Využití metod kmitočtové odezvy k bezdemontážní diagnostice stavu izolace vysokonapěťových transformátorů

Abstract

Táto dizertačná práca sa zaoberá návrhom prístrojovej platformy pre nedeštruktívne testovanie vysokonapäťových napájacích transformátorov alebo testovanie točivých strojov pomocou metódy analýzy frekvenčnej odozvy (FRA). Hlavným cieľom je vyvinúť a navrhnúť kompletný prístrojový systém, ktorý zlepší parametre stávajúcich systémov a poskytne operátorovi vyššiu mieru pohodlia a ergonómie pri používaní takéhoto systému. Navrhnuté prístrojové vybavenie bolo vytvorené vrámci širšej výskumnej snahy. Meracia platforma sa skladá z niektorých častí, ktoré boli vyvinuté v spolupráci s ostatnými členmi tímu. Táto práca sa zaoberá predovšetkým plne digitálnym jadrom FPGA pre účely vysokonapäťovej diagnostiky spolu s finálnym overením a validáciou pre samotnú metódu FRA. Práca sa týka aj vývoja akupacku, ako aj ďalších častí. FRA algoritmus je zástupcom tzv. skupiny elektrických metód diagnostiky, ktoré sú používané k monitoringu transformátorov. V nadväzujúcich častiach dizertačnej práce sa nachádza popis najznámejšie používaných elektrických metód, pričom pri každej z týchto metódy je možné nájsť jej základný blokový popis spolu s typickou aplikáciou danej metódy. Metóda FRA, jej teoretický základ a aktuálny stav techniky je ďalej detailne uvedený v práci. Popis aktuálne používaných prístrojov spolu s identifikáciou ich parametrov je možné nájsť v závere úvodnej časti. Ďalšie sekcia tejto práce pozostávajú z koncepčného návrhu prístrojového vybavenia, ktorý obsahuje identifikovanie požiadaviek a výber kľúčových súčiastok a ďalších komponentov. Kompletný dizajn a návrh hardvéru od schematických podkladov cez plošné spoje až po testovanie a prípravu firmvérových a softvérových blokov je možné nájsť v praktickej časti tejto dizertačnej práce. Túto časť práce je možné považovať za najdôležitejšiu, nakoľko celkový výsledok návrhu prístroja je závislý najmä na precíznej návrhrajskej práci. Všetky tieto kapitoly obsahujú veľmi špecifickú a detailnú informáciu o vedeckých a návrhársky postupoch, ktoré stoja za úspešným návrhom kompletného prístrojového vybavenia. Softvérová časť práce obsahuje rozbor a implementáciu číslicového spracovania signálu pre potreby diagnostických metód. Kapitoly obsahujú popis vlastnej práce v rámci VHDL jazyka ako aj dizajn system-on-the-chip systému (SoC) mikroprocesora spolu s jeho ovládacím programovým vybavením. V rámci VHDL jadra sa systém opiera hlavne o lock-in-amplifier (LIA) blok. Okrem samotného systému pre spracovanie signálu je ďalej popísaná príprava laboratórneho testovania spolu s vyhodnotením presnosti a výkonu navrhovaného riešenia. Prepojenie systému s nadradeným systémom a komunikačný protokol sa nachádza v závere kapitoly, ktorá sa venuje softvérovému vybaveniu. Navrhnutá a vyvinutá prístrojová platforma bola testovaná v reálnych podmienkach a výstupy tohto testovania je možné nájsť v závere práce spolu s ich zhodnotením. Vďaka tomuto výskumu a vývoju tejto novej prístrojovej platformy pre metódu FRA ponúka tento systém širší pracovný rozsah frekvencií spolu s presnými výsledkami a použitím moderných komunikačných rozhraní. Ďalším benefitom tohto prístrojového vybavenia je mobilná prevádzka takéhoto systému.

This doctoral thesis deals with designing an instrumentation platform for frequency response analysis (FRA) testing for non-invasive diagnostic purposes such as high-voltage power transformer testing or rotary machines inspections. The main objective of this work is to develop the complete instrumentation, which will operate with better parameters and provide a higher level of operator convenience together with robustness and ergonomy. This thesis is part of the larger research group effort. The proposed instrumentation consists of some parts, which were designed in collaboration with other team members. This work deals mainly with the fully digital FPGA core for high-voltage diagnostics purposes together with final verification and validation for the FRA method by itself. Work also covers the accupack developments as well as other parts. The FRA testing is the member of the electrical methods, which could be used for the monitoring. In the following parts of the work, there is a description of each of the major electrical methods. Each method's principle is shown together with the typical applications. The frequency-response-analysis and its state-of-art types and facts are summed up in the following chapters with the contemporary instruments available on the market. The following chapters consist of the conceptional design of the future instrumentation platform, including the specific hardware requirements definition and selection of the correct parts and hardware components. The complete hardware design from the schematics via printed circuit board design up to the testing and firmware and software preparation could be found in the practical part of the work. This part is the most important of this work because the complete instrumentation depends on the precise designer's work. This stage includes the design of the field-programmable-gate-array (FPGA) board, the accumulator board, and the excitation (interconnect) analog board. All these chapters include very specific and detailed information of the scientific and designer's work which is behind the whole instrumentation. There is a software and signal-processing oriented part after the hardware design. This stage consists of the digital domain signal processing core description. The VHDL code blocks together with the soft-core system-on-the-chip (SoC) microprocessor runtime codes are presented. The signal processing part relies mainly on the lock-in-amplifier (LIA) core. Its specific VHDL design can be found here. Moreover, the complete laboratory performance testing is presented as well. Interconnection in-between the computer and other diagnostic devices could be found in the control software and communication protocol description part.The designed and developed instrumentation platform was tested in the real environment, and the outputs of these tests could be found in the closing parts of this work. Thanks to this complete research and development of the FRA method instrumentation, this system could offer a wider frequency range together with more precise results and a modern communication interface. The remote power-independent operation is another benefit of this design and the result of this doctoral thesis research.