HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA
ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ
8. savjetovanje HRO CIGRÉ
Cavtat, 4. - 8. studenoga 2007.
dr. sc. Miroslav Poljak
Končar–Institut za elektrotehnku d.d
mpoljak@koncar-institut.hr
A3-11
Boris Bojanić, dipl. ing
Končar–Mjerni transformatori d.d.
boris.bojanic@koncar.hr
KAKO SPRIJEČITI EKSPLOZIJE MJERNIH TRANSFORMATORA
SAŽETAK
U članku je opisana metodologija i ispitni postupak kojima bi se potencijalne eksplozije mjernih
transformatora u pogonu svele na zanemarivo malene vrijednosti.
Uvodno su statistički interpretirani rezultati ankete o uzrocima kvarova različitih tipova mjernih
transformatora od kojih se oko 90% razvija postepeno i traje od nekoliko sati do nekoliko mjeseci.
Međunarodna elektrotehnička komisija (lEC) pred usvajanjem je normiranog postupka prema kojem bi
mjerni transformatori morali izdržati efekte unutarnjeg luka. Autori se kritički osvrću na ovaj prijedlog
obrazlažući njegove glavne nedostatke. Na temelju proračuna i eksperimentalnog istraživanja na
modelima i strujnom transformatoru 123 kV dokazuju da se mehanizam koji dovodi do eksplozije mjernih
transformatora ne može dovoljno dobro simulirati na način kako je prijedlogom nove IEC norme opisano.
Predlaže se novi koncept smanjenja eksplozija mjernih transformatora u pogonu nazvan
„pouzdan protiv eksplozije“ koji se sastoji od dodatnih komadnih i specijalnih ispitivanja te uporabe
uređaja za mjerenje ili detekciju porasta tlaka ulja u transformatoru. Osnova predloženih ispitivanja je u
istraživanju „Volt-sekundnih značajki napona nastanka parcijalnih izbijanja u uljno-papirnoj izolaciji
mjernih transformatora“.
Ključne riječi: mjerni transformator, kvar, ispitivanje, unutarnji luk, Weibullova distribucija
HOW TO PREVENT INSTRUMENT TRANSFORMER EXPLOSIONS
SUMMARY
The methodology and test procedure for the reduction of possible explosions of instrument
transformers in service to negligibly low values is described.
As the introduction, an interpretation of statistical results of a poll about different types of faults in
instrument transformers is given, showing that about 90% of them develop gradually, taking from several
hours to several months. International Electrotechnical Commission (IEC) is about to adopt a
standardised procedure providing that instrument transformers should withstand the effect of internal arc.
The authors take a critical view of the procedure, explaining its main flaws. On the basis of calculations
and experimental research on models and 123 kV current transformer it is shown that the mechanism
causing explosions of instrument transformers cannot be simulated well enough in the way provided for in
the draft of the new IEC standard.
A new concept of reduction of explosions of instrument transformers in service called “explosion
safe” is proposed. It includes additional type and special tests, and usage of devices for detection or
measurement of oil pressure rises in transformers. The proposed tests are based on the investigation
“Volt-time Relationships for PD Inception in Oil-paper Insulation”.
Key words: instrument transformer, failure, test, internal arc, Weibull distribution
1
1.
UVOD
Pouzdanost elektroenergetskog sustava važan je čimbenik u sve složenijim zahtjevima za
opskrbom električne energije. Kvarovi komponenti sustava izravno smanjuju njegovu pouzdanost pa se
zadnjih godina izuzetna pažnja posvećuje njihovoj analizi, tumačenju i stvaranju uvjeta da se isti spriječe.
Mjerni transformatori u sustavu imaju važnu ulogu kod obračuna potrošnje električne energije i zaštite
ostalih komponenti sustava, pa je proučavanje i statistička obrada njihovih havarija redovito zaokupljala
znanstvenu i stručnu pažnju. Eksplozija mjernog transformatora najteži je oblik kvara i kao posljedicu
redovito ima:
- direktan trošak zamjene mjernih transformatora
- direktne troškove zamjene susjedne opreme oštećene u eksploziji.
Nije rijedak slučaj da ovaj tip kvara uzrokuje indirektne štete uslijed neisporučene električne energije za
vrijeme otklanjanja njegovih posljedica. S veoma malom vjerojatnošću treba računati i na ozljede osoblja
u elektroenergetskom postrojenju.
