Transforamtory w Eksploatacj 2021

Odpowiedź dielektryczna w dziedzinie częstotliwości różnych typów izolacji stało-ciekłej

Streszczenie

Niniejsza publikacja dotyczy rozpoznania odpowiedzi dielektrycznej suchej i zawilgoconej izolacji złożonej z papieru celulozowego lub aramidowego (Nomex) impregnowanego olejem mineralnym lub estrem syntetycznym (Midel 7131). Różne typy izolacji stało-ciekłej badano metodą FDS (Frequency Domain Spectroscopy). Do wykonania pomiarów i analizy użyto systemu DIRANA firmy OMICRON. Do prezentacji danych pomiarowych wykorzystano program Origin v.8.0. Stwierdzono przydatność analizy za pomocą systemu Dirana wykorzystującego model X-Y w przypadku izolacji celulozowej impregnowanej zarówno olejem mineralnym, jak i syntetycznym.

I. WSTĘP

Metody badawcze oparte o pomiar zjawisk relaksacyjnych (FDS – Frequency Domain Spectroscopy; PDC – Polarization Depolarization Current; RVM – Return Voltage Measurement) pozwalają w dostatecznym stopniu oszacować zawilgocenie klasycznej izolacji transformatorów energetycznych złożonych z preszpanu na bazie celulozy i oleju mineralnego [1]. W przypadku tych metod kluczowym elementem jest poprawna interpretacja osiągniętych wyników. Metody polaryzacyjne oceny zawilgocenia izolacji stałej dają wynik uśredniony badanego obiektu na podstawie charakterystyk wzorcowych danego zawilgocenia lub analizy ilościowej lub/i jakościowej odpowiedzi dielektrycznej. Nabiera to istotnego znaczenia, gdy jednocześnie relaksuje kilka struktur dielektrycznych o różnych własnościach fizykochemicznych (olej, preszpan, granica faz papier-olej, makroobszary o różnym zawilgoceniu i temperaturze, warstwa zanieczyszczeń na celulozie) lub gdy szacowane jest zawilgocenie nowoczesnych izolacji stało-ciekłych [2, 3].

Rys.1. Zależność napięcia przebicia od stopnia zawilgocenia dla różnych cieczy izolacyjnych [5]

W transformatorach izolacja stało-ciekła znacząco podnosi parametr wytrzymałości elektrycznej w porównaniu do materiałów składowych. Jednak znaczącym problemem staje się stosunkowo niska wytrzymałość termiczna izolacji celulozowej. Dlatego coraz częściej stosuje się nowoczesne konstrukcje kompozytowe. Przykładem takiego tworzywa jest papier izolacyjny wzmocniony aramidem lub Nomex wprowadzony do sprzedaży przez koncern chemiczny DuPont. [4]. Natomiast oleje jako materiały izolacyjne spełniają dwie główne role: izolacji elektrycznej oraz chłodziwa. 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 do większości typów i zastosowań transformatorów [3]. Kolejną ważną cechą oleju MIDEL 7131 jest stosunkowo wysoka rozpuszczalność wody. Rysunek 1 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 [5].

Niniejsza publikacja zawiera prezentację wyników badań uzyskanych metodą spektroskopii dielektrycznej różnych typów izolacji stało-ciekłej. Autorzy badali suchą i stosunkowo wysoko zawilgoconą izolację kompozytową w następujących konfiguracjach: preszpan celulozowy – mineralny olej transformatorowy, preszpan celulozowy – ester syntetyczny, papier aramidowy – mineralny olej transformatorowy, papier aramidowy – ester syntetyczny. Następnie otrzymane pomiary zaimplementowano do systemu pomiarowego Dirana firmy Omicron celem przeprowadzenia analizy zawilgocenia izolacji. Uzyskano praktyczne wnioski dotyczące przydatności systemu Dirana w ocenie zawilgocenia w przypadku izolacji celulozowej impregnowanej zarówno olejem mineralnym jak i estrem syntetycznym. Niniejsza tematyka jest publikowana w najnowszych pracach naukowych i omawiana na branżowych konferencjach transformatorowych [4, 6].  

