estimarea continutului de apa din ulei si …midmit.elmat.pub.ro/media/part/raport simtech...
TRANSCRIPT
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.1/23
ESTIMAREA CONTINUTULUI DE APA DIN ULEI SI HARTIE CU
METODA CURENTILOR DE ABSORBTIE – RESORBTIE
(CABS)
(PROIECT MIDMIT 22080/2008)
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.2/23
2
CUPRINS
1. Introducere ..3
2. Sistemul de izolatie ulei – hartie ..3
2.1. Sistemul de izolatie ulei – hartie. Generalitati 3
2.2. Metode de monitorizare si diagnosticare a izolatiei transformatoarele
electrice de putere .6
3. Metoda CABS de monitorizare si diagnosticare a sistemelor de izolatie ..9
3.1. Conductia electrica a izolantilor 9
3.2. Fundamentele raspunsului dielectric –
- mecanisme de polarizare a izolantilor ..10
4. Raspunsul dielectricului 11
4.1. Raspunsul dielectricului in domeniul timp 11
4.2. Raspunsul dielectricului in domeniul frecventa ..12
5. Masurarea curentilor de absorbtie/resorbtie - probleme generale – .14
6.Analiza naturii si formei curentilor de absorbtie – resorbtie 15
6.1. Analiza in domeniul timp 15
6.2. Analiza in domeniul freceventa 18
6.3. Rezultate .19
7. Concluzii 21
8. Bibliografie 22
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.3/23
3
1.Introducere
Prin definitie, un sistem de izolatie reprezinta materialul electroizolant sau
ansamblul de materiale electroizolante aflate in contact direct cu partile conductoare ale
unui echipament electric (masina electrica, transformator, interuptor, contactor, cablu de
energie, isolator, etc.). Constructia si structura sistemelor de izolatie sunt legate, atat de
formele geometrice ale cailor conductoare, cat si de natura si starea fizica a materialelor
electroizolante. Materialele electroizolante sunt substante cu conductivitatea electrica
suficient de mica pentru a putea fi utilizate la separarea a doua piese conductoare cu
potentiale electrice diferite.
In constructia aparatelor electrice se utilizeaza marmura, ardezia, ebonite,
bachelita, hexaflorura de sulf, etc.
In cazul masinilor electrice de puteri mari, in realizarea sistemelor de izolatie, un
progress important l-a constituit aparitia hartiei de mica. Din hartie de mica si tesaturi de
sticla s-au realizat (cu rasini epoxi sau siliconice modificate) micabenzile, utilizate azi
(datorita rezistentei lor ridicate la actiunea descarcarilor partiale) in toate sistemele de
izolatie ale masinilor electrice de medie si inalta tensiune.
Hartiile, cartoanele si firele emailate impregnate cu uleiuri minerale raman inca
elementele de baza in fabricarea transformatoarelor de inalta si medie tensiune. Pentru
obtinerea hartiilor si cartoanelor se utilizeaza paste de lemn si de canepa, fibre
celulozice amestecate cu aramide, fibre de bumbac etc. Pentru fabricarea
condensatoarelor si a cablurilor de energie, in ultimii ani, hartia se inlocuieste cu filme
de polipropilena (PP) sau cu polietilena reticulate.
Avand in vedere importanta sistemelor de izolatie ale transformatoarelor de
putere, in cele ce urmeaza vom analiza sistemele de izolatie ulei – hartie
2. Sistemul de izolatie ulei – hartie
2.1. Sistemul de izolatie ulei – hartie.Generalitati
Izolatia solida
Materialele pe baza de celuloza au doua functii :
a) cresterea stabilitatii dielectrice a izolatiei in raport cu un strat de ulei de
grosime egala ;
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.4/23
4
b) mentinerea unei anumite distante intre suprafetele cu potentiale electrice
diferite .
Izolatia solida (hartie, prespan, transformerboard) folosita in transformatoare este pe
baza de celuloza.
Celuloza este o substanta macromoleculara naturala cu molecula liniara, un
hidrat de carbon polimer- (C6H10O5)n .Lanturile moleculare se grupeaza in micele
(tuburi subtiri) care se aranjeaza in acelasi mod, formand fibrile si apoi fibre celulozice.
Aceasta structura explica porozitatea (40÷50%) si absorbtia de apa foarte mare a
produselor pe baza de celuloza.
Hartia celulozica este un amestec de trei componente: polimer de celuloza cu o
ridicata greutate moleculara; semi-celuloza, co-polimeri de mica greutate moleculara;
lignina, care este un polimer aromatic. Degradarea hartiei este dependenta de mediul
ambiant si poate antrena degradarea hidrolitica, oxidativa si termica .
Oxidarea este procesul principal in degradarea hartiei . Sub actiunea oxigenului,
macromoleculele celulozei depolimerizeaza, lungimea lor scade si proprietatile
mecanice se inrautatesc . De asemenea, oxigenul favorizeaza reactiile chimice ale
celulozei cu apa, in urma carora creste numarul de grupari polare si se reduc
"proprietatile dielectrice".
Izolatia unui transformator incarcat in mod corespunzator, in exploatare, cand
temperatura lui este ridicata se mentine in bune conditii, fara masuri speciale .
Dimpotriva, izolatia unui transformator aflat in rezerva sau in stare de depozitare
absoarbe umiditatea din mediul ambiant . La temperaturi ale mediului ambiant in jur de
10 oC, continutul de umiditate din izolatia de hartie devine periculos pentru calitatile
izolante ale hartiei, cu toate ca uleiul are un continut redus de apa . De aceea se
impune controlul periodic al Riz a transformatoarelor din rezerva si alternarea lor in
functionare, astfel incat fiecare transformator sa stea in rezerva un timp cat mai scurt .