Pomna analiza dvije međunarodne ankete organizirane u okviru međunarodne CIGRE-a,
višegodišnja diskusija u radnim skupinama IEC-a, nagnala je autore da dodatno teorijski i
eksperimentalno istraže fenomen eksplozije mjernih transformatora u pogonu. Najvažniji rezultati tih
istraživanja sistematiziran su u prijedlogu ispitnih postupaka i drugih mjera čijom bi se primjenom
eksplozije mjernih transformatora drastično smanjile odnosno gotovo spriječile.
2.
KVAROVI MJERNIH TRANSFORMATORA – MEĐUNARODNA ANKETE
Spomenutim anketama CIGRE-a obuhvaćeni su kvarovi visokonaponskih (Um≥72,5kV) mjernih
transformatora u petnaestak država. Prva anketa obuhvaćala je razdoblje od 1970. do 1986. godine [1] i
uključivala je 136033 transformatora, dok je druga uključivala 131207 transformatora u razdoblju od 1985.
do 1995. godine. Kako te dvije ankete nisu bile koncipirane na isti način njihovi rezultati su teško
međusobno usporedivi. Mi ćemo se stoga pretežito osvrnuti na novija istraživanja i to tako da statistički
analiziramo samo tzv. velike kvarove, njihove uzroke, metode otkrivanja i poduzete radnje da se oni
smanje.
Veliki kvar je definiran kao iznenadan događaj popraćen eksplozijom i koji je uzrokovao trenutni
ispad ili isključenje. U ostale kategorije spadaju mali kvar i defekt.
Kada se govori o statističkoj obradi kvara razlikujemo dva pojma, udio kvara i relativni udio kvara.
Pod udjelom kvara smatra se omjer broj kvarova u promatranom razdoblju i ukupnog broj
transformatora na kraju razdoblja izražen u postocima. Ako se udio kvara podjeli s brojem godina u
promatranom razdoblju dobije se relativan udio kvara koji onda govori o vjerojatnosti nastanaka kvara u
periodu jedne godine. U tablici I pokazan je udio velikih kvarova (eksplozija) mjernih transformatora u
ovisnosti o ukupnom broju registriranih kvarova te ukupnom broju instaliranih mjernih transformatora.
Analiza je dana po tipovima mjernih transformatora.
Tablica I. analiza učešća velikih kvarova (eksplozija) u odnosu na ukupan broj kvarova i broj instaliranih
transformatora
Vrsta
transformatora
Strujni
Induktivni
naponski
Kapacitivni
naponski
Kombinirani
Ukupno
br. velikih
kvarova (1)
ukupan br.
kvarova (2)
br.
instaliranih
transf. (3)
veliki kvar/
uk. kvarovi
(1)/(2)*100
udio velikih
kvarova
(1)/(3)*100
udio uk.
kvarova
(2)/(3)*100
261
1024
65190
25,5
0,40
1,57
85
537
19215
15,8
0,44
2,79
60
624
22784
9,6
0,26
2,74
54
819
24018
6,6
0,22
3,41
460
3004
131207
15,3
0,35
2,29
Na temelju podataka iz Tablice I možemo zaključiti da broj eksplozija mjernih transformatora u
odnosu na ukupan broj detektiranih kvarova iznosi 15,3 %. Udio eksplozija u ukupnim kvarovima
značajno je veći kod strujnih transformatora nego kod ostalih vrsta iako je udio ukupnih kvarova kod
2
strujnih transformatora najmanji. To se može objasniti činjenicom da se defekti naponskih i kombiniranih
transformatora često manifestiraju promjenom sekundarnog napona pa se reagirati može prije npr.
mjerenjem napona otvorenog trokuta. Naglasimo da je relativni udio kvara, podatak koji govori o
godišnjem broju kvarova u konkretnom slučaju 10 puta manji. Tako na temelju podataka iz Tablice I
možemo reći da se na 10000 instaliranih transformatora tijekom jedne godine statistički pokvari 22,9 od
kojih 3,5 eksplodira.
