Ocena zaawansowania zestarzenia przepustów z izolacją stałą na podstawie pomiarów FDS

Wstęp

Przepusty transformatorowe należą do podstawowego wyposażenia każdego wysokonapięciowego transformatora energetycznego. Służą jako element zapewniający przeprowadzenie przewodów mocy poprzez barierę jaką jest kadź transformatora [1,2].

Transformatory, podobnie jak przepusty, projektowane są na około 30 lat eksploatacji. Jednak jak wykazuje doświadczenie, przepusty często są przyczyną awarii katastrofalnych występujących wcześniej niż przewidywany okres eksploatacji. Dane statystyczne dotyczące awaryjności podają, że około 30%, awarii transformatorów spowodowanych jest uszkodzeniem izolatora przepustowego. [3,4]. Przeprowadzone m.in. przez autorów badania [5,7] wykazały, że w przepustach eksploatowanych przez kilkanaście lat zwykle ma miejsce wczesny etap rozwoju procesów starzeniowych, które dają odpowiedź dielektryczną w zakresie niskich częstotliwości rzędu 0,01÷0,001Hz, zatem poza zakresem częstotliwości sieciowej. Dlatego notowane są przypadki, że w krótkim czasie po wykonaniu standardowych badań następuje katastrofalna awaria przepustów  pomimo pozytywnych wyników pomiarów tgδ_50Hz oraz pojemności C_50Hz. Te przypadki błędnej diagnozy stanu technicznego izolatorów przepustowych sprawiają, że konieczna jest modyfikacja metody oceny ich stanu technicznego m.in. poprzez poszerzenie spektrum częstotliwościowego pomiarów wartości współczynnika strat tgδ oraz pojemności.

Do głównych czynników powodujących rozwój procesów degradacji izolacji można zaliczyć pole elektryczne oraz temperaturę. Z tego powodu starzenie izolacji przepustów w warunkach eksploatacyjnych można nazwać termoelektrycznym.  Źródłami ciepła w przepuście są straty w torze prądowym oraz straty dielektryczne w izolacji, a także podwyższona temperatura oleju, który wypełnia rurę prądową [1,6]. Z danych statystycznych dotyczących awarii przepustów wynika, że większość awarii następuje w porze letniej najczęściej w godzinach popołudniowo-wieczornych. Jest to skutek gromadzenia się ciepła z wielu źródeł, które prowadzi do efektu spirali cieplnej (ang. Termal Runway), która w końcowym etapie powoduje uszkodzenie izolacji. W literaturze przedmiotu można znaleźć opracowania mówiące, że często wystarcza jeden sezon wiosenno-letni, aby wczesny etap procesu starzenia przekształcił się w zaawansowany, który w konsekwencji kończy się awarią [5,7].

Z powyższych powodów standardowy 5-cio letni czasokres diagnostyki z wykorzystaniem dotychczasowej metodyki oceny stanu technicznego izolacji wydaje się dalece niewystarczający dla zapewnienia rzetelnej oceny stanu technicznego izolacji przepustów, zwłaszcza o długim okresie eksploatacji [8,9,10].

W niniejszym artykule przedstawiono  wyniki pomiarów odpowiedzi dielektrycznej izolacji papierowo-żywicznej przepustów transformatorowych po 10 i 25 latach eksploatacji oraz po dodatkowym starzeniu termoelektrycznym, które zdaniem autorów, wyraźnie wskazują na konieczność stosowania nowych metod ich diagnostyki.