Rigiditatea dielectrica (Es) si rezistivitatea se reduc ca urmare a intensificarii
procesului de conductie electrica . Intr-adevar, in cazul umezirii corpurilor,purtatorilor de
sarcina uzuali (ioni, electroni, etc.) li se adauga purtatori aditionali : ioni rezultati din
disocierea impuritatilor continute in apa sau a impuritatilor solubile din materialul
propriuzis, ioni de hidrogen si oxigen rezultati din disocierea apei, molecule ale
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.5/23
5
dielectricului, grupe de molecule de apa incarcate cu sarcina electrica (a caror miscare
sub actiunea campului electric este, in esenta, o electroforeza lenta a fazei solide ) etc.
Umiditatea contribuie, de asemenea, la inrautatirea caracteristicilor mecanice,
indeosebi a rezistentei la tractiune, a alungirii la rupere, etc . Si in acest caz,efectul
umiditatii este mai important pentru corpurile impure sau in cazul in care apa contine
impuritati solubile .
Umiditatea modifica tensiunea de aparitie a descarcarilor electrice prin eliberarea
hidrogenului si oxigenului (ca urmare a electrolizei apei), formandu-se bule de gaz care
se dezvolta continuu pana ajung suficient de mari pentru ca in ele sa se produca PD la
tensiuni mai reduse decat in cazul materialului uscat.
Izolatia lichida
Uleiul are functia de izolant si, de asemenea, functia de a transfera caldura catre
bateria de racire. In timpul exploatarii uleiul de transformator imbatraneste, pierzandu-si,
in raport de conditiile de lucru, calitatile dielectrice si unele proprietati fizico- chimice.
Un factor care reduce calitatile uleiului in decursul exploatarii il formeaza
contactul dintre ulei si aerul din atmosfera (care contine oxigen si umiditate). Dupa cum
se stie, rezultatul oxidarii uleiului electroizolant este formarea de acizi si de noroiuri
(sludge). Noroiul produs se vor depune pe cuva transformatorului incetinind procesul de
racire. Noroiul actioneaza ca o bariera intre ulei si sistemul de racier, precum si intre
miez si infasurari si sistemul de racire. Uneori, noroiul poate bloca circulatia uleiului prin
radiatoare. Ca rezultat, izolatia transformatorului si infasurarile devin prea calde si pot
apare defectiuni.
Caracteristicile electrice ale uleiului sunt influentate de continutul de apa care se
poate gasi sub doua forme in ulei : forma de apa libera ( emulsie sau suspensie) si
forma de solutie ( apa de compozitie) sau absorbita chimic, existand intre cele doua
elemente legaturi electrostatice . S-a constatat ca apa continuta sub forma de solutie nu
are o influenta sensibila asupra rigiditatii dielectrice, in schimb, apa libera continuta in
ulei provoaca o scadere simtitoare a proprietatilor dielectrice. Sub actiunea campului
electric, moleculele uleiului disociaza, rezultand apoi produse insolubile in ulei .
Produsele care sunt insolubile in ulei (gudroanele) nu modifica proprietatile esentiale ale
acestuia ; ele se depun pe suprafetele infasurarilor acestora si ale cuvelor, ingreunand
procesul de racire a transformatoarelor.
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.6/23
6
Cantitatea de umiditate care poate fi dizolvata in ulei creste rapid odata cu
cresterea temperaturii uleiului. Uleiul absoarbe mai multa umiditate la temperatura
ridicata. Oricum, daca uleiul electroizolant este racit, creste continutul de apa libera
ceea ce provoaca, asa cum s-a amintit mai sus, o scadere simtitoare a proprietatilor
dielectrice.
2.2. Metode de monitorizare si diagnosticare a izolatiei transformatoarele electrice
de putere
Starea izolatiei tranformatoarelor si continutul de umiditate din izolatia acestora
pot afecta proprietatile electrice, mecanice si chimice ale izolatiei. Asa incat, metodele
electrice, mecanice si chimice de diagnosticare pot fi folosite pentru analizarea conditiei
izolatiei transformatorelor.
Tehnici chimice de diagnosticare
Analiza cromatografica a gazelor dizolvate in ulei (DGA) – una dintre cele mai
utilizate metode pentru monitorizarea conditiei transformatoarelor, pentru ca este
nedistructiva si nu presupune retragerea din exploatare a echipamentului monitorizat.
Gradul de polimerizare (DP) – defineste conditia izolatiei solide, fiind masura
medie a lungimii lanturilor moleculare din celuloza. O valoarea de 150 reprezinta o
izolatie degradata, iar o valoare de 1200 reprezinta o izolatie foarte buna. Un mare
dezavantaj il reprezinta necesitatea folosirii esantioanelor de hartie din transformator.
Analiza cromatografica a patrunderii gelului (GPC) - ne confera detalii despre
distributia greutatii moleculare a polimerului. GPC este o tehnica cromatografica care
foloseste un foarte poros, neionic, gel granulat pentru separarea polimerilor
polidispersati . Cu GPC se separa moleculele polimerilor pe baza volumului lor
hidrodinamic . Celuloza necesita anumiti solventi . Datorita acestui lucru, pentru
masuratorile GPC, materiale pe baza de celuloza trebuie derivate, pentru a spori
solubilitatea lor in acesti solventi . In acest scop a fost preparata celuloza tricarbanilate
derivata, prin metoda lui Evans. Si aceasta metoda necesita prelevarea de probe de
hartie din transformator. Distributia greutatii moleculare a celulozei tricarbanilate a fost
determinata folosind cromatograful Waters, echipat cu un detector de absorbanta, cu
lungime de unda variabila. Patru coloane cromatografice au fost utilizate, in serie, in
cromatograf, cu tetrahydrofuran (THT) ca eluent . Masuratorile au fost efectuate
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.7/23
7
utilizand absorbanta la 236 nm, iar profilul elutiei a fost achizitionat cu un calculator.
