Mechanický stav vinutí

Současné pojetí diagnostiky výkonových transformátorů je schopno podchytit vznik tepelných nebo elektrických závad, stav dielektrika podle stupně zestárnutí a navlhnutí, dokáže stanovit zbytkovou životnost izolačního systému a to jak pevné izolace tak i olejové náplně. U jednodušších systémů, jako jsou kondenzátorové průchodky dovoluje ze změn kapacity stanovit i nebezpečí poklesu elektrické pevnosti průchodek a určit stupeň navlhnutí izolačních systémů. V konečném důsledku však dobré výsledky měření nezaručují zcela bezporuchový provoz. Je to způsobeno tím, že existují další možné závady, na které použité metody nereagují. Týká se to především diagnostiky závad v magnetickém obvodu, které jsou registrovatelné pouze prostřednictvím přehřívání oleje a v neposlední řadě i závad v mechanickém stavu vinutí.

Tento příspěvek upozorňuje na možnosti diagnostiky mechanického poškození vinutí. Vlastním provozem transformátoru a zvláště pak při jeho dynamických namáháních při zkratech nebo při zapínání může dojít k uvolnění vinutí nebo jeho deformaci, která sice nemusí být hned bezprostřední příčinou poruchy, ale schopnost takového stroje odolávat různým namáháním je snížena. Kromě toho se zvyšováním výkonu přenosových soustav a jejího propojování vzrůstají zkratové výkony sítě, na které určitý transformátor nemusel být vůbec konstruován. To se týká zvláště starších strojů, kdy důsledky působení zkratových sil se mohou sčítat. To potvrzují i práce uveřejněné v zahraničí, např. materiály 12-tého výboru CIGRE. V diagnostice výkonových transformátorů se proto začínají s různým úspěchem používat měření vibračních nebo akustických charakteristik, metody nízkonapěťových rázů nebo metody měření frekvenčních charakteristik, kde pro všechny uvedené platí, že se snaží odvozovat mechanický stav vinutí z jeho nepřímých projevů. Tyto nepřímé projevy mohou velmi citlivě reagovat, jak bylo experimentálně na modelech ověřeno, na sebemenší změny v geometrii vinutí. Objevuje se ale nový problém, společný všem nepřímým metodám a to je interpretace naměřených hodnot. Je málo platné používat vysoce citlivou metodu, neexistuje-li možnost jednoznačného výkladu změn. Tento nedostatek, i když za cenu nižší citlivosti, by neměla mít metoda měření impedance nakrátko při sníženém napětí. Proto jsme tuto jednoduchou metodu zařadili do našeho souboru diagnostických metod a nabízíme její aplikaci v praxi. V tabulce je uveden příklad naměřených a vypočtených hodnot.

Odbočka1 fáze	U [V]	I [A]	Zkzm [W]	f [Hz]	Zkpř [W]	prům. [W]	DZk [%]
L1 – L2	27,05	33,325	0,81	49,970	0,81		1,50
L2 – L3	27,66	33,725	0,82	50,005	0,82	0,81	2,50
L3 – L1	26,87	33,825	0,79	50,000	0,79		0,75
Odbočka 10
L1 – L2	28,61	23,913	1,20	50,000	1,20		0,76
L2 – L3	29,08	23,975	1,21	49,970	1,21	1,20	2,28
L3 – L1	30,19	13,663	2,21	50,010	2,21		0,76
Odbočka 19
L1 – L2	29,66	17,225	1,72	50,000	1,72		0,00
L2 – L3	29,91	17,113	1,75	49,950	1,75	1,71	1,63
L3 – L1	29,58	17,475	1,69	49,955	1,69		1,63

Předností metody měření impedance nakrátko při sníženém napětí je jednoduchost vlastního měření a ještě se nabízí možnost ze změn naměřených hodnot vypočítat i k jak velkému teoretickému posunu a u kterého vinutí došlo. Citlivost a přesnost metody závisí na konstrukčním uspořádání vinutí a není bohužel pro všechny případy stejná. Její přesnost stoupá se znalostí konkrétního uspořádání vinutí a znalostí vztahu, podle kterého se změny v geometrii počítají. V literatuře lze najít výpočtové vztahy pro řadu základních konstrukcí vinutí jako např. dělené souosé, osově odstupňované, vystřídané, symetricky nebo nesymetricky vystřídané a pod. Tyto vztahy by však měly být k dispozici u výrobce konkrétního stroje.

