Tilstandskontroll av høyspenningsisolasjon i statorviklinger til hydrogeneratorer

Hva er tilstanden til statorviklingene i vannkraftgeneratorer? I forskningsprosjektet HydroStator, støttet av Forskningsrådet, jobber forskere fra SINTEF og NTNU sammen med vannkraftprodusenter og leverandørindustri om diagnoseteknikker for høyspenningsisolasjonen i statorviklingene.

I prosjektet har vi blant annet sett på hvordan offline og online partial discharge (PD) målinger fungerer for å gi innblikk i tilstanden. Hvordan vi har jobbet med dette og foreløpige resultater presenteres i dette blogginnlegget.

Hvor lenge kan vi drifte 50 år gamle vannkraftgeneratorer?

Hydrogeneratorers restlevetid «brukes opp» raskere enn før. Omtrent halvparten av Norges vannkraftgeneratorer er nå 50 år, og har oppnådd forventet teknisk levetid. Flere av disse ble rehabilitert i en periode for 20 år siden. Det store spørsmålet er likevel hvor lenge disse kan driftes videre med lav sannsynlighet for havari, slik at restlevetiden kan utnyttes optimalt og utskifting kan planlegges på en mest mulig økonomisk måte.

Fremtidige krav til vannkraftgeneratorer inkluderer et mer dynamisk lastmønster og flere start/stopp. Slikt lastmønster er maskinene ikke dimensjonert for, og den termo-mekaniske påkjenningen vil være større i årene fremover. Det er forventet at restlevetiden «brukes opp» raskere enn tidligere.

Feil i vannkraftgeneratorer

Cigré (CIGRE WG A1.10, Survey of hydrogenerator failures, TB 392, 2009) utførte fra 2002 til 2009 et arbeid for å lage en feilstatistikk for hydrogeneratorer, hvor Norge var en deltakende nasjon. I denne studien ble feil definert som hendelser som ga avbrudd i mer enn ti dager for generatorer over 10 MVA i drift over ti år. For Norge ga dette en feilrate på 2,7 % mot 5,9 % internasjonalt. Feil på statorisolasjon utgjør 57 % av feil som fører til driftsavbrudd. Hovedårsaken til disse feilene er  knyttet til nedbrytning av statorisolasjonen samt mekaniske feil.

For å hindre feil peker undersøkelsen på at oppgradering og forbedret vedlikehold vil hjelpe betydelig. Som en del av et forbedret vedlikeholdsregime, vil overvåking av vibrasjoner og elektriske delutladninger påvirke muligheten til å hindre feil signifikant, ifølge undersøkelsen.

Tilstandskontrollmetoder for høyspenningsisolasjon i statorviklinger

Tilstandskontrollmetoder som måling av isolasjonsmotstand (IR), polarisasjons-depolarisasjonsstrøm (PDC), kapasitans og tapsvinkel kan gi nyttig informasjon om tilstanden til statorisolasjonen, spesielt ved å undersøke utviklingen over tid (trending). Disse metodene har til felles at de gir et bilde av den gjennomsnittlige tilstanden til isolasjonen. Hvis det er lokale feil langs viklingene, vil bidraget fra disse utjevnes av bidraget fra den «friske» delen av isolasjonen.

På dette punktet skiller måling av elektriske delutladninger (partial discharge, PD) seg ut, ved at signalet fra lokale defekter forplanter seg langs viklingene og kan måles på terminalene, mens isolasjon uten defekter ikke gir signal. På denne måten kan signalet fra en defekt på én av flere hundre staver detekteres på terminalene. For PD i overflaten på endeviklingene er det også mulig å observere glimming i mørket.

Måling av PD kan enten utføres med generatoren koblet ut (offline), eller mens den er i drift (online). Ved offline målinger kobles faseuttakene fra og viklingene spenningsettes enkeltvis eller i parallell med en ekstern spenningskilde. Denne kan være en lavfrekvenskilde (very low frequency, VLF) med fasespenning 0,1 Hz eller lavere, eller en konvensjonell 50 Hz forsyning. Bruk av VLF-kilde er lite utbredt, og tolkningsgrunnlaget for målinger er derfor dårligere. VLF-kilder har en praktisk fordel med at de er kompakte siden en mye mindre effekt behøves på grunn av den lave kapasitive strømmen i viklingen sammenlignet med 50 Hz.

