Online-Monitoring zur frühzeitigen Feststellung und

Online-Monitoring zur frühzeitigen
Feststellung und Diagnose von beginnenden
Schäden an Turbogeneratoren
Sonderdruck aus
VGB PowerTech 12 | 2014
Autoren:
Martin Biesemann
Frank Ewert
Siemens AG
Mülheim a.d. Ruhr
Deutschland
siemens.com
VGB an
PowerTech
12 l 2014
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
VGB PowerTech 12an
l 2014
Online-Monitoring zur frühzeitigen
Feststellung und Diagnose
von beginnenden Schäden
an Turbogeneratoren
Generatorschalter
BAC
PD
SIEMON plus basic
8x EWV
PD
Hilfstransformator
8x EWV
PD
BBT01
Generator
MKA
ISC (FluxProbe)
Blocktransformator
BAT01
SIEMON
plus advancedServer
Martin Biesemann und Frank
Ewert
Konfiguration
Datendownload
Abstract
Alarm an
DCS
Übergeordnete
Diagnosesysteme
Einführung
(PI, TS,
WIN_TS)
Power Diagnostics
Center
Regelbasierte Analyse
Der Einfluss von erneuerbaren
Energien
Mülheim/Erlangen/
nimmt zu. Diese Entwicklung
Orlando führt zu
einem steigenden Bedarf an Mittel- und
Spitzenlastbetrieb konventionell befeuerThe influence
of renewable
energy is increasing. SIEMONplus.
Bild
1. Übersicht
über das Überwachungssystem
ter Anlagen zur Stabilisierung des Netzes.
This trend results in an increased requirement Insbesondere bei großen konventionell
of
medium
and
peak
load
operation
of
fossil
eigneten Kraftwerken
Einbauorten führt
wie SpannungsKorrelation der gemessenen Daten mit ge
befeuerten
dieser Mitpower plantsvorhandenen
for the stabilisation
of the electriGeneratorausleitungsrelevanten
Parametern
der wandlerschränken,
telund
Spitzenlastbetrieb
aufgrund der
cal
grid.
Especially
for
large
fossil
power
plants,
Sternpunktschränken
oderzuaneiner
der
Anlage oder gesamten überwachten Ge- kästen,
steigenden
Anzahl an Lastzyklen
this results in anBei
increased
thermo-mechanical
installiertBeanspruwerden
neratorflotte.
Abweichungen
vom nor- Generatorableitung
hohen
thermomechanischen
stress for the core components like the generamalen
Verhalten werden die zuständigen ( B i l d 2 ). Die Kondensatoren haben nortor due to the increasing number of load cycles. chung der Kernkomponenten (z.B. des
Kapazität
im Bereich von
Fachleute
benachrichtigt,
damit
sie ofeine
Generators).eine
Dies
führt typischerweise
This typically
leads to accelerated
aging
the malerweise
9 nC.
Koppelkondensatoren
gerindetaillierte
Daten
machines andBewertung
the risk for der
damages
anddurchunex- 1
zubis
einer
beschleunigten
Alterungmit
der
MaKapazitäten
werden
aufgrund
einer
führen
und dem
Empfehlungen
für geren
pected failures.
As Kunden
a preventive
measure, inspecschinen und erhöht die Gefahr von SchäEmpfindlichkeit
im unteren
den
Betrieb und
zu notwendigen
tionsweiteren
in more frequent
intervals
offer insight geringeren
den und unerwarteten
Ausfällen.
Als prädie
die
Anforderungen
Maßnahmen
geben
into the condition
of können.
the generator, but they Frequenzbereich,
ventive Maßnahme bieten Inspektionen
are time-consuming. Therefore, it is helpful to von
Siemens nicht
erfüllt,einen
nicht verwendet.
in kürzeren
Abständen
Einblick in
Teilentladungsüberwachung
use online condition monitoring and diagnosis Diese Einschätzung resultiert unter andeden Zustand des Generators, sind jedoch
systems to receive information about the state rem aus langjähriger Erfahrung, die zeigt,
unter anderem mit kostenintensiven StillElektrische
Fehler
inoperation.
Hochspannungskomof the machine
during
This will lead dass
die beste
Lösung einverbunden.
breitbandiges
des Kraftwerks
Zur
ponenten
wie Turbogeneratoren
in standzeiten
to condition-based
maintenance withtreten
extended
Messsystem
ist,
welches
sowohl
den ist
untees
der
Regelperiods.
nicht plötzlich auf. In den meis- Minimierung von Gewinnausfällen
operating
ren
Frequenzbereich
(bis 3 MHz) als auch
hilfreich,
Online-Zustandsüberwachungsten
Fällen
kündigen
sich
derartige
Fehler
Siemens offers several procedures:
Frequenzbereich
(bis 50 MHz)
und hohen
-Diagnosesysteme
zu verwenden,
um
durch Teilentladungen an, die Teile der den
abdeckt.
Der
untere
Frequenzbereich
er–
Online
monitoring
of
partial
discharges
(PD)
Hochspannungsisolierung überbrücken; Informationen über den Zustand der Maenables the user to detect an abnormal condi- schine während
es auchdes
Teilentladungen
festzuBetriebs zu erhalten.
diese lassen sich mit Hilfe von Hochfre- möglicht
Online monitoring
Early detection and diagnosis of
initiating damage in turbo generators
tion in the electrical insulation system of the
quenz-Messverfahren
erkennen [1].
generator.
Das
Erscheinungsbild
der Entladungen
– Online monitoring of stator
end winding im
viHinblick
deren
Phasenwinkel
in Bezug
brationsauf
yields
information
about the
actual
zur
Generatorspannung
ist e.g.
für depending
die Ursavibrations
during operation,
che
Entladungen
kennzeichnend und
on der
the specific
load point.
ermöglicht
Schlussfolgerungen
– Online monitoring
of the air gapbezüglich
magnetic
des
Risikos
für
den
Betrieb
des
flux helps to identify weiteren
interturn short
circuits
Betriebsmittels.
within the rotor windings.
l
Ein Teilentladungsmesssystem sollte gemäß IEC/TS 60034-27-2 normiert werden.
Durch Umwandlung der gemessenen Spannungssignale in scheinbare Ladungseinheiten, die ein Maß für die scheinbar übertragene elektrische Energie sind, ist unter
Einbeziehung weiterer Parameter, eine
Einschätzung des Risikos möglich. Obwohl
der Generator als teuerste Komponente im
Allgemeinen im Mittelpunkt der Überwachung steht, sollte der gesamte Hochspannungsbereich einschließlich der Haupt- und
Hilfstransformatoren
durch Erfassung der
Autoren
Teilentladungssignale überwacht werden.
Dipl.-Ing. Martin Biesemann
Teilentladungssensoren –
Dipl.-Ing. Frank Ewert
Kopplungskondensatoren
Siemens AG
Für
die Teilentladungserfassung
müssen
Mülheim
a.d. Ruhr/Deutschland
spezielle Koppelkondensatoren (CC) in
264
stellen, die tief in der Generatorwicklung
entstehen und größere Teile der Wicklung
bis zum Eintreffen an der Messstelle durchlaufen haben. Der hohe Frequenzbereich
bis 50 MHz ist hingegen weniger empfindlich gegenüber Störeinflüssen und wird für
weitergehende Analysen, wie die Lokalisierung einer Teilentladungsquelle mit Hilfe
von Laufzeitmessungen, benötigt.
Normalerweise sind die Kondensatoren
mit einem integrierten Überspannungsschutz ausgestattet und besitzen einen
isolierten Signalausgang zur Vermeidung
von Ausgleichströmen entlang der Kabelabschirmungen. Mögliche Montageorte
sind in Bild 2 dargestellt.
Analysetools
für Teilentladungen
Überblick Generator-Monitoring
Phasenaufgelöste Teilentladungsmuster
Generatoren
sindund
in Kraftwerken
über viele
Das
bekannteste
leistungsfähigste
VerJahre
im
Einsatz.
Betriebsund
alterungsfahren für die Detektion von Teilentladunbedingt
sukzessiv
gen
(TE)können
ist die Analyse
derSchädigungen
PRPD-Pattern
an
verschiedenen
Komponenten
Ma(Phase Resolved Partial Discharge der
Pattern,
schine
auftreten.
Wenn
es
gelingt,
VeränB i l d 3 ).
derungen an diesen Komponenten durch
Pattern
zeigen typischerweise
die Verteibetriebsbegleitende
Langzeitdiagnostik
lung
der Teilentladungsimpulse
zur
frühzeitig
zu erkennen, können relativ
ungeplanPhasenlage
der
Wechselspannung
und
diete und kostenintensive Stillstände verhinnen
Darstellung des Teilentdert zur
undvisuellen
lebensdauerverlängernde
Maßladungsverhaltens
einerwerden.
vordenahmen planmäßigwährend
durchgeführt
finierten
Eine Klassifizierung
VerfügbarMessdauer.
sind Überwachungssysteme
für
und
Interpretation
dieserwobei
Muster
verschiedene
Parameter,
beikann
Siemithilfe
internationalen
Patternkatamens derdes
Schwerpunkt
auf der
Überwalogs
dervon
IEC/TS
60034-27-2 erfolgen.
chung
Teilentladungen,
Wickelkopf-
schwingungen
unddie
LäuferwindungsschlüsTrendverlauf
über
Lebensdauer
sen liegt. Weitere Systeme, beispielsweise
Normalerweise
beginnt
die Überwachung
zur Überwachung von Wellenspannungen
eines
Generators
mit
der
Fingerprintmesund Lagerströmen oder die
faseroptische
sung.
