pevnost každého transformátorového oleje se totiž silně mění s jeho relativní vlhkostí a je tedy závislá na obsahu vody v daném oleji a na jeho teplotě, V transformátoru je přitom voda dominantně deponována nejen v pevných izolantech jeho izolačním systému olej - celulóza jako jsou papírové oviny vodičů, lepenky atd., ale i v dalších celulózových materiálech (např. dřevo přítlačných konstrukcí) vnořených do transformátorového oleje. Vlivem migrace vody mezi zmíněnými celulózovými materiály a olejovou náplní transformátoru je pak hodnota dielektrické pevnosti silně závislá jak na

-2celkovém navlhnutí transformátoru, tak na jeho teplotě tj. především na teplotě všech celulózových konstrukčních prvků.

Praktický dopad těchto vnitřních vazeb v izolačním systému olej-celulóza je z hlediska jednoznačné a věrohodné diagnostiky dielektrického stavu transformátoru velmi závažný. Pokud totiž z daného transformátoru odebereme olej za rozdílných provozních teplot a tedy i při různých obsazích vody v oleji, pak nám laboratorní měření vždy vykáži odlišnou hodnotu dielektrické pevnosti oleje a podávají nám tedy i zcela odlišný obraz transformátoru ve smyslu jeho dielektrického chování.

Použitá diagnostická metoda: jeden odběr oleje -> změření jeho dielektrické pevnosti -+ diagnostický závěr, nám tedy již z principu není schopna pro daný transformátor poskytnout jasný a jednoznačný diagnostický závěr, například zda můžeme daný transformátor bezpečně provozovat Či nikoliv a případně za jakých podmínek. K tomu dále přistupuje skutečnost, že u transformátorů jejichž teplota se za provozu výrazně mění, lze jen velmi těžko vzájemně porovnat výsledky současného měření s měřeními, která byla provedena v minulosti a posoudit tím tendenci případných změn.

Výsledek měření je totiž nejen ovlivněn teplotou systému olej-celulóza, ale i rychlostí změny této teploty. Při chladnoucím transformátoru pak například naměříme pří stejné okamžitě změřené teplotě nižší hodnoty průrazného napětí, než v případě kdy teplota transformátoru rychle roste.

Základní požadavek opakovatelnosti a reprodukovatelnosti měření tedy není možno splnit, protože za normálních provozních podmínek je prakticky vyloučeno zpřesnění této metody například tím, že ze všech transformátorů budeme odebírat olej za předem definované teploty a za ustálených teplotních podmínek.

Diagnostika dielektrického chování transformátoru která je založena na měřeni dielektrické pevnosti oleje v laboratoři při teplotě 20°C, je sice zdánlivě správná, ale metodicky nekorektní, protože naším měřením posuzujeme dielektrické vlastnosti systému olejceluloza, který pracuje s proměnnou operační teplotou která je obvykle vyšší než laboratorní teplota 20°C.

Ve skutečnosti je hodnota dielektrické pevnosti oleje Up dominantně závislá na dvou veličinách a to na :

• relativní vlhkosti oleje RH a mění se tedy, i při stálé hodnotě obsahu vody v oleji, velmi silně s teplotou tohoto oleje.

• obsahu částic v oleji

Pokud budeme předpokládat, že náš olej je bez mechanických nečistot, pak je jeho dielektrická pevnost závislá pouze na jeho relativní vlhkosti.

-3To ovšem znamená, že s rostoucí teplotou samotného oleje, klesá jeho relativní vlhkost a roste jeho dielektrická pevnost a naopak.

Současně ovšem také platí, že v izolačním systému olej-celulóza reálného transformátoru je nárůst jeho teploty vždy provázen uvolněním vody z celulózy do oleje, obsah vody v oleji roste a tím roste í jeho relativní vlhkost a tím klesá jeho dielektrická pevnost. A samozřejmě platí také opačná relace, při poklesu teploty transformátoru, vždy klesá obsah vody v oleji a roste jeho dielektrická pevnost.

Ve transformátoru pak probíhají oba děje vždy současné a vzájemně se částečné kompenzují a to tak, že skutečná dielektrická pevnost oleje, pokud bychom ji změřili na operační teplotě systému olej-celulóza, klesá s nárůstem teploty tohoto systému velmi pomalu.

Tuto skutečnost současná metodika měření dielektrické pevnosti oleje nezvažuje a následná diagnostika transformátoru se omezuje odběr oleje z transformátoru za jeho operační teploty a následné změření jeho dielektrické pevnosti v laboratoři za normálních podmínek (20 °C).

Odběrem vzorku oleje na operační teplotě transformátoru (která je obvykle podstatně vyšší než teplota laboratorní) s daným obsahem vody a následným ochlazením tohoto oleje na laboratorní teplotu ovšem nevyhnutelně dojde ke skokovému nárůstu relativní vlhkosti oleje a skokovému poklesu jeho dielektrické pevnosti.

Tento způsob měření je tedy fyzikálně nekorektní, protože jednak měříme dielektrickou pevnost oleje na jiné teplotě než je skutečná teplota zkoumaného systému olej-celulóza a navíc měříme pouze ochlazený olej (a nikoli ochlazenou soustavu olej-celulóza) a tím jsme vlastně nedovoleným způsobem změnili měřený systém.

