analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport izocomtest...

20
Raport stiintific si tehnic Etapa II IZOCOMTEST Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare IZOCOMTEST Versiunea 1.0 1 Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare Raport știintific și tehnic Etapa 2 Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare compozite pe baza metodei proprii a colectivului de cercetare

Upload: others

Post on 01-Sep-2019

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 1

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la

izolatoare din materiale compozite pentru creșterea

siguranței în funcționare

Raport știintific și tehnic – Etapa 2

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare compozite

pe baza metodei proprii a colectivului de cercetare

Page 2: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 2

CUPRINS

1. Introducere Pag.

1.1. Scopul documentului 3

1.2. Rezumatul etapei 3

2. Activități de cercetare industrială 3

Activitatea 2.1. Preluarea documentației și digitizarea informațiilor

conform necesităților metodei de analiză

3

Activitatea 2.2. Adaptarea metodei de determinare a distribuției

câmpului electric la configurațiile geometrice ale

izolatoarelor compozite ce se vor analiza

9

Activitatea 2.3. Aplicarea metodei de analiză pentru izolatoare în

stare normală de funcționare și obținerea

distribuțiilor normale de linii de câmp electric

10

Activitatea 2.4. Aplicarea metodei de analiză pentru izolatoare cu

defect și obținerea distribuțiilor neliniare de câmp

electric

15

Page 3: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 3

1. Introducere

1.1. Scopul documentului

Scopul acestui document este cel de a prezenta modalitățile de preluare a documentațiilor

tehnice ale izolatoarelor compozite folosite de C.C.T.E.E. TRANSELECTRICA S.A. în

rețelele de înaltă tensiune, conform cu cerințele metodei de analiză numerică a distribuției

câmpului electric la configurațiile geometrice ale izolatoarelor compozite, de a prezenta

procesul de adaptare a metodei de determinare a distribuției câmpului electric la configurațiile

geometrice ale izolatoarelor compozite analizate, precum și de a prezenta rezultatele obținute

în urma analizei analizei la izolatoarele compozite în funcționare normală și la cele ce

prezintă anumite defecte.

1.2. Rezumatul etapei

Scopul general al acestui proiect îl constituie creșterea performanței și competitivității

agentului economic prin utilizarea expertizei existente în universitate în vederea îmbunătățirii

tehnologiilor moderne achiziționate de acesta. Obiectivele proiectului se concretizează în

interconectarea expertizei din universitate cu necesitățile industriale ale beneficiarului prin:

- Realizarea unei metode de diagnosticare a stării izolatorului compozit și de estimare a

duratei sale de viață pe baza distribuției câmpului electric longitudinal din jurul

izolatorului;

- Analiza distribuției câmpului electric la izolatoare fără și cu defect, punerea în

evidență a deformărilor liniilor de câmp la diferite tipuri de defecte;

- Realizarea unei baze de date privitoare la izolatoarele fără și cu defecte.

- Experimentări pe izolatoare cu și fără defecte, la care se determină distribuția

câmpului electric, pentru validarea soluției tehnice.

Pentru atingerea obiectivelor, în cadrul etapei curente a fost realizată o bază de date ce

cuprinde informațiile tehnice referitoare la izolatoarele din materiale compozite din structura

rețelelor de înaltă tensiune ale C.N.T.E.E.TRANSELECTRICA S.A., s-a ales izolatorul

compozit pentru modelare, s-au obținut caracteristicile tehnice ale acestuia de la producător,

s-a realizat o analiză prin spectroscopie dielectrică pentru stabilirea caracteristicilor de

material, s-a definitivat metoda numerică de studiu a distribuției câmpului electric

longitudinal și s-au obținut rezultate privind distribuția câmpului electric la izolatoare

compozite cu funcționare normală și la cele ce prezintă defecte provenite din exploatare.

