Transformatory w eksploatacji 2017

Szacowanie zawilgocenia izolacji Nomex-ester syntetyczny na podstawie pomiarów metodą spektroskopii dielektrycznej

Wstęp

W urządzeniach elektrycznych olej mineralny i papier celulozowy jako materiały izolacyjne, stosowane są od prawie stu lat. Powodem tego są bardzo dobre właściwości izolacyjne, w szczególności, gdy materiały te współpracują ze sobą. Wytrzymałość elektryczna papieru i oleju wynosi odpowiednio: 12 i 40 kV/mm, natomiast ten sam parametr dla układu papier-olej wynosi około 64 kV/mm. Izolacja papierowo-olejowa pomimo swoich zalet nie zawsze spełnia wymogi stawiane w dzisiejszych czasach układom izolacyjnym. W szczególnych przypadkach, m.in. z uwagi na niską wytrzymałość preszpanu na narażenia termiczne, stosuje się konstrukcje kompozytowe, wykorzystujące tworzywa sztuczne o właściwościach elektrycznych zbliżonych do parametrów standardowej izolacji papierowej, ale o zwiększonej odporności cieplnej. Przykładem takiego tworzywa sztucznego jest Nomex.
Nomex wprowadzony został do sprzedaży w 1967 roku przez koncern chemiczny DuPont. Materiał ten należy do rodziny tworzyw sztucznych zwanych poliamidami. Włókna aramidów zwane są syntetycznym jedwabiem, a ich wytrzymałość, przy tej samej masie, przekracza pięciokrotnie wytrzymałość stali. Z uwagi na sztywną i pałeczkowatą budowę, makrocząsteczki aramidu łatwo ulegają krystalizacji, zarówno na etapie produkcji jak i obróbki [1]. Włókna Nomexu przedstawiono na rysunku 1 [2].

Rys.1. Zdjęcia z mikroskopu elektronowego- SEM materiału Nomex typu: 410 (a) i 411(b) [2]

Papiery i preszpany z Nomexu stosowane są od ponad 35 lat w transformatorach (suchych i olejowych), silnikach, generatorach i dławikach potwierdzają swoje możliwości i niezawodność w ekstremalnych warunkach. Nomex jest dopuszczony do stosowania w maszynach elektrycznych w stałych temperaturach roboczych dochodzących do 220°C, przy prawie nie zmienionych właściwościach elektrycznych. Jest przystosowany do współpracy ze wszystkimi rodzajami płynów transformatorowych, smarów, płynów chłodzących, lakierów i odporny na kwasy oraz alkalia.
Natomiast oleje jako materiały izolacyjne stosowane są od początku rozwoju wysokonapięciowych układów izolacyjnych. Spełniać mogą dwie funkcje: izolacji elektrycznej oraz chłodziwa, odprowadzając ciepło z elementów urządzenia. Podstawowymi olejami stosowanymi w układach izolacyjnych są oleje mineralne. Dodatkowe wymagania dotyczące m.in. bezpieczeństwa pożarowego, wysokiej temperatury pracy urządzeń, wytrzymałości elektrycznej, a także ciągle zaostrzane normy środowiskowe sprawiły, że coraz większy procent wykorzystywanych płynów dielektrycznych to oleje syntetyczne. MIDEL 7131 jest syntetycznym olejem transformatorowym na bazie estru, przystosowany jest do większości typów i zastosowań transformatorów [3].
Kolejną ważną cechą oleju MIDEL 7131 jest stosunkowo wysoka rozpuszczalność wody. Oznacza to że może on wchłonąć większą ilość wody niż olej mineralny, czy silikonowy, bez pogorszenia właściwości dielektrycznych. Może on więc uwięzić więcej wody, co spowolni procesy starzeniowe izolacji stałej, a także zmniejszy ryzyko skraplania się wody na jej powierzchni przy niskich temperaturach. Rysunek 2 przedstawia zależność napięcia przebicia od stopnia zawilgocenia dla różnych cieczy stosowanych jako płyny dielektryczne. Widać wyraźnie, że MIDEL 7131 wielokrotnie lepiej znosi zawilgocenie niż oleje mineralne i silikonowe [3].

