W diagnostyce maszyn wirujących zasadniczą rolę odgrywają badania stanu izolacji.

WNZ w układzie izolacyjnym
Układ izolacyjny uzwojeń twornika generatora synchronicznego obejmuje wysokonapięciową izolację przewodów elementarnych oraz izolację główną. Parametrem pierwszorzędnym jest tu szeroko rozumiana jednorodność izolacji, której zaburzenia są źródłem szkodliwych wyładowań niezupełnych tzw. wnz (ang. partial discharge). Różne, zaawansowane technologicznie elementy izolacji podlegają wielkim naprężeniom elektrycznym dochodzącym lokalnie do 10 kV/mm (w zależności od napięcia znamionowego generatora i konkretnych rozwiązań technicznych). Tak wielkie wartości natężenia pola elektrycznego inicjują różnorakie zjawiska fizyczne i fizykochemiczne wewnątrz struktury dielektryka, którym jest każda izolacja.
Za autorami pozycji [1] można przytoczyć definicję: „Wyładowanie niezupełne jest lokalnym wyładowaniem elektrycznym, które odbywa się tylko w części układu elektroizolacyjnego i nie powoduje bezpośrednio utraty przez układ własności izolacyjnych. Natomiast długotrwałe działanie wyładowań niezupełnych prowadzi poprzez mikro- i makroskopowe zmiany w strukturze układów do wyładowania zupełnego (czyli przebicia izolacji)”. Zaawansowanie procesów wzn w dielektryku  jest więc ważnym kryterium oceny stanu izolacji badanego obiektu.

Pomiar wnz
Niestety, pomiar wyładowań niezupełnych jest zadaniem trudnym. Nie da się bezpośrednio pomierzyć reprezentatywnych wielkości fizycznych wnz (w tym wypadku ładunku rzeczywistego q_r lub energii wyładowań w_r). Stosując metodę obwodów zastępczych, przybliża się główny parametr fizyczny - ładunek rzeczywisty q_r ładunkiem pozornym q_p. Dla zobrazowania mechanizmu wyładowań niezupełnych przedstawiono to zjawisko w układzie izolacyjnym z inkluzją gazową jako źródłem wnz [1].

 
Zakłada się, że C_a >> C_c >> C_b (C_a  i Cb są wypadkowymi pojemnościami odpowiednio: Wyładowanie niezupełne symbolizuje zwarcie łącznika S; wystąpi ono po osiągnięciu odpowiedniej wartości natężenia pola
elektrycznego w inkluzji, jako krótkotrwały impuls i_c prądu rozładowania pojemności C_c poprzez rezystancję R_c.
Po nieskomplikowanej analizie układu z rys.1 otrzymuje się praktyczną zależność opisującą mierzony w zewnętrznym układzie pomiarowym ładunek pozorny q_p:
 
Kalibracja ładunkiem
Wartości tej nie da się jednak wyznaczyć, bowiem nie znamy pojemności C_a i C_b. Istotą sprawy jest tu natomiast liniowa zależność q_p od spadku napięcia ∆U w zewnętrznym układzie pomiarowym, co pozwala na wprowadzenie współczynnika proporcjonalności, wyznaczanego każdorazowo dla badanego obiektu (np. fazy uzwojenia stojana, która posiada swoje własne pojemności C_a i C_b). Czynność ta nazywa się kalibracją ładunkiem. Wykonuje się ją za pomocą kalibratora, który podaje na układ pojemnościowy badanego obiektu impuls rozładowania dokładnie określonego ładunku pozornego. Odpowiedź mierzonego układu jest zapamiętywana przez detektor wnz i służy do prawidłowego skalowania wartości ładunków pozornych wyładowań niezupełnych, rejestrowanych podczas zasadniczej próby napięciowej.
Kolejnym problemem jest detekcja słabych sygnałów prądowych pojedynczych wyładowań niezupełnych – spadek napięcia ∆U na badanym obiekcie jest trzy do pięciu rzędów wielkości niższy od napięcia próby

Ponadto czas trwania impulsu wnz wynosi tylko 10^-9 do 10^-6 sekundy. Podstawowa metoda detekcji ładunku pozornego polega na wykorzystaniu szerokiego pasma widma generowanego przez pojedyncze impulsy wyładowań (górna granica do 1500 kHz) i scałkowaniu ich sygnałów prądowych po czasie. W ogólności:
Obowiązuje tu zasada: im krótszy czas narastania i trwania impulsu, tym szersze widmo.