Profilele elutiei au fost transformate in distributii ale greutatii moleculare folosind
etalonarea bazata pe limita standardelor distributiei greutatii moleculare a polistirenei .
Analiza cromatografica a componentelor furanice din ulei (HPLC) – se utilizeaza
pentru a masura concentratia componentelor furanice (5-hidroximetil 2-furfural, alcool 2-
furfurilic, 2-furfural şi 5-metil 2-furfural) din ulei. P.J Burton, et. al. [2], a gasit,
experimental, ca atunci cand concentratia de furfural este aproximativ 1.5 mg/l pot
apare defecte. O concentratie peste 1 mg/l, de exemplu, indica defect in izolatia solida
si supraincalzirea uleiului. HPLC este o metoda esentiala care trebuie inclusa in orice
laborator de analize chimice ce deserveste sectorul energetic.
Metode mecanice
Masurarea rezistentei de rupere la tractiune a hartiei – este o unealta pentru
determinarea rezistentei izolatiei de hartie folosite. Pe masura ce imbatraneste izolatia,
proprietatile mecanice se reduc, iar rezistenta la rupere este un parametru extrem de
util in determinarea starii izolatiei. Dar, si aici, este nevoie de un esantion din izolatia de
hartie
Metode electrice
1. Determinarea tangentei unghiului de pierderi dielectrice ;
2. Determinarea rigiditatii dielectrice la frecventa industriala si la impuls ;
3. Detectarea si masurarea descarcarilor partiale (PD) – este o metoda extrem de utila
pentru identificarea defectelor eminente din transformatoarele de putere. Descarcarile
electrice partiale (PD) sunt descarcarile electrice locale si nedisruptive care apar in
cavitatile ( vacuolele ) cu gaz din izolatiile solide, in zonele de contact ale izolatiilor cu
partile conductoare si in bulele de gaz din lichidele electroizolante. Aceste descarcari se
caracterizeaza prin :
a) durata foarte mica a impulsurilor de descarcare ( 10-8 s) ;
b) in cazul campurilor neuniforme, dar al celor uniforme, traseul PD nu
este identic cu acela al liniilor de camp electric care le produce ;
c) descarcarea nu se produce in intreg volumul cavitatii, ceea ce explica
denumirea de descarcari partiale ;
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.8/23
8
d) sarcina transportata este foarte redusa (de ordinul pC-lor) .
Cea mai generala clasificare a descarcarilor electrice, acceptata in prezent
evidentiaza : descarcari interne (incluzand si descarcarile in arborescentele interne ale
dielectricilor), descarcari superficiale si descarcari corona Actiunea descarcarilor poate
fi caracterizata prin urmatoarele efecte :
a) ridicarea temperaturii gazului (prin ciocnirile purtatorilor de sarcina cu
moleculele gazului) ;
b) erodarea peretilor cavitatilor ;
c) aparitia unor radiatii ultraviolete si radiatii X ( ca urmare a excitarii
atomilor si recombinarii purtatorilor);
d) initierea si/sau activarea unor reactii chimice de descompunere a
macromoleculelor izolatiilor, etc..
Degradarea unui izolant sub actiunea PD cuprinde trei faze . In faza initiala se
constata o eroziune lenta, apar smulgeri de particule din peretii vacuolelor si produse de
descompunere a izolantului care determina o autostingere a descarcarilor . Faza a doua
incepe odata cu propagarea descarcarilor in interiorul izolantului si formarea unor cai
conductoare, in zona de solicitare maxima . In sfarsit, in cazul in care campul electric la
extremitatea unei cai depaseste rigiditatea dielectrica a izolantului se produce o
strapungere locala care, in anumite conditii, poate conduce la o strapungere completa .
Metoda raspunsului dielectric
In cadrul masurarii raspunsului dielectric este masurat curentul de relaxare al
izolatiei dupa aplicarea unui puls de joasa frecventa sau in curent continuu. Metodele
din aceasta familie sunt orientate spre determinarea continutului de umiditate din
izolatie. Si nu numai atat, mergand si spre determinarea starii izolatiei sau mai correct,
spre determinarea stadiului imbatranirii izolatiei. Masuratorile pot fi facute atat in
domeniul timp cat si in domeniul frecventa.
Masurarea curentilor de absorbtie/resorbtie (CABS) – prin care se aplica o
tensiunea continua pe partea de inalta tensiune, masurandu-se curentul pe partea de
joasa tensiune. In continuare vom prezenta bazele acestei metode de diagnosticare a
sistemelor de izolatie, estimandu-se si gradul de imbatranire al acestora.
Masurarea tensiunii de resorbtie (RVM) – prin care se determina spectrul de
polarizare pentru incarcarea in c.c. si descarcarea izolatiei. Ca rezultat al evaluarii starii
izolatiei, se obtin doua aspecte : unul privitor la calitatea izolatiei si altul ce estimeaza
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.9/23
9
continutul relativ de apa . Principiul masuratorii este simplu, aplicand o tensiune
continua echipamentului de incercat, pentru o anumita perioada de timp, apoi se
descarca circuitul pentru o perioada egala cu jumatatea timpului de incarcare, dupa
care se masoara tensiunea la bornele circuitului deschis.
Spectroscopia in domeniul frecventa (FDS) – in cadrul careia este aplicat un
semnal sinusoidal pe partea de inalta tensiune si se masora un current pe partea de
joasa tensiune, cuva legandu-se la masa. Este folosita o frecventa de la 0.0001 Hz
pana la 1 Hz (sau chiar mai multa, pana la 1000Hz), iar tensiunea pana la 220 V.
