آزمایش و بررسی درصد تضعیف سیگنال فراصوت حاصل از تخلیه الکتریکی جزئی در شینه ژنراتور قرار گرفته در داخل و خارج از شیار استاتور

Abstract

Partial discharge is one of the important factors affecting the estimation of life and fault diagnosis of high voltage generator bars. During the occurrence of partial discharge, ultrasonic signals is generated. Parameters of the signal such as amplitude, frequency and the number of its occurrences per unit time can be changed depending on the type of partial discharge and its location. This theory already has been proven about ultrasonic waves that its amplitude varies inversely with the distance from the site of partial discharge source. In this paper the ultrasonic sensors are mounted on six points along the stator bar of a HV generator, in both cases, inside and outside the stator slot. Then MATLAB analyzing techniques are used for filtering the detected signals and attenuation curve per distance from the site of discharge. These results can be used to detect and evaluate ultrasonic signals for locating the partial discharge on generator bars.

Keywords: Attenuation, Generator bars, Partial discharge, Sensor, Ultrasonic signals

چکیده

بررسی تخلیه الکتریکی جزئی از جمله عوامل مهم و تاثیر گذار در تشخیص خطا و تخمین عمر شینه ژنراتور فشارقوی به شمار میرود. تخلیه جزئی به هنگام وقوع، سیگنال های فراصوتی تولید می کند که مشخصات این سیگنال از قبیل دامنه، فرکانس، شکل و تعداد وقوع آن در واحد زمان میتواند بسته به نوع تخلیه جزئی و محل وقوع آن تغییر کند. در مورد امواج فراصوت قبال این نظریه به اثبات رسیده است که دامنه سیگنال فراصوت با میزان فاصله از محل تولید نسبت عکس دارد. در این مقاله این موضوع برای یک شینه ژنراتور در دو حالت داخل و خارج از شیار مورد آزمایش قرارگرفته است. سنسور فراصوت در شش نقطه در امتداد شینه نصب شده و پس از تحلیل نتایج آزمایش به وسیله نرم افزار متلب، منحنی درصد تضعیف سیگنال بر حسب میزان فاصله از محل تخلیه به دست آمده است. از این نتایج می توان برای تشخیص و بررسی سیگنال های فراصوت در مکان یابی تخلیه جزئی شینه استفاده کرد.

واژه های كلیدی: تخلیه الکتریکی جزئی، تضعیف سیگنال، سنسور فراصوت، شینه ژنراتور

مقدمه

متداول ترین روش برای تشخیص سلامت و تعیین عمر شینه در ژنراتور های فشارقوی، آزمایش تشخیص تخلیه جزئی می باشد. وقوع تخلیه جزئی در شینه ژنراتور همواره با عوامل جانبی همچون نویزهای الکترومغناطیسی، ایجاد نویز بر روی ولتاژ شبکه، نور، گاز و صدا همراه می باشد. پر کاربرد ترین روش آزمایش تشخیص تخلیه جزئی، روش الکتریکی می باشد که از طریق جداسازی نویزهای تولیدی توسط تخلیه جزئی از ولتاژ شبکه به بررسی و تحلیل آن می پردازد. روش تشخیص الکتریکی همواره با مشکلاتی از قبیل هزینه بالای تجهیزات، تداخل نویز از سمت شبکه و محیط و … همراه می باشد که در نهایت موجب بروز خطا در آزمایشها تشخیصی می گردد. بنابراین نیاز به یک روش مکمل و جایگزین در آزمایش تخلیه جزئی به وجود میآید. روش تشخیص تخلیه جزئی فراصوت از جمله روش های رایج در ترانسفورماتورهای قدرت میباشد ولی قدمت مقالات موجود برای این روش در شینه ژنراتور کمتر از دو دهه بوده و در زمینه ژنراتورهای فشارقوی روش نوپا و جدیدی به شمار می رود. ازجمله مزایای روش تشخیص فراصوت، هزینه پایین تجهیزات، عدم تداخل نویزهای مغناطیسی محیط، عدم تداخل نویزهای شبکه و تشخیص محل خطا در امتداد شینه می باشد [1].

در مرجع [2] با استفاده از سنسور صوتی، وقوع تخلیه جزئی در طول پیرسازی الکتریکی شینه ژنراتور تشخیص داده شده است. همچنین در مقالات [4,3] موقعیت محل تخلیه جزئی در امتداد شینه با استفاده از روش فراصوت تشخیص داده شده است. از مشکلات این روش، عدم امکان کالیبراسیون و نمایش دامنه تخلیه جزئی بر حسب کولن می باشد که بررسی این موضوع در برنامه تحقیقاتی نویسندگان این مقاله می باشد. در [5] نویسندگان این مقاله الگوی دامنه بر حسب فاز تخلیه داخلی را برای روش تشخیص تخلیه جزئی فراصوت ارائه داده اند که از آن می توان برای تشخیص نوع خطا در آزمایش ها استفاده کرد.

