Wyładowania niezupełne w praktyce. Kiedy IEC 60270 wystarcza, a kiedy potrzebne są UHF i HFCT?

czas czytania: 6 minut

Wyładowanie niezupełne rzadko pojawia się w instalacji z odpowiednim komunikatem: "tu zaczyna się problem". Znacznie częściej wysyła krótkie impulsy, które trzeba zarejestrować, odróżnić od zakłóceń i właściwie zinterpretować.

Właśnie dlatego diagnostyka wyładowań niezupełnych od lat zajmuje ważne miejsce w ocenie stanu urządzeń wysokiego napięcia. Dotyczy to rozdzielnic GIS, kabli elektroenergetycznych, transformatorów, przepustów, głowic kablowych i połączeń, czyli elementów, których awaria może oznaczać kosztowny przestój, uszkodzenie majątku oraz długą przerwę w dostawie energii.

Najbardziej znaną metodą pomiarową jest metoda elektryczna opisana w normie IEC 60270. W wielu przypadkach jest ona wystarczająca. Pozwala zmierzyć ładunek pozorny wyładowań i porównać wyniki według ustandaryzowanych zasad. Jednak współczesne systemy elektroenergetyczne wymagają coraz częściej pomiarów wykonywanych na obiekcie, podczas pracy urządzenia albo w warunkach, w których klasyczny układ pomiarowy nie daje pełnej odpowiedzi.

 

Wtedy pojawiają się metody UHF oraz HFCT.

Nie są one prostym zamiennikiem IEC 60270. Każda metoda obserwuje inne właściwości impulsu wyładowania, pracuje w innym zakresie częstotliwości i ma własne ograniczenia. Najlepsza diagnostyka zaczyna się więc od dopasowania metody do urządzenia, miejsca pomiaru i celu badania.

 

Co właściwie mierzymy?

Wyładowanie niezupełne jest lokalnym wyładowaniem elektrycznym, które nie powoduje całkowitego przebicia izolacji między elektrodami. Może pojawić się w pustce gazowej, przy ostrym elemencie przewodzącym, na powierzchni izolatora, w uszkodzonym papierze elektroizolacyjnym albo w miejscu nieprawidłowo wykonanego połączenia.

Pojedynczy impuls trwa bardzo krótko. Jego energia może być niewielka, ale powtarzalność zjawiska z czasem prowadzi do degradacji izolacji. Proces może rozwijać się miesiącami lub latami. W niektórych przypadkach przebiega jednak gwałtownie, zwłaszcza gdy wyładowania występują w miejscu szczególnie obciążonym elektrycznie, termicznie lub mechanicznie.

W diagnostyce nie chodzi wyłącznie o odpowiedź na pytanie, czy wyładowania występują. Równie ważne są ich amplituda, częstotliwość, fazowe położenie względem napięcia, charakterystyka impulsu, lokalizacja oraz zmiana parametrów w czasie.

Dlatego pojedyncza liczba, na przykład wartość wyrażona w pikokulombach, nie zawsze wystarcza do oceny ryzyka. Potrzebny jest obraz zjawiska. W tym właśnie miejscu zaczynają się różnice między metodą IEC 60270, technikami UHF i pomiarami HFCT.

 

IEC 60270. Ustandaryzowany punkt odniesienia

Metoda zgodna z IEC 60270 opiera się na pomiarze elektrycznym impulsów wyładowań niezupełnych. Układ pomiarowy wykorzystuje między innymi sprzęgacz, impedancję pomiarową i aparaturę rejestrującą. Wynik pomiaru odnosi się do ładunku pozornego, najczęściej wyrażanego w pikokulombach.

Największą zaletą tej metody jest standaryzacja. Wynik można opisać w sposób zrozumiały dla producenta urządzenia, laboratorium badawczego, wykonawcy testu i użytkownika końcowego. Pozwala to porównywać pomiary wykonane w podobnych warunkach oraz ustalać kryteria odbioru lub oceny stanu izolacji.

