Mai multe statistici au fost publicate de-a face cu insuficien

Mecanismele deteriorrii izolaiei Generatoarelor Electrice de nalt tensiuneMai multe statistici au fost elaborate i publicate ce prezint cauzele defectrii mainilor rotative de nalt tensiune, n general, iar n mod special, generatoarelor electrice. ns, n unele dintre aceste statistici se specific partea mainii care s-a defectat, fr a da alte detalii mai profunde asupra mecanismul care s-a produs. Alte publicaii fac deosebire ntre deteriorarea care a cauzat ieirea din uz a mainii electrice i cauza principal care a dus la deteriorare. Sondajul a 1199 de hidrogeneratoare efectuate de comisia de studiu a CIGRE SC11, EG 11.02 ofer un exemplu de astfel de investigaie. Ea d rezultate detaliate a 69 de incidente. Un procent de 56% din mainile ieite din uz au artat deteriorri ale izolaiei, alte probleme majore fiind de factur mecanic, termic i n zona lagrelor, (fig.1,a). Cauzele principale care au condus la aceste daune sunt mprite n 7 grupe diferite (fig.1,b). De aceea se poate deduce c problemele de izolaie reprezint cauza principal pentru ieirea din uz a mainilor electrice de nalt tensiune.

Mai muli autori au analizat mecanismele de defectare a izolaiei de mic n laborator, folosind bare de prob pentru testare. Concluziile lor principale sunt:

1. Dei strpungerea izolaiei electrice reprezint eecul final al acesteia, solicitarea electric nu este factorul de mbtrnire predominant. Mai degrab se crede c mecanismul de mbtrnire este dominat de degradarea termic a rinii (liantului), de stresul mecanic cauzat de vibraii, i de stresul cauzat de diferii coeficieni de dilatare termic ai materialelor implicate.

2. mbtrnirea sub solicitarea termic, mecanic i electric arat o cretere a duratei de via la temperaturi moderate, pn la aproximativ 130 C i o scdere rapid a acesteia, dac temperatura este crescut pn la 180 C (fig. 2). Aceste constatri sunt explicate pe de o parte prin creterea degradrii termice materiei organice, iar pe de alt parte printr-o scdere a tensiunilor sau solicitrilor interne i formarea de fisuri n liantul rin liant la temperaturi mai ridicate.

Pe baza acestor fapte, un proiect comun de cercetare a fost lansat, care a inclus mai muli parteneri industriali, companii de energie electric, precum i Institutul Federal Elvetian de Tehnologie din Zurich. Scopul acestui studiu a fost de a dezvolta un model de deteriorare a izolaiei electrice a generatoarelor de putere funcie de condiiile de funcionare a generatorului. Cercetarea a acoperit mbtrnirea electric, termic, precum i mecanic a eantioanelor standard special realizate i bare de generator originale. Analiz i rezultate

A. Arborescena electric la testul ac-plan. Testul ac-plan n cuburi epoxidice permite observarea direct a fenomenului de formare a arborescenelor electrice. S-au pregtit modele de test (fig.3), cu lungimea laturii cubului din rin epoxidic de aproximativ 4 cm. Dimensiunea benzii de mic a fost de 2x4 cm. Fenomenul de propagare a arborescenelor electrice ctre electrodul pus la mas a fost reinut de ctre banda de mic. Arborescena a continuat s se propage la suprafaa acesteia. Cand arborescena a ajuns aproape de marginea benzii, aceasta a continuat rapid ctre electrodul pus la mas. Strpungerea nu a avut loc imediat ce primele ramuri au atins masa. Mai multe ramuri au fost generate iar diametrul canalelor de arbore a crescut pn la 50-200 m. n aceast etap, conductivitatea i continuitatea canalelor de arbore au fost suficiente pentru a provoca strpungerea (fig.4). Timpii medii de strpungere au fost de n jurul a 50-100 de ore. n toate experimentele, arborescena putea ptrunde n banda de mic doar daca aceasta a fost deteriorat, de exemplu, prin ndoire sau pliere.

B. Arborescena electric n izolaia de mic a barelor de generatorS-a folosit un model de bare de 1 m lungime cu o grosime a izolaiei de 2 mm, pregatite cu tehnologie VPI (vacuum ) i mbogite cu rin, ce au fost utilizate la testele de anduran electric 3Un (fig. 5). Tensiunea aplicat a fost de 32 kV curent alternativ. Pentru a verifica dac au loc arborescene electrice n izolaia de mic, au fost examinate seciuni ale barelor prin metode cu raze X. Figura 6 prezint un exemplu de seciune printr-o bar. Arborescena electric ar putea fi urmrit prin arderea rinii liant a izolaiei de mic ntr-un cuptor i ndeprtarea strat cu strat a benzii de mic cu atenie. Prin aplicarea ambelor metode, s-a constatat c arborescena a nceput mai ales la marginea conductorului de cupru, care poate fi uor de explicat prin creterea intensitii cmpului electric n acest loc. Propagarea arborescenei nu s-a produs direct ctre electrodul pus la mas, ci aceasta a urmrit muchiile benzii de mic ntr-o anumit msur.