2. Activități de cercetare industrială

Activitatea 2.1. Preluarea documentației și digitizarea informațiilor

conform necesităților metodei de analiză

La C.N.T.E.E. TRANSELECTRICA S.A. s-a realizat pe parcursul etapei a doua a acestui

contract o analiză a situației izolatoarelor compozit instalate în Rețeaua electrică de transport

(RET), fiind solicitate de la toate Sucursalele de transport (ST) informații despre izolatoarele

compozit cu care sunt echipate aparatajul stațiilor, barele stațiilor ți liniile electrice aeriene

(LEA). Rezultatele analizei au fost cuprinse în baza de date realizată de doctoranzii ce fac

parte din echipa de lucru a proiectului.

Page 4: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 4

Pentru o primă analiză prin modelare numerică a fost ales izolatorul

CI-400-II-120-TT produs de IPROEB S.A. Bistrița, cu specificații din Zona II var. A,

corespunzătoare pentru izolatoarele de pe LEA 400 kV Porțile de Fier-Slatina. Din catalogul

firmei au fost extrase următoarele elemente constructive necesare modelării geometrice:

Fig.1. Izolator compozit CI 400 kV, 120kN, conform catalog IPROEB

Fig.2. Caracteristici dimensionale CI 400 kV, 120kN, conform catalog IPROEB

Deoarece datele din catalog s-au dovedit insuficiente pentru o modelare corectă a izolatorului

compozit s-a luat legătura cu fabricantul IPROEB Bistrița, care s-a dovedit extrem de

interesat de studiul din proiectul de față și a pus la dispoziția echipei de cercetare toate

elementele necesare. În figura următoare se prezintă izolatorul compozit cu toate dimensiunile

geometrice necesare pentru modelare.

Fig.3. Caracteristici geometrice izolator compozit

Page 5: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 5

S-au obținut informații privitoare la materialele folosite în realizarea acestui izolator compozit

pentru LEA 400 kV:

- Tija pe care sunt fixate armăturile de capăt este din fibra de sticlă tip ECR și are

diametrul de 16mm;

- Materialul rilelor și al izolației ce îmbracă tija din fibră de sticlă este cauciuc siliconic

lichid tip (Liquid Sillicone Rubber – LSR);

- Grosimea izolației peste tija din fibră de sticlă,este de 5 mm;

- Grosimea rilelor este de 4mm la vârf și de 6 mm la bază.

Fabricantul nu a avut informații suficiente, pentru continuarea modelării, privitoare la

caracteristicile tehnice ale materialelor ce intră în alcătuirea izolatorului și a transmis doar file

de catalog de la firma Momentive Performance Materials Inc. Prin contactarea furnizorului

s-au obținut date de material pentru cauciuc siliconic lichid (LSR) de tip Silopren SL8601-

GREY, format din două componente în amestec 1:1:

Fig.4. Proprietăți cauciuc LSR

Tija baston pe care se depune cauciucul siliconic este realizată din fibră de sticlă produsă de

firma Bastion Glassfibre Rod & Section Limited, USA. S-au obținut și aici datele tehnice

necesare modelării. Izolatorul se realizează prin injecția în matriță pe tija baston a amestecului

și vulcanizare la o temperatură cuprinsă între 90-150°C.

Deoarece s-a considerat că datele tehnice necesare modelării trebuiesc cunoscute mai

aprofundat, în special comportarea materialului izolatorului la variația temperaturii, s-a

realizat în cadrul Laboratorului de Materiale Electrotehnice din Facultatea de Inginerie

electrică din UPB, de către prof. dr.ing. Florin Ciuprina, membru al colectivului de cercetare,

analiza prin spectroscopie dielectrică a influenței temperaturii asupra proprietăților electrice

ale izolatoarelor din LSR. Probele au fost extrase din materialul pus la dispoziție de

fabricantul IPROEB Bistrița.

