تفکیک تخلیه های جزئی داخلی و خارجی در آزمایش های پیرسازی شینه های ژنراتور

چکیده

به منظور بررسی کیفیت ساخت و مقایسه با معیارهای استاندارد در سیستم های عایقی شینه ژنراتور، از آزمایش های پیرسازی تسریع شده استفاده می شود. در طی فرایند پیرسازی تسریع شده ی شینه های ژنراتور، نیاز به بررسی روند رشد تخلیه الکتریکی جزئی داخلی شینه می باشد. در این مقاله، با توجه به ایجاد تخلیه های خارجی در حین پیرسازی و تداخل سیگنال حاصل از آنها با سیگنال های ناشی از تخلیه های داخلی، کاربرد تحلیل طیف فرکانسی سیگنالها در تفکیک تخلیه ها مورد استفاده قرارگرفته است.
کلیدواژه: تخلیه الکتریکی جزئی؛ تخلیه داخلی؛ تخلیه خارجی؛ شینه ژنراتور؛ پیرسازی تسریع شده؛ حوزه زمان و فرکانس

مقدمه

افزایش دامنه و یا توالی یک یا چند عامل پیرسازی  جهت کاهش دوره پیرسازی را پیرسازی تسریع شده می نامند. به منظور بررسی کیفیت ساخت و مقایسه با معیارهای استاندارد در سیستم های عایقی شینه ژنراتور، از آزمایش های پیرسازی تسریع شده استفاده می شود. یکی از آزمایش های حین پیرسازی شینه های ژنراتور که به منظور تعقیب و پایش وضعیت تجهیز مورد آزمایش صورت می گیرد، آزمایش تخلیه الکتریکی جزئی می باشد. برخلاف سایر آزمایشهای عایقی، همچون آزمایش ضریب تلفات عایقی و آزمایش ضرایب پلاریزاسیون، آزمایش تخلیه الکتریکی جزئی علاوه بر ارائه مقادیر تخلیه، قادر به تشخیص نوع عیب و چگونگی شکل گیری و توسعه آن در حین پیرسازی تجهیز می باشد.

یکی از آزمایش های نمونه که بر روی شینه های ژنراتور صورت می گیرد، آزمایش پیرسازی تحت دما و ولتاژ افزایش یافته می باشد. مطابق استاندارد 1553 IEEE که برای آزمایش های پیرسازی شینه هیدروژنراتورها و توربوژنراتورهای گازی تعریف شده است، شینه های مورد آزمایش باید طی مدت چهارصد ساعت، تحت دمای بهره برداری که توسط کاربر تعیین می شود در ولتاژ 2.17 برابر ولتاژ نامی پیر شوند (شکل1) [1]. در طی مدت پیرسازی، آزمایش هایی بر اساس استاندارد 1043 IEEE تحت عنوان آزمایش های میان مدت تحلیل وضعیت سیستم عایقی صورت می گیرند. یکی از این آزمایش ها، آزمایش تخلیه الکتریکی جزئی می باشد [2 و 3].

نکته حائز اهمیت در بررسی نتایج تخلیه جزئی در این آزمایش ها این است که لزوماً باید تخلیه های داخلی شینه، پایش شده و روند افزایش یا کاهش آن تعقیب گردد (شکل 2).

در این آزمایشها، اغلب به دلیل بالا بودن ولتاژ پیرسازی، تخریب لایه سیلیسیوم کار باید ناحیه اورهنگ شینه (شکل 3) رخ می دهد که در نهایت منجر به تولید تخلیه های خارجی در سطح شینه می شوند.

شکل2: نمودار تغییرات نسبی کل بار یکپارچه تخلیه الکتریکی جزئی شینه در طی مدت پیرسازی [3]

شکل 3: قسمت لایه تنظیم میدان در انتهای شینه

شناسایی تخلیه های سطحی خارجی و تخلیه های داخلی از طریق تحلیل نمودار بار، برحسب فاز قابل انجام می باشد (شکلهای 4 و 5)، ولی در این مرحله باید تعداد و میزان بارهای هر یک از تخلیه ها به دقت تفکیک شده تا نمودار تغییرات بار تخلیه داخلی شینه، مورد تحلیل قرار گیرد. همچنین از تحلیل بارهای سطحی نیز به زمان الزام جهت تجدید و یا تعمیر لایه سیلیسیوم کار باید پی برده می شود.

شکل 4: نمودار توزیع بار تخلیه جزئی شینه برحسب فاز ولتاژ اعمالی، برای یک شینه حاوی تخلیه های داخلی

شکل 5: نمودار توزیع بار تخلیه جزئی شینه برحسب فاز ولتاژ اعمالی، برای یک شینه حاوی تخلیه های توأم داخلی و خارجی

در این زمینه راهکار این است که به شناسایی تک تک سیگنال های تخلیه جزئی پرداخته شود. یکی از روش های مورد استفاده برای شناسایی سیگنال، تحلیل در حوزه فرکانس می باشد ]5[. آزمایشها نشان داده اند که تخلیه های ایجاد شده در شینه ژنراتور می توانند از طریق شناسایی پهنای باند آنها از یکدیگر تفکیک شوند (شکل 6).

شکل 6: طیف سیگنال های چهار نوع تخلیه جزئی شینه ژنراتور در حوزه فرکانس (مگاهرتز)، اندازه گیری شده توسط یک فیلتر باند پهن [6]

آزمایش ها

آزمایش های اشاره شده در این مقاله، بر روی شینه های هوا خنک با ولتاژ نامی 18 کیلوولت صورت گرفته است که متعلق به یک نیروگاه آبی بوده و ساخت یک شرکت داخلی می باشد.