Dies ist die erste Messung
nach und
der
Temperaturüberwachung
von Ständer
Inbetriebnahme
des
ÜberwachungssysLäufer, sind verfügbar oder befinden sich
tems,
der Generator
eiin derwobei
Entwicklung,
werdenmöglichst
hier jedoch
nen
stationären
Betriebszustand
durch
einicht erwähnt.
nen mehrstündigen Betrieb mit Grundlast
Das typische
Siemens-Konzept
zur Übererreichen
sollte.
Die Fingerprintmessung
wachung von Generatoren ist in B i l d 1
Dies unterstützt eine zustandsorientierte dargestellt.
Instandhaltung mit längeren BetriebszykDie Überwachung beginnt mit den Senlen zwischen den Revisionen.
soren (Schwingungs- und Flusssensoren),
– Mittels Online-Überwachung des Teidie im Generator oder in direkter Nähe des
lentladungsverhaltens ist der Benutzer
Generators, z.B. in der Generatorableitung
in der Lage, Verschlechterungen des
(Koppelkondensatoren), eingebaut sind.
Zustands der elektrischen IsolationssysDie Signale der Sensoren werden zu einer
teme des Generators, der Transformatoim Maschinenhaus installierten Datenerren und der Generatorableitung festzufassungseinheit (AU) weitergeleitet. Alle
stellen.
relevanten Daten werden in der AU gespei– Die Online-Überwachung der Schwin- chert und können zu Diagnosezwecken hegungen an Ständerwickelköpfen bietet runtergeladen werden. Durch Erweiterung
Informationen über die tatsächlichen des Systems mit einem zentralen Server
Schwingungen während des Betriebs, können bis zu 20 Generatoren überwacht
beispielsweise in Abhängigkeit von ei- und die Daten zentral gespeichert, angenem spezifischen Lastpunkt und warnt zeigt und miteinander verglichen werden.
den Benutzer, wenn Schwingungen auf- Der Server lässt sich leicht in beliebige leittreten, die mittel- oder langfristig zu ei- technische Systeme wie das SPPA-T3000ner Schädigung führen können.
System oder in Anlageninformationssyste– Die Online-Überwachung des magneti- me wie PI-Server und WIN-TS einbinden.
schen Flusses im Luftspalt hilft bei der Nach dem Anschluss an eines dieser SysteIdentifizierung von Windungsschlüssen me können die Daten automatisch an das
in den Läuferwicklungen.
Power Diagnostics Center von Siemens
Die Interaktion der vorstehend genannten übertragen werden, wobei die Daten
Online-Überwachungssysteme in Korrelati- permanent durch individuell angepasson mit den Betriebsparametern ermöglicht te, regelbasierte Auswertungen bewertet
Bild
Installationsbeispiele
von Messstellen im Hochspannungsbereich.
werden. Dazu gehört die automatische
eine2.
leistungsfähige
Generatordiagnose.
63
VGB PowerTech 12an
l 2014
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
VGB an
PowerTech
12 l 2014
Online-Monitoring zur frühzeitigen
Feststellung und Diagnose
von beginnenden Schäden
an Turbogeneratoren
Generatorschalter
BAC
Martin Biesemann und Frank
Ewert
SIEMON
plus advancedServer
Konfiguration
Datendownload
Abstract
Übergeordnete
Diagnosesysteme
Einführung
(PI, TS,
WIN_TS)
Power Diagnostics
Center
PD
8x EWV
SIEMON plus basic
8x EWV
Hilfstransformator
PD
PD
BBT01
Generator
MKA
ISC (FluxProbe)
Blocktransformator
BAT01
stellen, die tief in der Generatorwicklung
entstehen und größere Teile der Wicklung
bis zum Eintreffen an der Messstelle durchlaufen haben. Der hohe Frequenzbereich
bis 50 MHz ist hingegen weniger empfindlich gegenüber Störeinflüssen und wird für
weitergehende Analysen, wie die Lokalisierung einer Teilentladungsquelle mit Hilfe
von Laufzeitmessungen, benötigt.
Normalerweise sind die Kondensatoren
mit einem integrierten Überspannungsschutz ausgestattet und besitzen einen
isolierten Signalausgang zur Vermeidung
von Ausgleichströmen entlang der Kabelabschirmungen. Mögliche Montageorte
sind in Bild 2 dargestellt.
Überblick Generator-Monitoring
Analysetools
für Teilentladungen
Phasenaufgelöste Teilentladungsmuster
Der Einfluss von erneuerbaren
Energien Generatoren sind in Kraftwerken über viele
Online monitoring
Regelbasierte Analyse
bekannteste
leistungsfähigste
VerMülheim/Erlangen/
Jahre
im Einsatz.und
Betriebsund alterungsnimmt zu. Diese Entwicklung
führt zu Das
Early detection and diagnosis of
die Detektion
vonSchädigungen
Teilentladuneinem steigenden BedarfOrlando
an Mittel- und fahren
bedingtfür
können
sukzessiv
initiating damage in turbo generators
(TE) ist die Analyse
der PRPD-Pattern
an verschiedenen
Komponenten
der MaSpitzenlastbetrieb konventionell befeuer- gen
The influence of renewable energy is increasing. ter Anlagen zur Stabilisierung des Netzes. (Phase
Resolved Partial
schine auftreten.
Wenn Discharge
es gelingt,Pattern,
VeränBild 1. Übersicht über das Überwachungssystem SIEMONplus.
This trend results in an increased requirement Insbesondere bei großen konventionell B
i l d 3 ). an diesen Komponenten durch
derungen
of medium and peak load operation of fossil
zeigen typischerweise
die Verteibetriebsbegleitende
Langzeitdiagnostik
befeuerten
dieser Mit- Pattern
eigneten Kraftwerken
Einbauorten führt
wie SpannungsKorrelation
derthegemessenen
mit ge
power plants for
stabilisation ofDaten
the electrilung
der
Teilentladungsimpulse
relativ
zur
frühzeitig
zu
erkennen,
können
ungeplantelund
Spitzenlastbetrieb
aufgrund
der
wandlerschränken,
Generatorausleitungsrelevanten
vorhandenen
Parametern
der
cal grid. Especially for large fossil power plants,
der Wechselspannung
diete und kostenintensive
Stillständeund
verhinsteigenden
Anzahl an Lastzyklen
Sternpunktschränken
oderzuaneiner
der Phasenlage
Anlage
oder
gesamten
Ge- kästen,
this results
in an
increased überwachten
thermo-mechanical
Darstellung des Teilentdert zur
undvisuellen
lebensdauerverlängernde
Maßhohen thermomechanischen
installiertBeanspruwerden nen
neratorflotte.
Beicomponents
Abweichungen
vom
nor- Generatorableitung
stress for the core
like the
generaeinerwerden.
vordenahmen planmäßigwährend
durchgeführt
Kernkomponenten
(z.B. nordes ladungsverhaltens
B i l d der
2 ). Die
Kondensatoren haben
malen
Verhalten
werden
die of
zuständigen
tor due to
the increasing
number
load cycles. (chung
Eine Klassifizierung
VerfügbarMessdauer.
sind Überwachungssysteme
für
Generators).eine
Dies
führt typischerweise
Kapazität
im Bereich von finierten
Fachleute
benachrichtigt,
damit
sie ofeine
This typically
leads to accelerated
aging
the malerweise
machines andBewertung
the risk for der
damages
anddurchunex- 1
Interpretation
dieserwobei
Muster
verschiedene
Parameter,
beikann
Siezubis
einer
beschleunigten
Alterungmit
der
Ma- und
9 nC.
Koppelkondensatoren
gerindetaillierte
Daten
pected failures.
As Kunden
a preventive
measure, inspecinternationalen
Patternkatamens derdes
Schwerpunkt
auf der
Überwaschinen
und erhöhtwerden
die Gefahr
von SchäKapazitäten
aufgrund
einer mithilfe
führen
und dem
Empfehlungen
für geren
tionsweiteren
in more frequent
intervals
offer insight geringeren
dervon
IEC/TS
60034-27-2 erfolgen.
chung
Teilentladungen,
Wickelkopfden und unerwarteten
Ausfällen.
Als prä- logs
Empfindlichkeit
im unteren
den
Betrieb und
zu notwendigen
into the condition
of können.
the generator, but they Frequenzbereich,
ventive Maßnahme
Inspektionen schwingungen und Läuferwindungsschlüsdiebieten
die Anforderungen
Maßnahmen
geben
über die
Lebensdauer
are time-consuming. Therefore, it is helpful to von
sen liegt. Weitere
Systeme,
beispielsweise
in kürzeren
Abständen
Einblick in Trendverlauf
Siemens nicht
erfüllt,einen
nicht verwendet.
use online condition monitoring and diagnosis
Teilentladungsüberwachung
Normalerweise
beginnt
die Überwachung
den Zustand
des Generators,
sind jedoch
Diese
Einschätzung
resultiert unter
ande- zur Überwachung von Wellenspannungen
systems to receive information about the state
Generators mit
derdie
Fingerprintmesund Lagerströmen
oder
faseroptische
unteraus
anderem
mit kostenintensiven
Still- eines
langjähriger
Erfahrung, die zeigt,
of the machine
during
This will lead rem
Elektrische
Fehler
inoperation.
