1

Metode de diagnosticare a stării întreruptoarelor 1.Diagnosticarea prin măsurarea rezistenŃei de contact

Măsurătorile preventive constau, în mod curent, în măsurarea rezistenŃei ohmice pe fază

sau pe porŃiuni (de exemplu pe contacte) şi măsurarea căderii de tensiune pe fază şi/sau pe porŃiuni ale căii de curent, înainte şi după efectuarea încercărilor de încălzire şi de stabilitate.

Măsurarea se efectuează în curent continuu de regulă prin metoda voltmetrului şi ampermetrului, cu aparatul încercat având temperatura mediului ambiant. Rezultatele obŃinute pentru măsurarea efectuată înainte de încercarea de încălzire nu au voie să difere cu mai mult de 20 % de cele obŃinute după acea încercare.

Întrucât căile de curent se caracterizează prin valori mici ale rezistenŃelor, se recomandă utilizarea unei scheme de măsurare conform cu Figura 1. În acest caz, rezistenŃa măsurată a căii de curent pentru aparatul de încercat Ap., va fi:

vr

UI

UR

−= ,

în care U, I sunt valorile indicate de instrumentele de măsură pentru tensiune respectiv curent, iar rv este rezistenŃa laturii voltmetrului cuprinsă între nodurile A şi B.

Fig.1. Schemă pentru măsurarea rezistenŃelor mici: A-ampermetru; V-voltmetru; Ap - aparatul de încercat: Rs - şunt; Ra - rezistenŃă adiŃională

În timpul măsurătorilor se va avea grijă ca: - numărul contactelor din circuit să fie cât mai mic; - sursa de curent să aibă o rezistenŃă internă mică (să fie de exemplu o baterie de

acumulatoare de zeci sau sute de A-h); - instrumentele de măsură să fie de înaltă precizie (clasa 0,2); - citirea celor două instrumente să fie realizată simultan; - măsurarea să se efectueze pentru cel puŃin trei valori ale curentului. Deseori se utilizează punŃi pentru măsurarea rezistenŃei căii de curent. Pentru

rezistenŃele de valoare mică sunt indicate punŃile duble (Thomson). RezistenŃa de contact se poate măsura şi în regim dinamic. Metoda se bazează pe

determinarea rezistenŃei electrice de contact, în regim dinamic, prin injectarea în echipament a unui curent electric de 100 ÷1000 A şi măsurarea simultană a curentului injectat şi a căderii de tensiune între bornele echipamentului. În scopul unei bune corelări a mărimilor electrice înregistrate se determină simultan şi cursa contactului mobil.

Aplicând metoda la operaŃii de închidere, deschidere sau cicluri de închidere/ deschidere se determină starea tehnică a contactelor prin:

- determinarea duratei discontinuităŃilor din circuitul electric. - determinarea rezistenŃei electrice a contactelor de lucru şi de arc; - determinarea lungimii contactului de arc.

A

V

RS

U=

Ra

A

B

Ap

2

Calitatea unei operaŃii de închidere sau deschidere este caracterizată şi de: - timpul propriu de realizare; - viteza de deplasare a contactului mobil; - calitatea amortizării cursei. Determinarea rezistenŃelor de contact se face prin împărŃirea reală, eşantion cu eşantion,

a mărimilor înregistrate corespunzătoare căderilor de tensiune şi curentului prin circuitul de forŃă.

2 Diagnosticarea contactului slăbit

În cazul unui contact de slabă calitate, stricŃionarea curentului la trecerea prin piesele de

contact devine mai accentuată. Căldura dezvoltată prin efect Joule în punctele de stricŃiune, unde densitatea de curent ia valori ridicate, cauzează deformări locale ce se manifestă sub forma unor vibraŃii de amplitudini mici formate din armonici multipli întregi ai frecvenŃei sursei de alimentare. Prin urmare, detectarea conducŃiei anormale în zona contactului este realizabilă utilizând senzori de vibraŃie (acceleraŃie) montaŃi pe carcasele din apropierea ansamblului de contact, semnalul detectat fiind apoi trecut printr-un analizor de frecvenŃă. În Fig.2 sunt redate semnalele provenite de la senzorul de acceleraŃie.