Standardně provedené měřeni dielektrické pevnosti oleje a následný diagnostický závěr o stavu izolačního systému transformátoru, pak vlastně odpovídá teoreticky nejhoršímu možnému případu, který v systému olej-celulóza může nastat a to jeho skokovému ochlazení z operační teploty na teplotu laboratorní (pokud ovšem předpokládáme, že laboratorní teplota je nejnižši teplota kterou můžeme v transformátoru očekávat resp. dosáhnout).

Základním atributem standardního měření je přitom skutečnost, že odběrem horkého oleje z transformátoru a jeho ochlazením na laboratorní teplotu, se obsah vody v odebraném vzorku oleje nemění, resp. nesmí změnit.

Stejný výsledek v skutečné soustavě olej-celulóza můžeme dosáhnout pouze jediným způsobem a to pomoci tzv. skokového ochlazeni tohoto systému.

Pouze skokovým ochlazením systému olej-celulóza z operační teploty na teplotu laboratorní totiž můžeme účinně zastavit zpětnou migraci vody z oleje do celulózových materiálů transformátoru. Obsah vody v oleji při „skokovém“ ochlazení izolačního systému olej-4- ^: celulóza zde zůstává nezměněn, protože „voda rozpuštěná v oleji nemá dostatek času na absorbci do celulózových materiálů“.

Dnešní standardní měřicí metoda odběr vzorku oleje a změření jeho dielektrické pevnosti v laboratoři je tedy vlastně adekvátní skokovému pokles teploty systému olej-celulóza z operační teploty na teplotu laboratorní, tj. ryze teoretickému ději, který v tomto systému jako takovém samozřejmě nemůže nikdy nastat, ale reálném transformátoru mohou existovat děje, které se svým dopadem tomuto ryze teoretickému ději mohou blížit (značné snížení teploty oleje v chladičích oleje transformátorech bez nuceného oběhu oleje).

Tento diagnostický přístup má ovšem i určité výhody, je relativně jednoduchý a tím že popisuje nejhorší možný případ vlastně vytváří jistou, byť obtížně definovatelnou, bezpečnostní rezervu pro provoz daného transformátoru

Základním a očividným nedostatkem dnešní dielektrické diagnostiky transformátoru založené na kvantitativním posouzení hodnoty Up, ovšem zůstává její závislost na teplotě diagnostikovaného systému:

• studené transformátory vždy vykazují relativně vysokou hodnotu dielektrické pevnosti oleje - voda je deponována v celulózových materiálech transformátoru a nízký obsah vody v oleji za normální laboratorní teploty 20 °C pak rezultuje v nízké relativní vlhkosti a ve vysoké hodnotě jeho dielektrické pevnosti a to i u silně navlhlých transformátorů • horké transformátory naproti tomu vždy vykazují, díky vodě uvolněné v celulózových materiálů daného stroje do jeho olejové náplně, relativně vysoký obsah vody v oleji, a ačkoliv za dané operační teploty je relativní vlhkost oleje nízká a dielektrické pevnost oleje tedy relativně vysoká, ochlazením oleje v laboratoři na teplotu 20 °C, relativní vlhkost oleje stoupne a jeho dielektrická pevnost klesne a to i oleje odebraného z relativně málo navlhlých strojů.

Z hlediska věrohodnosti diagnostického závěru pro daný transformátoru se tedy dostáváme do zdánlivě neřešitelné situace, protože stejný transformátor za nízké operační teploty může splňovat hodnoty dielektrické pevnosti požadované normou, zatímco za vyšších teplot stejný transformátor může vykázat podstatné nižší hodnoty dielektrické pevnosti, než požaduje norma, a neměl by tedy být vůbec provozován.

Nedostatky dnešní off-line diagnostické metody založené na jediném odběru vzorku oleje a změření hodnoty jeho dielektrické pevnosti oleje Up v laboratoři pak můžeme shrnout následovně:

• v mezidobí mezi jednotlivými, obvykle plánovanými, odběry oleje a následným měřením jeho dielektrické pevnosti Up v laboratoři nemáme žádnou informaci o

-5aktuální dielektrické pevnosti oleje v našem transformátoru a můžeme se tedy při nárůstu teploty transformátoru velmi snadno dostat do nebezpečné oblasti s velmi nízkými hodnotami dielektrické pevnosti oleje.

• stávající diagnostická metoda založená na měření jediné veličiny dielektrické pevnosti oleje je nejednoznačná a nereprezentativní, protože nerespektuje skutečné (dynamické) chování transformátoru s ohledem na migraci vody mezi celulózovými materiály a jeho olejovou náplní s teplotou a z toho rezultujíci dynamickými změnami veličiny Up s teplotou stroje • nedovoluje nijak kvantitativně popsat dielektrické chování transformátoru v celém rozsahu jeho provozních teplot • není schopna kvantitativně predikovat nebezpečné stavy transformátoru za zvýšených teplot, protože její pomocí nelze nijak kvantitativně určit za jaké teploty transformátoru hodnota dielektrické pevnosti oleje Up přestane vyhovovat normě.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky podstatně omezuje způsob on-line diagnostiky a predikce dielektrického chování výkonových transformátorů a zařízení k prováděni tohoto způsobu podle vynálezu, které využívá k diagnostice a predikci dielektrického chování výkonových transformátorů online měření relativní vlhkosti transformátorového oleje a teploty izolačního systému otejcelulózy, které adekvátně determinují dielektrickou pevnost transformátorového oleje.