3. Metoda CABS de monitorizare si diagnosticare a sistemelor de izolatie
Starea izolatiei si continutul de umiditate din izolatia masinilor electrice pot
afecta proprietatile electrice, mecanice si chimice ale izolatiei.
Metoda analizei raspunsului dielectric, in speta metoda curentilor de absorbtie-
resorbtie este o unealta utila pentru evaluarea starilor sistemelor de izolatie.
3.1. Conductia electrica a izolantilor
Procesul de conductie electrica in izolanti, in general, si in sistemele de izolatie,
in special, este mult mai complex decat cel din metale sau semiconductori.
Exista numeroase modele referitoare la mecanismele de conductie, dar care sunt
(cel mult) valabile doar pentru unul sau un grup (redus) de materiale electroizolante.
Construirea unei teorii generale a conductiei electrice este si mai dificila in cazul
campurilor electrice neuniforme si variabile in timp.
In functie de natura purtatorilor de sarcina, in izolanti se evidentiaza trei
mecanisme de conductie electrica :
a) conductia electronica ;
b) conductia ionica (electrolitica) ;
c) conductia molionica .
Conductia electronica se datoreaza deplasarii electronilor liberi (generati prin
effect fotoelectric, prin ionizarea impuritatilor sau prin injectie de sarcina) in interstitiile
retelelor si/sau electronilor legati (‘’golurilor’’) prin salt intre ionii aceluiasi element (de
aceeasi valenta si/sau de valente diferite).
Conductia ionica se datoreaza deplasarii ionilor pozitivi si negativi, proprii si/sau
de impuritati, aflati in interstitiile si/sau in nodurile retelelor cristaline.
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.10/23
10
Conductia molionica se datoreaza deplasarii ionilor moleculari (molionilor) sau
a unor grupe de molecule ionizate. Acest mecanism se intalneste, mai ales, in izolantii
amorfi sau lichizi si prezinta importanta in sistemele coloidale, respective in cazul
contactelor izolant solid-ulei (din transformatoare) sau al suprafetelor izolantilor solizi
acoperiti cu vaselina, grasimi etc.
In general, materialele electroizolante uzuale prezinta, atat conductie ionica, cat
si electronica.
3.2. Fundamentele raspunsului dielectric – mecanisme de polarizare a izolantilor
In cadrul metodei raspunsului dielectric este masurat curentul de relaxare al
izolatiei dupa aplicarea unui impuls de tensiune continua.
Dielectricii sunt materialele care se polarizeaza electric prin actiunea campurilor
electrice stabilite din exterior, prin solicitari mecanice (piezoelectricitatea) sau termice
(piroelectricitatea). Materialele polare au permitivitatea relativa mai mare decat cele
nepolare, iar lichidele polare au rε mai mare decat solidele polare.
Polarizatia electrica in dielectrici poate fi produsa prin diferite mecanisme,
putand deosebi urmatoarele clase fundamentale de polarizatii electrice :
Polarizatia electronica, care corespunde deformarii invelisurilor electronice ale
atomilor (ionilor) corpului;
Polarizatia ionica care este polarizatie electrica de deformare, ca si cea
electronica. Corpurile polarizate ionic prezinta si polarizatie electronica, totusi polarizatia
ionica este adesea dominanta;
Polarizatia de orientare se realizeaza in corpurile care au molecule polare (cu
moment electric permanent), prin rotirea acestora in campul electric exterior;
Polarizatia de neomogenitate este o polarizatie electrica echivalenta, definita in
corpurile neomogene, in care suprafetele de separare a partilor omogene se incarca
electric la stabilirea unui camp electric exterior.
Nu toate materialele dielectrice prezinta toate mecanismele de polarizare
enumerate. Mecanismele de polarizare sunt caracterizate de constante de timp
specifice, care pot diferi. Deasemenea, mecanismele de polarizare sunt influientate
diferit de temperatura.
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.11/23
11
Mai sunt si alte tipuri de materiale dielectrice, cum sunt, de exemplu, electretii
care prezinta polarizare permanenta ca urmare a unui tratament de natura neelectrica.
Un alt grup de materiale dielectrice il reprezinta cele feroelectrice care sunt puternic
neliniare, dependenta inductiei electrice functie de intensitatea campului electric, fiind
asemanatoare dependentei inductua magnetica de intensitatea campului magnetic.
4.Raspunsul dielectricului
4.1. Raspunsul dielectricului in domeniul timp
Presupunem ca materialul dielectric este liniar, omogen, izotrop si nemagnetic.
Daca dielectricul se afla intr-un camp )(tE , acesta se polarizeaza, asa cum am amintit
mai sus, iar expresia inductiei electrice este :
)()()( 0 ttt PED += ε (4.1)
In multe cazuri, polarizatia este proportionala cu intensitatea campului electric.
Aceasta este asa numita polarizatie liniara.
Fig.4.1. Polarizarea/depolarizarea unui dielectric expus unui impuls de tensiune
Daca la momentul 0 stabilim un cam electric, polarizatia variaza in timp ca in
fig.4.1, procesul de polarizare cuprinzand doua parti – o parte reprezentand un proces
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.12/23
12
rapid de polarizare si a doua reprezentand un proces lent de polarizare. Partea rapida
urmareste campul electric aplicat, in timp ce partea lenta este construita dintr-o
integrala de convolutie dintre campul electric aplicat si o functie numita functia de
raspuns in timp a dielectricului. Functia de raspuns reprezinta intarzierea sau efectul de
memorie, caracteristic dielectricilor, reprezentand baza de calcul pentru toate metodele
folosite pentru determinarea raspunsului dielectricului. Polarizatia electrica poate fi
scrisa astfel :
:
lentaepolarizati
o
rapidaepolarizati
ee dtftttt
)()()()()()( 00 ∫ −+=∆+= τττεχεχε EEPEP (C/m2) (4.2)
Densitatea de curent totala )(tJ printr-un material dielectric intr-un camp electric
)(tE poate avea urmatoarea expresie :
polarizare de total
0conductie de
)()()()1()()(
curent
t
eo
curent
dtftt
tt
−++∂
∂+= ∫
∞
τττεχεσ EEEJ (A/m2) (4.3)
Dupa cum rezulta din ecuatia (4.3), atat conductivitatea σ , cat si componenta de inalta
frecventa a permitivitatii relative ∞ε si functia de raspuns f(t) vor caracteriza
comportarea materialului dielectric. Aceasta ofera, in domeniul timp, posibilitatea ca la
aplicarile unui camp electric si masurarea densitatii de curent sa se determine
parametrii care caracterizeaza materialul.