Obiekt i metodyka badań

Obiektami badań był przepust Micafil CTKF 145kV po 10 latach eksploatacji oraz trzy przepusty Micafil CTF 245kV po 25 latach eksploatacji. Przepust CTKF 145 kV został poddany dodatkowemu starzeniu termoelektrycznemu w warunkach analogicznych do pracy w sieci. W tym celu został on zainstalowany na zbiorniku z olejem transformatorowym i podłączony pod napięcie (rys.1). Przeprowadzono 6 cykli starzeniowych trwających po 56 godzin każdy, przy czym temperatura oleju wynosiła 80⁰C, a przyłożone napięcie 67 kV AC. Temperatura otoczenia wynosiła 22⁰C. Zmiany wartości współczynnika strat dielektrycznych tgδ oraz pojemności mierzono w zakresie częstotliwości 10^-4÷5∙10³ Hz za pomocą miernika Dirana prod. Omicron. Do jakościowej analizy odpowiedzi dielektrycznej izolacji przepustów użyto modelu relaksacji dielektrycznej wg. Havriliaka-Negami’ego. Przyjęto przy tym możliwość obecności trzech zasadniczych procesów relaksacyjnych: w zakresie HF (powyżej 100 Hz), MF (w zakresie 10²÷10^-2 Hz) oraz LF (poniżej 10^-2 Hz). W analizie uwzględniono również proces przewodnictwa jonowego w zakresie LF.

Wyniki badań

Na rysunku 2 przedstawiono zależności częstotliwościowe współczynnika strat dielektrycznych w izolacji przepustu CTKF 145 kV o różnym czasie starzenia termoelektrycznego.

W przypadku przepustu CTKF 145 kV po 10 latach eksploatacji na charakterystyce tgδ=f(f) można wyróżnić  dwa procesy relaksacyjne: pierwszy w  zakresie częstotliwości 10^-3÷5∙10^-2 Hz oraz drugi powyżej 2∙10² Hz. Obraz odpowiedzi dielektrycznej izolacji uzupełnia wzrost wartości tgδ w zakresie LF (poniżej 10^-3 Hz) spowodowany stratami związanymi z procesem przewodnictwa. Z doświadczenia autorów wynika, że tego rodzaju częstotliwościowe zależności współczynnika strat występują w kompozytach papierowo-żywicznych, które charakteryzują się dobrym stanem technicznym, a procesy starzeniowe są we wczesnym etapie rozwoju.

• 

• 

Pierwszy cykl starzeniowy spowodował istotny wzrost strat dielektrycznych w zakresie 10¹÷10^-2 Hz, co zdaniem autorów, jest efektem procesu polaryzacji strukturalnej spowodowanego degradacją izolacji oraz ewentualną polaryzacją Maxwella-Wagnera wynikającą z utraty adhezji na granicy faz „kompozyt-ekran aluminiowy”. Kolejne cykle starzeniowe skutkujące przemianami fizykochemicznymi i powstaniem jonowych  produktów starzenia spowodowały znaczne rozbudowanie się tego procesu polaryzacyjnego połączonego ze wzrostem przewodnictwa.  W rezultacie po około 200 h starzenia wartości tgδ mierzone przy częstotliwości 10^-2Hz wzrosły o rząd wielkości, a przewodnictwo kompozytu nawet kilkaset razy (tabl.1, rys.4). Należy przy tym dodać, że ten etap rozwoju procesów degradacyjnych w izolacji nie wpłynął znacząco na wartości tgδ50_Hz, które były na akceptowalnym, z punktu widzenia obowiązujących zaleceń, poziomie. 

Zaobserwowano, że kontynuacja przemian fizykochemicznych w izolacji podczas starzenia generuje nowe zjawiska polaryzacyjne w zakresie MF oraz HF, które pośrednio wpływają na przyrost wartości tgδ50_Hz oraz przewodnictwa w zakresie LF. Wydaje się, że jest spowodowane powstaniem na granicy faz „kompozyt-ekran” jonowych produktów rozkładu kompozytu.