II. METODYKA

W celu przeprowadzenia badań różnych typów izolacji stało-ciekłej o skrajnym zawilgoceniu na podstawie pomiarów metodą spektroskopii dielektrycznej (FDS) zbudowano zespół hermetycznych elektrod pomiarowych (rys.2). Pomiędzy elektrodami umieszczano arkusz Nomexu (papier aramidowy) typu 410 o grubości 0,76 mm lub preszpan celulozowy firmy Weidmann o grubości 1 mm. Do impregnacji użyto mineralnego oleju transformatorowego NYTRO TAURUS o zawilgoceniu 20 ppm lub estru syntetycznego MIDEL 7131 o zawilgoceniu 100 ppm.  

Rys.2. Elektrody pomiarowe: projekt (a), widok (b)

Żądaną wartość zawilgocenia uzyskiwano poprzez suszenie Nomexu w temperaturze 150 °C lub preszpanu (85 °C) w laboratoryjnej komorze próżniowej, a następnie 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. Obliczono również, że zawilgocenie wstępne oleju transformatorowego oraz estru syntetycznego nie wpływa na zadaną wartość zawilgocenia części stałej izolacji.  Następnie zespół elektrod umieszczano w komorze klimatycznej w celu wykonania pomiarów metodą spektroskopii dielektrycznej oraz pomiaru prądu polaryzacji i depolaryzacji w warunkach normalnych. Zakres częstotliwości pomiarowej w metodzie FDS  wynosił 10-4÷103 Hz. Do prezentacji wyników pomiarów wykorzystano program Origin v.8.0. Do analizy i wyznaczenia zawilgocenia użyto system pomiarowy DIRANA firmy OMICRON.

III. WYNIKI

Z pomiarów otrzymano szereg charakterystyk FDS preszpanu celulozowego impregnowanego transformatorowym olejem mineralnym lub estrem syntetycznym dla skrajnie różnego zawilgocenia (około 0,6% i 5,6%). Przykładowe wyniki pomiarów zaprezentowano na rysunku 3.

Rys.3. Charakterystyki FDS preszpanu celulozowego impregnowanego transformatorowym olejem mineralnym lub estrem syntetycznym: współczynnik strat dielektycznych tg δ (a), pojemność C (b)

Wynika z nich, że zwiększanie zawilgoceniu preszpanu celulozowego powoduje wzrost wartości współczynnika strat dielektrycznych tgδ w całym badanym zakresie, choć największe zmiany sięgające nawet dwóm rzędom wielkości występują w zakresie niskich częstotliwości (rys. 3a). Generalnie zmiany pojemności C badanych próbek również rosną wraz ze wzrostem zawilgocenia (rys. 3b).  Obserwowany efekt jest prawdopodobnie związany z przekroczeniem progu perkolacji cząsteczek wody pomiędzy włóknami celulozy [7]. Zmiany współczynnika strat dielektrycznych tgδ są zależne od użytej cieczy izolująco-chłodzącej i w przypadku estru syntetycznego są znacząco wyższe w porównaniu do oleju mineralnego. Wyjątek od powyższej reguły stanowi jedynie izolacja sucha w zakresie najniższych częstotliwości LF (poniżej 0,01Hz). Związane jest to prawdopodobnie z istnieniem w tym oknie częstotliwości (LF) wolnozmiennego procesu relaksacyjnego częściowo przysłoniętego zmianami przewodnictwa, co obserwowano już w przypadku izolacji stało-ciekłej [3].

