Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Systém pro servisní měření generátorů

Systém pro servisní měření generátorů

V několika posledních letech se stále častěji uplatňují postupy technické diagnostiky realizované s využitím počítačů. Umožňují to nejen stále nižší ceny a větší výkonnost počítačů, ale též větší dostupnost a kvalita vstupních zařízení, která je možné k počítačům připojit. V článku je popsán speciální diagnostický systém realizovaný pro zákazníka zabývajícího se opravami generátorů elektrické energie.

Požadavky na systém

Z hlediska funkce bylo požadováno integrovat do jednoho systému tři moduly, z nichž každý vykonává jinou úlohu. Úlohami jsou:

  • záznam průběhů zkoušky EL CID,
  • zkouška strmou vlnou,
  • zkouška zkratů mezi závity.
Obr. 1.

Obr. 1. Schéma uspořádání měřicího systému

Dále byly požadovány minimální rozměry celého systému, aby jej bylo možné přepravovat letadlem, odolnost (mechanická i elektrická), snadná obsluha (programového vybavení i připojení na zdroje signálu), možnost vytvářet tiskové výstupní sestavy a databázová podpora uložených dat z měření.

Technická realizace měřicího systému

Požadavek minimálních rozměrů a nutná kompatibilita s běžnými kancelářskými programy vyžadovaly za základ měřicího systému notebook. Výběr měřicího zařízení byl potom limitován nutností použít notebook a dále požadavky na mechanickou a elektrickou odolnost a dostatečnou rychlost vzorkování. Při zkoušce strmou vlnou je třeba signál vzorkovat rychlostí 500 kS/s (tisíců vzorků za sekundu) na dvou kanálech. Všechny požadavky zadání splňuje měřicí ústředna Dewetron DWE-MDAQ-16. Ústředna je propojena s měřicím notebookem přes můstek (bridge) PCI, tvořený kartou typu PCMCIA. Měřicí karta v ústředně je tedy zdánlivě přítomna v notebooku. Ústředna obsahuje šestnáct rozdílových vstupů s měřicími rozsahy nastavitelnými od 0,125 do 200 V. Jednotlivé kanály mohou mít souhlasné napětí až ±250 V. Měřicí rozsahy se nastavují po komunikační lince. K ochraně vstupů před impulsním napětím při měření zkratů mezi závity byla sestava doplněna ochranným modulem obsahujícím filtry s transily a zatěžovací rezistory. Ochranný modul se připojuje mezi měřicí ústřednu a svorky snímací cívky v generátoru. Měřený signál je přiváděn kabely s konektory typu BNC a izolovanými svorkami. Blokové schéma měřicího systému je na obr. 1.

Programové moduly

Vlastní chod měřicího systému zajišťují, jak již bylo uvedeno, tři základní programové moduly odpovídající příslušným úlohám. Úlohy a moduly fungují následovně.

Záznam průběhu zkoušky EL CID
Zkouška EL CID (ELectromagnetic Core Imperfection Detector) je potřebná ke zjištění vad izolace mezi plechy ve statoru generátoru. Provádí se v dílnách. Obsluha přejíždí detektorem po jednotlivých drážkách a zařízení EC CID ukazuje případné závady. Signál ze zařízení EL CID je přenášen do měřicího notebooku, kde je zaznamenáván. Začátky a konce měření určuje obsluha. Jednotlivé záznamy z měření se normalizují na konstantní délku a dále ukládají do databáze.

Obr. 2.

Zkouška strmou vlnou
Zkouška strmou vlnou se též provádí v dílnách speciálním zařízením. Tím je impulsní generátor, který krátkým impulsem vybudí odezvu ve vinutí statoru nebo rotoru generátoru. Tato odezva se měří. Dříve se k měření používal paměťový osciloskop. Nyní je signál přiveden do měřicího systému vzorkujícího dva vstupní signály rychlostí 500 kS/s. Ve fázi měření je nastavena příslušná citlivost a režim spouštění měřicí ústředny. Po naměření odezvy jsou data uložena k dalšímu zpracování, spočívajícímu ve výpočtu časů průchodů signálu nulou a změření vrcholových napětí. Tyto hodnoty využije zkušený uživatel ke zhodnocení stavu zkoušeného zařízení. Další významnou pomoc pro posouzení stavu představuje programový grafický nástroj, který umožňuje pohybovat zobrazeními jednotlivých průběhů po sobě. Uživatel si může usnadnit a zkvalitnit práci nastavením vzájemné pozice grafů tak, jak potřebuje.

Zkouška zkratů mezi závity
Hlavním modulem, který je používán pro diagnostiku na generátoru za provozu, je modul realizující zkoušku zkratů mezi závity. Algoritmus této zkoušky byl vyvinut společností ZAT ve spolupráci s firmou Škoda Výzkum asi před deseti lety. Zkouška zkratů mezi závity je jedním z diagnostických testů zavedených společností ZAT v Jaderné elektrárně Temelín.

Zjišťování zkratů mezi závity spočívá v měření rozptylových magnetických toků vznikajících nad drážkami, v nichž je uloženo rotorové vinutí (obr. 2). Tyto rozptylové toky procházejí měřicí cívkou umístěnou v plynové mezeře generátoru. Otáčením rotoru se v cívce indukuje elektrické napětí, obvykle 20 až 200 V, které je možné přímo měřit. Intenzita rozptylového toku (a tím i indukovaného napětí) je úměrná budicímu proudu a počtu závitů. Při porušení izolace mezi závity v drážce poklesne rozptylový tok nad touto drážkou.