4.2. Raspunsul dielectricului in domeniul frecventa
Ecuatia (4.2) se poate scrie si sub forma:
)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)(ˆ)( 000 tftttt ee EEPEP ϖεχεχε +=∆+=)
(C/m2) (4.4)
Convolutia integrala ce descrie procesul de polarizatie lenta in domeniul timp va
deveni, in domeniul frecventa, un produs. Aceasta importanta simplicare poate usura
calculele, acestea efectuandu-se mult mai rapid. Acum susceptivitatea electrica,
dependenta de frecventa, este definite astfel ;
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.13/23
13
∫∞
−=−=0
)()('')(')(ˆ dtetfitiωωχωχωχ (4.5)
Partile imaginare si reale ale susceptibilitatii electrice complexe )(ˆ ωχ pot fi definite in
felul urmator :
∫
∫∞
∞
=
=
0
0
)sin()()(''
)cos()()('
dtttf
dtttf
ωωχ
ωωχ
(4.6)
Densitatea totala de current )(ωJ intr-un material dielectric supus unui camp electric
)(ωE poate fi exprimata astfel :
=−+++= ))(ˆ))('')('()(ˆ()()(ˆ)(ˆ 000 ωωχωχεωχεωωωεωσω EEEEJ iii e
)(ˆ)()(1
rezistiva
edielectric
''
conductie de capacitiva
'0 ωωχ
ωεσ
ωχχωε E
+−++=
parte
pierderipierderi
oparte
e ii (4.7)
Termenul din partea dreapta a relatiei (1.6.7) are o parte in faza cu )(ωE si o
parte defazata cu 90 grade inaintea campului electric )(ωE . Partea care este in faza cu
intensitatea campului este asociata pierderilor de energie in dielectric. Partea care este
defazata cu 90 grade inaintea campului electric este asociata incarcarii cu sarcina a
condensatorului care contine dielectricul analizat. Cu ajutorul (4.7) se poate defini
permitivitatea relativa complexa si componentele sale :
+=
++=⇒−=
)('')(''
)('1)('
)(ˆ))('')('()(ˆ
0
0
ωχωεσ
ωε
ωχχωεωωεωεωεω
e
EiiJ (4.8)
Din ecuatia (4.8) rezulta ca atat conductivitatea σ , cat si componenta de inalta
frecventa a permitivitatii relative ∞ε si susceptivitatea )(ωχ pot caracteriza comportarea
materialului dielectric in domeniul frecventa. Aceasta ecuatie ne arata ca, asa cum este
posibil in domeniul timp, se pot efectua masuratori in domeniul frecventa care pot
caracteriza materialul. In ipoteza ca materialul este liniar, omogen si isotrop, informatiile
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.14/23
14
obtinute in domeniul timp si in domeniul frecventa sunt identice. Informatiile obtinute
intr-unul dintre domenii pot fi transferate in altul.
5. Masurarea curentilor de absorbtie/resorbtie - probleme generale –
Masurarea curentilor de absorbtie/resorbtie este o metoda, in domeniul timp,
pentru investigarea procesului lent de polarizare, definit mai sus, in materialele
dielectrice. Presupunem ca obiectul supus incercarii este descarcat de sarcina si se
aplica un puls de tensiune definit astfel :
>
≤≤
<
=
c
c
t
tttU
t0
tU
t t0
)( oc
o
(5.8)
Pentru ctt ≤≤ot apare asa numitul curent de absorbtie care are patru
componente. Una reprezinta curentul de incarcare, a doua este datorata conductiei
obiectului supus testarii, a treia parte reprezinta curentul de sarcina spatiala, iar a patra
parte apare datorita declansarii diferitelor procese de polarizare. Curentul de absorbtie
se poate exprima astfel :
cca ttUCtftti ≤≤
++= ∞ o 0
0
tpentru )()()( δεεσ
(5.9)
unde Co este capacitatea geometrica a obiectului supus testului, iar )(tδ este functia
impuls ce are originea la t=t0. Imediat dupa polarizare , se poate masura curentul de
resorbtie (descarcare), deconectand sursa si scurtcircuitand obiectul supus incercarii
(fig.6.1). In acord cu principiul suprapunerii si neglijand termenul al doilea din ecuatia
(5.2), vom avea pentru )( 0 cTtt +≥ :
[ ])()(0 ccr TtftfUCi +−−= (5.10)
Acest curent este de polaritate opusa curentului de absorbtie. Al doilea termen din
ecuatia (5.3) poate fi neglijat daca Tc este mare. Asfel curentul de resorbtie devine
direct proportional cu functia de raspuns f(t).
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.15/23
15
6. Analiza curentilor de absorbtie – resorbtie
6.1. Analiza in domeniul timp
Fig.6.1. Variatia in timp a curentilor de absorbtie-resorbtie
Considerand modelul Curie-von Schweidler pentru functia de raspuns (5.6) si
luand in consideratie ecuatiile (5.9) si (5.10) vom obtine curbe ale curentilor de
absorbtie/resorbtie ca in fig.6.1. Din ecuatia (5.10) se observa ca, pentru intervale mari
de timp in care se aplica o tensiune continua, curentul de resorbtie devine :
c
rcr
UC
itftfUCi
0
0 )( )( =⇒= (6.1)
de unde determinam functia de raspuns f(t).