آزمایش تشخیص فراصوت تخلیه جزئی

به منظور بررسی تغییرات دامنه سیگنال فراصوت ناشی از تخلیه جزئی به ازای جابجایی در امتداد شینه ژنراتور، بایستی از یک منبع تولیدکننده سیگنال فراصوت ثابت، از نقاط مختلف سیگنال فراصوت دریافت شود. برای تحقق این امر در مرحله اول شینه ای که دارای این ویژگی (دارای منبع تولیدکننده سیگنال فراصوت ثابت) باشد، یافت می شود. این شینه در آزمایشگاه تخلیه جزئی واقع در پردیس فنی و مهندسی شهید عباسپور موجود می باشد، که دارای تخلیه جزئی از نوع داخلی در فاصله حدوداً 100 سانتیمتری از ابتدای شینه بوده و در ولتاژ اعمالی آزمایش، فاقد هر گونه تخلیه سطحی و یا کرونا می باشد. شینه مورد آزمایش به وسیله جرثقیل بر روی پایه های عایقی واقع در محل آزمایشگاه قرارگرفته و آماده انجام آزمایش می شود.

تجهیزات آزمایشگاهی

در تجهیزات آزمایشگاهی به کار برده شده در آزمایشگاه، از یک سنسور فراصوت  SSQC-SQ40R به همراه یک کابل کواکسیال 51 اهم برای دریافت سیگنال فراصوت، نشان داده شده در شکل 1، استفاده شده است. همچنین از یک ترانسفورماتور آزمایشگاهی فشارقوی با نسبت تبدیل 220 ولت به 100 کیلوولت، کارت آنالوگ به دیجیتال، خازن کوپلاژ 1200Pf، 100Kv همراه با پیک ولت متر برای اندازه گیری حداکثر دامنه ولتاژ بر روی شینه استفاده شده است.

شکل 1: سنسور فراصوت SSQC-SQ40R متصل به یک کابل كواكسیال 40 اهم

مجموعه میز کنترل ولتاژ به همراه پیک ولت متر، کارت آنالوگ به دیجیتال و رایانه مورد استفاده در آزمایشگاه تخلیه جزئی در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: مجموعه میز کنترل ولتاژ به همراه پیک ولت متر، کارت آنالوگ به دیجیتال و رایانه مورد استفاده در آزمایشگاه تخلیه جزئی

این آزمایش در آزمایشگاه تخلیه جزئی واقع در پردیس فنی و مهندسی شهید عباسپور صورت گرفته است. شینه استفاده شده در این آزمایش متعلق به یک ژنراتور 15،75KV ،250MVA است. طول قسمت شیار 642 سانتی متر میباشد. هادی 104 رشته دارد که در دو ستون با جابجایی 360 درجه قرارگرفته اند. سطح مقطع شینه 112 در 26 میلی متر مربع است. کلاس عایقی ماشین F است که غنی از رزین(Rich Resin) می باشد و سطح نیمه هادی در بخش شیار برای آزمایش در حالت داخل شیار، با ورقه استیل که مشابه یک شیار مصنوعی عمل می کند پوشانده شده است. شکل 3 شینه مورد آزمایش و نحوه قرارگیری سنسور را در حالت خارج از شیار نشان می دهد.

شکل 3: سنسور فراصوت قرار گرفته بر روی شینه ژنراتور خارج از شیار، در حین آزمایش تخلیه جزئی به روش فراصوت

انجام آزمایش

برای بررسی درصد تضعیف سیگنال فراصوت در شینه قرارگرفته در داخل و خارج از شیار بایستی دو سری آزمایش انجام شود. در سری آزمایش ها B سنسور بر روی شینه خارج از شیار استاتور به صورت شکل 3 و در سری آزمایش ها C سنسور بر روی هسته استاتوری که شینه درون آن است، قرار می گیرد. شکل 4 مدار آزمایشگاهی برای انجام آزمایش تخلیه جزئی به وسیله سنسور فراصوت را نشان می دهد.