Interesantna je analiza o uzrocima nastalih kvarova, pri čemu su mogući uzroci podijeljeni u šest
kategorija:
1. konstrukcijska greška uslijed krivih dielektričnih i mehaničkih proračuna ili korištenja
neadekvatnih materijala
2. neodgovarajuća kontrola kvalitete koja obuhvaća pogreške u montaži, onečišćenje izolacijskog
sustava curenje impregnanta i slično
3. starenje ako se radi o transformatorima starijim od 25 godina
4. prenaponi atmosferskog podrijetla uslijed udara groma
5. rad u izvan nazivnim uvjetima kao što je ferorezonancija, izbijanje voda ili kabela, potres, kvar na
susjednoj opremi ili slično
6. neodgovarajuće održavanje što uključuje nestručnu montažu i puštanje u pogon
7. nepoznato
U Tablici II prikazani svi uzroci velikih kvarova (eksplozija) u postocima prema ukupnom broju
kvarova za sve vrste mjernih transformatora
Tablica II. uzroci eksplozija mjernih transformatora u %
Strujni
ukupno = 261
Induktivni naponski
ukupno = 85
Kapacitivni naponski
ukupno = 60
Kombinirani
ukupno = 54
34,5
54,1
43,3
59,3
17,2
7,1
16,7
0,0
Starenje
10,3
1,2
26,7
0,0
Prenaponi
8,4
17,6
3,3
29,6
Izvan nazivni
uvjeti
3,1
13,0
3,3
9,2
Održavanje
0,4
1,2
0,0
0,0
Nepoznato
26,1
5,9
6,7
1,8
Uzrok kvara
Konstrukcijska
greška
Kontrola kvalitete
Evidentno je da je oko polovice eksplozija mjernih transformatora uzrokovano konstrukcijskom
greškom, uzrok velikog broja eksplozija je nepoznat naročito kod strujnih transformatora.
Kod induktivnih naponskih i kombiniranih mjernih transformatora prenaponi su mnogo češći
uzročnik kvara od ostalih vrsta mjernih transformatora. Razlog tome najvjerojatnije je nejednolika
raspodjela napona uzduž primarnog namota induktivnog naponskog transformatora bilo da se radi o
samostalnoj jedinici i sastavnom dijelu naponskog transformatora. Isto vrijedi i za izvan nazivne uvjete što
se može pripisati pojavi ferorezonancije kod induktivnih naponskih transformatora.
Za poduzimanje adekvatnih mjera za sprečavanje eksplozija mjernih transformatora osim uzroka
važno je imati podatke kako su kvarovi otkriveni. Dodatna anketa CIGRE-a pokazuje kvantitativno načine
otkrivanja kvara i to:
- 63 % redovitim vizualnim pregledom i održavanjem
- 13 % na temelju djelovanja zaštite sustava
- 11 % na temelju monitoringa transformatora (naponski transformatori)
- 8 % nekom drugom metodom
- 4 % na temelju kvara slične opreme
- 1 % neplaniranim pregledom postrojenja
Uzimajući u obzir uzroke i način otkrivanja kvarova možemo zaključiti da se velika većina kvarova
sporo vremenski razvija. U tu grupu spadaju svi oni kvarovi koji nisu otkriveni djelovanjem relejne zaštite
3
sustava te jedan dio otkriven i na taj način. Što se tiče uzroka kvara u sporo razvijajuće kvarove ne spada
dio kvarova uslijed prenapona i ferorezonacije. Temeljem ovih činjenica može se procijeniti da 85-95 %
eksplozija mjernih transformatora su rezultat sporih procesa. Kao takve moguće ih je na vrijeme otkriti ili
predvidjeti. Kod transformatora s papirno-uljnom izolacijom, kvarovi koji se sporo razvijaju u pravilu za
posljedicu imaju porast tlaka izolacijske tekućine. Senzorom za mjerenje tlaka ili tlačnom sklopkom [2]
moguće je na jednostavan i relativno jeftin način spriječiti eksploziju.
Kako su korisnici reagirali na eksplozije i kvarove također se može zaključiti iz dodatne ankete
[1]. Većina je poboljšala održavanje i primijenila efikasnija dijagnostičke metode. Neki su izmijenili
nazivne parametre transformatora ili čak promijenili tip transformatora i proizvođača. Paralelno pooštreni
su zahtjevi glede osiguranja kontrole kvalitete kod proizvođača i veći naglasak dan na tipska i rutinska
ispitivanja.
3.