Czułość pomiaru wnz zależy od pojemności kondensatora sprzęgającego C_k. Autor tego opracowania używa kondensatora o pojemności 1000 pF. Jeśli chodzi o impedancję pomiarową Zm, to stanowi ona obwód rezonansowy RLC równoległy. Na wejściu wzmacniacza detektora impuls prądowy i(t) o charakterze impulsu Diraca zamienia się na napięciowy u(t), który można przedstawić wzorem ogólnym:

Istotną cechą tej zależności (która może przybierać prostsze formy w zależności od konfiguracji parametrów RLC) jest proporcjonalność do wartości rejestrowanego ładunku pozornego q_p.
Nowoczesne, cyfrowe mierniki wnz posiadają możliwość dopasowania swojej detekcji do parametrów badanych obwodów. Realizuje się to poprzez wybór najlepszej rozdzielczości dla przychodzących sygnałów (tzw. resolution time) oraz określenie progu odcięcia szumów tła (tzw. background noise) [4].

 Aspekty praktyczne
W dalszej części artykułu odniosę się do praktycznych aspektów zagadnienia, bazując na doświadczeniu pomiarów przeprowadzanych na stojanach turboi hydrogeneratorów w wielu elektrowniach i elektrociepłowniach na terenie kraju.
Zasadniczo istnieją dwie metody rejestracji wyładowań niezupełnych dla obiektów ruchu elektrycznego, takich jak np. generatory. Metoda on-line, czyli stałego monitoringu rozwoju wnz wymaga odpowiedniego przygotowania obiektu przed uruchomieniem (wybór i instalacja czujników) oraz wiąże się z koniecznością pokonania trudności z transmisją i zapisem danych. W energetyce polskiej stosuje się prawie wyłącznie metodę off-line, czyli pomiarów i rejestracji wnz podczas postoju maszyny, najczęściej w powiązaniu z innymi próbami przed i/lub po remoncie stojana.
Metoda off-line (opisana w PN-EN 60270) daje możliwość pomiaru ładunku pozornego wyładowań niezupełnych będących następstwem typowych defektów izolacji [3]:
 1. w układzie wewnętrznym:
• szczeliny i jamki powstałe podczas produkcji izolacji uzwojenia, np. zły materiał (technologia RESIN RICH) lub złe przesycenie żywicą (VPI),
• rozwarstwienia i pęknięcia izolacji powstałe w wyniku eksploatacyjnych naprężeń termoelektrycznych, elektrodynamicznych i mechanicznych,
• rozwarstwienia na styku miedź – izolacja główna: szczeliny na przeplotach Roebla, nieefektywna wewnętrzna ochrona przeciwjarzeniowa.
2. w układzie zewnętrznym:
• wyładowania żłobkowe: nieskuteczna ochrona przeciwjarzeniowa na prętach lub szczeliny pomiędzy żelazem rdzenia a prętami (brak wypełnienia spoiwem przewodzącym),
• wyładowania powierzchniowe na połączeniach czołowych pomiędzy warstwami uzwojenia i na rozdziałach faz (wyprowadzenia ze żłobków),
• wyładowania powodowane występowaniem dużych natężeń pola elektrycznego w pobliżu części metalowych uziemionych lub pozostających na wolnym potencjale.

Uzwojenia stojanów dużych generatorów energetycznych są łączone w gwiazdę, a izolacja zacisku neutralnego jest taka sama jak zacisków fazowych.
Badania wyładowań niezupełnych przeprowadza się przy rozłączonych uzwojeniach zarówno od strony wyprowadzeń mocy HV, jak i od strony punktu neutralnego LV. Próba polega na podaniu napięcia probierczego na uzwojenia stojana – osobno dla każdej fazy. Pomiary wykonuje się podłączając aparaturę od strony HV, a jeśli to wskazane, także od strony LV uzwojeń (ze względu na możliwe zjawisko tłumienia sygnału wnz wzdłuż uzwojenia).
Wartość napięcia probierczego ustala się w zależności od tego, czy mamy do czynienia z generatorem nowym (1,2 wartości międzyfazowego napięcia znamionowego U_n) czy będącym już w eksploatacji (najczęściej 1,0 U_n). Zasadnym jest wykonywanie rejestracji wnz także przy innych napięciach probierczych, np. 0,6 U_n. Należy pamiętać, że podczas próby napięciem doprowadzonym (tylko takie można podać stosując metodę off-line) wszystkie  segmenty uzwojeń i izolacji traktowane są równym potencjałem, w przeciwieństwie do normalnego stanu pracy generatora, gdzie wielkość indukowanego w uzwojeniach stojana napięcia zależy od odległości danej sekcji od punktu gwiazdowego. Tak więc nie wszystkie defekty izolacji są równie groźne, te zlokalizowane bliżej punktu neutralnego mogą nie powodować występowania zjawiska wyładowań niezupełnych – chociaż w próbach wnz zostaną zdemaskowane.
Poniżej przedstawiono typowy układ pomiarowy dla jednej fazy (uzwojenia pozostałych faz są uziemione).