شکل 4: مدار آزمایشگاهی برای انجام آزمایش تخلیه جزئی با استفاده از سنسور فراصوت

در هر دو سری آزمایشها B و C، مطابق با شکل 5 نمونه گیری ها از شش نقطه صورت گرفته است. همچنین محل خطای داخلی در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 5: نقاط مورد آزمایش و محل خطای داخلی بر روی شینه ژنراتور مورد آزمایش

نتایج آزمایش

ولتاژ موثر اعمالی به شینه در هر دو سری از آزمایشها، 12,5Kv می باشد و سیگنال خام دریافتی از سنسور فراصوت در این ولتاژ ثبت گردیده است. نمونه ای از این سیگنال ها در شکل 6 نشان داده شده است و همان طور که مشاهده می شود یک سیگنال غیر سینوسی میرا شونده می باشد. سیگنال های دریافت شده از هر دو سری آزمایش از طریق کارت A/D به رایانه منتقل می شود. به علت وجود نویز بر روی سیگنال دریافتی، هرچند با دامنه کم، برای دستیابی به نتایج بهتر و نزدیکتر به سیگنال اصلی بایستی این سیگنال ها نویز زدایی شوند.

شکل 6: سیگنال دریافتی از سنسور فراصوت به هنگام وقوع تخلیه جزئی – محور عمودی دامنه و محور افقی زمان را با فرکانس نمونه گیری  200MS/s نشان می دهد

به همین علت تمام سیگنال های دریافتی از سنسور فراصوت، از حوزه زمان به حوزه فرکانس منتقل شده و با توجه به محدوده فرکانسی که بیشترین دامنه سیگنال را شاهد هستیم با استفاده از نرم افزار متلب، فیلترگذاری در محدوده فرکانسی مطلوب انجام می شود. شکل 5 نمونه ای از پاسخ فرکانسی سیگنال فراصوت را نشان می دهد که با استفاده از نرم افزار متلب به دست آمده است.

شکل 7: پاسخ فركانسی سیگنال به دست آمده از سنسور فراصوت – محور عمودی نشان دهنده دامنه و محور افقی نشان دهنده فرکانس برحسب هرتز می باشد

پاسخ فرکانسی برای تمام سیگنال های دریافتی تقریباً مشابه شکل 5 میباشد بدین معنی که اولا محدوده فرکانسی 26.3 تا 27 مگاهرتز دارای بیشترین دامنه میباشد و دوم اینکه میزان دامنه این محدوده با افزایش فاصله از محل تخلیه کاهش می یابد. از این رو می توان گفت این محدوده مناسب ترین شرایط را برای فیلترگذاری دارد. شکل 8 نمونه ای از سیگنال فیلتر شده در محدوده فرکانسی مطلوب را نشان می دهد.

شکل 8: سیگنال فراصوت فیلتر شده در محدوده فركانسی  26.3 تا 27 مگاهرتز

بررسی و تحلیل نتایج آزمایش

بررسی درصد تضعیف سیگنال فراصوت شینه ژنراتور قرارگرفته در خارج از شیار استاتور

برای بررسی درصد تضعیف سیگنال در هر سری از آزمایش ها، بایستی حداکثر مقدار دامنه سیگنال فیلتر شده مدنظر قرار گیرد. جدول 1 میزان حداکثر دامنه سیگنال فیلتر شده را به ازای محل قرارگیری سنسور نشان می دهد. عدد قرارگرفته در کنار حروف B و C نشان دهنده فاصله از ابتدای شینه می باشد.

جدول 1: حداكثر دامنه سیگنال فیلتر شده به ازای محل قرارگیری سنسور در سری آزمایشات B

منحنی مربوط به دامنه سیگنال فراصوت بر حسب فاصله از ابتدای شینه در شکل 4 آمده است.

شکل 9: منحنی دامنه سیگنال فراصوت بر حسب فاصله از ابتدای شینه در سری آزمایش B

همان طور که از روی منحنی مشخص است با افزایش فاصله از محل تخلیه جزئی داخلی(حدوداً در فاصله یک متری از ابتدای شینه) دامنه سیگنال سیر نزولی به خود می گیرد که با استفاده از ابزار basic fitting متلب می توان تابع دامنه بر حسب فاصله را به صورت رابطه 1 به دست آورد.

که در آن Y حداکثر دامنه سیگنال فراصوت فیلتر شده و X فاصله از ابتدای شینه را بر حسب متر نشان میدهد.

بررسی درصد تضعیف سیگنال فراصوت شینه ژنراتور قرارگرفته در داخل شیار

مشابه آزمایش B در این آزمایش نیز بایستی حداکثر دامنه را بر حسب محل قرارگیری سنسور به دست آورد. جدول 2 میزان حداکثر دامنه سیگنال فیلتر شده را به ازای محل قرارگیری سنسور نشان می دهد.

جدول 2: حداكثر دامنه سیگنال فیلتر شده به ازای محل قرارگیری سنسور در سری آزمایشاتC

منحنی مربوط به دامنه سیگنال فراصوت بر حسب فاصله از ابتدای شینه در شکل 10 آمده است.