Obr. 3.

Obr. 2. Řez rotorem generátoru
Obr. 3. Časový průběh signálu z měřicí cívky

Změřením indukovaných napětí příslušných jednotlivým drážkám (dále drážkové extrémy) a jejich správnou interpretací lze odhalit zkrat mezi závity přímo při provozu generátoru. Měří se při jmenovitých otáčkách rotoru. Časový průběh jedné periody měřicího signálu je na obr. 3.

Při základním zpracování měřicího signálu se používá několik filtrů. Jde o nerekurzivní filtry s konečnou délkou odezvy na impuls (FIR). Filtrace se provádí s použitím konvoluce. Při použití různě „dlouhých“ filtrů je však nutné korigovat posunutí výstupních vyfiltrovaných signálů tak, aby jednotlivé výstupy byly porovnatelné. Základní filtrace se provádí kosinovým oknem, jehož šířka odpovídá rozteči drážek (v časovém prostoru – obr. 4). Na základě známé frekvence vzorkování měřicího signálu, jmenovitých otáček a dělení rotoru je vypočítáno příslušné kosinové okno. Obdobně se postupuje i při určování délky ostatních filtrů.

K vyhledání jednotlivých cívek je nutné nalézt neutrální osu. S použitím filtru s šířkou okna odpovídající části obvodu s drážkami se vyhledá místo s maximálním rozptylem signálu. To je místo, kudy by měla procházet neutrální osa. Neutrální osa se označí v nejbližším lokálním minimu. Dále je třeba záznam umístit tak, aby byly drážkové extrémy v levé polovině reprezentovány lokálními maximy, v pravé polovině minimy (tak, jako je orientován záznam na obr. 3). Toto umístění se nastaví při použití filtru typu dolnofrekvenční propusti, který zvýrazní otáčkovou frekvenci.

Obr. 4.

Obr. 4. Měřený signál po filtraci kosinovým oknem

Po nalezení neutrální osy se postupuje na obě strany. Lokální maxima v levé části a jim odpovídající lokální minima v pravé části jsou hledané drážkové extrémy. Jako rozdíl drážkových extrémů se získají cívkové extrémy, které se využijí při dalších výpočtech. Vyhledání drážkových extrémů je zcela závislé na správném určení neutrální osy. To však není vždy úplně přesné. Algoritmus proto obsahuje ještě další opravné postupy, které zajistí správné určení drážkových extrémů. Dále jsou extrémy zobrazeny do záznamu jedné periody, aby jejich správnost posoudil i uživatel, který má současně možnost posunout tyto body do správných pozic.

Zpracování cívkových extrémů spočívá v proložení naměřených hodnot lineární nebo kvadratickou interpolací (symetricky okolo neutrální osy) a vypočtením odchylek od této interpolace. Celé měření je relativní a případný zkrat je detekován poklesem cívkového extrému proti okolním. Ze stejného důvodu se sledují rozdíly cívkových extrémů symetricky okolo neutrální osy. Cívky, které jsou symetrické, by měly mít přibližně stejný cívkový extrém. Větší rozdíl indikuje případný zkrat.

Hlavním přínosem popsané metody je její plně automatický režim. Při zjišťování zkratů mezi závity obvykle není nutná uživatelská interakce s programem. Samozřejmé je automatické nastavování citlivosti měřicí ústředny tak, aby byl vstupní signál získán s maximálním rozlišením.

Implementace systému

S ohledem na složitost zejména měření a zpracování signálů a potřebu uchovávat a prezentovat výsledky měření byl celý systém naprogramován v prostředí Borland Delphi. Tím se dosáhlo propojení všech modulů do jednoho celku tak, aby uživatel nemusel přepínat mezi různými programy.

Obr. 5.

Obr. 5. Zobrazení zkoušky zkratů mezi závity (viz text)

Jednotlivá zobrazení jsou řešena tak, aby uživatel měl k dispozici všechna potřebná data, a mohl tedy sledovat průběh měření, popř. měnit nastavení měřicího systému (viz příklad zobrazení zkoušky zkratů mezi závity na obr. 5, kde ve spodní části jsou měřené a filtrované průběhy s vyznačenými extrémy a nad nimi grafy výstupů ze zkoušky, a to interpolace, rozdíly od interpolace a odchylky symetrických cívek).

Celý měřicí systém je zastřešen databází obsahující jak data z jednotlivých zkoušek, tak i informace o zákaznících. Formáty výstupů ze zkoušek testů jsou kompatibilní s běžnými kancelářskými programy. Lze je tedy začleňovat do různých dokumentů nebo dále zpracovávat např. v tabulkových kalkulátorech.

Závěr

Realizací měřicího sytému získal uživatel nástroj pro měření zkratů mezi závity. Dále mohl podstatně zjednodušit a zlevnit měření při zkoušce strmou vlnou a zkoušce EL CID. Celé zařízení lze převážet v kufru a připravit je k použití během několika minut.

Měřicí systém bylo možné realizovat nejen díky novým poznatkům v oboru výpočetní a měřicí techniky. Důležitou součástí je též práce techniků, kteří navrhli nové metody zpracování dat při zkouškách, a programátorů, kteří systému dali podobu vstřícnou uživateli.

Ing. Milan Kučera, ZAT a. s.
(milan.kucera@zat.cz)