Există o legătură între energia acestor semnale (deci practic energia vibraŃiilor detectate)

şi căderea de tensiune pe contacte. În tabelul 1 sunt date căderea de tensiune şi temperatura pentru punctele de înmuiere, topire şi vaporizare ale unor metale ce compun contactul electric.

Conform măsurărilor, în jurul unei căderi de tensiune de 0,1 V energia vibraŃiilor se caracterizează printr-un salt, indicând apariŃia unei stări anormale. Tabelul 1

Înmuiere Topire Vaporizare

Metal

Tensiune [V]

Temperatură [°C]

Tensiune [V]

Temperatură [°C]

Tensiune [V]

Temperaturi [°C]

Al 0,1 150 0,3 600 - 2300 Fe 0,21 500 0,9 1539 - 2740 Ni 0,22 520 0,65 1452 - 2730

Cu 0,12 190 0,43 1083 0,97 2600 Zn 0,1 170 0,17 419 - 906 Mo 0,25 900 0,75 2620 1,1 4800 Ag 0,09 180 0,37 960 0,67 2000

w 0,4 1000 1,1 3390 2,1 5930

a)

Nivel acceleraŃie

FrecvenŃa [kHz]

0 1 2

Nivel acceleraŃie

FrecvenŃa [kHz]

0 1 2

b)

Fig.2. VibraŃia carcasei ce conŃine ansamblul contact: a) normal; b) anormal.

3

3.Diagnosticarea acustică a defectelor mecanice

ModalităŃile de monitorizare a stării întreruptoarelor se bazează pe analiza şi prelucrarea după anumite criterii a unor înregistrări de provenienŃă acustică -amprentă acustică - adică înregistrări de vibraŃii mecanice obŃinute în timpul efectuării unor comutaŃii (anclanşare - declanşare) a întreruptorului urmărit.

Această "amprentă" se compară cu cea considerată de referinŃă, atât în domeniul timp, cât şi în domeniul frecvenŃă pentru a permite scoaterea în evidenŃă a funcŃionării anormale a întreruptorului.

O bună parte din cauzele care duc la scoaterea din funcŃie a întreruptoarelor sunt defecte mecanice (nealinieri, dereglări, depăşiri de cursă, de opritori, pârghii cotite şi tije deformate, fisurate, rupte, uzate etc.). Amprenta de referinŃă poate proveni din înregistrarea anterioară de la acelaşi întreruptor sau de la altul de acelaşi tip. Ideea de bază este că, uzura contactelor şi alte tipuri de comportamente anormale pot fi detectate prin modificările amprentei acustice a întreruptorului. Amprentele acustice ale unei acŃionări se achiziŃionează cu accelerometre montate în exteriorul polilor şi pe mecanismul de acŃionare.

Generarea şi propagarea sunetului printr-un întreruptor sunt însă procese foarte complicate. Există o multitudine de surse şi un mare număr de suprafeŃe de separaŃie (frontiere) care împrăştie, atenuează şi afectează în multe moduri propagarea undelor acustice. Descrierea matematică detaliată a acusticii unei acŃionări ar fi extrem de dificilă. Chiar şi un simplu proces ca deplasarea contactorului pe durata unei acŃionări modifică substanŃial proprietăŃile acustice, făcând necesară utilizarea funcŃiilor de transfer dependente de timp.

ProprietăŃile acustice ale celorlalte materiale componente solide ne-metalice ale echipamentului (porŃelan, poliester armat cu fibră) sunt şi ele similare. Un avantaj important asociat metodelor acustice este faptul că au imunitate la zgomotul electromagnetic. Nici zgomotul extern, cum ar fi cel datorat traficului sau vibraŃiilor transformatorului de exemplu, nu are influenŃă, constatând că, atât la măsurătorile efectuate în staŃie, cât şi la cele efectuate în condiŃii de laborator, raportul semnal util/zgomot este peste 60 dB.

