Prof. Boczar realizuje projekt, który ma na celu 
stworzenie systemu eksperckiego do oceny stanu 
transformatorów metodą emisji akustycznej.

W kadzi 
transformatora

Piotr Kieraciński

Kiedy dr hab. Tomasz Boczar, prof. PO, wchodzi na ścianę wielkiej kadzi transformatora mocy, by umieścić na niej czujniki akustyczne, nie myśli o problemach, którym jego praca ma zapobiec. W ubiegłym roku w podwarszawskich Jankach podobny transformator wybuchł. Zapewniał energię wielkim hipermarketom ulokowanym w tej miejscowości. Badając urządzenia elektroenergetyczne Tomasz Boczar kontynuuje tradycję swojego mentora prof. Jerzego Skubisa. On już raz ocalił transformator mocy od wybuchu. Znalazł uszkodzenie, które mogło doprowadzić do jego zniszczenia. Ta interwencja pozwoliła w porę wyłączyć urządzenie z użytkowania i naprawić w normalnym trybie.

Teraz jednak prof. Boczar z kolegami nie zastanawiają się nad tym faktem. Skupiają się na dobrym rozmieszczeniu czujników. Trochę po drabinkach, trochę po wystających elementach obudowy transformatora, w huku wentylatorów i pomp wkradają się w miejsca, gdzie najłatwiej „usłyszeć” pracę urządzenia – tam mocują czujniki. Wewnątrz kadzi, odizolowany od ścian płaszczem olejowym, który pełni także rolę chłodziwa, „buzuje” prąd elektryczny pod ogromnym napięciem. Transformator jest jednym z podstawowych urządzeń, które przygotowuje go do transportu do sieci elektroenergetycznej, a poprzez nią – dalej do odbiorców.

Wyładowania 
niezupełne

Transformatory mocy to jedne z najdroższych urządzeń systemu elektroenergetycznego. Koszt jednego urządzenia pracującego na bloku elektrowni to nawet 2 mln zł. Ocenia się, że wartość transformatorów stanowi ok. 20 proc. wartości wszystkich urządzeń wykorzystywanych do przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej. Natomiast koszty związane z niezaplanowanym wyłączeniem transformatora w wyniku awarii mogą nawet pięciokrotnie przewyższać wartość samego urządzenia. Bowiem oprócz zniszczonego transformatora – nowy trzeba wykonać na zamówienie, bo nikt takich seryjnie nie produkuje i nie magazynuje – dojdą do tego koszty związane z brakiem energii w rejonach, które obsługiwało zniszczone urządzenie i szukaniem możliwości zasilania tymczasowego obszarów pozbawionych energii.

Normy przewidują co prawda przeglądy stanu transformatorów, jednak te rutynowe kontrole wykonuje się podczas zaplanowanych wyłączeń urządzeń z sieci. Tymczasem transformatory mocy pracują w sposób ciągły. Olej w systemie izolacji – najbardziej narażonym na uszkodzenie elemencie – stopniowo traci pierwotne własności. W urządzeniu mogą się pojawić wyładowania niezupełne, które są zapowiedzią wyładowania zupełnego, czyli przebicia układu izolacyjnego. Awaria może się zatem zdarzyć także w czasie pracy pomiędzy okresowymi przeglądami. Dlatego prof. Boczar wraz ze swoimi doktorantami wyciąga ze starego czerwonego renault kombi, stojącego obok transformatora, turystyczny stolik i rozstawia na nim laptopa. Do niego, poprzez wzmacniacze, filtry i karty pomiarowe, zbierające dane z czujników zamocowanych magnesami na obudowie transformatora, płyną dane, które zinterpretować ma specjalistyczny program komputerowy.

Stan urządzeń elektroenergetycznych można badać różnymi metodami. Niektóre, jak metody elektryczne, nadają się tylko da analiz wykonywanych w czasie, gdy urządzenie wyłączone jest z eksploatacji. Inne, takie jak chromatografia gazowa, mogą być stosowane także w okresie normalnej pracy transformatora, bez wyłączania go z sieci. – Poszczególne metody wykorzystują różne zjawiska zachodzące podczas generacji wyładowań niezupełnych – mówi uczony. Można prowadzić badania różnymi metodami równolegle. – Każda z metod ma pewne ograniczenia, ale ich jednoczesne wykorzystanie może w konsekwencji dać dość dobry obraz stanu badanej izolacji urządzenia – mówi Tomasz Boczar.