Abychom mohli dielektrické vlastnosti daného transformátoru skutečně jednoznačně a uspokojivě popsat za jakékoliv provozní teploty jeho izolačního systému olej-celulóza, musíme nejprve zvolit a následně kvantitativně určit vhodnou veličinu, která je na teplotě transformátoru nezávislá (nemění se s teplotou transformátoru) a je tedy schopna popsat chování transformátoru za jakékoliv teploty.

Vzhledem k tomu že v každém transformátoru je bez ohledu na jeho teplotu více než 97-99% vody vždy deponováno v jeho celulózových materiálech (a pouze zbytek vody je rozpuštěn v jeho olejové náplni), můžeme za tuto veličinu považovat hodnotu středního obsahu vody v jeho celulózových materiálech Cp (% resp. kg vody I kg celulózy).

Zavedeni této veličiny jako tzv. teplotního invariantu daného transformátoru, tj. jako parametru, který velmi dobře popisuje stav tohoto stroje za jakékoliv teploty, je přitom zřejmé a plně oprávněné.

Transformátor, resp. jeho izolační systém olej celulóza, totiž můžeme v průběhu našeho, relativně krátkodobého, měření považovat za uzavřenou soustavu (ve které žádná voda

-6nevzniká a žádná voda do ní není vnášena) a množství vody rozpuštěné v olejové náplni transformátoru je za všech provozních teplot vždy nesrovnatelně menší, než množství vody obsažené v jeho celulózových materiálech.

Jinými slovy, množství vody, které může migrovat mezi celulózovými materiály a olejovou náplní daného transformátoru s teplotou je zanedbatelné vůči celkovému množství vody deponované v celulózových materiálech. Hodnota parametru Cp se tedy mění s teplotou transformátoru natolik nepatrné, zeji můžeme považovat v průběhu našeho měření za neměnnou.

Za normálních provozních podmínek transformátoru je jeho vnější kontaminace vodou (především infiltrace vzdušné vlhkosti) nebo vnitřní kontaminace vodou (především oxidačním stárnutím celulózy) relativné malá a ve srovnání s množstvím vody deponované v celulóze, můžeme oprávněně předpokládat, že hodnota středního obsahu vody v celulóze Cp se v relativně dlouhém časovém interval (řádové týdnů nebo dokonce měsíců) opět mění velmi málo a můžeme ji proto v tomto časovém intervalu našeho měření považovat za konstantní, teplotně invariantní a tedy reprezentativní.

Hodnota středního obsahu vody v celulózových materiálech transformátoru Cp je samozřejmě pouze smluvní povahy (nelze ji v transformátoru přímo změřit), ale lze ji pomocí rovnovážných diagramů snadno určit z například pomocí přímo a dobře měřitelných veličin :

o obsahu vody v oleji Qw (ppm) o střední teploty transformátoru T (^ŮC )

Toto tvrzení je ovšem platné pouze za předpokladu, že měření obou veličin bylo provedeno v přijatelné teplotní a koncentrační rovnováze daného stroje a následná evaluace hodnoty Cp pomocí rovnovážných relací je tedy korektní.

Zavedení a kvantitativní určení hodnoty teplotního invariantu Cp nám pak vlastně umožňuje splnit všechny požadavky, které na popis a správnou diagnostiku libovolného systému obvykle klademe:

=> diagnostický závěr musí být jednoznačný, opakovatelný a reprodukovatelný - hodnota Cp se v časovém intervalu daného měření a za normálních provozních podmínek transformátoru nemůže podstatné měnit a při každém měření a následné evaluaci musíme tedy získat zhruba stejné hodnoty Cp.

=> jsme schopni uspokojivé predikovat chování systému - predikce průběhu hodnoty dielektrické pevnosti oleje Up pro celý rozsah provozních teplot transformátoru nám umožňuje predikovat jeho dielektrické chování za libovolné teploty.

-Ί=> jsme schopni uspokojivě a jednoduše verifikovat naše měření a z něho odvozené závěry o stavu stroje - predikovaný průběh dielektrické pevnosti je verifikován hodnotami dielektrické pevnosti oleje změřenými v laboratoři.

Nový způsob on-line diagnostiky a predikce dielektrického chování transformátoru pak v praxi probíhá v následujících krocích:

• na daném transformátoru je průběžně měřena relativní vlhkost oleje vhodnou fyzikální sondou, jejíž přesnost měření není zatížena žádnými parazitickými údaji (jako je např. voda obsažená v organických kyselinách kontaminujících daný olej, která se neúčastni migrace vody v systému olej-celulóza).

• na daném transformátoru jsou průběžné měřeny nejméně dvě reprezentativní teploty v horní a dolní části jeho izolačního systému olej-celulóza tak, aby bylo možno respektovat skutečné rozloženi teplot v daném transformátoru a určit střední teplotu TTS jeho izolačního systému olej-celulóza.

• všechny měřené hodnoty jsou průběžně ukládány do paměti vhodného počítače a paralelné k shora popsanému měření probíhá vyhodnocení teplotní a koncentrační rovnováhy tohoto stroje.

• pokud je v daném časovém intervalu zjištěno, že se transformátor nachází v přijatelné rovnováze, je z něj odebrán vzorek oleje a v laboratoři změřena jeho dielektrické pevnost nezbytná pro verifikaci správnosti diagnostického výstupu. Stejným způsobem jsou pak selektovány již provedená měření dielektrické pevnosti pokud budou dále použita pro verifikaci křivky popisující závislost dielektrické pevnosti oleje na teplotě transformátoru.