O comparaŃie directă între semnalele înregistrate în general nu este edificatoare. În scopul găsirii trăsăturilor specifice, semnalele fumizate de accelerometru se prelucrează numeric. Algoritmii de procesare digitală aplicaŃi sunt cei de la procesarea vorbirii, date fiind unele similitudini dintre cele două fenomene:

- în ambele cazuri sarcina de rezolvat este compararea a două semnale care constau dintr-un număr de armonici. La vorbire, fiecare armonică corespunde unui sunet, iar la amprenta întreruptorului, fiecare armonică corespunde unui eveniment ce are loc în cursul acŃionării;

- viteza cu care apar evenimentele se poate modifica, dar ordinea evenimentelor nu. 4. Monitorizarea serviciului efectuat

Plecând de la Serviciul Standard de FuncŃionare indicat de fabricantul

întreruptorului se poate Ńine o evidenŃă a deconectărilor făcute, înregistrând valoarea curenŃilor deconectaŃi pentru fiecare pol. Cu aceste valori ale curenŃilor se va putea apoi determina durata de viaŃă (numărul de acŃionări până la o revizie) a întreruptorului.

De exemplu, pentru un întreruptor cu ulei având tensiunea nominală Un =15,5 kV, curentul nominal In = 560 A, capacitatea de rupere nominală In-AC = 10000 A, Serviciul Standard de FuncŃionare prezintă datele indicate în tabelul 2. Conform prevederilor ANSI (American National Standards Institute), Standard C37.61 -1973, (Guide for the Application, Operation and Maintenance of Automatic Circuit Reclosers), Serviciul Echivalent al întreruptorului se poate calcula ridicând la puterea l,5 valoarea efectivă a curentului întrerupt.

4

Tabelul 2 Curentul întrerupt

% InAC. X/R maxim Număr întreruperi

15... 20 3 28

45 ... 55 7 20 90... 100 14 10

Total acŃionări 58

Luând în considerare şi numărul permis de întreruperi se poate calcula, pornind de la tabelul 2, Serviciul Echivalent Efectuat al întreruptorului. În tabelul 3 se dă un astfel de exemplu:

Tabelul 3

Curent întrerupt

[A]

Serviciul echivalent / întrerupere

Numărul de întreruperi

Serviciul echivalent efectuat

2000 20001,5 = 8,9⋅104 28 249⋅104 5000 50001,5 = 35,4⋅104 20 708 ⋅1 04 10000 100001,5 = 100⋅104 10 1000 ⋅104

Total: 1957 ⋅104

Numărul total admisibil de întreruperi pentru un curent de avarie considerat se va putea

calcula pornind de la totalul din tabelul 3. Astfel, pentru un curent de avarie de 2000 A , rezultă:

iîntreruper 220109,8

1019574

4

=⋅⋅

adică în cazul ipotetic că întreruptorul va trebui să întrerupă totdeauna un curent de avarie de 2000 A, el va putea efectua 220 de astfel de întreruperi.

5. Aprecierea electroeroziunii contactelor întreruptorului

În aprecierea stării tehnice a întreruptoarelor, de o importanŃă deosebită este cunoaşterea electroeroziunii contactelor acestora, dependentă de numărul de comutaŃii efectuate şi valorile curenŃilor la care au fost efectuate comutaŃiile, precum şi de durata de existenŃă a arcului electric la fiecare comutaŃie.

În general, electroeroziunea contactului fix de rupere este mai mare decât cea înregistrată de contactul mobil de rupere.

În cazul întreruptoarelor de înaltă tensiune, la care picioarele arcului de comutaŃie rămân practic nemişcate pe suprafaŃa contactului mobil şi a contactului fix, pe durata arderii arcului electric, uzura masică m, exprimată în [mg], este dată de relaŃia:

a

b tI ⋅⋅= am

unde: I este valoarea efectivă a curentului deconectat, în [kA]; ta - durata de ardere a arcului electric de comutaŃie, în [ms]; a şi b - constante ce depind de natura materialului:

5

� pentru contacte din cupru - wolfram, a = 0,274, b = 1,81; � pentru contacte din cupru, a = 2,15. b = 1,58.