Na rysunku 4 zaprezentowano charakterystyki zmian współczynnika strat dielektrycznych tgδ (rys. 4a) oraz zmiany pojemności C (rys. 4b) suchego oraz zawilgoconego (3%) papieru aramidowego (Nomex) impregnowanego olejem mineralnym lub estrem syntetycznym. Podobnie jak w przypadku izolacji celulozowej (rys. 3) spodziewanym efektem był wzrost stratności dielektrycznej oraz pojemności próbek izolacji wraz ze wzrostem wartości zawilgocenia. Związane jest to z wysoką wartością przenikalności elektrycznej samej wody i nawet jej niewielka zawartość procentowa w izolacji powoduje skokowe zmiany pojemności i stratności próbek. Porównanie na jednym wykresie odpowiedzi dielektrycznej papieru aramidowego impregnowanego różnymi cieczami elektroizolacyjnymi ukazuje istotę występowania maksimum na charakterystykach tgδ oraz tożsamym im punktom przegięcia na przebiegach zmian pojemności C dla różnych częstotliwości pomiarowych. Za zjawisko to odpowiedzialne są różne procesy relaksacyjne zależne głównie od użytego rodzaju ciekłego medium izolacyjnego, a nie tylko od zawartości wody. W przypadku oleju mineralnego lokalne maksimum strat wypada przy częstotliwości około 5∙10-3 Hz, natomiast dla estru syntetycznego o około dekadę częstotliwości dalej tzn. 5∙10-2 Hz przy tych samych wartościach zawilgocenia.

Rys.4. Charakterystyki FDS Nomexu impregnowanego transformatorowym olejem mineralnym lub estrem syntetycznym: współczynnik strat dielektycznych tg δ (a), pojemność C (b)

IV. ANALIZA

Przeprowadzono analizę przy pomocy oprogramowania DIRANA firmy OMICRON. System ten przeznaczony jest do szacowania zawilgocenia izolacji typu papier celulozowy – mineralny olej określonych urządzeń elektrycznych takich jak transformatory energetyczne, kable wysokonapięciowe lub przepusty kondensatorowe OIP (Oil Impregnated Paper). Doświadczenia autorów pokazują, że podczas wykonywania analizy za pomocą modelu X-Y kluczową rolę odgrywa środkowy zakres częstotliwości charakterystyk FDS, gdyż głównie on jest aproksymowany przez system. Na rysunku 5 pokazano zrzut ekranu systemu DIRANA podczas wykonywania analizy zawilgocenia modelem X-Y dla preszpanu celulozowego impregnowanego olejem mineralnym. Uzyskano zbieżne wyniki szacowania zawilgocenia zarówno w przypadku izolacji suchej o zadanym zwilgoceniu 0,6 % (wynik szacowania 0,9 %) (rys.5a) jak i w przypadku izolacji mocno zawilgoconej 5,6 % (wynik szacowania 5,5 %) (rys. 5b) Przeprowadzona analiza dla izolacji preszpanu celulozowego impregnowanego estrem syntetycznym wykazała dużą zgodność z faktycznym stanem zawilgocenia, wynoszącym dla izolacji suchej 0,6 % – szacowanie 0,9 % (rys. 6a) oraz dla zawilgoconej 5,6 % – szacowanie 5,3 % (rys. 6b). Wynik ten pozwala wyciągnąć ważne wnioski z punktu widzenia przydatności do diagnostyki systemu DIRANA urządzeń z izolacją celulozowo – estrową takich jak transformatory energetyczne. Prawdopodobnie istotną rolę w szacowaniu zawilgocenia tym sposobem odgrywa medium stałe, gdzie jest zgromadzona główna część wody w izolacji. Przypuszczenia te potwierdzają próby szacowania zawilgocenia za pomocą systemu DIRANA izolacji złożonej z papieru aramidowego (Nomex) impregnowanego olejem mineralnym lub estrem syntetycznym (rys 7). Stwierdzono ogromną rozbieżność pomiędzy wynikiem szacowania zawartości wody, a stanem faktycznego zawilgocenia w każdym przypadku badanej izolacji złożonej z papieru aramidowego. Przykładowy wynik skrajnie nieoszacowanego zawilgocenia pokazano na rysunku 7, gdzie dla izolacji Nomex o 3% rzeczywistym zawilgoceniu wynik analizy wskazał na zawartość wody 0,7%.

