Využití metod dielektrické spektroskopie k bezdemontážní diagnostice stavu izolace vysokonapěťových transformátorů

Abstract

Táto práca zaoberá problematikou nedeštruktívnej diagnostiky vysoko napäťových strojov v odbore výroby elektrickej energie. Hlavný dôraz je kladený na meracie metódy slúžiace na posúdenie stavu izolácie týchto strojov. Tieto nedeštruktívne metódy slúžia na snahu predikovať nadchádzajúcu poruchu stroja. Táto práca vznikla ako čiastkový cieľ väčšieho vedeckého projektu. Cieľom projektu bolo venovať sa nedeštruktívnej diagnostike strojom v širšom ohľade. Okrem dielektrickej spektroskopie (DSP) bola študovaná aj metóda frekvenčnej odozvy (FRA). Aj preto je hlavným cieľom tejto práce navrhnúť hardvérovú platformu vhodnú pre obidve spomenuté metódy. Platforma by mala vykazovať lepšie parametre ako prístroje dostupné na trhu. Spomenuté sú základné definície a fyzikálne princípy ako polarizácia, dielektrická relaxácia a absorpcia. Ďalej sú spomenuté najpoužívanejšie metódy nedeštruktívnej diagnostiky v oblasti vysoko napäťových strojov. Zvláštny záujem je venovaný metóde DSP. Opísané sú dva rôzne prístupy k tejto metóde: spektroskopia v časovej oblasti (TDS) a spektroskopia vo frekvenčnej oblasti (FDS). Ďalej je zhrnutý zoznam na trhu dostupných meracích prístrojov, spolu s ich najdôležitejšími parametrami. Práca ďalej pokračuje popisom návrhu hardvérovej platformy. Táto práca popisuje návrh analógovej dosky, ktorá je časťou celého navrhovaného meracieho systému. Úlohou analógovej dosky je zabezpečiť všetky potrebné konverzie analógových signálov na digitálne a späť. Ďalšia kapitola popisuje softvérové vybavenie meracej platformy. Hlavnou úlohou aplikácie je implementovať potrebné výpočty pre obidve metódy. Ďalšou úlohou je zobrazovať namerané dáta a zabezpečiť rýchlu a spoľahlivú komunikáciu s hardvérovou platformou. V neposlednom rade posledné kapitoly dokumentujú testovanie a overovanie navrhnuté meracieho systému. Testovanie bolo rozdelené do dvoch fáz. V prvej fáze sa jednalo o testovanie v laboratórnych podmienkach. Tieto testy potvrdili základnú funkcionalitu systému ako sú vektorový voltmeter a generátor s nastaviteľnou frekvenciou. Druhá fáza testovania znamenala testovanie v prevádzkových podmienkach na reálnych testovaných objektoch. Vedecký tím navštívil spoločnosť zaoberajúcu sa opravami vysokonapäťových transformátorov, ktorá poskytla dva transformátory ako testovacie vzorky. Behom týchto testov bolo potvrdené že navrhnutý systém je funkčný aj v podmienkach reálnej prevádzy. V závere kapitoly sú zmienené dve možnosti metód pre vyhodnotenie nameraných údajov. Prvá metóda využíva porovnávanie nameraných výsledkov pomocou vyhodnotenia plochy pod nameranou krivkou. Druhá metóda využíva porovnávanie výsledkom vyhodnotením korelačného keoficientu.

The thesis discuss the problems of the non-invasive diagnostic of high-voltage machines used in the field of electricity production systems. Much emphasis is given to methods intended for machine insulation state assessment. These are non-invasive diagnostics methods and their role is to try to predict an upcoming machine failure. This thesis arose from a larger scientific team form. The teamwork was intended for non-invasive diagnostic of high voltage machines in general. Besides dielectric spectroscopy (DSP), frequency response analysis (FRA) was studied. Therefore, the main goal of the thesis is to design a hardware platform suitable for both DSP and FRA methods. The platform should have better parameters than market available instrumentations. The most frequently used methods and principles of the non-invasive diagnostic in the field of high voltage machines are described in the thesis. Special interest is devoted to mainly dielectric spectroscopy. Two different approaches are described time-domain spectroscopy (TDS) and frequency domain spectroscopy (FDS). The common market available measuring instruments are further discussed. Especially, parameters such as measurement precision are mentioned. The work continues with a description of the design of the hardware platform. This thesis describes the design of a daughterboard, which is a part of the whole measuring instrument platform. The role of the daughterboard is to provide necessary analog-to-digital conversions and vice versa. The next chapter deals with the design of software equipment for the designed instrumentation. A PC control application has been developed for the designed platform. The role of the application is not only to control the platform itself but to provide necessary computation for both DPS and FRA methods. Last but not least chapters discuss achieved results. The testing itself is divided into two stages. The first stage is intended to test in laboratory conditions. These tests confirmed the basic functionality of the proposed instrumentation platform such as vector voltmeter and frequency sweep generator. The second stage of the testing was intended to perform a test with real tested objects. The research team visited a company dealing with high voltage transformer repair. They provided two samples to be tested. During these tests, the instrumentation platform has been confirmed to be able to use to perform the measurement in the real environment as well. Also, two methods of dataset evaluation have been outlined. One method utilized comparison of areas underneath measured curves and the second one is based on correlation coefficient evaluation.