Cercetările au avut în vedere că fenomenele care se produc în materialele electroizolante

Page 6: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 6

polimerice sub acțiunea câmpului electric și anume conducția și polarizarea electrică, sunt

influențate în mod considerabil de variațiile de temperatură. Creșterea de temperatură conduce

la intensificarea agitației termice în aceste materiale, ceea ce determină creșterea exponențială

a conductivității materialelor electroizolante, atât în cazul conducției ionice cât și în cazul

conducției electronice [1]. In privința polarizării electrice, intensificarea agitației termice

cauzată de creșterea de temperatură determină, în general, o scădere a permitivității electrice,

îndeosebi prin împiedicarea orientării dipolilor de către câmpul electric, însă și fenomenele de

interfață sunt influențate de variațiile de temperatură. În plus, influența temperaturii asupra

proprietăților dielectrice este strâns legată de frecvența câmpului electric [2]. Așadar,

cunoașterea comportamentului dielectric la diferite temperaturi și frecvențe ale câmpului

electric este foarte importantă pentru buna funcționare a oricărui sistem de izolație format din

materiale polimerice, deci o atenție deosebită trebuie acordată izolatoarelor din cauciuc

siliconic LSR.

Testele prin spectroscopie dielectrică s-au efectuat pe două eșantioane prelevate dintr-o

rilă a unui izolator, conform celor prezentate în figura următoare.

Fig.5 Eșantioane prelevate din rila izolatorului compozit

Spectroscopia dielectrică este o tehnică modernă de analiză a interacțiunii dintre un material și

câmpul electric care acționeaza asupra sa [3,4]. Pentru determinarea experimentală a părții

reale a permitivității relative ( ) și a tangentei unghiului de pierderi (tg δ), a fost utilizat un

spectrometru dielectric NOVOCONTROL echipat cu celula de măsură ZGS pentru eșantioane

solide și lichide. Pentru efectuarea măsurărilor prin spectroscopie dielectrică s-au montat

eșantioanele LSR între electrozii celulei active ZGS și s-au setat condițiile de măsurare.

Eșantionul LSR montat între cei doi electrozi formează un condensator căruia i se aplică o

tensiune la o anumită frecvență. Această tensiune determină apariția unui curent de aceeași

frecvență prin eșantionul de test. Defazajul dintre tensiunea aplicată și curentul care apare este

folosit pentru determinarea mărimilor dielectrice care fac obiectul acestui studiu ( și tg δ).

Page 7: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 7

a) b)

a) Spectrometrul dielectric NOVOCONTROL: 1-calculator; 2-sistem MICTROTRONIC de

control al temperaturii; 3-unitatea centrală Alpha-A; 4-celula de măsură ZGS; 5-celula de

temperatură NOVOTHERM; b) Eșantion LSR în celula activă ZGS a spectrometrului.

Partea reală a permitivității electrice ( ) și tangenta unghiului de pierderi (tg δ) s-au

determinat în gama de frecvențe 10-1

- 106 Hz, la temperaturi între 30°C și 80°C. Pentru a se

putea observa influența temperaturii asupra comportamentului dielectric al eșantioanelor LSR,

temperatura acestora a fost crescută de la 30°C până la 80°C, cu un pas de creștere de 10°C și

o menținere timp de 10 minute în celula de măsură înainte de a se înregistra datele

experimentale. Au fost testate prin spectroscopie dielectrică cele două eșantioane sub formă

de disc cu diametrul de 40 mm, fiind prezentată media rezultatelor obținute.

Influența temperaturii asupra spectrului dielectric al eșantioanelor din LSR poate fi observată

în figura următoare unde sunt prezentate variaţiile părţii reale ale permitivităţii relative

complexe (εr') și ale factorului de pierderi (tg δ) cu frecvența câmpului electric, determinate la

temperaturi între 30°C și 80°C.