Prvním krokem při realizaci způsobu on-line diagnostiky podle vynálezu je proto zjištěni, zda se daný transformátor nachází v přijatelné teplotní a koncentrační rovnováze či nikoli.

Za normálního provozu transformátoru je ovšem velmi obtížné dosáhnout jeho ideální teplotní a koncentrační rovnováhy, protože teplota jeho izolačního systému olej-celulóza se stále mění s ohledem na celou řadu provozních veličin, jako je například zátěž daného stroje, změna teploty okolí atd., a musíme tedy použít vhodné zařízení a metodiku, které nám dovolí zjistit v jakém okamžiku, resp. v jakém časovém intervalu, je daný transformátor v přijatelné rovnováze, tj. obsah vody v oleji a teplota(y) oleje jsou zhruba konstantní, migrace vody mezi olejem a celulózou je tedy malá a naše závěry o stavu transformátoru v tomto vybraném časovém úseku tedy budou dostatečně věrohodné.

Způsob on-line diagnostiky a následné predikce dielektrického chování výkonových transformátorů a zařízení k provádění tohoto způsobu podle vynálezu k tomu cíli využívá tří kroků:

• nejprve je provedena základní filtrace dat - z dalšího zpracováni jsou vyloučeny úseky datové řady dané veličiny, ve kterých došlo ke značným časovým změnám teploty, relativní vlhkost oleje resp. obsahu vody v oleji • pokud není izolační soustava daného transformátoru v přijatelné teplotní a koncentrační rovnováze, je změněna a stabilizována teplota transformátoru na jiné teplotní hladině a tím je následně stabilizována relativní vlhkost oleje resp. hodnota obsahu vody v tomto oleji • v třetím kroku je vygenerováno odpovídající pole hodnot obsahu vody v celulóze a toto pole je matematicky zpracováno tak, abychom získali jedinou reprezentativní hodnotu veličiny Cp při současném splnění zvolené podmínky teplotní invariantnosti hodnoty Cp v daném časovém úseku

V třetím kroku vlastně s výhodou využíváme již popsané skutečnosti, že za normálních operačních podmínek se střední obsah vody v celulózových materiálech transformátoru Cp s teplotou transformátoru nemůže měnit, resp. mění se (v daném, relativně krátkém, časovém úseku) velmi málo.

Určeni hodnoty Cp je obecně založeno na využití rovnovážných relací (Piper Chart, Nielsen diagram etc.), které nám umožňují jednoduše získat hodnotu parametru Cp z teploty systému olej-celulóza a z obsahu rozpuštěné vody v transformátorovém oleji. Tyto diagramy ovšem plně platí pouze za přísně rovnovážných podmínek, kdy se teplota systému olejcelulóza nemění a nedochází tedy k žádné migraci vody mezi olejem a celulózou.

Pokud tedy v prvním kroku provedeme základní filtraci naměřených hodnot, a případně druhým krokem vyloučíme prudké změny teploty a koncentrace vody v oleji, pak v třetím můžeme vygenerovat odpovídající pole hodnot Cp.

Protože víme, že za ustálených podmínek se jednotlivé hodnoty Cp nesmí (pro zvolený časový úsek) v čase lišit (množství vody deponované vody v celulóze se nemění), můžeme tuto skutečnost v třetím kroku použít pro další filtraci dat, která rezultuje ve výpočtu jediné a dostatečně reprezentativní hodnoty Cp pro daný transformátor ( a samozřejmě také pro vybraný časový úsek).

V třetím kroku se vlastně jedná o dodatečnou „reverzní“ filtraci vybraných datových řad protože víme, že hodnota Cp se nesmí za ustálených podmínek výrazně lišit v čase, můžeme z našeho souboru hodnot Cp vybrat takové hodnoty, které této podmínce co nejvíce vyhovují, tím také zpětně vymezit časové úseky ve kterých byl náš transformátor v přijatelné teplotní a koncentrační rovnováze a vypočítat jedinou a dostatečné reprezentativní hodnotu veličiny Cp.

-9Na tyto kroky pak navazuje expertní blok, který na základě takto získané hodnoty obsahu vody v celulóze tj. teplotního invariantu tohoto transformátoru, následně vygeneruje křivku popisující závislost dielektrické pevnosti oleje na střední teplotě izolačního systému TLC olejcelulóza daného transformátoru (TLC - Temperature Loading Curve) viz. obr. 1, v celém rozsahu jeho provozních teplot.

Následně je pak provedena verifikace kvantitativní správnosti této křivky pomocí změřené hodnoty (změřených hodnot) dielektrické pevnosti oleje z jednoho nebo více vzorků odebraných z transformátoru za jeho, v principu libovolných, operační teplot ovšem za předpokladu, že odběr vzorku oleje z daného transformátoru byl proveden v časovém v požadovaných quasi-rovnovážných podmínkách.

Výhoda tohoto nového diagnostického způsobuje dostatečně zřejmá, protože uživatel resp. diagnostik je nejen schopen pomocí průběhu TLC na první pohled poznat, za jakých teplot se jeho transformátor dostane do oblasti ve které je již dielektrická pevnost oleje pod hodnotou požadovanou normou (viz. obr. 1), ale uvedený přístup dovoluje i posouzení, predikci a kvantifikaci případných zásahů do systému olej-celulóza (jako je třeba změna maximální žádané teploty olej tj. přestavení žádané teploty regulátoru teploty oleje resp. snížení obsahu vody v celulózových materiálech transformátoru zásahem zvenčí), který danou situaci požadovaným způsobem zlepší.