În Figura 3 este prezentat numărul echivalent de comutaŃii în funcŃie de curentul de scurtcircuit întrerupt pentru întreruptoarele SF6 tip autopneumatic. În figură, Ne reprezintă numărul echivalent de comutaŃii prin care se ajunge la aceeaşi electroeroziune a contactelor de rupere ca în cazul unei singure deconectări a unui curent de 0,5 Ir, unde Ir este curentul nominal de rupere al întreruptorului.

Pentru valori ale curenŃilor de scurtcircuit sub 0,35 Ir, numărul echivalent de comutaŃii

se calculează cu relaŃia: 3

R

I

I35,083,1

⋅⋅=eN

iar pentru valori mai mari de 0,35 I r, cu relaŃia: 7,1

R

I

I5,0

⋅=eN

Pentru întreruptoarele cu ulei puŃin de tip IO (ortojector) şi IUPM de medie tensiune, estimarea uzurii se poate realiza cu o relaŃie de forma:

RII

d

eN c = ⋅

,

unde Ne este numărul de comutaŃii estimat prin calcul, iar c şi d sunt constante specifice fiecărui tip de întreruptor. Astfel, pentru un întreruptor tip IO 24/1250 constantele iau valorile c=6,77, d = 1,817, iar pentru un întreruptor tip IUPM 24/630, c = 4,224, d = 1,355.

Aprecierea electroeroziunii se poate realiza şi pe baza fişei tehnologie a aparatului. Astfel, în fişa tehnologică privind revizia întreruptoarelor tip IO de înaltă tensiune 123-420 kV, se arată că numărul maxim de comutaŃii admise între două revizii sunt:

5 pentru 0,5 •IR < l < IR ; 14 pentru 0,25 • IR < l < 0,5 • IR ; 40 pentru In < l < 0,25 • IR ; 500 pentru I < In .

unde: I este curentul deconectat, IR- curentul nominal de rupere, In–curentul nominal al întreruptorului.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 110

-1

100

101

102

103

104

I / IR

Ne

Fig.3. Numărul echivalent de comutaŃii în funcŃie de curentul de scurtcircuit întrerupt pentru întreruptoarele SF6 tip autopneumatic

6

În cazul întreruptoarelor de înaltă tensiune de tip IO care au curentul nominal de 1600 A şi curentul nominal de rupere 31,5 kA, electroeroziunea masică m, evaluată cu relaŃia de mai sus, electroeroziunea masică totală mt (după efectuarea numărului de comutaŃii între două revizii), precum şi supraevaluarea electroeroziunii ∆m, pentru diverse valori ale curentului deconectat sunt prezentate în tabelul 4.

Calculele pentru electroeroziunea masică au fost efectuate pentru contacte cupru-wolfram a=0,274, b=1,81 iar durata de ardere a arcului electric de comutaŃie ta=0,027 ms. Electroeroziunea masică totală [g]tm N m= ⋅ .

Tabelul 4 I/N

[kA/nr. comutări] m[g] mt [g] ∆m[%]

31,5/5 3,817 19,086 0 30/5 3,494 17,473 8,452 28/5 3,084 15,422 19,199 26/5 2,697 13,486 29,342 24/5 2,333 11,667 38,872 22/5 1,993 9,967 47,779 20/5 1,677 8,387 56,053 18/5 1,386 6,931 63,683 16/14 1,120 15,682 17,837 14/14 0,879 12,315 35,478 12/14 0,665 9,316 51,187 10/14 0,478 6,698 64,907 8/14 0,319 4,472 76,568 6/40 0,189 7,591 60,225 4/40 0,091 3,644 80,906 2/40 0,025 1,039 94,554

1,6/500 0,017 8,674 54,551 EvoluŃia supraevaluării electroeroziunii arată că abaterile faŃă de electroeroziunea

maximă admisă cresc pentru valori descrescătoare ale curentului, în interiorul domeniilor stabilite, cu atingerea unor valori locale minime pentru curenŃii de 16 kA şi 1,6 kA.

Se constată deci că mentenanŃa cerută de schimbarea contactelor la atingerea numărului de comutaŃii pe scurtcircuit va fi efectuată la valori ale electroeroziunii mult mai mici decât cea maximă admisă.