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

106

107

2.6

2.7

2.8

2.9

3.0

3.1

3.2

3.3

r'

Frecventa [Hz]

30 oC

40 oC

50 oC

60 oC

70 oC

80 oC

(a)

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

106

107

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

30 oC

40 oC

50 oC

60 oC

70 oC

80 oC

tg

Frecventa [Hz]

(b)

Fig.7Variația cu frecvența a părtii reale a permitivității (a) și a tangentei unghiului de pierderi

tg δ (b), la temperaturi între 30 și 80 °C.

Analizând curbele dependente de frecvență pentru εr' și tg δ se pot observa fluctuații

microscopice ale dipolilor (difuzia rotațională – polarizare electrică), deplasări ale

Page 8: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 8

purtătorilor de sarcină mobili (difuzia translațională a electronilor, golurilor sau ionilor –

conducție) sau o separare a sarcinilor electrice la interfețe aparute între constituenții

materialului (polarizarea interfacială: la nivelul straturilor interioare ale dielectricului -

polarizarea Maxwell/Wagner sau la nivelul electrodului extern aflat în contact cu proba). In

același timp, fenomenul de polarizare este dependent de frecvența câmpului electric, în

variația tangentei unghiului de pierderi fiind vizibile unele maxime corelate cu scăderi ale

părții reale a permitivității, comportament atribuit încetării unui anumit tip de polarizare

(relaxare dielectrică).

Influența fenomenului de conducție asupra spectrului dielectric se evidențiază prin

creșterea tangentei unghiului de pierderi odată cu scăderea frecvenței și printr-o independență

a părții reale a permitivității de frecvențe.

Având în vedere toate acestea, analizând curbele experimentale se pot desprinde

următoarele concluzii privitoare la materialul LSR analizat:

partea reală a permitivității relative este aproape constantă, practic nu variază

cu frecvența câmpului electric, în gama de frecvențe analizată, pentru toate

temperaturile analizate. Doar la temperaturi mari (60-80°C) apare o ușoară

creștere a valorilor la frecvențe mici, ceea ce indică o polarizare la electrod

datorată acumulării unor sarcini electrice la interfața electrod-eșantion;

valorile lui scad cu creșterea temperaturii, de la 2,9 la 30°C la aproximativ 2,7

la 80°C, ceea ce indică faptul că orientarea dipolilor care determină polarizarea

este îngreunată de intensificarea agitației termice. Se remarcă faptul că la

temperatura de 30°C, apropiată de cea a mediului ambiant, valorile lui sunt

foarte apropiate de cele de catalog pentru cauciucul siloconic SL8601-GREY;

variația tangentei unghiului de pierderi indică o contribuție importantă a

componentei pierderilor datorate conducției electrice la frecvențe mici, acolo unde

se observă o scădere liniară a valorilor tg δ cu frecvența. Această contribuție a

conducției devine mai importantă cu creșterea temperaturii, atât prin creșterea

frecvenței maxime până la care se manifestă (de la 1-2 Hz la 30°C la aproximativ

50 Hz la 80°C) cât și prin creșterea valorilor conductivității cu aproximativ un

ordin de mprime, de la 10-13

S/m la 30°C la 10-12

S/m la 80°C.

în spectrul dielectric al tg δ se remarcă un maxim în gama frecvențelor industriale

(zeci-sute de Hz), ceea ce corespunde unei polarizpri interfaciale de tip

Maxwell/Wagner datorate acumulării de sarcini electrice la nivelul suprafețelor de

separație dintre cele două componente de cauciuc siliconic ale dielectricului LSR.

Influența acestei polarizări interfaciale asupra valorilor permitivității ste însă

practic neglijabilă.

valorile tg δ în gama de frecvențe analizată sunt mai mari decat cele de catalog

(3 10-4

). Astfel, la frecvențe reduse, unde conducția determină nivelul pierderilor,

valorile tg δ variază între 10-3

și 10-1

, în timp ce la frevențe industriale sau mai

mari, tg δ are valori cu ordinul de mărime 10-4

, însă mai mari decât cele de

catalog (pentru cauciucul siloconic SL8601-GREY) la temperaturi apropiate de

Page 9: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 9

cea a mediului ambiant. Trebuie remarcat că, deși valorile mai mari ale pierderilor

dielectrice nu influențează imediat buna funcționare a izolatoarelor, ele pot

conduce la diminuarea duratei de viață a materialelor utilizate.