IEC 60270 dobrze sprawdza się przede wszystkim podczas badań laboratoryjnych, prób fabrycznych i testów odbiorczych. Jest szczególnie wartościowa wtedy, gdy urządzenie można odłączyć od sieci, odpowiednio przygotować i zbadać w kontrolowanych warunkach.

Metoda ma jednak ograniczenia. Pomiary wykonywane na obiekcie są narażone na zakłócenia pochodzące od przetwornic, urządzeń cyfrowych, łączności radiowej, innych elementów instalacji oraz zewnętrznych źródeł elektromagnetycznych. W przypadku długich kabli sygnał może ulegać tłumieniu, a jego interpretacja staje się trudniejsza wraz ze wzrostem odległości od źródła.

Kolejnym ograniczeniem jest lokalizacja defektu. Pomiar elektryczny może potwierdzić obecność wyładowań, ale wskazanie konkretnego miejsca ich powstawania wymaga dodatkowej analizy propagacji impulsu, pomiaru z dwóch stron albo zastosowania innych czujników.

IEC 60270 pozostaje więc podstawową metodą odniesienia, ale nie zawsze jest jedynym narzędziem potrzebnym w diagnostyce eksploatacyjnej.

 

UHF. Wysoka częstotliwość w rozdzielnicach GIS i transformatorach

Metoda UHF rejestruje impulsy elektromagnetyczne generowane przez wyładowania niezupełne w zakresie bardzo wysokich częstotliwości. W rozdzielnicach z izolacją gazową metalowa obudowa działa jak ekran, a jednocześnie tworzy środowisko, w którym sygnał UHF może rozchodzić się pomiędzy określonymi elementami konstrukcji.

Czujniki UHF mogą być instalowane fabrycznie albo montowane w istniejących urządzeniach, o ile konstrukcja zapewnia odpowiedni punkt dostępu. W transformatorach wykorzystuje się między innymi specjalne sondy montowane przez zawory lub przygotowane okna dielektryczne.

Dużą zaletą UHF jest odporność na część zakłóceń występujących w niższych zakresach częstotliwości. Metoda pozwala również rejestrować charakterystyczne wzorce impulsów i wykorzystywać różnice w czasie dotarcia sygnału do kilku czujników. Dzięki temu można określić przybliżone położenie źródła wyładowań.

W przypadku GIS szczególnie przydatna jest analiza czasu przelotu sygnału. Jeżeli impuls zostanie zarejestrowany przez kilka czujników, różnice czasowe mogą wskazać, w której części rozdzielnicy znajduje się defekt. Takie podejście pomaga zawęzić obszar inspekcji i ograniczyć zakres prac serwisowych.

UHF nie mierzy jednak ładunku pozornego w taki sam sposób jak IEC 60270. Odczyt zależy między innymi od czułości czujnika, jego położenia, charakterystyki częstotliwościowej, tłumienia sygnału oraz geometrii badanego urządzenia. Dlatego bez odpowiedniej kalibracji i kontroli parametrów pomiaru nie należy bezpośrednio przeliczać wyniku UHF na pikokulomby.

W praktyce UHF odpowiada przede wszystkim na pytania: czy w urządzeniu występuje aktywność wyładowań, jaki ma charakter, z którego kierunku dociera sygnał i gdzie prawdopodobnie znajduje się źródło problemu.

 

HFCT. Pomiar impulsów na ekranach i uziemieniach

HFCT, czyli przekładnik prądowy wysokiej częstotliwości, rejestruje impulsy prądowe przepływające przez określone elementy układu. W diagnostyce kabli czujnik może zostać umieszczony na przewodzie uziemiającym głowicy, na połączeniu ekranu lub w obszarze złącza.

To rozwiązanie jest szczególnie interesujące dla sieci kablowych średniego i wysokiego napięcia. Wyładowanie powstające w złączu albo głowicy generuje impuls, który rozchodzi się wzdłuż kabla. Rejestrując sygnał w odpowiednich punktach, można analizować jego czas dotarcia, odbicia oraz tłumienie.

W pomiarach jednostronnych lokalizacja źródła może opierać się na analizie fali bezpośredniej i odbitej. W pomiarach dwustronnych sygnały rejestrowane na obu końcach kabla pozwalają dokładniej określić odległość do miejsca występowania wyładowań.