In practica, curentii de absorbtie si resorbtie sunt masurati prin tehnica schitata in
fig.6.2 .
Fig.6.2. Schema de principiu a instalatiei de masurare a curentilor de absorbtie
si/sau resorbtie
iabs(t)
t
ires(t)
t0 tc
Uc
Tc
UC
Electrometru
i abs i res
Obiect de testat
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.16/23
16
Inainte de efectuarea calculelor, curentul de absorbtie ia(t), masurat la o
temperatura t, a uleiului electroizolant, se va raporta la temperatura de 20 oC, iacor(20),
dupa cum urmeaza :
undeprimeledupaetii
undeprimeleetii
OoB
OoB
TtTk
E
arcora
TtTk
E
arcora
sec 10 ,)()20(
sec 10 pentru ,)()20(
1
20
1
,
1
20
1
.
1
2
+−
+−
+−
+−
=
= (6.2)
unde E1 – energia de activare complexa (0.8*1.6E-19 eV), E2 – energia de activare a
uleiului (0.7*1.6E-19 eV), kB – constanta Boltzmann (1.380662E-23 J/K), To – 273.15 K .
In decursul masuratorilor, geometria izolatiei, proprietatile acesteia, precum si
produsii de imbatranire au un rol important .
A
ε1 x
ε2 1-x
a.Capacitati in serie b. Modelul serie
Fig.6.3. Modelul geometric simplificat Modelul geometric simplificat pentru principalele componente (ulei, hartie) este
ilustrat in figura 6.2.. Modelul poate fi descris, din punct de vedere electric, prin
raspunsul f(t) in domeniul timp, sau de susceptivitatea )(ωχ si conductivitatea σ in
domeniul frecventa.
Fig. 6.4. Schema electrica a modelului considerat
Hartie
Ulei
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.17/23
17
Uleiul electroizolant tinde sa influienteze partea de inceput a curentului de
absorbtie (in aceasta idée am corectat curentul de absorbtie pentru primele 10 secunde,
luand in consideratia numai energia de activare a uleiului electroizolant). Partea initiala
a curentilor de absorbtie/resorbtie va fi influientata de schimbarile in conductivitatea
uleiului. Conductivitatea uleiului se calculeaza din valoarea initiala a curentului de
absorbtie. Din figura 6.3 si figura 6.4 vom avea:
A
xR
CC
CUU
u
u
uh
h
Cu
σ−
=
+=
1, (6.3)
unde A – aria armaturii condensatorului, x – grosimea stratului de hartie. Prima valoare
a curentului de absorbtie este:
AUR
UI
u
ruc
u
u
a εε
σ==+)0( , (6.4)
unde εu, εr – permitivitatea uleiului, respectiv permitivitatea rezultanta. Din ecuatia (6.4)
se poate scrie conductivitatea uleiului, astfel:
)0( += a
cor
uo
u IUCεεε
σ , (6.5)
unde Co – capacitatea geometrica (Co=εoA), εo – permitivitatea vidului.
Stiind ca :
hu
rouohohCC
A
x
A
x
AC
11
C
1 ,
1 C ,
1C , u +==
−== εεεεεε , (6.6)
rezulta ca permititatea relative rezultanta este:
[ ]hu
uh
rxx εε
εεε
)1( −+= , (6.7)
Considerand ca dupa intervale mari de timp de aplicare a tensiunii Uc se
stabileste curentul de conductie, iar valoarea curentului de absorbtie stability poate fi
raportat la conductivitatea hartiei, vom avea:
o
rcoa UCfinalIεσ
=)( , (6.8)
In conditiile in care σu >>σp, si luand in consideratie urmatoarele:
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.18/23
18
oprro RRR ,1
R ,)1(
1R , +==
−==
AAxA
xR
rop
p σσσ, (6.9)
rezulta conductivitatea rezultanta:
pu
up
rxx σσ
σσσ
)1( −+= , (6.10)
iar ecuatia (6.7) se poate rescrie:
xUCfinalI
o
h
coa εσ
=)( , (6.11)
Si conductivitatea hartiei este:
co
ao
hUC
finalxI )(εσ = , (6.12)
Dupa efectuarea calculelor vom obtine o conductivitate a uleiului eletroizolant si
una a hartiei. Avandu-le, vom determina constantele de timp corespunzatoare ale
hartiei si ale uleiului, dupa cum urmeaza:
h
ho
u
uo
uT σεε
σεε
== hT , , (6.13)
si, tinand cont de rezultatele obtinute in laborator in ceea ce priveste dependenta
Tu,h=f(wu,wh), se determina continuturile de apa din uleiul electroizolant wu si din hartia
wh fiecarui transformator supus masuratorilor curentilor de absorbtie/resorbtie.
6.2. Analiza in domeniul frecventa
Avand raspunsul numeric al functiei de raspuns din relatia (6.1), se determina
componentele reala si imaginara ale susceptivitatii electrice complexe cu relatiile (4.6).
Apoi se determina componentele reala si imaginara ale permitivitatii rezultante
complexe cu relatiile (4.8). Considerand ca:
'''''' , , εεεεεεωε
σεε jjj hh
o
u
ru −=−=−=rhu
, (6.14)
si folosind ecuatia (6.7), in complex, se determina componentele imaginara si reala a
permitivitatii complexe a hartiei. Tinand cont de rezultatele de laborator in care avem
déjà dependentele : wu=f(εu’’), wh=f(εh
’, εh’’), atunci vor rezulta valori ale continutului de
apa din uleiul electroizolant si din hartia fiecarui transformator supus masuratorilor
curentilor de absorbtie/resorbtie.