BIBLIOGRAFIE

[1] F. Ciuprina, Materiale Electrotehnice – Fenomene şi Aplicaţii, Editura Printech, 2007.

[2] T. Blythe, D. Bloor, Electrical Properties of Polymers, Cambridge University Press, 2005.

[3] F. Ciuprina, Caracterizarea electrica a polimerilor electroizolanti, Editura Printech, 2015.

[4].F.Kremer, A. Schönhals, Broadband dielectric spectroscopy, Springer, 200

Activitatea 2.2. Adaptarea metodei de determinare a distribuției câmpului electric la

configurațiile geometrice ale izolatoarelor compozite ce se vor analiza

Modelarea izolatoarelor compozite presupune rezolvarea unei probleme de analiză a câmpului

electric, numită și problema directă. Datele acestei probleme sunt împărțite în trei mari

categorii:

date geometrice, care conțin toate informațiile referitoare la formele și dimensiunile

părților componente;

caracteristicile de material, care conțin proprietățile de material și comportarea

materialelor din care sunt realizate părțile componente ale dispozitivului, cum ar fi

permitivitatea relativă εr;

sursele de câmp, care conțin datele referitoare la cauzele câmpului electric din

dispozitivul modelat, cum ar fi densitatea de volum a sarcinii electrice ρv.

Necunoscutele problemei directe sunt mărimile caracteristice câmpului electric, ce

caracterizează starea dispozitivului și anume intensitatea câmpului electric (E) și inducția

electrică (D).

Rezolvarea unei pobleme cu ajutorul calculatorului se face prin descrierea acesteia în limbajul

de calcul pe care sistemul de calcul îl înțelege. Trecerea de la dispozitivul electromagnetic la

descrierea sa pentru calculator presupune parcurgerea a trei etape preliminare:

Modelarea fizică: în această etapă sunt identificate fenomene fizice ce influențează

funcționarea dispozitivului, neglijându-se cele neimportante. Se stabilește regimul

de lucru al dispozitivului și se fac aproximările de natura geometrică, temporală,

de material sau ale surselor de câmp;

Modelarea matematică: în această etapă sunt scrise ecuațiile ce descriu fenomenele

identificate în prima etapă și sunt identificate structurile matematice prin care se

reprezintă mărimile fizice;

Modelarea numerică: în această ultimă etapă problema este discretizată, pentru a

putea fi rezolvată într-un timp rezonabil și cu un necesar de memorie suficient de

redus. Această etapă presupune aproximarea spațiilor continue de funcții care

descriu variațiile spațio-temporale ale mărimilor fizice prin spații discrete, precum

și discretizarea operatorilor care intervin în ecuațiile câmpului.

Page 10: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 10

În consecință, este necesar un model matematic care să descrie dispozitivul respectiv,

introducând anumite ipoteze simplificatoare. Se va ajunge la o expresie matematică finală

compusă din ecuații diferențiale și condițiile date.

Analiza câmpului electric la izolatoare compozite se realizează în regim electrostatic, conform

următoarelor ipoteze:

medii liniare, izotrope, omogene;

corpuri imobile, v=0;

mărimi constante în timp;

nu există mărimi permanente, Mp=0, Pp=0;

nu există mărimi imprimate, Ei=0, Ji=0;

nu există transfer de putere, p=0 (J=0).