Hochspannungskomsung.
Dies
ist
die
erste
Messung
nach und
der
Temperaturüberwachung
von
Ständer
standzeiten
des
Kraftwerks
verbunden.
Zur
dass
die
beste
Lösung
ein
breitbandiges
to condition-based
maintenance withtreten
extended
ponenten
wie Turbogeneratoren
in
Inbetriebnahme
des
ÜberwachungssysLäufer,
sind
verfügbar
oder
befinden
sich
Messsystem
ist,
welches
sowohl
den
unteMinimierung
von
Gewinnausfällen
ist
es
operating
der
Regelperiods.
nicht plötzlich auf. In den meisder Generator
eiin derwobei
Entwicklung,
werdenmöglichst
hier jedoch
Frequenzbereich
(bis 3 MHz) als auch tems,
hilfreich,
Online-Zustandsüberwachungsten
Fällen
kündigen
sich derartige Fehler ren
Siemens
offers
several procedures:
nichtstationären
erwähnt. Betriebszustand durch eiden
Frequenzbereich
(bis 50 MHz)
und hohen
-Diagnosesysteme
zu verwenden,
um nen
durch
Teilentladungen
an,
die
Teile
der
– Online monitoring of partial discharges (PD) abdeckt.
Betrieb mit Grundlast
Der untere
Frequenzbereich
er- nen
Informationen
über den
Zustand der MaDas mehrstündigen
typische Siemens-Konzept
zur ÜberHochspannungsisolierung
überbrücken;
enables the user to detect an abnormal
condi- möglicht
erreichen
sollte.
Die Fingerprintmessung
es
auch
Teilentladungen
festzuschine
während
des
Betriebs
zu
erhalten.
wachung
von
Generatoren
ist in B i l d 1
diese
lassen
sich mit
Hilfe von
Hochfretion in
the electrical
insulation
system
of the
Dies unterstützt eine zustandsorientierte dargestellt.
quenz-Messverfahren
erkennen [1].
generator.
Instandhaltung mit längeren BetriebszykDie Überwachung beginnt mit den Sen– Online
monitoring of stator
end winding im
vi- len zwischen den Revisionen.
Das
Erscheinungsbild
der Entladungen
soren (Schwingungs- und Flusssensoren),
brationsauf
yields
information
about the
actual
Hinblick
deren
Phasenwinkel
in Bezug
– Mittels Online-Überwachung des Teivibrations
during operation,
die im Generator oder in direkter Nähe des
zur
Generatorspannung
ist e.g.
für depending
die Ursalentladungsverhaltens ist der Benutzer
on der
the specific
load point.
Generators, z.B. in der Generatorableitung
che
Entladungen
kennzeichnend und
in der Lage, Verschlechterungen des
(Koppelkondensatoren), eingebaut sind.
– Online monitoring
of the air gapbezüglich
magnetic
ermöglicht
Schlussfolgerungen
Zustands der elektrischen IsolationssysfluxRisikos
helps tofür
identify
interturn short
circuits
Die Signale der Sensoren werden zu einer
des
den weiteren
Betrieb
des
teme
des
Generators,
der
Transformatowithin the rotor windings.
l
im Maschinenhaus installierten DatenerBetriebsmittels.
ren und der Generatorableitung festzufassungseinheit (AU) weitergeleitet. Alle
Ein Teilentladungsmesssystem sollte gestellen.
mäß IEC/TS 60034-27-2 normiert werden. – Die Online-Überwachung der Schwin- relevanten Daten werden in der AU gespeichert und können zu Diagnosezwecken heDurch Umwandlung der gemessenen Spangungen an Ständerwickelköpfen bietet runtergeladen werden. Durch Erweiterung
nungssignale in scheinbare LadungseinInformationen über die tatsächlichen des Systems mit einem zentralen Server
heiten, die ein Maß für die scheinbar überSchwingungen während des Betriebs, können bis zu 20 Generatoren überwacht
tragene elektrische Energie sind, ist unter
beispielsweise in Abhängigkeit von ei- und die Daten zentral gespeichert, angeEinbeziehung weiterer Parameter, eine
nem spezifischen Lastpunkt und warnt zeigt und miteinander verglichen werden.
Einschätzung des Risikos möglich. Obwohl
den Benutzer, wenn Schwingungen auf- Der Server lässt sich leicht in beliebige leitder Generator als teuerste Komponente im
treten, die mittel- oder langfristig zu ei- technische Systeme wie das SPPA-T3000Allgemeinen im Mittelpunkt der Überwaner Schädigung führen können.
chung steht, sollte der gesamte Hochspan- – Die Online-Überwachung des magneti- System oder in Anlageninformationssysteme wie PI-Server und WIN-TS einbinden.
nungsbereich einschließlich der Haupt- und
schen Flusses im Luftspalt hilft bei der Nach dem Anschluss an eines dieser SysteHilfstransformatoren
durch Erfassung der
Autoren
Identifizierung von Windungsschlüssen me können die Daten automatisch an das
Teilentladungssignale überwacht werden.
in den Läuferwicklungen.
Power Diagnostics Center von Siemens
Dipl.-Ing. Martin Biesemann
Teilentladungssensoren
–
übertragen werden, wobei die Daten
Die
Interaktion
der
vorstehend
genannten
Dipl.-Ing. Frank Ewert
Kopplungskondensatoren
Online-Überwachungssysteme in Korrelati- permanent durch individuell angepassSiemens AG
Mülheim
a.d. Ruhr/Deutschland
Für
die Teilentladungserfassung
müssen on mit den Betriebsparametern ermöglicht te, regelbasierte Auswertungen bewertet
werden. Dazu gehört die automatische
eine2.
leistungsfähige
Generatordiagnose.
spezielle Koppelkondensatoren (CC) in Bild
Installationsbeispiele
von Messstellen im Hochspannungsbereich.
64
Alarm an
DCS
63
3
VGB an
PowerTech
12 l 2014
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
VGB
PowerTech 12 an
l 2014
Generatorschalter
BAC
Bild 3. Beispiele für PRPD-Pattern.
Konfiguration
Datenwird
als Referenz
download
SIEMON plus advancedServer
Übergeordnete
Power Diagnostics
PD
8x EWV
SIEMON plus basic
8x EWV
Hilfstransformator
ISC (FluxProbe)
PD
BBT01
Generator
MKA
PD
Blocktransformator
BAT01
stellen,
die tief
in der werden
Generatorwicklung
Meter
genau
bestimmt
kann. Weist
entstehen
und größere
Teile der Wicklung
die
gemessene
Laufzeitdifferenz
einen
bis zum
Eintreffen an
der Messstelle
durchmit
der bekannten
Laufzeit
zwischen
den
laufen haben.
Der hoheWert
Frequenzbereich
Messstellen
identischen
auf, liegt der
bis 50 MHz ist hingegen
weniger
empfindEntstehungsort
jenseits des
Bereiches
zwilich gegenüber
Störeinflüssen
wird
für
schen
den Messstellen.
Damitund
kann
sehr
weitergehende
wiebeispielsweise
die Lokalisiesicher
bestimmtAnalysen,
werden, ob
rungGenerator
einer Teilentladungsquelle
mit Hilfe
der
oder der Transformator
die
vonverursacht.
Laufzeitmessungen,
benötigt. ermögTE
Weitere Messstellen
lichen
abhängig von
der ImNormalerweise
sindder
dieSteilheit
Kondensatoren
pulse
und derintegrierten
Geometrie der
Ausbreitungsmit einem
Überspannungspfade
Optionen
zurbesitzen
Lokalisierung
schutzweitere
ausgestattet
und
einen
per
Laufzeitmessung.
isolierten
Signalausgang zur Vermeidung
von Ausgleichströmen entlang der KabeUnterdrückung
vonMögliche
StörungenMontageorte
labschirmungen.
Naturgemäß
bei online durchgeführsind in Bild 2treten
dargestellt.
ten TE-Messungen, im Gegensatz zu offline
Analysetools für(Messungen
Teilentladungen
TE-Messungen
während eines
Phasenaufgelöste
Teilentladungsmuster
Stillstandes mit einer
externen AC Hochspannungsquelle),
eine
Vielzahl von StörDas bekannteste und
leistungsfähigste
Versignalen
auf,
das von
eigentliche
Messfahren für
diewelche
Detektion
Teilentladunsignal
überlagern
und dieder
vorPRPD-Pattern
der weiteren
gen (TE)
ist die Analyse
Verarbeitung
beseitigt
werden müssen.
(Phase Resolved
Partial Discharge
Pattern,
Diese
lassen sich in sinusförmige
B i l d Störungen
3 ).
und
impulsförmige
Signale unterteilen.