În aceste condiŃii, contactele întreruptoarelor ar fi capabile să mai realizeze un număr de comutaŃii pe scurtcircuit pe lângă cele precizate în fişa tehnologică, aşa cum rezultă din tabelul 10. Tabelul 10

I [kA] N [Număr de comutaŃii suplimentare] 31,5 0 30 0,4 28 1,1 26 2 24 3,1 22 4,5 20 6,3 18 8,7 16 3 14 7,6 12 14,6 10 25,8

7

8 45,7 6 60 4 169 2 694

1,6 600 3.3.6. Estimarea uzurii uleiului electroizolant

Printre factorii care duc la defecŃiuni în funcŃionarea întreruptoarelor se numără şi

deprecierea calităŃii uleiului electroizolant. Aceasta are drept cauze posibile următoarele: - alterarea rapidă (în lipsa unor factori favorizanŃi) a calităŃilor electroizolante ale

uleiului (cauză frecventă); - diminuarea rapidă a calităŃilor electroizolante datorită efectelor provocate de arcul

electric (cauză frecventă); - scăderea nivelului uleiului datorită neetanşeităŃilor (cauză relativ frecventă). Alterarea sau diminuarea caracteristicilor uleiului electroizolant are efecte directe

asupra duratei de viaŃă a întrerupătoarelor, iar scăderea nivelului uleiului electroizolant este defecŃiune majoră, care poate produce explozia aparatului în procesul de întrerupere a unui curent de scurtcircuit.

În concluzie, se poate aprecia că uzura uleiului poate fi aleasă drept criteriu de estimare a uzurii întreruptorului datorită vitezei ridicate de degradare sub influenŃa arcului electric din procesele de comutaŃie.

Valoarea rigidităŃii dielectrice a uleiului se diminuează după o alură exponenŃială, în funcŃie de numărul de ruperi. Exponentul funcŃiei depinde de valoarea curentului rupt. Expresia matematică a variaŃiei rigidităŃii dielectrice a uleiului este:

⋅= ⇒ =i

x

x

k Ndinitial dinitialdx k N

dx

E Ee E

E e

unde: Ed-initial - este rigiditatea dielectrică iniŃială; Edx - rigiditatea dielectrică după Nx ruperi; k - factorul numeric care depinde de valoarea curentului la care se fac ruperile.

Pentru determinarea factorului k se Ńine seama că raportul dintre rigiditatea dielectrică iniŃială (a uleiului nou, la care se încep ruperile) şi rigiditatea dielectrică finală (la care se opresc încercările) corespunde numărului de ruperi estimat (Ne), pentru un anumit curent de scurtcircuit:

1 ln ⋅

= ⇒ = ⋅

e

sc

k Ndinitial dinitialI

dfinal dfinal

E Ee k

E Ne E

RelaŃia anterioară permite calculul factorului k dacă sunt cunoscute rigiditatea dielectrică iniŃială (de exemplu, 140 kV/cm), rigiditatea dielectrică finală (60 kV/cm) şi numărul de ruperi estimat calculat cu relaŃia:

d

eN

⋅=

SC

nr

I

Ic

unde c şi d sunt constante specifice fiecărui tip de întreruptor. În Tabelul 11 sunt date valorile acestor constante pentru diverse tipuri de întreruptoare.

8

Tabelul 11 Tipul întreruptorului c d I rn [kA]

IO- 12/630 3,785 1 ,329 16 IO- 127 1250 4,151 1 ,229 16 10-12/2500 6,246 1,345 25 10-24/630 4,71 1,525 25

IOM-24/630 3,3 2,06 25 10-24/1250 6,77 1,817

IUPM- 12/360 3,077 1,409 IUPM- 12/1 000 2,93 1,516 IUPM-24/630 4,224 1,355

Din relaŃia rigidităŃii dielectrice a uleiului se observă că variaŃia uzurii uleiului

electroizolant din camera de stingere a întrerupătorului nu este liniară. Astfel, dacă întreruptorul este supus numai la ruperi ale curentului de scurtcircuit, la prima rupere se produce o scădere puternică a rigidităŃii dielectrice, la următoarele ruperi scăderile fiind mai reduse.

Pe baza acestei metode se poate elabora un algoritm pentru estimarea uzurii uleiului electroizolant din camerele de stingere.