Online målinger utføres med generator i drift, og måler PD i alle tre faser, og PD-aktiviteten som måles er den reelle for en driftssituasjon. PD-signaler er høyfrekvente, og vil både dempes og krysskoble mellom fasene når de vandrer langs viklingene fra defekten. Det som måles på terminalene er derfor en kombinasjon av PD-signalene fra alle fasene sammen med innstrålt elektrisk støy fra kraftverket. Dette gjør tolkning av PD-signalene utfordrende, og kommersielle leverandører løser dette ved å enten kun se på de høyeste frekvenskomponentene i PD-signalene og/eller benytte tidskorrelasjon mellom PD-signaler fra de ulike fasene. På denne måten er det i stor grad mulig å bestemme hvilken fase PD-signalet har sitt opphav i, og filtrere ut PD-signaturer som kan sammenlignes med kjente feiltyper (International Electrotechnical Commission (IEC), TS 6034-27 Rotating Electrical Machines – Part 27: Off-line partial discharge measurements on the stator winding insulation of rotating electrical machines, 2006)

Offline og online PD-målinger hos Hydro Energi

I FoU-prosjektet HydroStator har både offline og kontinuerlige online PD-målinger blitt gjennomført over et halvt år på en av Hydro Energis generator fra 1965 i Suldal. Etter bytte av stator i januar 2018 har 160 av statorstavene blitt samlet og sendt til SINTEF Energi for videre analyse og målinger i prosjektperioden frem til 2021.

Dette vil gjøre det mulig å sammenligne offline- og online-målinger med nøyaktige og støyfrie målinger i laboratoriet på enkelstaver. Dette har i norsk sammenheng ikke vært utført tidligere, og vil gi en unik mulighet til å studere tilstanden til 50 år gamle, realistisk aldrede statorstaver.

Et eksempel på offline PD-målinger er vist i figuren under. Normalt sett er det noe PD-aktivitet i statorisolasjonen på grunn av små hulrom. Den venstre figuren viser et typisk mønster for normal PD-aktivitet i statorisolasjonen, mens figuren til høyre viser unormal PD-aktivitet i de røde sirklene på en av fasene.

Årsaken til disse ekstra utladningene kan være flere, men både utladninger i spordelen, endeviklingene eller delaminering i isolasjonen kan være mulige årsaker. Siden målingene er utført med en VLF-kilde finnes det per i dag ingen typiske mønster tilsvarende det som finnes for målinger utført for 50 Hz. Mer detaljerte målinger i lab ,på staver fra samme fasen som for målingene i figuren under ble gjort på, vil gi ny kunnskap om hvordan slike PD-signaturen kan tolkes.

På grunn av funn av asbest i endeviklingene, har disse blitt kappet av og ny feltstyring påmontert. Dette medfører at det ikke vil være mulig å undersøke potensielle defekter i endeviklingene i laboratoriet. Studiene i lab vil i så fall gi verdifull innsikt i hvor aldret statorisolasjonen i spordelen er etter 50 års drift.

Et eksempel på PD-signaturer for onlinemålinger er vist i figuren under. Disse signaturene er prosesserte slik at krysstale fra PD-signaler på andre faser er fjernet. Signaturene er tilnærmet like, men forskjøvet 120 grader i forhold til hverandre. Dette samsvarer med PD-aktivitet når spenningen er maksimal mellom to faser, og er typisk for PD mellom endeviklinger på statorstaver som ligger nært høyspentuttaket på ulike faser. Etter uttak av stator ble det funnet flere steder som hadde tydelige tegn til PD mellom endeviklinger som vist i den siste figuren under.

Oppsummering

Resultatene så langt i prosjektet viser at det gjennom PD-målinger er mulig å hente ut informasjon om tilstanden til generatorviklingene. For å kunne gjøre slik tilstandskontroll mer presis må det utvikles bedre indikatorer for feil. Det vil prosjektet gjøre gjennom analyse og sammenstilling av offline-, online- og laboratoriemålinger. Det er også planlagt forsøk med akselererte lastsykling av generatorstaver – både nye generatorstaver og generatorstaver fra Suldal som har vært brukt i 50 år. Sammen med forståelsen for PD-målinger skal dette bidra til innsikt i hvordan vannkraftgeneratorer i Norge vil kunne tåle et mer dynamisk kjøremønster i årene som kommer.

Om prosjektet

FoU-prosjektet Hydrogenerator Stator Winding Insulation Assessment er et kompetanseprosjekt for næringslivet (KPN, #255099), finansiert av Norges Forskningsråd, Statkraft AS, Hydro Energi AS, Sira-Kvina Kraftselskap DA og Eidsiva Energi. Forskningsaktivitetene blir utført av SINTEF Energi og NTNU. Prosjektet startet i 2016, og er planlagt ferdig 2021.