HFCT może być także stosowany w pomiarach online, bez konieczności wyłączania całego systemu. To ważna cecha w przypadku sieci, których przerwanie pracy jest trudne albo kosztowne. Monitoring nie zastępuje jednak automatycznie testu odbiorczego. Dostarcza innego rodzaju informacji i wymaga sprawdzenia, czy system ma wystarczającą czułość dla konkretnej długości kabla, rodzaju złącza i poziomu zakłóceń.

Na wynik wpływa również pasmo czujnika. Wąskopasmowy HFCT może dobrze rejestrować określony fragment widma, natomiast czujnik szerokopasmowy dostarcza bogatszej informacji o kształcie impulsu. Szersze pasmo nie oznacza jednak zawsze lepszego pomiaru. Może również zwiększyć ilość rejestrowanych zakłóceń.

Dobór czujnika powinien wynikać z celu diagnostyki i charakterystyki badanego obiektu.

 

Kiedy IEC 60270 jest wystarczająca?

Metoda IEC 60270 zwykle wystarcza, gdy badanie odbywa się w kontrolowanych warunkach, urządzenie jest odłączone od sieci, a celem jest odbiór, porównanie z wymaganiami lub potwierdzenie jakości wykonania.

Dotyczy to między innymi badań fabrycznych transformatorów, testów nowych odcinków kabli, kontroli rozdzielnic przed uruchomieniem oraz pomiarów wykonywanych w laboratorium. Jeżeli poziom zakłóceń jest niski, a układ pomiarowy został prawidłowo skalibrowany, metoda dostarcza bardzo wartościowych i porównywalnych danych.

Warto sięgnąć po IEC 60270 także wtedy, gdy potrzebujemy odnieść wynik do konkretnego kryterium odbiorowego. W takich sytuacjach standaryzowana wartość ładunku pozornego ma znaczenie formalne i techniczne.

Nie oznacza to jednak, że pomiar powinien zakończyć proces diagnostyczny. Jeżeli wynik jest niejednoznaczny, pojawiają się nietypowe wzorce fazowe albo konieczne jest wskazanie konkretnego miejsca defektu, potrzebne mogą być UHF, HFCT lub pomiary akustyczne.

 

Kiedy potrzebne są UHF i HFCT?

Metody niekonwencjonalne stają się szczególnie użyteczne podczas badań na miejscu, w warunkach podwyższonego poziomu zakłóceń, przy diagnostyce online oraz wtedy, gdy kluczowe znaczenie ma lokalizacja źródła wyładowań.

UHF jest naturalnym wyborem dla rozdzielnic GIS, w których można wykorzystać czujniki rozmieszczone wzdłuż metalowej obudowy. Technika ta sprawdza się także w transformatorach, zwłaszcza gdy pomiar elektryczny nie pozwala jednoznacznie określić miejsca występowania aktywności.

HFCT dobrze pasuje do diagnostyki kabli, złączy, głowic i uziemień. Pozwala analizować propagację impulsów i może pracować w systemach monitoringu ciągłego. W sieciach kablowych jest to szczególnie ważne, ponieważ awaria pojedynczego złącza może wyłączyć znaczną część infrastruktury.

W obu przypadkach trzeba pamiętać o kontroli czułości. System może działać, rejestrować impulsy i nadal nie dostarczać wiarygodnej informacji, jeśli sygnał jest zbyt mocno tłumiony albo czujnik nie został właściwie dopasowany do urządzenia.

 

Najlepszy efekt daje połączenie metod

W praktyce wybór między IEC 60270, UHF i HFCT nie powinien przypominać konkursu, w którym jedna technika ma wygrać z pozostałymi. Każda z nich opisuje inne cechy tego samego zjawiska.

IEC 60270 zapewnia standaryzowany pomiar elektryczny i punkt odniesienia. UHF pomaga analizować szybkie impulsy elektromagnetyczne oraz lokalizować źródło w GIS i transformatorach. HFCT pozwala obserwować impulsy prądowe w kablach, ekranach i połączeniach uziemiających.