Pattern
zeigen typischerweise
die VerteiSinusförmige
Störsignale, z.B. Trägerfrelung der Teilentladungsimpulse
relativ zur
quenzen
vonder
Datenübertragungen
die
Phasenlage
Wechselspannung über
und dieEnergieversorgungsleitungen
nen zur visuellen Darstellungoder
des einkopTeilentpelnde
Rundfunkübertragungen,
ladungsverhaltens
während einer verdevordecken
oftmals
im gemessenen
Signal vorfinierten
Messdauer.
Eine Klassifizierung
handene
Teilentladungsimpulse.
Da jeder
und Interpretation
dieser Muster
kann
Datensatz
mitinternationalen
hoher zeitlicher
Auflösung
mithilfe des
Patternkataerfasst
wird,
können
durch Transformation
logs der
IEC/TS
60034-27-2
erfolgen.
in den Frequenzbereich (FFT) StörfrequenTrendverlauf
über die Lebensdauer
zen
leicht identifiziert
und anschließend
Normalerweise
digital
eliminiertbeginnt
werdendie
[5].Überwachung
eines Generators
mit derSignale
FingerprintmesTypische
impulsförmige
sind z.B.
sung.
Diesäquidistanten
ist die erste Messung
nach der
die
sechs
KommutierungsInbetriebnahme
des
Überwachungssysimpulse der statischen Erregungseinrichtems, (6-pulsige
wobei der Brücke).
GeneratorDiese
möglichst
eitung
Impulse
nen
stationären
Betriebszustand
durch
eiwerden durch Schaltvorgänge der Halbnen mehrstündigen
Betrieb
mit Grundlast
leiter
im Stromrichter
der statischen
Ererreichen
sollte. Die
Fingerprintmessung
regung
verursacht
und
koppeln kapazitiv
Diagnosedie damit
als potenzialfreies
Teil im elektCenter
systeme
rischen Feld TE produzieren können.
(PI, TS,
WIN_TS)
Laufzeitmessungen
zur Lokalisierung
Regelbasierte Analyse
von Teilentladungen Mülheim/Erlangen/
Orlando
Die meisten auf dem Markt erhältlichen
Teilentladungsüberwachungssysteme bieNach
Abschluss
derÜberwachungssystem
Fingerprintmes- SIEMONplus.
ten die Möglichkeit, Laufzeitmessungen
Bild 1.dem
Übersicht
über das
sung beginnt die Erfassung von Trendkur- zur Fehlerlokalisierung durchzuführen
ven
für folgende
Korrelation
derTeilentladungsparameter:
gemessenen Daten mit (ge
Beig
i l dne4ten
). Einbauorten wie Spannungs–relevanten
QIEC [nC]vorhandenen Parametern der Mithilfe
wandlerschränken,
einer hohenGeneratorausleitungsBandbreite und hoScheinbare
gemäß
IEC 60270Ge- hen
kästen,
Sternpunktschränken
oder an der
Anlage
oder Ladung
gesamten
überwachten
Abtastraten
kann das SignalverhalGeneratorableitung
installiert
werden
–neratorflotte.
Qmax [nC] Bei Abweichungen vom nor- ten
von einzelnen TE-Impulsen analysiert
( B i l d 2um
). Die
Kondensatoren
haben
malen
Max. Verhalten
Ladung werden die zuständigen werden,
somit
Informationen
über norden
malerweise eineder
Kapazität
im Bereich
–Fachleute
N [1/s] benachrichtigt, damit sie eine Entstehungsort
TE zur erhalten
[3]. von
Be1 bis die
9 nC.
Koppelkondensatoren
mit gerindetaillierte
Bewertung der Daten durch- reits
Impulswiederholrate
Signalform
und die Flankensteilgeren
Kapazitäten
werden
einer
und dem Kunden Empfehlungen für heit
–führen
QR [nC²/s]
einer
TE können
grobe aufgrund
Informationen
geringeren
Empfindlichkeit
im
unteren
den
weiteren
Betrieb
und
zu
notwendigen
Quadratische Ladungsrate
über den möglichen Entstehungsort lieFrequenzbereich,
die die Anforderungen
Maßnahmen geben können.
Eine genaue Lokalisierung
ist mit HilGemäß IEC 60034-27-2 [5] müssen die fern.
von
Siemens
nicht
erfüllt,
nicht
verwendet.
fe
von
Laufzeitmessungen
möglich.
Teilentladungsüberwachung
vorstehend genannten Teilentladungspa- Diese Einschätzung resultiert unter Dabei
andedas Messsignal an zwei Prüfpunkten,
rameter mit folgenden Generatorparame- wird
rem
aus
langjähriger
Erfahrung,
die
zeigt,
Elektrische
Fehler in Hochspannungskomüblicherweise entlang der Generatorableitern
in Zusammenhang
gebracht werden:
dass die beste Lösung ein breitbandiges
ponenten wie Turbogeneratoren treten in tung,
zeitgleich erfasst und die Zeitdiffe– Nuttemperaturen
Messsystem ist, welches sowohl den unteder Regel nicht plötzlich auf. In den meis- renz,
mit der ein TE-Impuls an den Messren
Frequenzbereich
(bis 3 MHz) als auch
–ten
Kaltundkündigen
Warmgas-Temperaturen
Fällen
sich derartige Fehler stellen eintrifft, ermittelt.
Da bei der Inbeden
hohen
Frequenzbereich
(bis 50 MHz)
–durch
Ständerströme
aller
drei
Phasen
Teilentladungen an, die Teile der triebnahme des TE-Monitorings
im Zuge
abdeckt.
Der
untere
Frequenzbereich
er–Hochspannungsisolierung
Ständerspannungen aller drei
Phasen
überbrücken; der Normierung auch die Laufzeiten zwimöglicht es auch Teilentladungen festzu–diese
Wirk-lassen
und Blindleistung
sich mit Hilfe von Hochfre- schen
den Messstellen bestimmt wurden,
erkennen [1].
–quenz-Messverfahren
Erregerstrom
kann nun der Entstehungsort mit großer von der Läuferwicklung über den Luftspalt
in die Ständerwicklung ein.
Das Erscheinungsbild der Entladungen im Genauigkeit bestimmt werden. Sollte die
Oszillogramme
B i l d 5 veranschaulicht die AuswirkunLaufzeitdifferenz
kleiner
als
die
bekannte
Hinblick auf deren Phasenwinkel in Bezug
Als Basis für eine Laufzeitmessung zur Lo- Laufzeit zwischen den Messstellen sein, gen der Filterung der typischen sechs
zur Generatorspannung ist für die Ursakalisierung einer Fehlerquelle kommt die liegt die TE-Quelle zwischen den Messstel- äquidistanten Kommutierungsimpulse bei
che der Entladungen kennzeichnend und
Auswertung hoch aufgelöster Oszillogram- len, wobei der Ort in der Regel auf wenige einem statisch erregten Generator.
ermöglicht Schlussfolgerungen bezüglich
me zum Einsatz, die mit einer Abtastfredes Risikos für den weiteren Betrieb des
quenz von bis zu 125 MS/s auf 4 Kanälen
Betriebsmittels.
gleichzeitig über jeweils eine Periode der
Ein Teilentladungsmesssystem
sollte
geHochspannung
(50 Hz  20 ms)
aufgemäß IEC/TS
60034-27-2 normiert werden.
zeichnet
werden.
Durch Umwandlung der gemessenen SpanDes
Weiteren können
Oszillogramme
zur
nungssignale
in scheinbare
LadungseinBestimmung
Flankensteilheit
derüberTeiheiten, die einder
Maß
für die scheinbar
lentladungsimpulse
verwendet
tragene elektrische Energie
sind, werden,
ist unter
um
damit Informationen
über die Quelle
Einbeziehung
weiterer Parameter,
eine
bzw.
den Ursprung
von möglich.
TE-Impulsen
zu
Einschätzung
des Risikos
Obwohl
erhalten
[5].
Zum
Beispiel
wird
die
Flander Generator als teuerste Komponente im
kensteilheit
aus Überwadem InAllgemeinenvon
im TE-Impulsen
Mittelpunkt der
neren
Isolationssystems
aufHochspandem Weg
chungdes
steht,
sollte der gesamte
durch
die Generatorwicklung
weitaus
nungsbereich
einschließlich der Hauptund
mehr
abgeflacht, als dies
bei Erfassung
Impulsen von
Hilfstransformatoren
durch
der
außerhalb
des Generators
der Fall
ist. Ein
Teilentladungssignale
überwacht
werden.
typisches Beispiel für eine TE-Quelle mit
Teilentladungssensoren
– Stützer in der
hoher
Flankensteilheit sind
Kopplungskondensatoren
Generatorableitung, deren Köpfe keinen
Für die Teilentladungserfassung
müssen
ausreichenden
elektrischen Kontakt
zum
spezielle Koppelkondensatoren
(CC)und
in Bild
Bild 4.
2. Beispiel
Installationsbeispiele
von Messstellen im Hochspannungsbereich.
für eine Laufzeitmessung.
Innenleiter
der Ableitung aufweisen
für zukünftige Analysen
verwendet. Mit dieser Messung
Alarm an können
außerdem schmalbandige DCS
Störgrößen festgestellt und mittels digitaler Störunterdrückung beseitigt werden, um die Messempfindlichkeit zu verbessern.