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.19/23
19
6.3. Rezultate
Continutul de umiditate si conductivitatea izolatiei solide au un rol determinant
asupra formei si amplitudinii curentilor dupa un interval de timp mai mare. Pentru
curentul de absorbtie, o valoare initiala cat mai mica implica o calitate mai buna a
izolatiei.
La transformatoarele din exploatare, imbatranirea conduce la cresterea
conductivitatii. Oricum, forma fara curbura a curbei curentului conduce la concluzia
inrautatirii calitatii izolatiei, pe langa continutul ridicat de umiditate din izolatia solida.
Diferenta dintre curentul de absorbtie si resorbtie o reprezinta curentul de
conductie, care in mod normal se raporteaza la contaminarea izolatiei. Daca valorile
initiale ale curentilor de absorbtie si resorbtie sunt foarte apropiate sau chiar egale,
inseamna ca izolatia este mai putin contaminata decat in cazul transformatoarelor la
care curentii de absorbtie si resorbtie nu sunt egali sau foarte apropiati.
Din curba curentului de resorbtie se determina functia de raspuns pentru fiecare
sistem de izolatie. S-a dezvoltat un pachet software pentru determinarea functiei de
raspuns in functie de curentul de resorbtie, apoi si pentru determinarea conductivitatii,
pentru ca este cunoscut si curentul de absorbtie. Stiind ca functia de raspuns este
proprie fiecarui dielectric, pe baza experimentelor de imbatranire accelerata realizate in
laborator s-a realizat legatura intre gradul de imbatranire si functia de raspuns.
Transformatorul
Putere S [MVA]
Tensiuni
U1/U2 [kV/kV]
Grupa de conexiuni
Anul punerii in functie
T1 16 110/20 Ynd-11 1974
T2 16 110/20 Ynd-11 1974
T3 25 110/6 Ynd-11 1975
T4 25 110/6 Ynd-11 1977
T5 16 110/20 Ynd-11 1975
T6 16 110/20 Ynd-11 1975
Tabelul 1 In tabelul 1 sunt prezentate datele generale ale 6 transformatoare electrice de
putere din RED (reateaua electrica de distributie), iar in tabelul 2 sunt prezentate datele
obtinute prin aplicarea metodei CABS la aceste 6 transformatoare.
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.20/23
20
Nr. Crt.
Starea izolatiei determinate prin CABS
T1 T2 T3 T4 T5 T6 Limite
Rezistenta de izolatie Riz [MΩ] at 1 min
1085 782 910 1441 1350 2409 Rizmin= 600
Indice de polarizare Ip=I60/I600 1.6 1.42 3.05 3.08 1.8 3.85 Ipmin=2
tanδ [%] at 50 Hz 0.286 0.7 0.5 0.4 0.33 0.48 tanδ max = 2.5
Conductivitatea uleiului [pS/m] 2.72 4.92 4.98 2.19 6.09 1.09 max = 16
Conductivitatea hartiei [pS/m] 0.169 0.476 0.0535 0.0553 0.165 0.019 max = 0.024
TD 9 10 13 8.5 18 5.3 woilmax = 15 Umiditate in oil [ppm]
FD 10 11 13 9 19 6 woilmax = 15
TD 2.4 2.8 1.7 2.3 1.8 1.1 wpmax = 2.5
1.
Umiditate in hartie [%]
FD 3.5 4 2.5 2.4 3 1.1 wpmax = 2.5
TD – time domain; FD – frequency domain;
Tabel 2. Rezultate ale caracteristicilor uleiului si hartiei, calculate cu metoda CABS
pentru conexiunea realizata intre infasurarile de inalta (HV) si joasa tensiune (LV)
Fig. 2. Curentii de absorbtie/resorptie pentru transformatoarele T1VT6.
In figura 2 sunt prezentate variatiile in timp ale curentilor de absorbtie/resorptie
pentru cele 6 transformatoare incercate.
Analizand valorile caracteristicilor sistemelor de izolatie ale transformatoarelor incercate
obtinute cu metoda CABS si comparandu-le cu valorile admisibile recomandate de
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.21/23
21
diferite norme s-au tras concluzii privind starea de imbatranire a izolatiilor si s-au facut
recomandari privind intretinerea si mentinerea acestora in functiune (Tabelul 2).
Determinarea continutului de apa din din hartie s-a efectuat pe baza
raspunsurilor sistemelor de izolatie ale transformatoarelor de putere, in domeniul
frecventa. Se constata ca, cu exceptia transformatorului T6, in toate celellalte cazuri
valorile umiditatii din hartie depasesc valoarea maxima admisibila (2.5 %). Evident,
dupa tratarea uleiului electroizolant, aceste valori vor scadea.
Cu exceptia transformatorului T6, toate transformatoarele prezinta un continut de
umiditate, atat in ulei (peste 8 ppm), cat si in hartie (peste 1,7 %), relativ important
(peste medie). Cum apa faciliteaza procesul de degradare a hartiei, se recomanda
tratarea uleiului electroizolant (T6) sau tratarea intregului sistem de izolatie (T1...T5).
Pe de alta parte, valorile continutului de umiditate din ulei sunt foarte mari in
cazul transformatoarelor T3 (wo = 13 ppm) si T5 (wp = 19 ppm). De asemenea, in cazul
acestor transformatoare si coeficientul de conductivitate are valori foarte mari, apropiate
de valorile maxime (corespunzatoare unui sistem de izolatie cu grad de imbatranire
ridicat). In consecinta se impune o tratare urgenta a sistemelor de izolatie ale acestora.