Połączenie metod zwiększa wiarygodność diagnozy. Jeżeli pomiar IEC 60270 wskazuje aktywność, UHF potwierdza charakter sygnału, a czujniki akustyczne lub dodatkowe sondy zawężają jego lokalizację, zespół diagnostyczny otrzymuje znacznie pełniejszy obraz sytuacji.

Ważna jest także analiza trendu. Pojedynczy pomiar może wskazać obecność sygnału, ale dopiero obserwacja zmian w czasie pozwala ocenić, czy zjawisko pozostaje stabilne, czy jego aktywność rośnie. W tym przypadku monitoring online z wykorzystaniem UHF lub HFCT może dostarczyć informacji, których krótkie badanie okresowe nie pokaże.

Raport CIGRE WG D1.37 podkreśla znaczenie kontroli czułości, charakterystyki czujników, tłumienia sygnału, analizy częstotliwościowej oraz prawidłowej interpretacji danych. Sama aparatura nie rozwiązuje problemu diagnostycznego. Potrzebne są jeszcze odpowiednia procedura, znajomość badanego urządzenia i umiejętność odróżnienia wyładowania od zakłócenia.

Właśnie dlatego pytanie nie powinno brzmieć: Która metoda jest najlepsza?

Lepsze pytanie brzmi:

Jakiej informacji potrzebujemy i która metoda pozwoli uzyskać ją z największą wiarygodnością?.

W przypadku badań odbiorczych odpowiedzią często będzie IEC 60270. Przy lokalizacji defektu w GIS większą wartość może przynieść UHF. W sieciach kablowych, szczególnie podczas monitoringu złączy i głowic, praktycznym wyborem będzie HFCT. W przypadku transformatorów najbardziej wartościowa może okazać się kombinacja kilku technik.

Wyładowania niezupełne są zjawiskiem szybkim, lokalnym i podatnym na zakłócenia. Ich skuteczna diagnostyka wymaga więc czegoś więcej niż samego zarejestrowania impulsu. Trzeba wiedzieć, co zmierzono, gdzie powstał sygnał, jak rozchodził się w urządzeniu i czy jego charakter zmienia się w czasie.

Dopiero wtedy pomiar staje się użytecznym narzędziem utrzymania wysokiego napięcia, a nie tylko kolejnym zestawem wykresów.

• Przeczytaj również na naszym blogu:
  Wyładowania niezupełne (PD) w transformatorach: objawy, pomiary i ryzyko
  

 

Gdzie diagnostyka spotyka się z praktyką

Skuteczna ocena wyładowań niezupełnych wymaga dopasowania metody do rodzaju urządzenia, warunków pomiaru i celu diagnostyki. IEC 60270 pozostaje ważnym punktem odniesienia podczas badań odbiorczych i laboratoryjnych. UHF oraz HFCT rozszerzają możliwości diagnostyki prowadzonej w obiekcie, szczególnie w rozdzielnicach GIS, kablach i transformatorach pracujących w systemie elektroenergetycznym.

Dobrze zaplanowane badania pozwalają wcześniej rozpoznać nieprawidłowości w izolacji, ograniczyć ryzyko nieplanowanych wyłączeń i podejmować decyzje serwisowe na podstawie danych. W praktyce równie ważne jak sama metoda pomiarowa pozostają jakość urządzenia, poprawny dobór parametrów oraz doświadczenie zespołu odpowiedzialnego za interpretację wyników.

Jeżeli szukasz transformatorów dopasowanych do parametrów swojej instalacji, sprawdź pełną ofertę transformatorów Energeks. Jeśli potrzebujesz rozwiązania dostępnego bez długiego oczekiwania, zobacz jednostki dostępne od ręki z 5 letnią gwarancją. 

Więcej informacji technicznych, realizacji i aktualności znajdziesz także na profilu Energeks na LinkedIn.

 

Materiał opracowano na podstawie publikacji CIGRE WG D1.37, Guidelines for Partial Discharge Detection using Conventional IEC 60270 and Unconventional Methods.