ŠTO JE PODUZETO U IEC-u
Početkom 2000. godine u okviru IEC TC 38 Maintanance Team (MT) 30 pojavljuje se prijedlog da
se u norme za mjerne transformatore uvrste definicije, zahtjevi i ispitivanja glede podnosivosti na
eksplozivno djelovanje uslijed unutarnjeg luka. Početni prijedlog odnosio se samo na transformatore
izolirane plinom SF6, oslanjao se na praksu u SAD i Kanadi, a provjera ispitivanjem imala je karakter
specijalnih ispitivanja.
Definirane su dvije kategorije nazvane „zaštita od kvara na unutrašnji luk razred I i razred II“. U
prvu kategoriju spadaju oni transformatori kod kojih unutarnji luk može uzrokovati lom izolatora i kućišta,
ali krhotine moraju biti unutar zadanog radijusa, dok se za drugu kategoriju lom nije dozvoljen. Struja koja
inicira luk jednaka je kratkotrajnoj podnosivoj struji kratkog spoja (Ith) u trajanju od 0,2 sekunde, a
dinamička struja jednaka je 2,5 puta termičkoj. Mjesto nastanka luka određeno je u području najjačeg
električnog polja. Namjera ovog prijedloga imala je za cilj slijedeće:
- istražiti što korisnici žele u danom trenutku
- provocirati diskusiju na zadanu temu koja bi rezultirala boljim ispitnim prijedlogom
- pokrenuti svijest o predmetnoj problematici više nego deklarirati stupanj sigurnosti
transformatora
Članovi IEC TC38 MT 30 većinom glasova zaključuju da zahtjeve u pogledu unutrašnjeg luka
treba proširiti i transformatore s uljno-papirnom izolacijom te se već 2001. godine u okviru IEC 38 MT30
predlažu dokumenti veoma slični prvom prijedlogu uz razliku da su kategorije „zaštita od kvara na
unutrašnji luk razred I i razred II“ preimenovane u „otporan na eksploziju“ (explosion resistant) i „siguran
od eksplozije“ (explosion proof). U prijedlogu se pokušava pojasniti izbor mjesta nastanka luka a ono se,
kod strujnih transformatora, podudara s mjestom najjačeg dielektričnog naprezanja.
Électricité de France (EDF) je od 1987. godine ispitivao strujne transformatore čiji je Um≥245 kV
na pojavu unutrašnjeg luka, a 1993 godine ispitivanje je proširio i na strujne, naponske i kombinirane
transformatore čiji je Um≥72,5 kV. Intencija je bila definirati transformatore s pojačanom sigurnošću. EDF
je za razliku od prijedloga IEC-a transformatore ispitivao sa strujama manjim od Ith opravdavajući to
statističkom obradom struja kratkog spoju u svojoj mreži. Dinamička struja najmanje je jednaka 2,5 Ith, a
vrijeme trajanja luka je od 0,525 do 2,5 sekundi. Analizom ispitivanja provedenih u EDF-u [3] pokazano je
na temelju ispitivanja 20 transformatora da uređaj za rasterećenje tlaka prorađuje u vremenu od 15 do
100 ms, a da ulje zahvati plamen u vremenu od 45 do 125 ms pa se može zaključiti da je 0,2 sekunde
dovoljno reprezentativno za ispitivanje. Nadalje pokazano je da energija koja s generira tijekom ispitivanja
prema IEC metodologiji je veća od one EDF-ove. Također naglašava se da je kod inverznih strujnih
transformatora, koji su eksplodirali u francuskoj mreži, utvrđeno da kvar gotovo uvijek nastaje na vrhu
izolacijskog sustava koji je izvan porculanskog izolatora. Stoga je to mjesto odabrano kao područje
inicijalizacije luka. Za naponske transformatore sa zatvorenom jezgrom to je mjesto u kotlu na dnu
transformatora.
U fazi pripreme prijedloga norme najviše se diskutiralo o mjestu i struji inicijalizacije luka. Do
danas su u tri navrata dokumenti predloženi nacionalnim odborima IEC-a na primjedbe i diskusiju.