464
65
VGB PowerTech 12an
l 2014
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
VGB an
PowerTech
12 l 2014
Online-Monitoring zur frühzeitigen
Feststellung und Diagnose
von beginnenden Schäden
an Turbogeneratoren
Sensoren für Ständerwickelkopfschwingungen – faseroptischer
Beschleunigungsaufnehmer
Die Online-Überwachung der Wickelkopfschwingungen erfolgt durch die Aufnahme
von örtlichen Beschleunigungen während
des regulären Betriebs. Hierzu werden faBild 5. Beispiel für ein ungefiltertes (links) und ein gefiltertes Signal (rechts).
seroptische Beschleunigungsaufnehmer
unter Berücksichtigung der Ergebnisse einer Offline-Modalanalyse („Bump-Test“)
an den Stabenden im Wickelkopf platziert
(B i l d 7 ). Diese Sensoren sind frei von
Metallteilen und werden nicht durch das
Martin Biesemann und Frank Ewert
elektromagnetische Feld im Wickelkopfbereich beeinflusst. Mindestens sechs, besser
sogar acht Sensoren pro Wickelkopf sind
zu
verwenden,
um eine zuverlässige DaAbstract
Einführung
Überblick
Generator-Monitoring
tenanalyse zu ermöglichen.
Generatoren sind
Der Einfluss von erneuerbaren Energien Analysetools
Online monitoring
für in Kraftwerken über viele
Jahre im Einsatz. Betriebs- und alterungsnimmt zu. Diese Entwicklung führt zu Ständerwickelkopfschwingungen
Early detection and diagnosis of
einem steigenden Bedarf an Mittel- und bedingt können sukzessiv Schädigungen
initiating damage in turbo generators
normalerweise
an verschiedenenwerden
Komponenten
der MaSpitzenlastbetrieb konventionell befeuer- Echtzeitsignale
The influence of renewable energy is increasing. ter Anlagen zur Stabilisierung des Netzes. verwendet,
um dieWenn
Funktionalität
Senschine auftreten.
es gelingt,der
VeränThis trend results in an increased requirement Insbesondere bei großen konventionell soren
zu
prüfen.
Die
Signale
der
bis
zu
16
derungen an diesen Komponenten durch
of medium
andfürpeak
load operation
of fossil
faseroptischen
Sensoren
werden gleichzeiBild
6. Beispiel
Teilentladungen
– Nutentladungen.
betriebsbegleitende
Langzeitdiagnostik
befeuerten
Kraftwerken
führt
dieser
Mitpower plants for the stabilisation of the electrimit einer
Abtastfrequenz
von
10 kS/s
frühzeitig
zu erkennen,
können
ungeplantel- und Spitzenlastbetrieb aufgrund der tig
cal grid. Especially for large fossil power plants, ge
damit die Möglichkeit
zur verhinDurchoder Fehlsynchronisierungen,
dieeiner
mit erfasst,
Beispiel
einer TE-Quelle –
te
und
kostenintensive
Stillstände
steigenden
Anzahl
an
Lastzyklen
zu
this results in an increased thermo-mechanical
sehr hohen Strömen und Drehmomenten führung von Online-Analysen besteht.
Nutentladungen
stress for the core components like the genera- hohen thermomechanischen Beanspru- dert und lebensdauerverlängernde Maßeine besonders hohe
Belasder Fast-Fourier-TransfornahmenEinsatz
planmäßig
durchgeführt werden.
chung der Kernkomponenten
(z.B.
des Durch
Nutentladungen
treten
typischerweise
tor due to the increasing
number
of load cycles. einhergehen,
der Wickelköpfe.
Auch
wenn Gene- mation
(FFT)
die Zeitsignale für
in
Verfügbar
sind werden
Überwachungssysteme
Generators).
Dies führt
typischerweise
This typically
leadsAußenglimmschutz
to accelerated aging ofund
the tung
zwischen
dem
derartige Alterung
Ereignisse
machines
and the risk for damages
unex- ratoren
Frequenzbereich
transformiert.
verschiedene
Parameter,
wobei beiDabei
Siezu einer durch
beschleunigten
dernicht
Ma- den
dem
Ständerblechpaket
auf. Dasand
typische
nicht werden
pected failures. As a preventive
measure, inspecund die
mens derüblicherweise
Schwerpunktdie
auferste
der Überwaschinen und beschädigt
erhöht diewerden,
Gefahr kann
von SchäErscheinungsbild
von Nutentladungen
ist zwangsläufig
ausgeschlossen
werden,
tions ineine
more
frequent intervals
offer insight
der Netzspannung
chung Oberschwingung
von Teilentladungen,
Wickelkopfden und unerwarteten
Ausfällen.
Als dass
prä- zweite
durch
unsymmetrische
Verteilung
der vollständig
Schäden anbieten
der Ständerwicklung
into the condition of the
but they hierdurch
Dieund
jeweiligen
Amplituden, die
schwingungen
Läuferwindungsschlüsventive Maßnahme
Inspektionen überwacht.
Entladungsimpulse
übergenerator,
beide Halbwelare time-consuming. Therefore, it is helpful to entstehen.
ist beispielsweise
eine
Schwingungspegel
in [µm]
darstellen,
sen liegt.
Weitere Systeme,
beispielsweise
in kürzerenMöglich
Abständen
einen Einblick
in den
len,
wie
in
dem
in
B
i
l
d
6
dargestellten
use online condition monitoring and diagnosis Lockerung der Wickelkopfstruktur und werden für jedes Sensorsignal in Form eiden Zustand des Generators, sind jedoch zur Überwachung von Wellenspannungen
PRPD-Pattern
ersichtlich,
gekennzeichnet.
systems to receive information about the state damit eine kritische Annäherung der Resound im
und Balkendiagramms
Lagerströmen oderdargestellt
die faseroptische
unter anderem mit kostenintensiven Still- nes
of the machine
operation.Halbwelle
This will lead
Dabei
treten induring
der negativen
die nanzfrequenzen
eines Wickelkopfes
an Zur
die Trendverlauf
fortgeschrieben.
Die
TrendTemperaturüberwachung
von
Ständer
und
standzeiten
des
Kraftwerks
verbunden.
to condition-based
maintenance
with extended
höheren
TE-Impulse
auf. In beiden
Halb- im Betrieb vorhandenen, anregenden Freder Schwingungswerte
lassen sich
Läufer, sind
verfügbar oder befinden
operatingtreten
periods.die Teilentladungen zwi- Minimierung von Gewinnausfällen ist es verläufe
wellen
quenzen.
Vermeidung von sekundären anzeigen
und mit denwerden
Betriebsparametern
in der Entwicklung,
hier jedoch
hilfreich, Zur
Online-Zustandsüberwachungsschen
und dem Ma- Schäden ist der betroffene Generator daher
Siemensdem
offersNulldurchgang
several procedures:
Wirkleistung, Blindleistung und
nichtz.B.
erwähnt.
und -Diagnosesysteme zu verwenden, um wie
ximum
Minimum
der Hochspannung
– Onlinebzw.
monitoring
of partial
discharges (PD) zu
untersuchen,über
um den
möglicherweise
die einen direktenzur
Einfluss
Informationen
Zustand der lose
Ma- Erregerstrom,
Das typische Siemens-Konzept
Überauf.
Ein PRPD-Pattern
von
enables
the user to detect
anNutentladungen
abnormal condi- Stützkonsolen
oder
Bänder
im zu
Wickelkopfdas Schwingungsverhalten
des
Wickelschine während des Betriebs
erhalten. auf
wachung
von
Generatoren
ist
in
B
ild 1
besitzt
ein dreiecksförmition intypischerweise
the electrical insulation
system of the teil festzustellen und zu reparieren.
haben können, korrelieren. B i l d 8
Dies unterstützt eine zustandsorientierte kopfes
dargestellt.
generator.
ges
Aussehen. [4, 5].
Instandhaltung
mitGeneratorwickelköpfe
längeren Betriebszyk- zeigt die Umsetzung der verschiedenen
Der
Zustand
der
Die Überwachung
beginnt
mit den Sen– Online monitoringvon
of stator end winding vi- len zwischen den Revisionen.
Auswertetools
in der
Benutzeroberfläche
Überwachung
soren
(Schwingungsund
Flusssensoren),
brations yields information about the actual wird üblicherweise per Sichtprüfung und des
Monitorings.
Ständerwickelkopfschwingungen
– Mittels Online-Überwachung
des
Teiuntersucht. Nicht
durchvibrations during operation, e.g. depending Anschlagversuche
die im Generator oder in direkter Nähe des
lentladungsverhaltens
ist
der
Benutzer
geführte
oder
zu
späte
Reparaturen
können
on the specific load point.
Erweiterte
Generators,Analyse
z.B. in der Generatorableitung
Alle periodisch wirkenden Kräfte bewirken dazu
in der
Lage,
des
führen,
dassVerschlechterungen
der Generator vollstän(Koppelkondensatoren),
eingebaut
– Online
monitoring
of the air gap
magnetic
Moderne
Überwachungssysteme
fürsind.
Widas
Schwingen
von elastischen
Strukturen.
Zustands der elektrischen Isolationssysflux helpsKräfte
to identify
interturn
short
circuits dig neu gewickelt werden muss.