W przypadku pomiarów standardowych notuje się mniej danych niż przy pomiarach analitycznych; wykonuje się je głównie dla wyznaczenia tzw. krzywej q-v zależności ładunku pozornego od napięcia próby q = f(U). Aby otrzymać taką krzywą, należy jednostajnie podnosić napięcie do wartości maksymalnej próby, a następnie obniżać je do zera. Na podstawie przebiegu q-v określa się napięcie początkowe wnz Ui (tj. napięcie, przy którym zaczynają pojawiać się istotne poziomy ładunku pozornego q), napięcie gaśnięcia wnz Ue (tj. napięcie, przy którym zanikają wyładowania  niezupełne) oraz ładunek maksymalny Qmax, który zazwyczaj pojawia się w okolicach najwyższego napięcia probierczego.
Powyżej przedstawiono przykłady wydruków otrzymanych z detektora wnz typu Haefely TE-571 podczas pomiarów izolacji stojana na bloku w jednej z elektrowni na południu Polski.
Powyższe przebiegi zanotowano w trakcie pomiarów jednej fazy uzwojeń tego samego stojana. Aplikowano dwa napięcia probiercze, które różniły się od siebie blisko o połowę. Efekty widać przy porównaniu rys.6 i rys.7 – poziomy mierzonych ładunków pozornych q_max różnią się aż trzydziestokrotnie.
Podstawowym wynikiem pomiarów wnz jest górny pułap przebiegu ładunku pozornego qmax (t) w trakcie pomiaru analitycznego (min. 120 s), przy czym pojedyncze, najwyższe piki nie powinny być brane pod uwagę.

W szerszej ocenie uwzględnia się także inne parametry wnz, co wielokrotnie pozwala określić rodzaj i miejsce występujących wyładowań niezupełnych – szczególnie w przypadku posiadania bogatej bazy wyników i przebiegów uzyskanych z poprzednich pomiarów. Specjalne oprogramowanie wyznacza statystyczne podobieństwo uzyskanych parametrów wnz do zdefiniowanych wcześniej przypadków.
Jak na razie żadna norma nie podaje wartości granicznych ładunku pozornego wyładowań niezupełnych, których przekroczenie dyskwalifikowałoby izolację badanej fazy stojana. Przyjmuje się, że przekroczenie pułapu 50 - 60 nC świadczy o zaawansowanym stadium degradacji izolacji stojana, a w przypadku nowego generatora o poważnych wadach w procesie produkcji i montażu uzwojeń i/lub izolacji.
Nie mniej istotnym a nawet ważniejszym czynnikiem jest śledzenie trendu zmian parametrów wnz uzyskiwanych w trakcie badań powtarzanych na tym samym generatorze po upływie jakiegoś czasu (np. co 2 lata).
Rzetelna ocena stanu technicznego izolacji stojana potrzebna jest zarówno producentowi maszyny – w celu upewnienia się co do niezawodności działania w okresie gwarancyjnym, jak i właścicielowi – w celu prognozowania bezpiecznej pracy i planowania remontów bądź wymiany generatora. Rozwijające się techniki pomiarów i analizy zjawiska wyładowań niezupełnych należą w tym względzie do najcenniejszych narzędzi diagnostycznych.

 LITERATURA
[1] B. Florkowska, M. Florkowski, R. Włodek, P. Zydroń: „Mechanizmy, pomiary i analiza wyładowań niezupełnych w diagnostyce układów izolacyjnych wysokiego napięcia”.
[2] T. Glinka, A. Polak: „Monitorowanie stanu technicznego układu izolacyjnego generatorów synchronicznych”.
[3] Praca zbiorowa wydana przez Energopomiar – Elektryka: Ramowa Instrukcja Eksploatacji Generatorów Synchronicznych.
[4] Haefely Trench Tettex Instruments: Operating Instructions TE-571.
[5] Polska Norma PN-EN 60270: Wysokonapięciowa technika probiercza. Pomiary wyładowań niezupełnych.

Autor: mgr inż. Ireneusz Hasiec, ZPBE Energopomiar – Elektryka Gliwice

Artykuł został opublikowany w magazynie "ECiZ" nr 11/2010