شکل 10: منحنی دامنه سیگنال فراصوت بر حسب فاصله از ابتدای شینه در سری آزمایشC

تحلیل نتایج در سری آزمایش C نیز مشابه تحلیل نتایج در سری آزمایش B می باشد. از روی منحنی شکل 10 میتوان به چند نکته اشاره کرد:

نکته نخست اینکه دامنه سیگنال های دریافتی از سری C، در موقعیتهای مشابه با سری B از دامنه بیشتری برخوردار می باشد. علت این امر را می توان استفاده از ورقه های فولادی ناودانی شکل که برای ساخت شیار مصنوعی به کار برده شده اند دانست چرا که این صفحات می توانند ارتعاشات ناشی از تخلیه جزئی را دریافت و آنها را تقویت کنند.

نکته دوم، معادله و منحنی به دست آمده نیز محل تخلیه جزئی را در فاصله حدوداً یک متری از ابتدای شینه نشان می دهد.

نکته سوم، همان طور که از شکل مشخص است با افزایش فاصله از محل تخلیه داخلی میزان دامنه با افزایش فاصله از محل تخلیه سیر نزولی به خود می گیرد که تابع آن با استفاده از نرم افزار basic fitting به صورت رابطه 2 به دست آمده است.

برای بررسی دقیق تر منحنی شکل 10، آن به صورت درصدی در شکل 11 رسم شده است. به این ترتیب که ابتدا حداکثر دامنه از رابطه 2 حاصل شده و برابر با 100درصد دامنه منحنی قرارگرفته است. همان طور که از شکل 11 نیز مشخص است می توان گفت که به ازای هر یک متر فاصله گیری از محل تخلیه، سیگنال ناشی از تخلیه در حدود 22.2 درصد تضعیف می شود.

شکل 11: منحنی درصد تضعیف سیگنال فراصوت ناشی از تخلیه جزئی در امتداد شینه

نتیجه گیری

در این مقاله دو سری آزمایش بر پایه ی روش جدید تشخیص امواج فراصوت ناشی از تخلیه جزئی، بر روی شینه ژنراتور در حالت داخل و خارج از شیار استاتور انجام شده است. پس از مراحل تحلیل و فیلترگذاری سیگنال دریافتی از نقاط مختلف، منحنی تغییرات دامنه سیگنال ناشی از تخلیه جزئی در امتداد شینه برای هر دو حالت داخل و خارج از شیار استاتور به دست آمده است  هر دو منحنی حاکی از وجود حداکثر دامنه تخلیه جزئی در فاصله حدوداً 100 سانتیمتری از ابتدای شینه هستند که نشان از صحت و درستی نتایج آزمایش ها میباشد. منحنی به دست آمده در حالت شینه قرارگرفته درون شیار نشان می دهد که با فاصله- گیری از محل تخلیه به ازای هر یک متر، سیگنال ناشی از تخلیه در حدود 22.2 درصد کاهش دامنه خواهد داشت. همچنین در بررسیهای به عمل آمده نیز مشخص گردید که در حالت شینه قرارگرفته در خارج از شیار استاتور نیز درصد تضعیف سیگنال به ازای هر یک متر در حدود 20 درصد می باشد. از نتایج این مقاله می توان به عنوان معیاری برای بررسی سیگنال های فراصوت در مکان یابی و تشخیص تخلیه جزئی شینه ژنراتور استفاده کرد.

مراجع

[1] م. ر. نقاشان, “روشها و سیستمهای پیرسازی شینه های ژنراتور”، چهارمین کنفرانس تجهیزات دوار در صنعت نفت و نیرو، 1391

[2] S. Ahmadi, M. R. Naghashan, and M. Shadmand, “Partial discharge detection during electrical aging of generator bar using acoustic technique,” IEEE Conference, pp. 576-, ISEC 2012.

[3] R. Bozzo, F. Guastavino, and G. Guerra, “PD detection and localization by means of acoustic measurements on hydogenerator stator bars,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation vol. 2, pp. 660-666, 4 ,August 1995.

[4] R. Bozzo, C. Gemme, F. Guastavino, and G. Guerra, “Localisation of partial discharge sites on power generator bars by means of ultrasonic measurements,” IEEE lnstumentation and Measurement Technology Conference, pp. 663 -658, May 1997.

[5] م. اخوات و م.ر. نقاشان, “تشخیص خطا و شناسایی الگو در آزمایش تخلیه جزئی شینه ژنراتور با استفاده از سنسور فراصوت” ارائه شده به کنفرانس بینالمللی برق 1392