Rys.5. Zrzut ekranu analizy zawilgocenia z systemu pomiarowego DIRANA dla preszpanu celulozowego impregnowanego olejem mineralnym: względnie suchego – 0,6% (a) i zawilgoconego – 5,6% (b)
Rys.6. Zrzut ekranu analizy zawilgocenia z systemu pomiarowego DIRANA dla preszpanu celulozowego impregnowanego estrem syntetycznym MIDEL 7131: względnie suchego – 0,6% (a) i zawilgoconego – 5,6% (b)a
Rys.7. Zrzut ekranu analizy zawilgocenia z systemu pomiarowego DIRANA dla Nomexu o zawilgoceniu 3% impregnowanego olejem mineralnym

V. WNIOSKI

Przyrost zawilgocenia izolacji stałej powoduje skokowe zwiększenie współczynnika strat dielektrycznych tgδ oraz pojemności C w całym badanym zakresie częstotliwości.

Analiza otrzymanych wyników odpowiedzi dielektrycznej różnych typów izolacji za pomocą systemu DIRANA firmy OMICRON pozwoliła prawidłowo oszacować zawilgocenie dedykowanej do oprogramowania izolacji papier celulozowy – mineralny olej transformatorowy. Zaskoczenie stanowi prawidłowy wynik analizy zupełnie nieprzeznaczonej do szacowania izolacji celulozowej impregnowanej estrem syntetycznym MIDEL 7131. Stanowi to ważny z punktu widzenia diagnostyki transformatorów energetycznych o izolacji typu celuloza-ester praktyczny wniosek. Obserwacja ta w najbliższej przyszłości zostanie zweryfikowana przez autorów publikacji na populacji próbek preszpanowych impregnowanych estrem syntetycznym o różnym zawilgoceniu. Powyższy wniosek powinien również zostać zweryfikowany na rzeczywistym obiekcie stanowiącym pracujący w systemie elektroenergetycznym transformator mocy.

Marek Zenker, Szymon Banaszak, Wojciech Szoka
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Wydział Elektryczny, Katedra Elektrotechnologii i Diagnostyki
Szczecin, Polska
marek.zenker@zut.edu.pl;
szymon.banaszak@zut.edu.pl

LITERATURA

[1] J. Subocz, Transformatory w Eksploatacji, wydawnictwo Energo-Complex, kwiecień 2007

[2] J. Szymański, A. Graczkowski, H. Mościcka-Grzesiak, Odpowiedź dielektryczna w dziedzinie czasu i częstotliwości izolacji papierowo-olejowej o znacznym stopniu niejednorodności zawilgocenia, Przegląd Elektrotechniczny, zeszyt 10, 2008, s. 32-35.

[3] M. Zenker, A. Mrozik, Odpowiedź dielektryczna papieru aramidowego impregnowanego estrem syntetycznym, Przegląd Elektrotechniczny, zeszyt: 10, 2018, s. 164-167

[4] R. Szewczyk, Papier izolacyjny wzmocniony aramidem – własciwości i zastosowania, Urządzenia dla Energetyki vol. 2, 2019, s. 47-54.

[5] https://www.midel.com/; zasoby internetowe na dzień 15.02.2020

[6] S. Wolny, Analysis of High-Frequency Dispersion Characteristics of Capatitance and Loss Factor of Aramid Paper Impregnated with Various Dielectric Liquid, Energies, 2019, 12(6), 1063

[7] Żukowski P., Kołtunowicz T.N., Kierczyński K., Rogalski P., Subocz J., Szrot M., Gutten M., Sebok M., Jurcik J., Permittivity of a composite of cellulose, mineral oil, and water nanoparticles: theoretical assumptions, Cellulose, 23 (2016), 175-183

Click to comment

Leave a Reply

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

To Top