Die Signale der Sensoren werden
zu einer
ckelkopfschwingungen
ermöglichen
Derartige
treten
in jedem
Generator
teme
des
Generators,
der
Transformatowithin the rotor windings.
l
im Maschinenhaus installierten DatenerÜberwachung
von Wickelkopfschwinauf. Schwingungen stellen eine zyklische Die
ren
und der Generatorableitung
festzu- eine Online-Modalanalyse der Wickelfassungseinheit (AU) weitergeleitet.
kopf-Schwingungssignale
[7]. Das von Alle
Sieist
somit
ein
nützliches
Werkzeug
Belastung der betroffenen Komponenten gungen
stellen.
relevanten
Daten
werden
in
der AU
gespeimens
verwendete
System
bietet,
basierend
zur
Bewertung
des
Zustands
von
Generadar, wobei erhöhte Schwingungspegel pro- – Die Online-Überwachung der Schwinchertden
undonline
könnenerfassten
zu Diagnosezwecken
Messdaten, hedie
und minimiert die Gefahr
portional mit der Intensität der Belastung torwickelköpfen
gungen an Ständerwickelköpfen
bietet auf
runtergeladen
werden.
Durch
Erweiterung
Möglichkeit
einer
Visualisierung
und
BeNotwendigkeitüber
einerdie
Neuwicklung.
einhergehen. Hohe Schwingungspegel be- derInformationen
tatsächlichen des Systems mit einem zentralen Server
wirken, dass sich der Wickelkopf lockert,
Schwingungen während des Betriebs, können bis zu 20 Generatoren überwacht
und können zu Reibspuren und Rissbilbeispielsweise in Abhängigkeit von ei- und die Daten zentral gespeichert, angedung an den betroffenen Komponenten
nem spezifischen Lastpunkt und warnt zeigt und miteinander verglichen werden.
führen [6].
den Benutzer, wenn Schwingungen auf- Der Server lässt sich leicht in beliebige leittreten, die mittel- oder langfristig zu ei- technische Systeme wie das SPPA-T3000Der Wickelkopf eines Generators wird in
ner Schädigung führen können.
normalem Betrieb angeregt durch:
System oder in Anlageninformationssyste– Schwingungen des Blechpakets, wel- – Die Online-Überwachung des magneti- me wie PI-Server und WIN-TS einbinden.
schen Flusses im Luftspalt hilft bei der Nach dem Anschluss an eines dieser Systeches mit der doppelten Netzfrequenz
Autoren
Identifizierung von Windungsschlüssen me können die Daten automatisch an das
schwingt
in den Läuferwicklungen.
– Elektromagnetische
Felder
der
Wicklung
Power Diagnostics Center von Siemens
Dipl.-Ing. Martin Biesemann
übertragen werden, wobei die Daten
– Lager-,
Wellenund
GehäuseschwingunDie
Interaktion
der
vorstehend
genannten
Dipl.-Ing. Frank Ewert
gen.
Online-Überwachungssysteme in Korrelati- permanent durch individuell angepassSiemens AG
Mülheimhinaus
a.d. Ruhr/Deutschland
Darüber
bewirken ungewollte Be- on mit den Betriebsparametern ermöglicht te, regelbasierte Auswertungen bewertet
Dazu gehört die automatische
eine7.
leistungsfähige
Generatordiagnose.
Faseroptische Beschleunigungsaufnehmer
inwerden.
einem Ständerwickelkopf.
triebseinflüsse wie Kurzschlüsse, Blitzschlä- Bild
66
63
5
VGB an
PowerTech
12 l 2014
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
VGB PowerTech 12an
l 2014
Generatorschalter
BAC
PD
8x EWV
SIEMON plus basic
8x EWV
Hilfstransformator
PD
PD
BBT01
Generator
MKA
ISC (FluxProbe)
Blocktransformator
BAT01
SIEMON plus advancedServer
Konfiguration
Datendownload
Alarm an
DCS
Übergeordnete
Diagnosesysteme
(PI, TS,
WIN_TS)
Power Diagnostics
Center
Regelbasierte Analyse
Mülheim/Erlangen/
Orlando
Bild 8. Screenshot der Software zur Überwachung von Wickelkopfschwingungen.
Bild 1. Übersicht über das Überwachungssystem SIEMONplus.
wertung der verschiedenen SchwingungsKorrelation der gemessenen Daten mit
moden. Die entsprechenden Änderungen
relevanten vorhandenen Parametern der
dieser
während Gedes
Anlage Schwingungsmoden
oder gesamten überwachten
Betriebs
werden
ausgewertet,
um
mögliche
neratorflotte. Bei Abweichungen vom norÄnderungen
deswerden
strukturmechanischen
malen Verhalten
die zuständigen
Verhaltens
des
Generatorwickelkopfs
Fachleute benachrichtigt, damit sieerfaseine
sen
zu können.
Für eine der
Diagnose
detaillierte
Bewertung
derartige
Daten
durchsind
detaillierte
Kenntnisse
der Generatorführen
und dem Kunden
Empfehlungen
für
konstruktion
um
potenzielle
den weiteren erforderlich,
Betrieb und zu
notwendigen
Maßnahmen
definieren.
Maßnahmen zu
geben
können.
Beispiele
für
Teilentladungsüberwachung
Ständerwickelkopfschwingungen
Elektrische
Fehler
in HochspannungskomIn
den meisten
Fällen
werden Wickelkopfponenten wie Turbogeneratoren
in
schwingungen
durch Reibstaub treten
sichtbar
der
Regel
nicht
plötzlich
auf.
In
den
meis(siehe Bild 9 links), der durch die relativen
ten Fällen kündigen
sich derartigeWickelFehler
Bewegungen
der verschiedenen
durch Teilentladungen
an, Sperrelemendie Teile der
kopfkomponenten
(Bänder,
Hochspannungsisolierung
te
etc.) verursacht wird. Die überbrücken;
permanenten
diese lassen sich
mit Hilfeanvon
Hochfremechanischen
Belastungen
Einzelstäben
quenz-Messverfahren erkennen [1].
können zu Ermüdungsrissen an den einzelDas Teilleitern
Erscheinungsbild
der
im
nen
führen (B
i l Entladungen
d 9 rechts). Bei
Hinblick aufEinzelstäben
deren Phasenwinkel
Bezug
gerissenen
führt die in
erzeugte
zur Generatorspannung
ist für unterbrodie UrsaWärme,
die durch den zyklisch
che der Strom
Entladungen
kennzeichnend
und
chenen
verursacht
wird, zu Perfoermöglicht
Schlussfolgerungen
bezüglich
rationen
und
Verfärbungen der Stabisoliedes Risikos für den weiteren Betrieb des
rung.
Betriebsmittels.
Detektion
von
Ein Teilentladungsmesssystem sollte geLäuferwindungsschlüssen
mäß IEC/TS 60034-27-2 normiert werden.
Durch Umwandlung der gemessenen
SpanLäuferwindungsschlüsse
sind ein häufig
nungssignale in scheinbare Ladungseinanzutreffender Fehler bei Generatorläuheiten, die ein Maß für die scheinbar überfern, wobei ein Windungsschluss in den
tragene elektrische Energie sind, ist unter
meisten Fällen zunächst nicht zum Ausfall
Einbeziehung weiterer Parameter, eine
des Generators führt, jedoch ungünstige
Einschätzung des Risikos möglich. Obwohl
Einflüsse auf den Generatorbetrieb haben
der Generator als teuerste Komponente im
kann. Mögliche Ursachen für LäuferwinAllgemeinen im Mittelpunkt der Überwadungsschlüsse
und
im
chung steht, sollte
derIsolationsfehler
gesamte HochspanLäufer
sind: einschließlich der Haupt- und
nungsbereich
–Hilfstransformatoren
Axiale Relativbewegungen
der Stäbeder
in
durch Erfassung
den Nuten, die einen
Abrieb oder
eine
Teilentladungssignale
überwacht
werden.
Verschiebung der Isolation verursachen
–
–Teilentladungssensoren
Verschiebungen der Distanzierungen
im
Kopplungskondensatoren
Wickelkopf
die Teilentladungserfassung
müssen
–Für
Verformung
der Leiter im Wickelkopfspezielle
(CC) in
bereich Koppelkondensatoren
durch Fliehkräfte und dadurch
664
Abrieb der Isolation zwischen Oberlage
geeigneten Einbauorten wie Spannungsund Läuferkappe
wandlerschränken, Generatorausleitungs–kästen,
Fremdpartikel,
wie leitfähigeoder
Stäube,
die
Sternpunktschränken
an der
sich
unter
der
Läuferkappe
ansammeln
Generatorableitung installiert werden
–( BOxidation
durch
Feuchtigkeithaben
im Kühli l d 2 ). Die
Kondensatoren
norgas
malerweise
eine Kapazität im Bereich von
–1 bis
Elektrische
und thermische Alterung
9 nC. Koppelkondensatoren
mit geringerenoben
Kapazitäten
werden
aufgrund
einer
Die
genannten
Ursachen
können,
geringerenvon
Empfindlichkeit
imLäufer,
unteren
abhängig
ihrer Position im
zu
Frequenzbereich,
die die
Anforderungen
Kurzschlüssen
zwischen
einzelnen
Windunvon Siemens
nicht erfüllt,zum
nichtKurzschluss
verwendet.
gen
(Windungsschluss),
Diese Einschätzung
resultiert
andezwischen
zwei Spulen
oder imunter
schlimmsrem Fall
aus langjähriger
Erfahrung,
die zeigt,
ten
zu einem Erdschluss
führen.