Spojitý průběh závislosti dielektrické pevnosti oleje na střední teplotě transformátoru TLC, pak vlastně představuje křivku, kterou také můžeme získat tím, že z našeho transformátoru (s danou hodnotou Cp) postupně odebereme velké množství vzorků oleje na ustálených teplotních hladinách např. v rozsahu od 20 °C do 100 °C, a v laboratoři změříme dielektrickou pevnost oleje z jednotlivých vzorků při teplotě 20 °C a dané hodnoty Up vyneseme do diagramu, jehož osa Y reprezentuje dielektrickou pevnost oleje Up a osa X představuje střední teplotu transformátoru TTS.

Výhody způsobu on-line diagnostiky a predikce dielektrického chování výkonových transformátorů a zařízeni k provádění tohoto způsobu jsou tedy zřejmé.

Na rozdíl od standardní metody, která nám poskytuje pouze „bodovou“ informaci o dielektrické pevnosti oleje za jediné teploty transformátoru a nejsme tedy schopni určit jakou dielektrickou pevnost oleje můžeme očekávat na jiné teplotě tohoto stroje, pak pomoci nového způsob a zařízení pro provádění tohoto způsobu můžeme, na základě v principu jediného měření obsahu vody v oleji a jediné reprezentativní teploty transformátoru, věrohodně predikovat průběh hodnoty dielektrické pevnosti pro celý rozsah operačních teplot daného transformátoru. Tím například také můžeme zabránit tomu, aby se daný transformátor do nebezpečné oblasti s nízkou hodnotou dielektrické pevnosti oleje vůbec dostal.

Protože tato nová diagnostická metoda plně respektuje fyzikální vazbu mezi navlhnutím transformátoru, jeho teplotou a dielektrickou pevností oleje, umožňuje také získat další velmi důležité diagnostické a řídící výstupy které se týkají transformátoru jako diagnostikovaného systému, jako je například:

• on-line řízení s ohledem na omezení jeho dovolené provozní teplotní hladiny s ohledem na nejmenší požadovanou dielektrickou pevnost • on-line dynamickou blokaci najetí transformátoru po předchozím odstavení a schladnutí s ohledem na vysokou relativní vlhkost oleje a jeho nízkou dielektrickou pevnost • bezpečné a časově optimální najetí transformátoru, po předchozím odstavení, v závislosti na aktuální změně dielektrické pevnosti oleje v čase • off-line infomaci o množství vody které musíme z transformátoru odstranit pokud chceme dosáhnout zlepšení jeho dielektrického chování, např. chceme jej provozovat s vyšší dielektrickou pevností oleje při vyšší teplotě atd.

Věrohodnost diagnostického závěru je zde především dána tzv. křížovým ověřením přesnosti predikce off-line naměřenými daty v laboratoři, tj. porovnáním „skutečné“ veličiny Up změřené v laboratoři s predikovanou hodnotou této veličiny TLC za dané teploty transformátoru.

Tento přistup umožňuje další důležitý diagnostický krok a to rychlé, byť předběžné, posouzeni vlivu částic v oleji na dielektrické chování daného transformátoru.

Pokud je totiž za stejné střední teploty transformátoru TTS, predikovaná hodnota dielektrické pevnosti oleje Up opakovaně výrazně vyšší, než je skutečná hodnota Up změřená v laboratoři, je možno usuzovat na přítomnost zvýšeného množství částic v oleji, protože přítomnost částic v oleji vždy výrazně snižuje skutečnou dielektrickou pevnost oleje a následně provedené měření množství a velikosti částic pak tento odhad potvrdí nebo vyvrátí.

Naopak, pokud je skutečně změřená hodnota dielektrické pevnosti oleje (odebraného na transformátoru s danou teplotou TTS) výrazně vyšší, než hodnota predikovaná pro tuto teplotu, je nutno přezkoumat přesnost měření samotného tj. měření relativní vlhkosti oleje a teploty stroje a případně i použitých algoritmů, protože předem víme, že tento olej za daných podmínek nemůže mít svoji dielektrickou pevnost výrazně vyšší než je hodnota teoretická.

-11 Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je TLC - křivka teplotní zátěže transformátoru s daným obsahem vody v celulózových materiálech, její verifikace hodnotami dielektrické pevnosti oleje v laboratoři llpjab a příklad určení maximální dovolené teploty transformátoru Tt.max na základě minimální dovolené dielektrické pevnosti oleje Up,min.

Na obr. 2 je schematické uspořádání zařízení pro on-line diagnostiku a predikci dielektrického chování výkonového transformátoru.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Praktická realizace způsobu on-line diagnostiky a predikce dielektrického chování výkonových transformátorů 1 probíhá tak, že snímač 2 vlhkosti oleje a stejně tak horní snímač 3 teploty oleje a spodní snímač 4_teploty oleje, průběžně měří dané veličiny a měřící počítač 5 , ukládá hodnoty relativní vlhkosti oleje RH, horní teploty oleje Tup a dolní teploty oleje Tbott v předem definovaných časových intervalech do své paměti a současně také vypočítává obsah vody v oleji Cw.