Početkom 2004. godine u jednoj varijanti predlaže se da mjesto nastanka luka za
strujne transformatore inverznog tipa bude u glavi transformatora, dok za strujne transformatore čiji je
primarni namot oblika ukosnice, mjesto luka se locira na dnu transformatora, točnije u njegovom kotlu. Za
naponske transformatore predlaže se područje najjačeg električnog polja. Ostali tehnički zahtjevi
nepromijenjeni su u odnosu na početne
U slijedećoj varijanti prijedloga iz 2005. godine stoji da struja inicijalizacije luka iznosi 60-80% (Ith)
pri čemu je dinamička struja 1,7 puta veća. Zahtjevi na ispitivanje i kriteriji dani su Tablici III.
4
Tablica III. trajanje internog luka i kriteriji kod ispitivanja mjernih transformatora
Efektivna Stupanj
struja
zaštite
unutarnjeg
luka
< 40 kA
1
≥40 kA
Trajanje Siguran od eksplozije
luka s
0.2
Nema vanjskih učinaka osim
prorade uređaja za rasterećenje
tlaka
2
0.5
1
0.1
2
0.3
Nema krhotina (gorenje
prihvatljivo)
Nema vanjskih učinaka osim
prorade uređaja za rasterećenje
tlaka
Nema krhotina (gorenje
prihvatljivo)
Otporan na eksploziju
Lom kućišta i izolatora te vatra
dozvoljeni, ali rasprsnuti djelovi
moraju biti unutar površine
zadanog radijusa
Mjesto inicijalizacije luka za transformatore izolirane s plinom SF6 je mjesto najjačeg električnog
polja. Za strujne transformatore s papirno uljnom izolacijom mjesto nastanka luka isto je kao u prijedlogu
2004.godine, a za naponske transformatore ovaj put se predlaže kotao na dnu transformatora.
Prijedlog je ponovno modificiran krajem 2005. na generalnom zasjedanju IEC TC 38 u Opatiji. Iz
razloga da eksplozija transformatora u pogonu, koji je na temelju ispitivanja deklariran kao „siguran od
eksplozije“, može izazvati i pravne posljedice, sukladno američkoj praksi predlažu se kategorije „zaštita
od kvara na unutrašnji luk – mjerni transformatori razreda I ili II“. Razred I zamjenjuje transformator koji je
„otporan na eksploziju“, a razred II transformator „siguran od eksplozije“. Dodatno za mjerne
transformatore izolirane papirno-uljnom izolacijom predviđa se da mjesto inicijalizacije luka odredi
dogovorno između kupca i proizvođača.
Može se iz prije izloženog zaključiti da su česte i ponekad oprečne promjene osnovnog prijedloga
rezultat mnogih kontroverzi. Što je sporno u ovom prijedlogu?
Kao prvo sporno je odstupanje od osnovne namjere da se dobije vrlo visoka pouzdanost mjernih
transformatora u pogonu. Umjesto toga, što naročito važi za uljno-papirnu izolaciju, pokušava se naći
kompromis i definirati minimum ispitnih modaliteta i zahtjeva kao bi neki od transformatora prošao
ispitivanja.
Zatim sporan je iznos i dinamička komponenta struje luka. Koja se najvjerojatnija vrijednost te
struje u energetskim sustavima može razviti kod proboja mjernih transformatora trebalo bi i
eksperimentalno provjeriti.
a)
b)
Slika 1. mjesto najjačeg električnog polja inverznog strujnog transformatora a) i rezultati proračuna
njegove jakosti b)
5
Definitivno je krivo predloženo mjesto nastanka luka kod mjernih transformatora s papirno-uljnom
izolacijom. Prema prijedlogu, samo kvarovi koji nastaju unutar metalnog kućišta donekle su pokriveni
ispitivanjem. Kao što je poznato proboj ili preskok u izolacijskom sustavu može nastati između bilo koje
dvije elektrode koje su na različitom potencijalu pri čemu vrijedi pravilo da su najvjerojatniji proboji na
mjestima gdje je izolacija najjače dielektrično napregnuta.
Kod visokonaponskih mjernih transformatora u pravilu to je uvijek na rubovima potencijalnih
elektroda smještenih unutar izolatora kako je pokazano na slici 1. za inverzni strujni transformator (crveni
krug). Konstatacije da je najvjerojatnije mjesto nastanka kvara na vrhu transformatora na slici 1.
označeno slovom K, koje se čak i u prijedlogu norme potencira rezultat su iskustva nekih korisnika.