Se presupune c arborescena electric a fost capabil "s o ia pe scurttur", acolo unde izolaia de mic a avut imperfeciuni sau defecte, cum ar fi golurile, fisuri, delaminri, acumulri de rin de la suprapunerile de band i de la straturi de mic ncreite sau deteriorate. Astfel de defecte predispun izolaia electric la formarea i propagarea de arborescene electrice n izolaia de mic i reduce astfel durata de via a acesteia. Aceste ipoteze au putut fi confirmate prin micrografuri ale izolaiei de mic ce arat multe defecte (fig.7). Aceste constatri sunt n concordan cu rezultatele experimentelor de tip ac-plan, n care s-a observat c arborescena electric nu este capabil s penetreze banda de mic n cazul n care aceasta este nedeteriorat, dar poate trece cu uurin prin banda de mic dac aceasta ar fi fost ndoit sau rsucit nainte de nglobarea n epruveta (cubul) ac-plan.

Prin urmare, este evident c, calitatea de fabricaie a izolaiei de mic are o influen asupra duratei de via a bobinei sau barei. Mai multe ncercri de anduran electric au fost efectuate pentru a demonstra acest lucru, utiliznd diferite tipuri de bare (fig.8). Diagramele rezultate de tip Weibull sunt date n figurile 9-11. Figura 9 compar duratele de via a barelor fabricate n condiii industriale i cu a barelor efectuate n laborator. Aplicarea atent i corect a izolaiei de mic pe barele de model din laborator a dus la o uoar cretere a curbei duratei de via. Figura 10 prezint durata de via a barelor care au fost fabricate prin aplicarea unui proces slab de impregnare VPI i unul corect. Slaba impregnare a dat o izolaie de mic cu multe goluri, iar durata de via caracteristic a barelor de prob investigate a fost redus cu un factor de 10. Figura 11 prezint diferena dintre barele cu i fr ncreituri n izolaia de mic. Din nou, diferena de durat a vieii este semnificativ. Defectele de fabricaie i cile arborescente n izolaia de mic a diferitelor bare au fost analizate. Concluzia este c aceste defecte pot spori formarea i propagarea de arborescene electrice i, astfel, pot reduce durata de via a izolaiei.

C. mbtrnirea termic i mecanicn introducere, s-a afirmat c solicitrile termice i mecanice sunt principalii factori de mbtrnire ai izolaiei mainilor electrice de nalt tensiune. Prin urmare, un numr mare de teste de anduran electric fost realizat pentru a investiga cei doi factori de stres. Figura 12 arat influena temperaturii de mbtrnire asupra anduranei electrice analizat ntr-un test combinat de mbtrnire termic-electric. Rezultatele arat c durata de via a izolaiei este mai mare la 160 C dect la20 C, ceea ce este n acord cu precizrile sau concluziile menionate mai sus. Acesta poate fi explicat printr-o flexibilitate mai mare a rinii liant la o temperatur ridicat, care s minimizeze riscul de formare a fisurilor, ct i prin reducerea tensiunilor interne provenite din reacia de ntrire care are loc de obicei, la temperaturi n jurul a 160 C. Sau poate nsemna de asemenea, c durata de via mai mare la 160 C, se datoreaz, n parte, unui efect de postntrire ce are loc la o temperatur mai mare. Cu toate acestea, la 180 C degradarea termic a rinii liant este factorul de mbtrnire dominant iar durata de via a barelor model a fost redus n mod considerabil. Potrivit lui Weiers, temperatura optim de mbtrnire pentru o durat de via maxim a izolatiilor bazate pe mic i rini epoxidice este de aproximativ 90 C, care se afl n domeniul uzual de funcionare al generatoarelor de mare putere.Solicitrile mecanice sunt exercitate asupra izolaiilor masinilor rotative de nalt tensiune din cauza vibraiilor, coeficienilor diferii de dilatare termic a materialelor implicate, precum i din cauza forele tranzitorii i centrifuge. Au fost efectuate teste de vibraii pe bare de 1 m lungime cu ajutorul echipamentelor de generat vibraii acordate la o frcven de 100 Hz, cu o amplitudine de 0,5 mm. Durata de via a izolaiei a fost apreciat prin aplicarea de vibraii i solicitri electrice simultan i comparnd cu barele expuse doar la solicitri electrice. Tensiunea a fost aplicat pe bare prin intermediul unor electrozi ncorporai. Ei au fost potrivii direct n izolaia electric, n scopul de a evita orice descrcare suprafa. Marginile ascuite ale electrozilor au iniiat arborescene electrice imediat dup aplicarea de tensiunii. Grosimea stratului de izolaie i tensiunea aplicat a fost aceeai ca i pentru barele de model 3Un (2 mm, 32 kV AC). Avantajul acestei metode de testare este c se pot efectua mai multe msurtori simultane de strpungere cu o bar.