Ein
dass die beste Lösung
Windungsschluss
oder ein
einbreitbandiges
Kurzschluss
Messsystem
ist,Spulen
welcheswird
sowohl
untezwischen
zwei
sichden
in vielen
ren Frequenzbereich
(bis 3 MHz)
als auch
Fällen
durch einen erhöhten
Erregerstrom
den hohen machen,
Frequenzbereich
(bis 50 MHz)
bemerkbar
der das Resultat
einer
abdeckt. Der
untere
Frequenzbereich
geringeren
Anzahl
aktiver
Windungen erim
möglicht
auch
Teilentladungen
Läufer
ist.esDer
höhere
Erregerstromfestzuführt
zur verstärkten Erwärmung des Läufers.
Weiterhin kann ein Windungsschluss durch
eine ungleichmäßige Erwärmung des Rotors zur thermischen Unwucht und zu erhöhten Vibrationen des Läufers führen. Bei
vierpoligen Maschinen sind Vibrationen
aufgrund einer magnetischen Unwucht zu
erwarten. Grundsätzlich sind die Auswirkungen auf den Betrieb umso größer, je
mehr Windungen durch einen Windungsschluss betroffen sind und umso geringer
der elektrische Widerstand an der Fehlerstelle ist. Folgeschäden und ein Fortschreiten der Schädigung sind unter anderem
durch Lichtbögen und hohe Temperaturen
an der Fehlerstelle sehr wahrscheinlich. So
stellen,
die tief in derein
Generatorwicklung
kann beispielsweise
Windungsschluss
entstehen
größere Teilediese
der Wicklung
unterhalb und
der Läuferkappe
bis zum
bis
zum Eintreffen
an derschädigen.
Messstelle durchmechanischen
Versagen
laufen haben. Der hohe Frequenzbereich
bis
50 MHz
hingegenvon
weniger empfindSensoren
zuristDetektion
lich
gegenüber Störeinflüssen und wird für
Läuferwindungsschlüssen
weitergehende
Analysen,
wie die LokalisieZur Erfassung von
Läuferwindungsschlüsrung
einer
Teilentladungsquelle
mit Hilfe
sen wird ein Sensor im Luftspalt zwischen
von
Laufzeitmessungen,
benötigt. der den
Läufer
und Ständer verwendet,
Normalerweise
sind
Kondensatoren
magnetischen Fluss
an die
dieser
Stelle erfasst.
mit
einem wird
integrierten
ÜberspannungsDer Sensor
typischerweise
in der Poschutz
und
besitzenund
einen
sition 3 ausgestattet
Uhr oder 9 Uhr
installiert
auf
isolierten
Signalausgang des
zur Ständers
Vermeidung
einem Nutverschlusskeil
bevon
Ausgleichströmen
entlang der Kabefestigt
(B i l d 10 ).
labschirmungen. Mögliche Montageorte
Das Sensorsignal wird beeinflusst durch das
sind in Bild 2 dargestellt.
Hauptmagnetfeld, die Statorrückwirkung
und das Nutmagnetfeld
der einzelnen LäuAnalysetools
für Teilentladungen
fernuten, wobei ausschließlich
Letzteres
Phasenaufgelöste
Teilentladungsmuster
für die Detektion eines Windungsschlusses
Das bekannteste und leistungsfähigste Verinteressant ist. Das Überwachungssystem
fahren für die Detektion von Teilentladunanalysiert das Nutmagnetfeld und stellt
gen (TE) ist die Analyse der PRPD-Pattern
Abweichungen, die auf einen Windungs(Phase Resolved Partial Discharge Pattern,
schluss
fest. Somit können die
B
i l d 3 hindeuten,
).
meisten Windungsschlüsse, abhängig von
Pattern
zeigen
die Anzahl
Verteiihrer Lage
in dertypischerweise
Wicklung und der
lung
der Teilentladungsimpulse
relativ
zur
der kurzgeschlossenen
Windungen,
festgePhasenlage
der
Wechselspannung
und
diestellt werden.
nen zur visuellen Darstellung des Teilentladungsverhaltens
während einer vordeAnalyse der Läuferwindungsschlüsse
finierten Messdauer. Eine Klassifizierung
Das Nutmagnetfeld des Rotors (Rotor Slot
und Interpretation dieser Muster kann
Leakage Flux) umgibt jede Nut und ist promithilfe des internationalen Patternkataportional zum Strom, der durch die aktiven
logs der IEC/TS 60034-27-2 erfolgen.
Windungen in der zugehörigen Nut fließt.
Dieser Zusammenhang
ist entscheidend
Trendverlauf
über die Lebensdauer
für
die
Detektion
von
LäuferwindungsNormalerweise beginnt die Überwachung
schlüssen.
eines
Generators mit der FingerprintmesDa das
(B i l d 1nach
1 oben
sung.
DiesSensorsignal
ist die erste Messung
der
rechts) jedoch immer
auch durch das
Inbetriebnahme
des ÜberwachungssysHauptmagnetfeld
und die Statorrückwirtems,
wobei der Generator
möglichst eikungstationären
beeinflusst Betriebszustand
wird, ist ein empfindliches
nen
durch eiMesssystem
notwendig,
um mit
denGrundlast
entscheinen
mehrstündigen
Betrieb
denden Signalanteil,
der durch das Nuterreichen
sollte. Die Fingerprintmessung
magnetfeld hervorgerufen wird, adäquat
erfassen zu können. Aus diesem Grund wird
ein Messsystem mit einer Abtastfrequenz
von 100 kHz und einer Auflösung von 24
Bit verwendet. Damit ist die Detektion der
meisten Läuferwindungsschlüsse während
des normalen Generatorbetriebs, im Rahmen der üblichen Wirk- und Blindleistungsänderungen möglich. Die Anfahrt spezieller
Lastpunkte zwischen Leerlauf und Volllast
ist nicht mehr notwendig, um eine gute
Messempfindlichkeit zu erreichen.
Zur Detektion eines potenziellen Windungsschlusses vergleicht das Messsystem
die beiden Halbwellen des Sensorsignals
und ermittelt für jedes Nutpaar ein Diffe-
Bild 2.
Installationsbeispiele
Messstellen
Hochspannungsbereich.
9. Typische
Beispiele fürvon
Schäden
durch im
Wickelkopfschwingungen.
67
VGB PowerTech 12an
l 2014
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
Online-Monitoring
Turbogeneratoren
VGB an
PowerTech
12 l 2014
Online-Monitoring zur frühzeitigen
Feststellung und Diagnose
von beginnenden Schäden
an Turbogeneratoren
Bild
10. Installation
eines Luftspaltsensors
einem Nutverschlusskeil.
Martin
Biesemann
und FrankaufEwert
Abstract
Online monitoring
Early detection and diagnosis of
initiating damage in turbo generators
Einführung
Der Einfluss von erneuerbaren Energien
nimmt zu. Diese Entwicklung führt zu
einem steigenden Bedarf an Mittel- und
Spitzenlastbetrieb konventionell befeuerThe influence of renewable energy is increasing. ter Anlagen zur Stabilisierung des Netzes.
This trend results in an increased requirement Insbesondere bei großen konventionell
of medium and peak load operation of fossil
befeuerten Kraftwerken führt dieser Mitpower plants for the stabilisation of the electrical grid. Especially for large fossil power plants, tel- und Spitzenlastbetrieb aufgrund der
this results in an increased thermo-mechanical steigenden Anzahl an Lastzyklen zu einer
stress for the core components like the genera- hohen thermomechanischen Beansprutor due to the increasing number of load cycles. chung der Kernkomponenten (z.B. des
This typically leads to accelerated aging of the Generators). Dies führt typischerweise
machines and the risk for damages and unex- zu einer beschleunigten Alterung der Mapected failures. As a preventive measure, inspec- schinen und erhöht die Gefahr von Schätions in more frequent intervals offer insight den und unerwarteten Ausfällen. Als präinto the condition of the generator, but they ventive Maßnahme bieten Inspektionen
are time-consuming. Therefore, it is helpful to in kürzeren Abständen einen Einblick in
use online
conditionder
monitoring
diagnosis
Bild
11. Screenshot
Software and
zur Überwachung
vonZustand
Läuferwindungsschlüssen.
den
des Generators, sind jedoch
systems to receive information about the state
unter
anderem mit kostenintensiven Stillof
the
machine
during
operation.
This
will
lead
zu leitfähigen
Verbindungen
renzsignal (Bild 11 oben links). Ein Win- können
standzeiten
des Kraftwerks
verbunden.zwiZur
to condition-based
maintenance
extended
den Windungen
führen ( B i l d ist
1 2es
).
dungsschluss
verringert
die with
Anzahl
der schen
Minimierung
von
Gewinnausfällen
operating
periods.
aktiven Windungen in einer Nut und führt hilfreich, Online-ZustandsüberwachungsSiemenszu
offers
several
procedures:
damit
einer
kleineren
Amplitude der Schlussfolgerung
und -Diagnosesysteme zu verwenden, um
zugehörigen
Oberwelle
des discharges
Sensorsignals.