Prema mišljenju autora ono je prije svega povezano s konstrukcijskim i tehnološkim pogreškama
proizvođača mjernih transformatora i mogu se relativno jednostavno otkloniti.
Da bi potkrijepili tu tezu, 123 kV strujni transformator iz redovne proizvodnje, podvrgnut je
izuzetno snažnim dielektričnim ispitivanjima u skladu s dijagramom na slici 2.
Ispitni napon
350
300
250
U/kV
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
t/h
Slika 2. dijagram ispitivanja 123 kV strujnog transformatora u uvjetima ekstremnih dielektričnih
naprezanja
a)
b)
Slika 3. oštećeni transformator nakon proboja a) i mjesto nastanka kvara i početka električnog luka b)
6
Transformator je najprije podvrgnut naponu koji odgovara 80% kratkotrajnog nazivnog
podnosivog napona industrijske frekvencije od 184 kV u trajanju od 24 sata. Iduća 24 sata primijenjeno je
100% ispitnog napona, zatim 250 kV i 275 kV oba u trajanju od po 5 sati. Transformator je konačno
probio u 20 minuti primjene napona od 300 kV. Učinci pokusa pokazani su na slici 3.
Slika 3. nedvojbeni je dokaz, da ako je izolacija mjernih transformatora dobro dimenzionirana i
ako ne postoje skrivene tehnološke ili druge pogreške, kvar uslijed djelovanja napona nastat će na mjestu
najjačeg električnog polja gdje će se onda inicirati električni luk. U ovim uvjetima očekivati da
transformator zadovolji kriterije „siguran od eksplozije“ tehnički nemoguća je misija.
Stoga autori umjesto koncepta „siguran od eksplozije“ (explosion proof) predlažu koncept
„pouzdan protiv eksplozije“ (explosion safe).
4.
MJERNI TRANSFORMATOR „POUZDAN PROTIV EKSPLOZIJE“
Umjesto koncepta i strategije koja se proizlazi iz prijedloga IEC-a autori predlažu novi koncept
koji povećava pogonsku pouzdanost. Pod novim konceptom se podrazumijevaju ispitivanja i mjere, koji
ako su ispunjeni mogućnost eksplozije transformatora u pogonu svode na teoretsku.
Transformatorom „pouzdanim protiv eksplozije“ smatra se onaj transformator:
1. čija parcijalna izbijanja ne prelaze vrijednost 10 pC na kratkotrajnom nazivnom podnosivom
naponu industrijske frekvencije (komadno ispitivanje)
2. čija parcijalna izbijanja, nakon ispitivanja sklopnim, atmosferskim i višestrukim odrezanim
udarnim naponima, ne prelaze vrijednost 10 pC na kratkotrajnom nazivnom podnosivom naponu
industrijske frekvencije, a porast koncentracije plinova otopljenih u ulju ne prelazi definirane
vrijednosti (specijalno ispitivanje)
3. koji je opremljen senzorom nadtlaka ili sličnim uređajem
Teoretsku podlogu za prvu tvrdnju nalazimo u istraživanjima ponašanja izolacije pod djelovanjem
električnog polja [4] i [5] gdje je pokazano da se vjerojatnost nastanka parcijalnih izbijanja može
predstaviti Weibullovom raspodjelom.
Eksperimentalnim putom dobiju se, za praktičnu primjenu i analize interesantne i značajne,
krivulje napon-vrijeme ili takozvane volt-sekundne krivulje kojima se definira vjerojatnost neke pojave u
ovisnosti o naponu i vremenu. Za zadanu vjerojatnost kao parametar krivulja napon vrijeme opisuje se
matematički jednadžbom
U = C / tγ
(1)
Da se pokazati da je eksponent γ praktično jednak za sve vjerojatnosti, pa se volt-sekundne
karakteristike mogu prikazati u relativnim vrijednostima. Referentnom vremenu t = t R odgovara referentni
napon, a bilo kojem drugom vremenu t njegova postotna vrijednost (2).
U % = 100(t / t R ) −γ
(2)
Eksponent γ može odrediti i na temelju izraza (3):
γ = ln(U1 / U 2 ) / ln(t 2 / t1 )
(3)
gdje su (U1,t1) i (U2,t2) dvije točke volt-sekundnih krivulja jednakih vjerojatnosti.