Současně probíhá první vyhodnocení rovnovážného stavu daného transformátoru 1 na základě časové změny, především změny obsahu vody v oleji Cw a horní teploty oleje Tup. Pokud jsou časové změny hodnot zmíněných veličin menši než předem určená kriteria zadaná bud vstupním portem 52, nebo na obr. 2 nezakresleným nadřazeným řídicím počítačem , je provedena první selekce relevantních hodnot všech těchto veličin pro první odhad veličiny středního obsahu vody v celulóze.

Z celého datového souboru jsou vybrány časové úseky, ve kterých hodnoty naměřených veličin vykazuji gradienty růstu nebo poklesu nižší než zadaná gradientova kriteria a pro každý takový úsek dat je vypočítána hodnota obsahu vody v celulóze.

Pokud ovšem transformátor! pracuje v dynamickém režimu se značnými změnami veličin Cw, Tup výrazně vyššími než zadaná kriteria, není účelné provádět další zpracování dat, protože nelze provést vyhodnocení obsahu vody v celulóze Cp na základě rovnovážných relací.

Tento operační režim transformátoru 1 obvykle odpovídá režimu, ve kterém žádaná teplota transformátoru 1_nastavená na teplotním regulátoru 8, je nastavena na relativně vysokou hodnotu blízkou hodnotě maximální dovolené teploty daného transformátoru 1.

Skutečná teplota oleje Tup, měřená horním snímačem 2 teploty, je tedy nižší než žádaná a nucené chlazení transformátoru 1_zprostredkované ofukem chladičů 11 oleje ventilátory 114 je proto vypnuto.

-12Přímým důsledkem tohoto režimu je pak silné kolísáni hodnoty teploty Tup například se změnou zátěže transformátoru 1_nebo změnou teploty okolí s následným a silným kolísáním hodnoty Cw, Tup a částečně i hodnoty Tbott.

Zařízení podle vynálezu řeší tuto příkladnou situaci tím, že měřící počítač 5 postupně, na základě vhodného algoritmu, přestavuje čtvrtým datovým vedením 58 původní žádanou hodnotu teploty na vstupu teplotního regulátoru 8 na nižší hodnoty až do okamžiku, kdy hodnota žádané teploty poklesne pod hodnotu aktuální teploty oleje Tup a teplotní regulátor 8 pomocí ovládacího vedení 81 a 82, zapne oba ventilátory 114.

Nuceným ofukem obou chladičů 11 oleje výrazně vzroste intenzita chlazeni oleje který oběma chladiči 11 protéká a teplota transformátoru 1_postupně klesá, měřící počítač 5 průběžně vyhodnocuje dosažený stav teplotní a koncentrační stabilizace transformátoru 1 a postupně upravuje třetím datovým vedením 54 žádanou hodnotu teploty na vstupu teplotního regulátoru 8 takovým způsobem aby maximální amplituda změny horní teploty oleje Tup na této hladině nepřesahovala 2 - 4°C.

Zde popsaný princip regulace teploty, spočívající ve stálém vypínání a zapínání ventilátorů 114, je uveden pouze jako příkladný z důvodu snazšího pochopení celého procesu požadované stabilizace teploty transformátoru 1_resp. stabilizace teplotní hladiny jeho systému olej-celulóza.

Ve skutečnosti je tento problém víceparametrický a stabilizace hodnoty Tup na požadované teplotní hladině je nutno provádět pomocí adaptivní regulace s tím, že hodnota žádané teploty se v čase sice nevyhnutelné, ale velmi pomalu stále mění se zátěží transformátoru 1 a teplotou okolí.

Po stabilizaci teploty izolačního systému samozřejmě dojde k velmi výraznému zpřesnění našeho měření a zvláště evaluace hodnoty středního obsahu vody v celulóze Cp, protože horní teplota oleje Tup nyní kolísá kolem ustálené hodnoty a navíc s relativně vysokou frekvenci a malou amplitudou, což velmi výrazně podporuje dosazeni ustáleného stavu mezi olejem a celulózou a tedy i zpřesnění evaluace hodnoty Cp na základě měřených hodnot Cw a Tup a Tbott.

Časové úseky vybrané z daného datového souboru, ve kterých hodnoty Cw, Tup a Tbott vykazuji velmi malé časové odchylky, se tím výrazně prodlouží a následným výpočtem hodnot Cp pro každý takový úsek získáme pole hodnot Cp, jejichž absolutní hodnoty se již vzájemně velmi málo liší.

Pro další zpřesněni teplotního invariantu tj. výsledné hodnoty Cp, která reprezentuje průměrné navlhnuti transformátoru 1 (v daném okamžiku), je pak použita další, již zmíněná, filtrace dat vycházející ze skutečnosti, že množství vody v celulóze se může měnit s teplotou systému pouze nepatrně, prakticky v rámci měřicí chyby.

Pole hodnot veličiny Cp je proto nejprve lineárně vyrovnáno a vzniklá hodnota Cp je použita pro další selekci a vyloučení hodnot které se od této hodnoty liší o více než vypočítaná

-13chyba měření. Po opakovaném použití tohoto postupu je pak chyba evaluace hodnoty Cp dostatečně přesná pro další výpočty.