Na rysunku 3 pokazano przekrój poprzeczny przepustu po 336 godzinach starzenia termoelektrycznego. W zaznaczonym obszarze można wyraźnie zaobserwować zdegradowane warstwy izolacji ulokowane bezpośrednio przy ekranach aluminiowych. Badania w podczerwieni wykazały, że zawierają one fazę amorficzną złożoną przeważnie z niskomolekularnych cząstek o dużej zawartości węgla. Prawdopodobnie powstały one na skutek działania w tym obszarze wysokiej temperatury, spowodowanej dobrą propagacją ciepła wzdłuż ekranów. Powstanie takiej fazy amorficznej może sprzyjać generacji wyładowań niezupełnych, których skutkiem jest efekt spirali cieplnej, a tym samym rozpoczęcie zaawansowanego etapu rozwoju procesów starzeniowych. Przypuszczenia te potwierdza notowany wyraźny wzrost ładunku pozornego wyładowań niezupełnych, których napięcie zapłonu było niższe od napięcia roboczego (fazowego) izolacji przepustu.
Przejście z wczesnego do zaawansowanego etapu rozwoju procesów starzeniowych można prześledzić za pomocą analizy jakościowej odpowiedzi dielektrycznej izolacji przy użyciu modelu

• 

• 

Rys. 4. Wpływ starzenia termoelektrycznego na wartości stałych czasowych relaksacji niskoczęstotliwościowej (LF) i średnioczęstotliwościowej (MF) (z lewej) oraz przewodnictwo (z prawej) w izolacji przepustu CTKF

H-N (tabl.1). Do tego celu można wykorzystać zmiany w czasie starzenia wartości takich parametrów odpowiedzi częstotliwościowej jak: stałe czasowe τ oraz polaryzowalności Δε poszczególnych procesów polaryzacyjnych, a także konduktywności σ.

Wpływ starzenia termoelektrycznego na zmiany wartości tych parametrów pokazano w formie graficznej na rysunku 4. Obserwowany po około 200 h starzenia szybki spadek wartości stałej czasowej relaksacji LF oraz powstanie relaksacji MF prawdopodobnie spowodowany był tworzeniem się fazy amorficznej zawierającej niskomolekularne związki węgla. Zdaniem autorów, czas ten można uznać jako moment przejścia z wstępnego do zaawansowanego etapu starzenia.

Wnioski wypływające z badań laboratoryjnych zweryfikowano pomiarami eksploatacyjnymi. Wykonano je dla przepustów typu CTF 245 kV, które były eksploatowane przez 25 lat (rys.5).  Analogicznie jak w pomiarach laboratoryjnych przepustu CTKF starzonego powyżej 200 godzin, we wszystkich badanych przepustach CTF 245 kV zaobserwowano dwie duże struktury relaksacyjne w zakresie LF oraz MF.  Stąd należy przypuszczać, że proces degradacji ich izolacji ma zaawansowany charakter. We przypadku przepustów nr 979 oraz 980 zostały przekroczone dopuszczalne wartości współczynnika tgδ_50Hz, które głównie spowodowane były obecnością dużego procesu relaksacji niskomolekularnych cząstek powstałych z degradacji izolacji. Należy przy tym zwrócić uwagę, że w przypadku przepustu nr 981 wartość zmierzonego współczynnika tgδ_50Hz = 0,007 była na akceptowalnym poziomie i według przyjętych obecnie standardów mógł on nadal pracować w ruchu elektrycznym. Jednak stwierdzona obecność niskomolekularnej fazy amorficznej, która może skutkować nieoczekiwaną awarią, była podstawą decyzji o wycofaniu z eksploatacji wszystkich przepustów typu CTF.

Podsumowanie

Badania laboratoryjne wpływu starzenia termoelektrycznego na odpowiedź dielektryczną przepustów z izolacją papierowo-żywiczną wykazały, że istnieje możliwość identyfikacji stopnia zaawansowania procesów starzeniowych. Do tego celu można wykorzystać pomiary współczynnika strat dielektrycznych i pojemności izolacji w szerokim zakresie częstotliwości.