S-a demonstrat c rezultatele de anduranta electric obinute cu metoda electrozilo integrai corespunde msurtorile duratelor devia conforme cu standardul IEEE 1043.Au fost utilizate dou materiale izolante diferite pentru testele de vibraii: izolaia A, o combinaie de estur de sticl cu mic i rin epoxidic realizat prin metod VPI, care este folosit n principal la generatoarele electrice mari, i izolaia B, o combinaie de band de poliester - ln cu mic i o rin ce are la baz poliester, realizat de asemenea prin procedeu VPI. Rezultatele arat c durata de via a izolaiei B a fost redus din cauza vibraiilor cu un factor de aproximativ 10, n timp ce durata de via a izolaiei A nu a fost modificat (fig.13). Micrografuriale izolaiei B arat delaminri paralele cu straturile de mic, care se presupune c pot declana i accelera arborescene electrice; dar formarea nu au fost observate fisuri perpendiculare pe straturile de mic. Este cunoscut faptul c rinile poliesterice au o adeziune mai mic i o contractare mai mare n timpul ntririi, comparativ cu produse pe baz de rini epoxidice. Acest efect este sporit de banda de mic folosit n izolaia B; banda de poliester ca material suport se caracterizeaz printr-o rezisten mecanic inferioar izolaiei din estur de sticl.Experimentele cu vibraii nu au inclus abraziunile mecanice din sloturi provocate de protecia la activiti corona pentru c barele testate nu au fost plasate ntr-un slot model. Abraziunea stratului conductor n slot din cauza marginilor ascuite ale miezului statoric laminat este un factor suplimentar de deteriorare a izolaiei electrice i de reducere a duratei sale de via, mai ales n cazul n care mpnare barei n slot are joc. n consecin, au loc descrcri pariale prin adugirea unei degradri chimice a materialelor organice din care este realizat izolaia mpreun cu eroziunea mecanic provocat de vibraii. n literatura de specialitate, acest cerc vicios este considerat unul dintre principalele cauze ale scoaterii din uz prematur a masinilor rotative de nalt tensiune.

ConcluziiDac se exclud condiiile de operare anormale sau defecte, atunci deteriorrile premature ale izolaiei generatoarelor electrice de putere pot fi clasificate astfel:

greeli de proiectare

defectarea materialelor

defecte de fabricaie ntreinere defectuoas

Cedarea n final a izolaiei electrice este cauzat de obicei de strpungerea electric printr-o arborescen electric. Prin urmare, formarea i propagarea de arborescene n izolaie reflect procesul de imbtrnire a izolaiei. S-a constatat c arborescena este accelerat de defecte n izolaia de mic, cum ar fi delaminri, fisuri, goluri i straturi de mic ncreite sau chiar deteriorate. Astfel de defecte sunt fie defecte de fabricaie sau rezult din mbtrnire. mbtrnirea nu este dominat de solicitrile electrice, ci mai degrab de o combinare de diferii factori de stres, dintre care uzura termic i mecanic sunt cele mai importante. Stresul termic al sistemelor de izolaie bazate pe rini epoxidice este relevant dac acesta depete substanial gama de temperatur optim, adic mai mult de 135-140 C. Stresul mecanic al izolaiei se datoreaz vibraiilor, coeficienilor diferii de dilatare termic ai materialelor implicate, precum i schimbrilor rapide a sarcinii elelctrice i a forele centrifuge. Sistemele de izolaie cele mai utilizate pentru generatoarele de mare putere sunt compuse din benzi de mic pe suport estur de sticl i liant rini epoxidice. Surprinztor, s-a constatat c vibraiile singure nu au avut niciun efect negativ asupra anduranei electrice la acest tip de sistem de izolaie, n timp ce alte sisteme de izolaie au artat o reducere considerabil a duratei de via. Dar dac mpnarea barelor devine slab, vibraiile vor provoca abraziuni asupra proteciei corona n sloturi din cauza marginilor ascuite ale miezului statoric laminat i vor apare descrcri pariale, indiferent de sistemul de izolaie utilizat. Alte deteriorri ale sistemului de izolaie la hidrogeneratoare sunt reprezentate de scurgerile de lubrifiant din lagre sau de ap din sistemul de rcire.