Rys.2. Zależność napięcia przebicia od stopnia zawilgocenia dla oleju MIDEL 7131 [3]

Niniejsza publikacja dotyczy rozpoznania możliwości szacowania zawilgocenia izolacji stało – ciekłej złożonej z Nomexu impregnowanego estrem syntetycznym na podstawie pomiarów metodą FDS (Frequency Domain Spectroscopy).

Obiekt i metodyka

W celu przeprowadzenia badań wpływu zawilgocenia impregnowanego estrem syntetycznym papieru aramidowego na podstawie pomiarów metodą spektroskopii dielektrycznej (FDS) zbudowano zespół elektrod pomiarowych (rys.3) podłączanych do systemu pomiarowego Dirana firmy Omicron (rys.4). Pomiędzy elektrodami umieszczano dwa arkusze Nomexu typu 410 o grubości 0,76 mm. Żądane wartości zawilgocenia uzyskiwano poprzez suszenie Nomexu w temperaturze 150°C
w laboratoryjnej komorze próżniowej lub poprzez zawilgacanie w komorze klimatycznej Feutron KPK 400, przy względnej wilgotności powietrza 90% w temperaturze 60°C. Wartość zawilgocenia ustalano na podstawie pomiaru zmiany masy w zakresie (0÷5)%.

Rys.3. Elektrody pomiarowe: projekt (a), widok (b)

Rys. 4. Zestaw pomiarowy Omicron Dirana

Do prezentacji i analizy wyników pomiarów wykorzystano program Origin v.8.0 oraz WinFit firmy Novocontrol. Możliwość szacowania zawilgocenia autor oparł o badanie procesów relaksacyjnych. Do wyznaczenia podstawowych parametrów funkcji relaksacyjnych w dziedzinie częstotliwości zastosowano uogólnione równanie H-N (Havriliaka-Negamiego) w postaci [4]:

 (1)

gdzie: De – polaryzowalność, τ – czas relaksacji, e∞ – przenikalność optyczna, a, b – stałe H-N, σ0 – parametr konduktywności zmiennoprądowej

Wyniki badań

Z pomiarów otrzymano szereg charakterystyk FDS Nomexu impregnowanego estrem syntetycznym dla różnego zawilgocenia. Rysunek 5 przedstawia charakterystyki FDS dla temperatury 20°C. Zmiany współczynnika strat dielektrycznych tand dowodzą istnienia trzech procesów relaksacyjnych w badanym spektrum częstotliwości. Pierwszy proces występuje w zakresie najniższych częstotliwości (poniżej 0,01Hz) i najprawdopodobniej jest częściowo przysłonięty gwałtownymi zmianami przewodnictwa dla najbardziej zawilgoconych próbek. Najprawdopodobniej jest on najbardziej czuły na zmiany zawilgocenia, gdyż wartość tand zmienia się w tym zakresie o blisko trzy rzędy wielkości. Kolejny proces elektryczny występuje w zakresie około 0,1 Hz i jest charakteryzowany przez lokalne maksimum na charakterystyce tand lub jako punkt przegięcia na wykresach pojemności C. Trzecie zjawisko relaksacji występuje powyżej 1kHz i nie jest w pełni obserwowalne ze względu na ograniczony zakres pomiarowy systemu Dirana.

Rys.5. Charakterystyki FDS dla różnego zawilgocenia nomexu impregnowanego estrem syntetycznym dla temperatury 20°C. Zmiany współczynnika strat dielektrycznych tand (a) i pojemności C (b)

 

Analiza danych pomiarowych zaprezentowanych na rysunku 5 przy pomocy równania H-N (1) pozwoliła oszacować podstawowe parametry relaksacji dielektrycznych występujących w badanym materiale. Przykładową analizę jako zrzuty ekranu programy WinFit dla temperatury 20°C i 3% zawilgocenia pokazano na rysunku 6. Natomiast w tablicy 1 zamieszczono otrzymane z analizy parametry procesów relaksacyjnych dla próbek o różnym zawilgoceniu.