Din analiza valorilor factorului de pierderi rezulta ca, in general, acestea sunt cu
mult inferioare limitelor admisibile, respectiv ca nu s-au produs inca degradari sau
contaminari importante ale uleiului de transformator in transformatoarele testate.
Aceasta stare este confirmata si de valorile conductivitatii uleiului, care sunt relativ
reduse in cazul transformatoarelor T1, T4 si T6 (sub 2,75 pS/m) si mai mari in cazul
transformatoarelor T2, T3 si T5 (unde σo = 6,01 pS/m).
Valorile conductivitatii hartiei depasesc valoarea limita admisibila (σpmax = 0,024
pS/m) pentru primele 5 transformatoare (doar in cazul lui T6, valoarea lui σp este
inferioara valorii maxime). Aceasta indica faptul ca, probabil, izolatia din hartie a suferit
o degradare termica importanta.
7. Concluzii
Metoda curentilor de absorbtie/resorbtie (CABS) este o metoda nedistructiva, iar
masurarea, achizitionarea si prelucrarea curentilor cu ajutorul echipamentului ID – 1000
este facila (acesta avand o masa redusa si fiind dotat cu o sursa de tensiune continua
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.22/23
22
variabila de 2 kV [14]), atat pe esantioane din hartie si/sau ulei (in laboratoare), cat si pe
izolatia hartie/ulei din transformatoarele de putere (in situ).
Din analiza variatiei curentilor de absorbtie/resorbtie se obtin informatii privind
valorile unui important numar de parametri care caracterizeaza starea de imbatranire a
sistemelor de izolatie, valori foarte apropiate de cele masurate. Pe de alta parte, softul
utilizat permite si calculul estimativ al rezervei de durata de viata a sistemelor de
izolatie, luand in considerare viteza relativa de consumare a vietii izolatiei (conform CEI
60076 – 7).
Softul realizat permite si stocarea rezultatelor masuratorilor si a celor calculate si
compararea noilor rezultate cu cele corespunzatoare incercarilor precedente sau in
fabrica. Din acest motiv, echipamentul ID-1000 este un instrument foarte util si pentru
monitorizarea starilor sistemelor de izolatie ale transformatoarelor de putere.
8. Bibliografie
[1] T.K.Saha, 2003, Review of Modern Diagnostic Techniques for Assessing Insulation
Condition in Aged Transformers, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical
Insulation, Vol.10, No. 5, pp. 903 -917.
[2] R.Schwarz, M. Muhr, 2008, Measurement Techniques for Transformer Diagnostic,
Proceedings of 2008 International Symposium on Electracal Insulating Materials,
September 7-11, Yokkaichi, Japan, pp.326 – 329.
[3] X.Zhang, E.Gochenbach, 2008, Asset-Management of Transformers Based on
Condition Monitoring and Standard Diagnosis, IEEE Electrical Insulation Magazine,
Vol. 24, No.4, pp.26 – 40.
[4] S.M. Gubanski, e.a., 2002, Dielectric Response Methods for Diagnostics of Power
Transformers, ELECTRA, No. 202, pp. 25 – 36.
[5] S.A.Blumiwat, 2004, The Latest On-Site Non-Destructive Technique for Insulation
Analysis of Electrical Power Apparatus, Proceedings of 2004 Weidmann-ACTI
Annual Technical Conference, November 8-10, Sacramento, USA, pp.KEA1-KEA4.
[6] T.K.Saha, P.Purkait, v2004, Investigation of Polarization and Depolarization Current
Measurements for the Assessement of oil-paper Insulation of Aged Transformers,
IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol.11, No. 1, pp. 144 -
154.
Denumire document : Estimarea continutului de apa cu CABS
SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari : -----------------
Pag.23/23
23
[7] M.Koch, S.Tenbohlen, 2005, Diagnostics of Oil-Paper-Insulations Using Relaxation
Currents, Proceedings of the XIVth International Symposium on High Voltage
Engineering, August 25-29, Beijing, China, Paper H-45, pp.1-6.
[8] A. Helgeson, U. Gafvert, 1998, Dielectric Response Measurements in Time
and Frequency Domain on High Voltage Insulation with Different Response,
Proceedings of International Conference on Properties and Applications of
Dielectric Materials (ICPADM), Toyohashi, Japan, pp. 393- 398.
[9] P. V.Notingher, Cristina Stancu, L.M. Dumitran, P. Notingher jr., Aleksandra
Rakowska, K. Siodla, 2008, Influence of the Ageing State of Insulation Systems on
Absorption/Resorption Currents, Revue Roum. Sci. Tech. - Electr. Et Energ., Vol.
53, No. 2, pp. 163-178.
[10] M. Abou Dakka, A. Bulinski, S. Bamji, 2005, Correlation between dc Polarisation
and Failure Characteristics of XLPE and EPR Aged with ac Voltage in a Wet
Environment, IEEE Tranactions. on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 12,
No.4, pp. 700-708.
[11] P.V. Notingher, L.M. Dumitran, S. Busoi, E. Balescu, G. Tanasescu, The Use of
Conductivity Factors for Estimating the Degradation State of Insulation Systems of
Medium-Power Electrical Machines, 2008, Proceedings of 2008 International
Conference on Condition Monitoring and Diagnosis (CMD 2008), Beijing (China),
April 21-24, pp. 126-129.
[12] T.V.OOmmen, Moisture Equilibrium Charts for Transformer Insulation drying
Practice,1984, IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-103,
No. 10, pp.3063 – 3067.
[13] J. Fabre and A. Pichon, 1960, Deteriorating Process and Products of Paper in Oil.
Applications to Transformers, International Conference on Large High Voltage
Electric System (CIGRE), Paris, France, Paper 137.
[14] SIMTECH INTERNATIONAL, 2009, ID – 1000 – Specificatie tehnica, Bucharest,
Romania.