Následně je vypočítána TLC křivka a její průběh je kvantitativné verifikován změřenými hodnotami dielektrické pevnosti oleje Up,lab, viz. obr. 1. Hodnoty dielektrické pevnosti jsou získány standardním změřením této veličiny v laboratoři ze vzorků oleje získaných odběrem oleje z nádoby 10 transformátoru 1 pomocí odběrového kohoutku 14.

Pokud se naměřené hodnoty dielektrické pevnosti oleje Up,lab výrazně liší od hodnot simulované dielektrické pevnosti pro stejnou teplotu, je tato skutečnost hlášena měřícím počítačem 5 nadřazenému řídicímu počítači, a uživatel je průběžně informován o daném stavu, seznámen s možnými důvody těchto odchylek a s kroky které musí být provedeny k vysvětlení a nápravě tohoto rozporu.

Pokud je shoda predikovaného průběhu TLC s hodnotami dielektrické pevnosti Upjab změřenými v laboratoři uspokojivá, jsou provedeny resp. aktualizovány výpočty dovolených stavů transformátoru 1 , především, jak ze zřejmé z obr. 1, jeho maximální střední dovolená teplota Tt,max, získaná na základě zadané hodnoty minimální dovolené dielektrické pevnosti oleje Up,min a následně je také aktualizováno nastavení bloku ochran 7 a řídícího bloku 6.. Dále je také provedeno porovnáni s dříve naměřenými hodnotami, evaluace případných dlouhodobých změn hodnot Cp.

Pokud jsou zjištěny výrazné odchylky např. růst hodnoty Cp, který obvykle odpovídá zvýšené intenzitě vnější kontaminace transformátoru 1 vodou nebo zvýšené intenzitě oxidačního stárnutí celulózy, je uživatel o těchto skutečnostech průběžně informován nadřazeným řídicím počítačem.

Přiklad 2

Zařízeni k prováděni tohoto způsobu, s jehož pomocí jsou průběžné snímány potřebné fyzikální veličiny z výkonového transformátoru 1, provedeno jejich zpracování a případně i aktivně ovlivněn provoz transformátoru 1, sestává ze snímače 2_vlhkosti oleje, horního snímače 3_teploty, spodního snímače 4teploty a měřicího počítače 5, které jsou připojeny k výkonovému transformátoru L

Transformátor 1 zde sestává z nádoby 10, ve kterém je umístěna jeho aktivní část sestávající z magnetického obvodu 100 a vinutí 101 , vnořená do olejové náplně 102 a k nádobě 10 je shora spádovým potrubím 13 připojen konzervátor 12. Do levého boku nádoby 10 transformátoru 1 je současně zabudován odběrový kohoutek 14, zatímco k pravé horní a levé horní straně nádoby 10 je horním nátrubkem 111 připojena horní část chladiče oleje H a spodní část chladičů oleje 11 je spodním nátrubkem 112 spojena se

- 14spodni částí nádoby transformátoru 1, a na oba chladiče oleje 11 je pevně připojena skříň 113 chladiče, do které je zabudován ventilátor 114.

Do pravého horního nátrubku TM je zabudována horní jímka 31 horního teplotního snímače 3 a současně také nátrubek 21 , do kterého je zabudován snímač 2_vlhkosti oleje, zatímco do pravého spodního nátrubku 112 je zabudována spodní jímka 41 spodního snímače 4.

Vstup měřícího počítače 5 je přitom jednak propojen prvním vedením 30 s horním snímačem 3 teploty, druhým vedením 20 se snímačem 2_vlhkosti a třetím vedením 40 se spodním snímačem 4_teploty a jednak je také propojen prvním datovým vedením 51 se vstupním portem 52, zatímco jeho výstup je druhým datovým vedením 53 propojen s nadřazeným řídicím počítačem a třetím datovým vedením 54 s řídicím blokem 8 transformátoru las jeho blokem ochran 7 a dále čtvrtým datovým vedením 58 s se vstupem ^teplotního regulátoru spojeného také prvním vedením 30 s horním snímačem 3 teploty, přičemž výstup teplotního regulátoru 8 je prvním ovládacím vedením 81 a druhým ovládacím vedením 82 spojen s ventilátory 114.

- 1520OQSeznam vztahových značek.

1		transformátor
10		nádoba
11		chladič oleje
111		horní nátrubek
112		spodní nátrubek
113		skříň chladiče
114		ventilátor
12		konzervátor
13		spádové potrubí
100		magnetický obvod
101		vinutí
102		olejová náplň
2		snímač vlhkosti oleje
20		druhé vedeni
21		nátrubek
3		horní snímač teploty
30		první vedení
31		horní jímka
4		spodní snímač teploty
40		třetí vedení
41		spodní jímka
5		měřicí počítač
51		první datové vedení
52		vstupní port
53		druhé datové vedení
54		třetí datové vedení
58		čtvrté datové vedení
6		řídící blok
7		blok ochran
8		teplotní regulátor
81		první ovládací vedení
82		druhé ovládací vedení