Regimul electrostatic în medii imobile, liniare, omogene este caracterizat de următorul sistem

de ecuații diferențiale de ordinul I, care reprezintă formele locale ale câmpului

electromagnetic (ecuațiile lui Maxwell):

div D=ρv (1)

rot E=0 (2)

D=εE (3)

Din ecuațiile (1) si (3) rezultă:

div εE = ρv (4)

Din ecuația (2) rezultă potențialul electrostatic V (E=-grad V), care se înlocuiește în ecuația

(4):

div ε grad V = -ρv (5)

Astfel, se obține ecuația diferențială de ordinul 2 a câmpului electromagnetic - ecuația

Poisson scalară:

ΔV= - ρv/ε (6)

Pentru ρv=0, avem ecuația Laplace: ΔV=0.

Pentru modelarea câmpului la izolatoarele compozit de înaltă tensiune am folosit metoda

elementelor finite. Pachetul software de analiză a câmpului electromagnetic bazat pe metoda

elementelor finite este format din trei module principale:

Preprocesarea: datele de intrare precum geometria domeniului problemei (inclusiv

frontiera sa), proprietățile de material, sursele de câmp și condițiile de frontieră,

regimul de lucru. În urma discretizării domeniului și a ecuațiilor diferențiale, se

generează sistemul de ecuații având ca necunoscute potențialele în nodurile rețelei

de discretizare;

Procesarea: se rezolvă pe cale numerică sistemul de ecuații generat în modulul

anterior;

Postprocesarea: se determină mărimile de câmp locale și globale, se vizualizează

liniile echipotențiale, distribuția câmpului, se trasează grafice sugestive.

Datorită configurației geometrice la izolatoarele compozite, modelarea numerică a câmpului

electric folosind metoda elementelor finite s-a realizat pentru domenii bidimensionale

axisimetrice (rOz).

Page 11: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 11

Activitatea 2.3. Aplicarea metodei de analiză pentru izolatoare în stare normală de

funcționare și obținerea distribuțiilor normale de linii de câmp electric

Pornind de la datele din catalog şi corectate cu valorile obţinute în urma analizelor făcute

asupra eşantioanelor extrase din exemplarul furnizat de către fabricantul IPROEB Bistrița, s-a

modelat comportarea acestui izolator cu ajutorul pachetului software FEMM.

În figurile următoare sunt prezentate reţeaua de discretizare (~166.000 de noduri) pentru

calculul câmpului electric precum şi repartiţia acestuia şi a tensiunii de-a lungul izolatorului.

a) Realizare rețea de discretizare rilă izolator

Page 12: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 12

b) Detaliu

Fig.8.Reţeaua de discretizare FEMM (330 000 elemente)

Fig.9.Distribuţia câmpului electric şi echipotenţialele

Distribuţia potenţialului şi a câmpului electric de-a lungul izolatorului, la baza rilelor mici, se

pot observa în figura următoare:

Page 13: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 13

(a)

(b)

Fig.10.Potenţialul electric (a) şi câmpul electric (b) în lungul izolatorului

Rezultatul prezentat în figura (b) indică faptul că în prima porţiune a izolatorului (primii 70-

80 mm de lângă zona de înaltă tensiune), căderea de tensiune este semnificativă

(500000V/100mm), formându-se o zonă prielnică descărcărilor electrice.

Page 14: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 14

(a)

(b)

Fig.11.Potenţialul electric (a) şi câmpul electric (b) în prima porţiune a izolatorului

Se observă influența prezenței rilelor izolatorului asupra intensității locale a câmpului electric.

În figura următoare se prezintă o imagine sugestivă a zonei la care intensitatea câmpului este

ridicată.

Page 15: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 15

Fig.12. Intensitatea câmpului electric de-a lungul izolatorului

In concluzie, metoda de calcul și modelul adoptat pot aduce elemente tehnice importante, atât

pentru constructor cât și pentru utilizatorul din rețelele de înaltă tensiune.