– Online monitoring
of partial
(PD) Informationen über den Zustand der Maerfolgreiche Diagnose des GeneratorDurch
den
mit
gegenüberenables
the Vergleich
user to detect
ander
abnormal
condi- Eine
schine während des Betriebs zu erhalten.
tion in theNut,
electrical
insulation
system
the zustands hängt von den verfügbaren Inforliegenden
die nicht
durch
den of
WinDies unterstützt eine zustandsorientierte
generator. beeinflusst ist, kann die Ab- mationen der Diagnosemodule ab. Durch
dungsschluss
Instandhaltung
mit längeren
Betriebszykeine
betriebsbegleitende
Langzeitdiagnosweichung
und damit
Windungsschluss
– Online monitoring
ofder
stator
end winding vi- len zwischen den Revisionen.
tik
können
Revisionskosten
und
das Risiko
festgestellt
werden.
Mit diesem
brations yields
information
aboutVerfahren
the actual
– Mittels
Online-Überwachung
des Teiungeplanten
Stillständen vermindert
vibrations
during operation,
e.g.
depending von
kann
die betroffene
Nut und in
bestimmten
lentladungsverhaltens
ist
der
Benutzer
werden.
on theauch
specific
point.
Fällen
dieload
Anzahl
der kurzgeschlossein der Lage, Verschlechterungen des
nen
Windungen
festgestellt
werden.
– Online
monitoring
of the air
gap magnetic Die Überwachung kann durch frühzeitiZustands
der elektrischen
Empfehlungen
auf Basis Isolationssysdes Generaflux helps
identify interturn short
Mithilfe
dertoTrendaufzeichnung
descircuits
Diffe- geteme
des
Generators,
der Transformatowithin
the
rotor
windings.
l
dazu beitragen,
Stillstände
renzsignals für jede Nut kann im Falle eines torzustands
ren
und der Generatorableitung
festzuoptimieren.
Dies führt zu verkürzten
festgestellten Windungsschlusses dessen zustellen.
Entwicklung beobachtet, eine mögliche – Die Online-Überwachung der SchwinZunahme der Windungsschlüsse frühzeigungen an Ständerwickelköpfen bietet
tig festgestellt und Maßnahmen für den
Informationen über die tatsächlichen
nächsten Stillstand geplant werden.
Schwingungen während des Betriebs,
beispielsweise in Abhängigkeit von eiBeispiele für Läuferwindungsschlüsse
nem spezifischen Lastpunkt und warnt
Typische Gründe für Läuferwindungsden Benutzer, wenn Schwingungen aufschlüsse sind beispielsweise Wickelkopftreten, die mittel- oder langfristig zu eiverformungen oder Verunreinigung durch
ner Schädigung führen können.
Kupferchlorid. Wickelkopfverformungen – Die Online-Überwachung des magnetitreten üblicherweise durch Alterung aufschen Flusses im Luftspalt hilft bei der
grund
von Relativbewegungen der LäufAutoren
Identifizierung von Windungsschlüssen
erwindungen auf. Die resultierenden Verin den Läuferwicklungen.
Dipl.-Ing. Martin
Biesemann
schiebungen
der Isolationslagen
bewirken
Die
Interaktion der vorstehend genannten
Dipl.-Ing. Frank
Ewert
Kurzschlüsse
zwischen
den Windungen.
Online-Überwachungssysteme
in KorrelatiSiemens
AG
Verunreinigungen durch Kupferchlorid Bild 12. Beispiele für Läuferwindungsschlüsse.
on mit den Betriebsparametern ermöglicht
Mülheim a.d. Ruhr/Deutschland
eine leistungsfähige Generatordiagnose.
68
Stillstandszeiten aufgrund der Tatsache,
dass erforderliche Reparaturmaßnahmen
bereits im Voraus geplant werden und notwendige Ersatzteile bedarfsorientiert zur
Verfügung stehen.
Ein weiteres Ziel der Generatorüberwachung ist die Verlängerung der Abstände
zwischen den Revisionen auf der Basis
von durchgeführten Analysen der Betriebszustände, der Maschinendaten, der Wartungshistorie und der Online-Diagnose.
Zu guter Letzt kann die Lebensdauer von
Generatorkomponenten wie Ständer- oder
Läuferwicklungen, Stromdurchführungen
oder Ringleitungen durch Unterstützung
bei der Wartung und rechtzeitige Instandsetzung
dieser
Komponenten verlängert
Überblick
Generator-Monitoring
werden.
Generatoren sind in Kraftwerken über viele
Literaturverzeichnis
Jahre im Einsatz. Betriebs- und alterungsbedingt
können R.
sukzessiv
[1]
P. Grünewald,
Koziel, S. Schädigungen
Piel, J. Weidner
(1995): Erhöhte Komponenten
Kraftwerksverfügbarkeit
an verschiedenen
der Madurch
On-Line-Überwachung
von VeränHochschine
auftreten.
Wenn es gelingt,
spannungsbetriebsmitteln
mit HF-Meßverderungen
an diesen Komponenten
durch
fahren. 40. Int. Wiss. Koll. Ilmenau.
betriebsbegleitende Langzeitdiagnostik
[2] Ewert, F.; Biesemann, M. (2009): TE-Monifrühzeitig
zuHochspannungsbetriebsmitteln
erkennen, können ungeplantoring an
in
te und
kostenintensive
Stillstände
verhinKraftwerken
– Diagnose
durch Korrelation
Betriebsparametern
und Fehlerortung
dertmit
und
lebensdauerverlängernde
Maßmittels
Laufzeitmessung,
ETG-Kongress,
nahmen
planmäßig
durchgeführt
werden.
Düsseldorf, FT 4: Diagnostik elektrischer
Verfügbar
sind Überwachungssysteme
für
Betriebsmittel,
S. 307 – 312.
verschiedene
Parameter,
wobei
bei Sie[3]
Piel, St.; Koziel,
R.; Aumann,
R.; Meißner,
R.
mens
der Schwerpunkt
auf
der
Überwa(2002):
PD Identification
and
Fault
Localization
in Power
Plants by Remote
Controlled
chung
von
Teilentladungen,
WickelkopfPulse Propagation
Measurements, CIGRE
schwingungen
und LäuferwindungsschlüsPaper 11-203, Paris, France.
sen Conference,
liegt. Weitere
Systeme, beispielsweise
[4] Nattrass, D. A. (1988): Partial Discharge
zur Measurement
Überwachungand
von Interpretation,
Wellenspannungen
IEEE
undElectrical
Lagerströmen
oder
die faseroptische
Insulation
Magazine,
Vol. 4, No. 3,
pp 10 – 23.
Temperaturüberwachung
von Ständer und
[5]
IEC/TS
60034-27-2:
electricalsich
MaLäufer,
sind
verfügbarRotating
oder befinden
chines
– Part 27-2: On-line
partial
in der
Entwicklung,
werden
hierdischarge
jedoch
measurements on the stator winding insulanicht
erwähnt.
tion
of rotating electrical machines.
DasThien,
typische
Siemens-Konzept
zurS.;Über[6]
D.; Romanowski,
H.; Strack,
Kempen, S.; von
Krol,Generatoren
Th.; Langmann,ist
A. in
(2008):
wachung
B i l dOn1
line and Offline Vibration Analysis of Stator
dargestellt.
End Windings of Large Power Generators,
Die Proc.
Überwachung
beginnt
Senof ASME Turbo
Expo, mit
Paperden
GT200851130,
Berlin, Germany.
soren
(Schwingungsund Flusssensoren),
[7]
Thien,
D.; Kreischer,
Kulig, S.
(2011):
die im
Generator
oder inC.;direkter
Nähe
des
Modal Analysis
Operational
End Winding
Generators,
z.B. inofder
Generatorableitung
Vibrations, IEEE International Electric Ma(Koppelkondensatoren),
eingebaut
chines & Drives Conference
(IEMDC) sind.
Die Wood,
Signale
derHindmarch,
Sensoren werden
zu windeiner
[8]
J.W.;
R.T.: Rotor
im Maschinenhaus
Datenering short detection,installierten
IEE Proc. 133B(3),
pp.
181-9.
fassungseinheit
(AU) weitergeleitet. Allel
relevanten Daten werden in der AU gespeichert und können zu Diagnosezwecken heruntergeladen werden. Durch Erweiterung
des Systems mit einem zentralen Server
können bis zu 20 Generatoren überwacht
und die Daten zentral gespeichert, angezeigt und miteinander verglichen werden.
Der Server lässt sich leicht in beliebige leittechnische Systeme wie das SPPA-T3000System oder in Anlageninformationssysteme wie PI-Server und WIN-TS einbinden.
Nach dem Anschluss an eines dieser Systeme können die Daten automatisch an das
Power Diagnostics Center von Siemens
übertragen werden, wobei die Daten
permanent durch individuell angepasste, regelbasierte Auswertungen bewertet
werden. Dazu gehört die automatische
63
7
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