Rys. 6. Analiza procesów relaksacyjnych Nomexu z estrem syntetycznym dla temperatury 20°C i zawilgocenia 3% z wykorzystaniem równania (1), części rzeczywistej przenikalności elektrycznej (a), części urojonej przenikalności elektrycznej (b), wykres Cole’a-Cole’a (c)

Rys.7. Zależność stałej czasowej τ1 od zawilgocenia impregnowanego estrem syntetycznym nomexu w temperaturze 20°C

Rys.8. Zależność polaryzowalności De1 od zawilgocenia impregnowanego estrem syntetycznym nomexu w temperaturze 20°C

Głównym parametrem charakteryzującym zmiany pierwszego procesu relaksacyjnego (zakres LF) jest stała czasowa τ1 (rys.7). Wydłuża się ona w sposób logarytmiczny wraz ze wzrostem zawilgocenia w badanym zakresie X=0¸5%. Jest to cechą charakterystyczną relaksacji niskoczęstotliwościowej z udziałem transportu masy jonowej na odległości makroskopowe [5, 6]. Zmiany stałej czasowej t1 wynoszą, aż trzy rzędy wielkości i tak dla suchego układu wynosi ona około 29 sekund, natomiast dla zawilgocenia X=5% t1=3928 s. Rośnie również parametr Δε1 (polaryzowalność układu), który jest ściśle związany z zawartością ładunków polarnych, w tym przypadku najprawdopodobniej cząsteczek wody tworzące duże aglomeraty (rys.8). Efekt ten jest szczególnie zauważalny powyżej zawilgocenia X = 3÷3,5%, gdzie następuje obserwowalna przemiana mechanizmu dielektrycznego. Zjawisko to jest m.in. widoczne w gwałtownej zmianie parametru konduktywności zmiennoprądowej σ0  wyznaczonej z równania Havriliaka-Negami’ego (rys.9). Prawdopodobnie powyżej wartości zawilgocenia 3,5% następuje przekroczenie progu perkolacji cząsteczek wody zawartej pomiędzy włóknami aramidowymi lub tworzenie się makroskopowych aglomeratów złożonych z wielu kropel wody. Podobne zjawisko zaobserwowano w przypadku izolacji Nomex – mineralny olej transformatorowy, gdzie w zakresie zawilgocenia 1÷3% przewodnictwo zmiennoprądowe jest praktycznie tożsame i nie zależy od zawartości wody, natomiast gwałtownie rośnie powyżej tej granicy [7]. Jednak w porównaniu do parametrów ilościowych relaksacji papieru aramidowego impregnowanego olejem mineralnym istnieje znacząca różnica w czasach relaksacji wolnozmiennego procesu relaksacyjnego, gdyż jest on relatywnie stały i wynosi kilka tysięcy sekund [7]. Najprawdopodobniej jest to związane z bardzo ograniczoną rozpuszczalnością wody w oleju mineralnym. Natomiast ester syntetyczy MIDEL 7131 wykazuje kilkunastokrotnie większą zdolność rozpuszczalności wody, co jest szczególnie widoczne w odpowiedzi dielektrycznej w zakresie LF i stosunkowo dużej zmienności stałej czasowej t1 (rys.7).

Rys.9. Zależność parametru konduktywności zmiennoprądowej σ0 od zawilgocenia impregnowanego estrem syntetycznym nomexu w temperaturze 20°C

Rys.10. Zależność stałej czasowej t1 od zawilgocenia impregnowanego estrem syntetycznym nomexu w temperaturze 20°C

Rys.11. Zależność polaryzowalności Δε2 od zawilgocenia impregnowanego estrem syntetycznym nomexu w temperaturze 20°C