Activitatea 2.4. Aplicarea metodei de analiză pentru izolatoare cu defect și obținerea

distribuțiilor neliniare de câmp electric

Pentru a vizualiza influenţa anumitor factori ce pot conduce la defecte asupra distribuţiei

câmpului electric de-a lungul izolatorului, au fost efectuate simulări ţinând cont de:

- defecte de material (prin modificarea parametrilor electrici ai izolatorului datorită

trecerii timpului („îmbătrânirii izolatorului”) r={2.6; 3.5; 7; 12; 20}

Page 16: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 16

Fig.13.Variaţia potenţialului electric V de-a lungul izolatorului [mm]

Fig.14. Variația câmpul electric în lungul izolatorului [V/m]

Se observă o variație semnificativă a intensității cîmpului electric în zona cea mai

nefavorabilă la variația permitivității relative a materialului din care este realizat izolatorul

compozit.

Page 17: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 17

- defecte geometrice (modificări ale geometriei izolatorului)

Fig.15. Intensitatea câmpului electric în lungul izolatorului cu defect geometric

S-a simulat un posibil defect ce constă în distrugerea unei părți dintr-o rilă a izolatorului, în

zona înaltei tensiuni.

Fig.16.Variaţia potenţialului electric [V] de-a lungul izolatorului [mm]

Page 18: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 18

Fig.17. Variația câmpului electric de-a lungul izolatorului [V/m]

- modificări asupra potențialului și a cțmpului electric datorate condițiilor de mediu (prin

depunerea de material (gheaţă) pe izolator).

Fig.18. Intensitatea câmpului electric la depunere de ghiață

Page 19: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 19

Fig.19.Variaţia potenţialului electric V de-a lungul izolatorului [mm]

Fig.20. Variația câmpului electric în lungl izolatorului [V/m]

Depunerea de gheață pe izolator face să crească în zona defavorabilă și mai mult intensitatea

câmpului electric, cu repercusiuni evidente privind defectele ce se pot ivi.

Analizând rezultatele grafice ale simulărilor reiese clar impactul defectelor/condițiilor de

mediu asupra distribuţiei câmpului electric de-a lungul izolatorului şi implicit situaţiile critice

în funcţionarea acestuia.

Page 20: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la ...wing.ro/cmim/uploads/raport IZOCOMTEST f2.pdf · Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din

Raport stiintific si tehnic – Etapa II IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 20

Pornind de la variaţia proprietăţilor materialului compozit în timp şi până la condiţiile

atmosferice în care se presupune că funcţionează izolatorul, se impune o verificare periodică a

acestuia pentru o mai bună siguranţă în funcţionare.

În concluzie, rezultatele obținute în această etapă indică faptul că se dispune de o metodă de

modelare pentru funcționarea izolatoarelor compozite din rețelele de înaltă tensiune și că se

pot realiza analize ale defectelor întâlnite în rețelele C.N.T.E.E.TRANSELECTRICA S.A., în

conformitate cu planul de lucru pentru anul 2018.

ANEXA

Baza de date izolatoare compozit utilizate pe LEA Transelectrica

Extras

LEA 400 kV Bucati

Înlocuit (conturnări,

ruperi)

LEA 220 kV Bucati

Înlocuit (conturnări,

ruperi)

IPROEB 7349 15 5225 61

LAPP 114 8 6 0

Furukawa 941 0 554 0

EXIMPROD 6478 36 5436 9

Inabensa Pirelli 0 0 792 0

Cehia 321 0

0

Producător neidentificat 908 0 609 0

Total SEN 16111 59 12622 70

Nivel

tensiune Tip izolator compozit Bucati Producător

Izolatoare

defecte

înlocuite

400 kV CI-400-II-120-TT 2685 IPROEB 12

400 kV CI-400-II-120-TT-1550 267 IPROEB 1

400 kV CI-400-II-160-TT 981 IPROEB 2

400 kV CI-400-II-160-TT-1550 424 IPROEB 0

400 kV EPS 400-120 147 EXIMPROD 24

400 kV EPS-400-120-3517-25,50-

NN16 594 EXIMPROD 12

220 kV CI-220IV 120,SMS120kN 273 IPROEB 45

220 kV CI 220 II 120 BS 1350 IPROEB 13