Stwierdzono, że rozwój starzenia termoelektrycznego izolacji we wczesnym etapie, w którym następuje rozkład i delaminacja kompozytu, można identyfikować za pomocą analizy odpowiedzi dielektrycznej w zakresie niskich częstotliwości. Natomiast przyspieszony proces starzenia, w którym powstają cząstki z zawartością węgla i następuje rozwój wyładowań niezupełnych można obserwować poprzez analizę zmian tgδ w zakresie częstotliwości średnich. Obu tym procesom towarzyszy wzrost przewodnictwa w zakresie niskich częstotliwości.

Badania laboratoryjne zweryfikowano rewizją wewnętrzną izolacji oraz eksploatacyjnymi pomiarami przepustów o długim czasie pracy w ruchu elektrycznym. Potwierdziły one obserwacje i wnioski wynikające z badań laboratoryjnych.

Na podstawie wyników pomiarów laboratoryjnych i eksploatacyjnych można wyciągnąć generalny wniosek, że wystarczy kilkaset godzin pracy w niekorzystnych warunkach temperaturowych, aby starzenie izolacji przepustów z fazy wstępnej przekształciło się w fazę przyspieszoną, skutkującą dużym prawdopodobieństwem awarii.

Z powyższego wynika potrzeba skutecznej identyfikacji początkowego etapu rozwoju degradacji izolacji. Stwierdzono, że diagnoza tych procesów w oparciu o pomiary współczynnika strat tgδ50Hz oraz pojemności jest mało precyzyjna i zawodna.

Andrzej MROZIK ¹⁾,
Marek ZENKER¹⁾,
Patryk BOHATYREWICZ^1,2),
Jan SUBOCZ^1)
1)Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie,
²⁾Elektrobudowa SA

Literatura

[1] M. Akbari, M. Allahbakhshi, R. Mahmoodian, Heat analysis of the power transformer bushings in the transient and steady states considering the load variations, Applied Thermal Engineering 121 (2017) 999–1010
[2] K. Eliss, Bushings for Power Transformers, Authorhouse, Bloomington, 2011.
[3] Subocz J., Szrot M., Płowucha J., Mrozik A. : Nowe metody oceny przepustów transformatorowych. XVII Konferencja Energetyki, Jachranka 7-9.09.2011, s 178-188
[4] Subocz J., Zenker M., Mrozik M.: „Wpływ temperatury na odpowiedź dielektryczną przepustów transformatorowych wysokiego napięcia z izolacją stałą”, Pomiary Automatyka Kontrola, nr.4 (2011), s. 376 – 380.
[5] Subocz J., „Transformatory w eksploatacji 2007” wyd. EnergoComplex
[6] S D. Kassihin, S.D. Lizunov, G.R. Lipstein, A.K.Lokhanin, and T.I.Morozova “Serviceexperience and reasons of bushing failures of EHV transformers and shunt reactors” atransaction in CIGRE 1996:12-105.
[7] Subocz J., Zenker M., Mrozik A., „Wpływ temperatury na odpowiedź dielektryczną przepustów transformatorowych wysokiego napięcia z izolacją stałą” Pomiary Automatyka Kontrola 2011 nr 04, s. 376-379
[8] Kruger M., Kraetge A., Koch M., Rethmeier K., Putter M. Hulka L., Muhr M., Summereder C. „New Diagnostic Tools For Hight Voltage Bushing” Worksop On Power Transformers Foz do Iguacu – 25 A 28 De Aberil De 2010 Cigre
[9] Zink M., Klipfel V., Berger F., „Ageing – condition Assessment of Generator Transformer Buhings by means of Dielectric Simulation Models” IEEE International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis 23-27 September 2012, Bali, Indonesia s. 137-140
[10] Przybyłek P., Morańda H., Mościcka-Grzesiak H. „Bubble effect w izolatorach przepustowych o izolacji wykonanej z różnych materiałów” Pomiary Automatyka Kontrola PAK vol. 57, nr 4/2011