- 16PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (4)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob on-líne diagnostiky, predikce a optimalizace dielektrického chování výkonových transformátorů vyznačený tím, že na transformátoru (1) je průběžně měřena relativní vlhkost oleje a teplota oleje v jeho horní části, která reprezentuje nejvyšší teplotu jeho izolačního systému olej-celulóza, a ve spodní části je průběžně měřena teplota oleje, která reprezentuje nejnižší teplotu jeho izolačního systému olej-celulóza, přičemž jak relativní vlhkost oleje, tak obě teploty jsou periodicky snímány měřícím počítačem (5) a hodnota teploty v horní části transformátoru (1) je také přenášena do teplotního regulátoru (8) transformátoru (1), přičemž měřící počítač (5) ukládá v definovaných časových intervalech měřené veličiny do své paměti a provádí porovnání jejich časových změn se zadanými kriterii a vyhodnocuje požadovanou koncentrační a teplotní rovnováhu transformátoru (1), pokud je mimo rozsah požadované koncentrační a teplotní rovnováhy, je měřícím počítačem (5) přestavena požadovaná hodnota teploty transformátoru (1) na vstupu teplotního regulátoru transformátoru (8) tak, aby se transformátor (1) změnou svého chladicího režimu dostal do požadované teplotní a následně i koncentrační rovnováhy, přičemž po dosažení požadovaných rovnovážných podmínek v transformátoru (1) je z rovnovážné relace mezi obsahem vody v celulóze, vypočítaného obsahu vody v oleji a střední teploty transformátoru {1), vypočítána hodnota středního obsahu vody v celulózových materiálech transformátoru (1) a uložena do paměti měřicího počítače (5) a dále je hodnota středního obsahu vody porovnána s hodnotami získanými z předchozích měření a na základě zadaného kriteria verifikována věrohodnost této hodnoty s tím, že na základě hodnoty středního obsahu vody v celulózových materiálech je měřícím počítačem (5) vygenerován teoretický průběh dielektrické pevnosti transformátorového oleje jako funkce střední teploty daného transformátoru (1) pro celý rozsah jeho operačních teplot a tato křivka, která postihuje dielektrické chování transformátoru (1) v celém rozsahu jeho operačních teplot, je následně kvantitativně verifikována nejméně jednou hodnotou dielektrické pevnosti oleje získanou nezávislým měřením v laboratoři.

2. Způsob on-line diagnostiky, predikce a optimalizace dielektrického chování výkonových transformátorů podle nároku 1, vyznačený tím, a na základě získané a verifikované závislosti dielektrické pevnosti oleje na střední teplotě transformátoru (1) a zadané minimálně požadované hodnoty dielektrické pevnosti tohoto oleje je určena maximální

- 17dovolená teplota transformátoru (1) a hodnota této veličiny je použita pro nastavení ochran transformátoru (1).

3. Způsob on-line diagnostiky, predikce a optimalizace dielektrického chování výkonových transformátorů, podle nároků 1 a 2, vyznačený tím, že na základě zjištěné a verifikované hodnoty středního obsahu vody v celulózových materiálech transformátoru (1) je provedena simulace dynamické odezvy hodnoty dielektrické pevnosti transformátorového oleje na rychlé změny teploty transformátoru (1), přičemž minimální hodnota z této odezvy je porovnána s minimální dovolenou hodnotou dielektrické pevnosti oleje a následně jsou vypočítány dovolené trendy pro zatěžování, najíždění a odstavování transformátoru (1) a tyto informace jsou přeneseny do řídicího bloku (6) transformátoru (1), kde jsou použity pro blokaci a řízení procesů, které by mohly vést na dynamické snížení dielektrické pevnosti oleje pod dovolené hodnoty a tím i ke snížení provozní spolehlivosti transformátoru (1).

4. Zařízení k provádění způsobu pro on-line diagnostiky, predikci a optimalizaci dielektrického chování výkonových transformátorů sestávající z transformátoru (1), ke kterému je připojen snímač (2) vlhkosti oleje, horní snímač (3) teploty, spodní snímač (4) teploty, měřící počítač (5), řídicí blok (6), blok ochran (7) a teplotní regulátor (8), vyznačující se tím, že v nádobě (10) se nachází aktivní část transformátoru (1), složená z vinutí (101) a magnetického obvodu (100), která je vnořená do náplně (102) transformátorového oleje, přičemž horní část nádoby (10) je jednak spojena spádovým potrubím (13) s konzervátorem (12), zatímco k pravé a levé straně nádoby (10) je horním nátrubkem (111) a spodním nátrubkem (112) připojen chladič (11) oleje, na který je připevněna skříň (113) chladiče, opatřená ventilátorem (114) a na levém boku je nádoba (10) transformátoru (1) opatřena odběrovým kohoutkem (14), kde do pravého horního nátrubku (111) je zabudována horní jímka (31) horního snímače (3) teploty a nátrubek (21) snímače (2) vlhkosti oleje, přičemž horní snímač (3) teploty je propojen prvním vedením (30) se vstupem měřícího počítače (5), a se vstupem měřícího počítače (5) je třetím vedením (40) propojen spodní snímač (4) teploty, umístěný ve spodní jímce (41) zabudované do spodního nátrubku (112) a snímač (2) vlhkosti oleje umístěný do nátrubku (21) je druhým vedením (20) také připojen ke vstupu měřícího počítače (5),

- 18zatímco výstup měřícího počítače (5) je prvním datovým vedením (51) spojen s vstupním portem (52), druhým datovým vedením (53) s nadřazeným řídicím počítačem, třetím datovým vedením (54) s blokem ochran (7) a řídicím blokem (6) transformátoru (1) a čtvrtým datovým vedením se vstupem teplotního regulátoru (8), do kterého je také prvním vedením (30) připojen horní snímač teploty (3), je výstup teplotního regulátoru (8) prvním ovládacím vedením (81) a druhým ovládacím vedením (82) spojen s ventilátory (114).