Opolscy uczeni pracują nad metodą emisji akustycznej. Na podstawie efektów akustycznych, rozpoznają rodzaj wyładowania niezupełnego, które ma miejsce w transformatorze. Nie od tego jednak zaczyna się badanie i nie na tym kończy. Aby komputer mógł rozpoznawać rodzaje wyładowań na podstawie sygnałów emisji akustycznej, a następnie powiązać z określonymi typami uszkodzeń czy defektów, trzeba było stworzyć bazę danych zawierającą potrzebne informacje oraz instrument – program komputerowy i narzędzia go obsługujące – który potrafi taką bazę interpretować. Odpowiednie symulacje przeprowadzono najpierw w laboratoriach Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Opolskiej. Istnieje około dziesięciu różnych typów wyładowań, a każde związane jest z innym rodzajem defektu czy uszkodzenia układu izolacyjnego transformatora.

System ekspercki

Do niedawna to człowiek był głównym „elementem” systemu – on interpretował sygnały emisji akustycznej przychodzące z czujników. Wiązało się to z wieloma ograniczeniami, m.in. czasowymi oraz subiektywizacją interpretacji. Obecnie prowadzone są przez zespół kierowany przez prof. T. Boczara zaawansowane prace naukowo−badawcze nad komputerowym systemem eksperckim wyposażonym w sztuczną inteligencję, który zastąpi subiektywną ocenę osób wykonujących pomiary diagnostyczne. Sieć neuronowa umożliwia rozpoznanie podstawowych typów wyładowań oraz powiązać je z określonymi defektami izolacji transformatora.

Ponieważ awarie transformatorów stanowią bardzo poważne zagrożenie dla systemu elektroenergetycznego kraju oraz są niezwykle kosztowne, opłaca się prowadzić bieżący monitoring, wykonywany podczas normalnej pracy urządzenia w warunkach przemysłowych. Koszty badań diagnostycznych stanowią jedynie ok. 10% kosztów remontu transformatora i są wielokrotnie niższe od kosztów, które operator sieci może ponieść w wyniku awarii urządzenia. Zapewne takie względy zadecydowały o tym, że postanowiono stworzyć systemy eksperckie do badania stanu układów izolacyjnych transformatorów. Taki system składa się: z komputerowej bazy danych dotyczących zjawisk zachodzących w urządzeniu, które mogą być związane z możliwymi uszkodzeniami transformatora; z odpowiedniej karty pomiarowej, zainstalowanej w komputerze oraz z metody przetwarzania i analizy danych przy pomocy narzędzi sztucznej inteligencji; i wreszcie z systemu czujników, które odbierają sygnały pochodzące z transformatora. Istnieje już system oceny stanu transformatorów za pomocą metody elektrycznej. Prof. Boczar realizuje teraz projekt, który ma na celu stworzenie systemu eksperckiego do oceny stanu transformatorów metodą emisji akustycznej. Grant Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego ma wartość ok. 1,3 mln zł. W jego realizacji bierze udział siedmioosobowy zespół specjalistów z Politechniki Opolskiej.

Czujniki zamontowane na kadzi transformatora już przekazały dane do komputera. – Interesuje nas pasmo od około 30 kHz do 1 MHz, czyli niesłyszalne dla ucha ludzkiego – mówi uczony. Program analizę wykonuje natychmiast, nie ma żadnych dodatkowych, „ręcznych” obliczeń. Sieć neuronowa podaje wyniki w postaci ściśle określonych danych liczbowych. Badanie kończy się protokołem opisującym stan transformatora.

Po kilku godzinach badanie skończone. Prof. Boczar ze współpracownikiem składają swoje „zabawki” do samochodu. Na razie wciąż jest to prywatny, wysłużony „kombiak” (czasami zastępuje go uczelniana furgonetka), a składany stolik turystyczny służy za podstawę pod komputer. Marzy im się wóz diagnostyczny z prawdziwego zdarzenia, z całą aparaturą „na pokładzie”. To jednak sporo kosztuje.