Postotne volt-sekunde karakteristike tri modela papirno uljne izolacije tipične za mjerne
transformatore, ekstrapolirane na duže vrijeme, prikazane su na slici 4. Krivulja vjerojatnosti nastanka
parcijalnih izbijanja opada s vremenom po eksponencijalnoj funkciji čiji eksponenti redom iznose γ =
0,0486 za modele debljine 2x1,25mm, γ = 0,0418 za modele debljine 2x1,00 mm te γ = 0,0350 za modele
debljine 2x0,75mm.
U literaturi za izolacijske konfiguracije tipične za energetske transformatore taj koeficijent se
kreće od 0,019 do 0,059.
Dobiveni rezultati pokazuju da eksponent γ raste s debljinom izolacije između potencijalnih
obloga, što sugerira da je u praksi korisnije koristiti izolaciju s više potencijalnih obloga.
7
100
90
2x0,75 mm
2x1,0 mm
2x1,25 mm
u /%
80
70
60
50
t /min
40
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
5
10
6
10
7
10
Slika 4. postotne vrijednosti volt-sekundnih krivulja za modele izolacije mjernih transformatora
Koja je praktična primjena ovih istraživanja pokazat ćemo na primjeru modela koji je imao
najdeblju izolaciju (crvena krivulja). Na temelju izraza (2) ili slike 4. da se pokazati da ako je neka izolacija
na određenom naponu izdržala bez parcijalnih izbijanja jednu minutu s istom vjerojatnošću će bez
izbijanja na pola toga napona biti u trajanju od 2,97 godina (1,56*106 min). U mrežama visokog napona
omjer nazivnog napona i jednominutnog podnosivog napona industrijske frekvencije iznosi od 0,28 do
0,37. Teoretski sad se može pokazati da ako transformator nije imao parcijalna izbijanja pri ispitivanju
jednominutnim naponom industrijske frekvencije, njegova izolacija bit će zadovoljavajuća tisućama
godina.
U ovim istraživanjima utjecaj temperature i vlage nije uzet u obzir. Nadalje, treba naglasiti da je
maksimalno trajanje ispitivanja ograničeno na šezdeset minuta pa je ekstrapolacija na dulje vrijeme može
biti upitna. U radovima koji tretiraju eksperimente s izolacijom energetskih transformatora [4] pokazano je
da ekstrapolacija nije upitna do vremena 104 min, što odgovara vremenu od sedam dana. Zaključivanje
na dulji vremenski period teško je prihvatljivo bez prethodnih eksperimentalnih provjera iz jednostavnog
razloga što mehanizam nastanka parcijalnih izbijanja nije dovoljno poznat, a može biti promjenljiv s
vremenom i tipom izolacije koja se modelira [6].
Drugu tvrdnju iz definicije transformatora „pouzdanog protiv eksplozije“ zasnivamo na činjenici da
parcijalna izbijanja u pogonu mogu biti inicijalizirana atmosferskim i sklopnim prenaponima, te brzim
prenaponima prvenstveno uzrokovanim sklapanjima rastavljača. Odsustvo parcijalnih izbijanja nakon
njihove laboratorijske simulacije pouzdan je kriterij kojim se izražava sigurnost transformatora u pogonu.
Dodatno se nakon laboratorijske prenaponske simulacije može kontrolirati sadržaj plinova otopljenih u
transformatorskom ulju čime se osjetljivost ispitnog postupka diže na veoma visoku razinu
Treću tvrdnju iz definicije transformatora „pouzdanog protiv eksplozije“ već smo elaborirali u
prethodnim poglavljima. Konstatirajmo na ovom mjestu da će uređaj za registraciju porasta tlaka ulja u
transformatoru biti efikasno sredstvo u slučaju mehaničkog oštećenja izolacije, prodora vlage u izolaciju i
sličnih pojava koje dovode do sporog razvoja kvara u transformatoru. Vidjeli smo u anketi CIGRE-a da je
takvih približno 90%.
8
5.