دستگاه مورد استفاده در اندازه گیری تخلیه جزئی، متشکل از یک فیلتر میان گذر با باند گذر پنجاه الی هشتصد کیلوهرتز می باشد لذا به منظور بررسی امکان تمایز این دو نوع سیگنال (تخلیه های داخلی و خارجی انتهای شینه)، ابتدا سیگنال تخلیه خارجی در ناحیه اورهنگ شینه که توسط متخصص خبره قابل شناسایی می باشد، جداشده و طیف فرکانسی آن با طیف فرکانسی تخلیه های داخلی که هر دو توسط این دستگاه اندازه گیری شده اند مقایسه می شوند. اشکال 7 و 8 طیف فرکانسی این دو نوع تخلیه را نشان می دهند که در آن محور افقی فرکانس را برحسب کیلوهرتز و محور عمودی دامنه نرمال سازی شده را نشان می دهد.

شکل 7: طیف فرکانسی سیگنال تخلیه جزئی داخلی، اندازه گیری شده توسط دستگاه مورد استفاده در این آزمایش ها

شکل 8: طیف فرکانسی سیگنال تخلیه جزئی خارجی در ناحیه اورهنگ، اندازه گیری شده توسط دستگاه مورد استفاده در این آزمایش ها

از بررسی دو طیف فرکانسی سیگنال تخلیه جزئی داخلی و خارجی در شکل های 7 و 8، مشخص می شود که پهنای باند سیگنال تخلیه خارجی در ناحیه اورهنگ حدود صد و پنجاه کیلوهرتز وسیعتر از سیگنال تخلیه داخلی ثبت شده می باشد. علاوه بر این، سیگنال تخلیه خارجی در محدوده بالاتر از هفتصد کیلوهرتز مجدداً به صورت تخت در میآید. لذا تصمیم گرفته می شود که از این دو وجه تمایز در تفکیک سیگنال ها استفاده شود.

برای ادامه کار از روندی که در ذیل به آن اشاره می شود استفاده می گردد.

در مرحله اول، سیگنالهای دریافتی به ترتیب برحسب تقدم وقوع مرتب می شوند (شکل 9).

شکل 9: نمودار تخلیه های ثبت شده در طی مدت دویست میلی ثانیه

در مرحله دوم، هر سیگنال از فایل خام ثبت شده توسط کارت آنالوگ به دیجیتال دستگاه، استخراج می شود. شکل 10 یک نمونه سیگنال دریافت شده توسط کارت آنالوگ به دیجیتال دستگاه اندازه گیری را نشان می دهد که در آن محور افقی نشان دهنده زمان برحسب میکرو ثانیه و محور عمودی نشاندهنده دامنه نرمال سازی شده می باشد.

شکل 10: سیگنال دریافت شده توسط کارت آنالوگ به دیجیتال دستگاه اندازه گیری

سپس این سیگنال با استفاده از نرم افزار  MATLAB به حوزه فرکانس برده شده و پهنای باند آن اندازهگیری می شود و برحسب اندازه ی پهنای باند در یکی از سه دسته تخلیه داخلی، تخلیه خارجی و تخلیه نامشخص قرار می گیرد. دسته ی تخلیه های نامشخص، شامل تخلیه هایی است که تفاوت پهنای باند آنها با هر یک از دو دسته اصلی کمتر از هفتاد کیلوهرتز می باشد. سپس تخلیه های نامشخص از نظر پهنای باند در محدوده هفتصد الی هزار کیلوهرتز بررسی می شوند. چنانچه در این محدوده نیز دارای پهنای باند نسبی پنجاه کیلوهرتز باشند در دسته تخلیه های خارجی قرار می گیرند. با استفاده از این روند، تخلیه های مربوط به دو دسته اصلی ثبت و اندازه گیری می شوند (شکل 11).

شکل 11: نمودار تفکیک شده تخلیه های داخلی و خارجی

همانطور که در شکل 11 مشاهده میشود کلیه تخلیه های نامتقارن در دسته تخلیه های خارجی قرارگرفته اند.

نتیجه گیری

به منظور تحلیل نحوه ی رشد تخلیه جزئی داخلی شینه های نیروگاهی در طی مدت پیرسازی تسریع شده، نیاز به تفکیک تخلیه های داخلی و خارجی می باشد. در این زمینه روش تحلیل سیگنال ها در حوزه فرکانس مورد استفاده قرار گرفت.

منابع

[1]- IEEE Std 1553, “IEEE standard for voltageendurance testing of form-wound coils and bars for Hydrogenerators”

[2]- IEEE Std 1043, “IEEE recommended practice for voltage-endurance testing of form-wound bars and coils”

[3]- M.R.Naghashan,”Experiments for the Life Assessment of Generator Bars”, IEEE International Symposium on Electrical Insulation, ISEI2004, Indianapolis, USA

[4]- M.R. Naghashan, D. Hekmatshoar, “A thermal model for water-cooled generator bars using laboratory test results”, The 2006 International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS 2006), November 2006, Nagasaki, Japan

[5]- M.R. Naghashan, H. Zareie, B.Anvary, “PDSource Recognition in Generator Bars using a High-Voltage Coaxial-Type High-Pass Filter”, IEEE Electrical Insulation Conference, Canada, 2007

[6]- حسین زارعی، محمدرضا نقاشان، “اندازه گیری و مقایسه پالس سه نوع تخلیه الکتریکی جزیی در شینه ماشین های فشارقوی در حوزه زمان و فرکانس”، کنفرانس مهندسی برق ایران، دانشگاه شیراز، 1382