Kolejny proces dielektryczny występujący w zakresie częstotliwości około 1 Hz jest praktycznie niezmienny w przeprowadzonym eksperymencie, gdyż jego stała czasowa wynosi t2=1,16÷3,16 s i nieznacznie rośnie wraz z zawilgoceniem (rys.10). Podobnie zachowuje się parametr Δε2=0,16÷1,5 świadczący o względnie stałej ilości relaksujących ładunków (rys.11). Prawdopodobnie opisywany proces dielektryczny dotyczy relaksacji ładunku przyelektrodowego zależnego od przyłożonej wartości pola elektrycznego. Względna stałość parametrów H-N2 świadczy o powtarzalności eksperymentu stanowiącego dodatkowy ekwiwalent relaksacji przyelektrodowej w uzyskanej odpowiedzi dielektrycznej metodą FDS.
Trzeci proces elektryczny obserwowany w eksperymencie występuje w zakresie wysokich częstotliwości. Nie jest on analizowany przez autora, gdyż górny zakres częstotliwości w prowadzonych badaniach wynosi 5 kHz. Ograniczenia sprzętowe miernika DIRANA pozwalają jedynie na obserwację części tego procesu, prawdopodobnie związanego z a-relaksacją, czyli ruchami Browna fragmentów łańcuchów polimerowych włókien aramidowych.

Wnioski

Przeprowadzona analiza procesu relaksacyjnego impregnowanego estrem syntetycznym Nomexu wykazała, że:
a) zawartość wody w Nomexie powoduje zauważalne zwiększenie strat dielektrycznych w zakresie częstotliwości 10-4÷5·104 Hz, wydaje się że są to straty powodowane przez cząsteczki wody,
b) w zakresie zawilgocenia 1÷3% parametr przewodnictwa zmiennoprądowego jest praktycznie tożsamy i nie zależy od zawartości wody,
c) dla zawilgocenia powyżej 3÷3,5% następuje szybki wzrost przewodnictwa oraz strat dielektrycznych. Prawdopodobnie związane jest to z przekroczeniem progu perkolacji cząsteczek wody zawartej pomiędzy włóknami aramidowymi.
d) Najważniejszym parametrem z punktu widzenia szacowania zawilgocenia Nomexu impregnowanego estrem syntetycznym jest dla metody FDS wartość stałej czasowej t1 pozwalającej w stosunkowo łatwy sposób oszacować wartości zawilgocenia w układzie.
Badania wykazały, że szacowanie zawilgocenia zaimpregnowanego olejem Nomexu za pomocą metody FDS stosującej schemat izolacji X-Y może być utrudnione. Wynika to z małej wrażliwości konduktywności zmiennoprądowej w zakresie zawilgocenia 1÷3% w porównaniu do szacowania zawilgocenia izolacji papierowo-olejowej [8-10].

LITERATURA

[1] http://www2.dupont.com, stan na dzień 10 stycznia 2017
[2] Jain A., Vijayan K., Effect of penetrants on the aramid Nomex, Bulletin of Materials Science, 23 (2000), No. 3, 211–214
[3] http://www.midel.com stan na dzień 10 stycznia 2017
[4] Havriliak S. Jr., Havriliak S. J., Dielectric and Mechanical Relaxation in Materials. Analysis, Interpretation, and Application to Polymers, Hanser Publischers, Munich, Vienna, New York, 1997
[5] Zenker M., Procesy relaksacyjne w modelu granicy faz „olej – preszpan”, Przegląd Elektrotechniczny, 10 (2008), 231-234
[6] Zenker M., Spektroskopia dielektryczna układu papier-olej z osadami na celulozie, Przegląd Elektrotechniczny, 11b (2010), 82-85
[7] Zenker M., Subocz J., Dielectric Response of Oil Impregnated Nomex in Frequency and Time Domain, Przegląd Elektrotechniczny, 8 (2016), 55-58
[8] Saha T., Review of Time-Domain Polarization Measurements for Assessing Insulation Condition in Aged Transformers, IEEE Trans. Power Delivery, 4 (2003), Vol. 18, 1293-1301
[9] Subocz J., Eksploatacyjne pomiary PDC w izolacji transformatorów, Przegląd Elektrotechniczny,1 (2005), 261-264
[10] Zenker M., Analiza relaksacji modelu kanału olejowego transformatora na podstawie pomiarów PDC , Energetyka, 11 (2007), 9-13

dr inż. Marek Zenker,
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie,
Wydział Elektryczny, Katedra Elektrotechnologii i Diagnostyki,
ul. Sikorskiego 37, 70-313 Szczecin, tel. 91 449 47 54,
E-mail: marek.zenker@zut.edu.pl

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top