ZAKLJUČAK
Na temelju istraživanja na modelima, sustavne analize ankete CIGRE-a o kvarovima mjernih
transformatora, te ispitivanja na inverznom strujnom transformatoru za Um =123 kV kritički je osporen
pristup IEC-a koji ima za cilj sprečavanje eksplozija mjernih transformatora u pogonu. Umjesto direktnih
ispitivanja na učinke unutarnjeg luka, koji u mnogočemu ne odgovaraju pogonskoj slici kvara, predlaže se
novi način povećanja pouzdanosti mjernih transformatora u pogonu. Opisana istraživanja i pogonsko
iskustvo pokazuju da se pouzdanost glavne izolacije može objektivno potvrditi u tvornici specijalnim,
tipskim i rutinskom ispitivanjima. Ostaju problemi vezani uz kvarove namota, njihova štećenja zbog
kratkih spojeva, transporta, prodora vlage, curenja i slično. Ti kvarovi sporo generiraju plinove koji
rezultiraju poratom tlaka. Opremanjem transformatora senzorom ili sličnim uređajem za indikaciju porasta
tlaka ulja moglo bi se na vrijeme spriječiti gotovo 90% ozbiljnih havarija mjernih transformatora.
Zbog toga novi koncept nazvan „pouzdan protiv eksplozije“ se sastoji od:
- mjerenja parcijalnih izbijanja na nazivnom podnosivom naponu industrijske frekvencije (komadno
ispitivanje)
- mjerenja parcijalnih izbijanja nakon ispitivanja višestrukim odrezanim udarnim naponom,
atmosferskim i sklopnim udarnim naponom
- primjene dodatnog senzora za kontrolu tlaka ulja ili nekim drugog sličnog uređaja.
Koncept je u potpunosti primjenljiv na mjerne transformatore izolirane uljno-papirnom izolacijom,
a njegovim prihvaćanjem izbjegla bi se destruktivna i skupa ispitivanja. Osnovne postavke koncepta
teoretski i praktično su provjerene uzimajući u obzir zakonitosti Weibullove statističke raspodjele.
Kada govorimo o transformatoru „pouzdanom protiv eksplozije“, vrsta izolatora koji se koristi ima
presudnu ulogu na efekte unutrašnjeg luka. Smatra se da su transformatori sa silikonskim izolatorom
praktično sigurni i veoma pouzdani što se tiče eksplozija u pogonu.
Što se tiče mjernih transformatora izoliranih plinom SF6 , predloženi koncept nije za njih prikladan
i primjenjiv. Zbog stlačivosti plina, pravilnim električnim i mehaničkim dimenzioniranjem dijelova
transformatora, praktično je moguće izbjeći eksplozije i krhotine i u slučajevima kada luk nastaje u
predjelu porculanskog izolatora. Koliko su laboratorijska ispitivanja reprezentativna i za pogonske uvjete
bilo bi vrijedno istražiti i na temelju dosadašnjih iskustava statistički obraditi. Za mjerne transformatore
izolirane plinom SF6 karakteristično je da kod pojave luka u transformatoru obavezno dolazi do prsnuća
zaštitne tlačne naprave i istjecanja plina u atmosferu. To je redovit slučaj kod laboratorijske provjere i
ispitivanja u skladu s novim prijedlogom IEC-a. Danas to, zbog jakog stakleničkog djelovanja plina SF6 u
mnogim zemljama predstavlja ozbiljan ekološki incident. Stoga prijedlog IEC-a i na laboratorije postavlja
zahtjeve da osmisle načine kojim bi to onemogućili.
6.
LITERATURA
[1]
The paper-oil insulated measurement transformer, CIGRE, Working Group 07 of SC 23
(Substation), 1990
M.Poljak, B. Bojanić, Mjerni transformatori – dijagnostika ao preduvjet pouzdanog pogona,
Zbornik radova 5. međunarodnog simpozija „Dijagnostika električnih strojeva, transformatora i
uređaja“, Rovinj 2000, Referat T1
F. Lemaitre, Comments on documents TC38/MT30/0126 and 0127, Intenal arc fault
requirements and tests for current and inductive voltage transformers
S. Yakov, Volt-time Relationships for PD Inception in Oil-paper Insulation, ELEKTRA,
1979 , p. 17-28
M. Poljak, Izolacijski sustav kombiniranih mjernih transformatora, Doktorska disertacija, FERZagreb, 2006
G.W. Brown, The Weibull Distribution: some dangers with its use in insulation studies, IEEE
Transection on PAS, Vol. PAS-100 No.9 (1982) , p. 3513-3522
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
9