Spokojíme-li se však s tím, že když nebude k dispozici konkrétní výraz pro výpočet velikosti posunu, pak o tom jestli ke změnám došlo nebo ne snadno rozhodne opakované měření, bylo-li prvé měření provedeno na nepoškozeném stroji. Reaktance nakrátko u souosých vinutí je např. dána vztahem [1]:

X_k = 7,9 fz² ( l_str / L_u ) kd‘ * 10^-6 [W]

kde d‘ = (a1 + a2) / 3 + d   a   a₁, a₂, l_str, L_u, k, d jsou rozměry [m], f [Hz]

V literatuře se uvádí, že změny impedance nakrátko kolem 3% již mohou signalizovat poškození. Byl proveden konkrétní výpočet pro trafo 250 MVA 400kV, u něhož byl počet závitů 1133, výška vinutí 2500mm a průměr rozptylového kanálu 1901mm a impedance nakrátko při sníženém napětí asi 130 Ohmů. Pro tyto údaje a za předpokladu, že vinutí bylo vyrobeno jako souosé a válcové, by uvedená změna impedance znamenala posun asi o 6mm. V praxi lze však očekávat, že deformace vinutí se budou od teoretických a idealizovaných odlišovat a bude jistě nutno výslednému verdiktu věnovat velkou pozornost. U třífázových strojů se kromě absolutní velikosti naměřené odchylky porovnávají i hodnoty v jednotlivých fázích. Působením dynamických sil je vinutí stlačováno. Tohoto jevu je pro hodnocení možné využít u třívinuťových strojů. Dojde-li např. k deformaci prostředního vinutí, změní se odchylka pro jeden pár kladným směrem a pro druhý pár směrem záporným.

Jako u všech diagnostických metod platí i zde zásada, že věrohodnost výroku stoupá při opakovaných měřeních. V tomto případě je teoreticky možné využít údaje napětí nakrátko ze štítku stroje a velikost změn vypočítat jak již bylo uvedeno. Možné riziko chybných závěrů zde ale stoupá s tím, jak velká, resp. malá, pozornost byla věnována měření nakrátko již ve výrobním závodu.

Praktické zkušenosti s aplikací metody máme zatím malé, neboť jsme proměřili teprve několik strojů. I tyto malé zkušenosti by však mohly postačovat v případech, kdy rozhodnutí nebude mít přímo za následek otevření nebo demontáž stroje. Tím jsou míněny případy, kdy je nutné rozhodnout který stroj půjde dříve do revize a tady by podezření na deformace nebo posuny vinutí mohlo rozhodování usnadnit. Totéž platí v případech opakovaného měření po těžkém zkratu v blízkosti stroje.

Pro splnění předpokladu o rovnosti impedance a reaktance nakrátko, je nutné zajistit vodič o dostatečném průřezu na zkratování svorek – průřez by měl být roven asi desetině jmenovitého proudu (obvykle postačí několik zkratovacích souprav) a při praktickém připojování se snažit, aby měl zkratovací vodič co nejmenší indukčnost. Provozovatel by měl ještě předem sdělit velikost napětí nakrátko měřeného stroje. Pro některé typy strojů, po předběžných výpočtech, by se při napájení ze sítě 380 V vyskytovaly relativně vysoké proudy, řádu stovek Ampér. To v terénu může přinášet problémy z hlediska zdroje, jeho jištění, nutnost použití vodičů o větším průřezu a i vlastní připojení ke svorkám transformátoru může působit problémy. Proto byl zhotoven speciální transformátor, který měřené veličiny posune do pásma přijatelných hodnot. Byl navržen a vyroben tak, že velikost napájecího proudu by neměla u žádného transformátoru překročit hodnotu 30 A.

[1] Transformátory – teoretické základy Jeziersky Akademia 1973

V Praze 5/2001