spektroskopii dielektrycznej w dziedzinie częstotliwości

Detekcja wczesnego etapu procesów starzeniowych przepustów transformatorowych oparta na metodzie spektroskopii dielektrycznej w dziedzinie częstotliwości

Streszczenie

Artykuł przedstawia wyniki pomiarów spektroskopowych izolacji suchych przepustów transformatorowych typu kondensatorowego w dziedzinie częstotliwości po starzeniu w warunkach zbliżonych do eksploatacyjnych, jak również po zakończeniu pracy. Artykuł przedstawia możliwości wczesnej detekcji przyśpieszonego starzenia izolacji przepustu na podstawie pomiarów spektroskopii dielektrycznej w dziedzinie częstotliwości FDS. Abstract

The article presents the results of spectroscopic measurements of the insulation of capacitor-type dry transformer bushings in the frequency domain after aging in conditions similar to operation as well as after completion of work. The article presents the possibility of early detection of accelerated aging of the bushing insulation based on measurements of dielectric spectroscopy in the FDS frequency domain.

Słowa kluczowe:

relaksacja, FDS, starzenie, temperatura Keywords:

relaxation, FDS, aging, temperature

Wstęp

Transformatory to nieodzowny element każdego systemu elektroenergetycznego. Jedną ze składowych takiego urządzenia są przepusty służące do wyprowadzania wysokiego napięcia z zachowaniem odstępu izolacyjnego od uziemionych części [1, 2]. Przepusty transformatorowe według statystyk dostępnych w literaturze przedmiotu odpowiadają za 8 do 10% katastrofalnych awarii transformatorów, które często wiążą z gwałtownym uszkodzeniem nierzadko wywołującym pożar transformatora. Spółki eksploatujące majątek sieciowy stosują standardowe czasookresy przeglądów osprzętu, które najczęściej wynoszą 5 lat. W przypadku przepustów przeprowadzany jest pomiar współczynnika strat dielektrycznych tgδ50Hz oraz pojemności C50Hz natomiast w wielu przypadkach mimo pozytywnych wyników tych pomiarów dochodzi do awarii. Taka sytuacja wskazuje że ta metodologia jest nieskuteczna. Rozwiązania problemu należy szukać w skróceniu czasookresów pomiarowych lub zastosowanie zaawansowanej diagnostyki. Jednią z takich metod wydaje się pomiar współczynnika strat dietetycznych w szerokim spektrum częstotliwości z uwzględnieniem zmian w niskich częstotliwościach, zwłaszcza w przedziale rzędu 0,01-0,01 Hz. Jako główne czynniki starzeniowe powodujące zapoczątkowanie i rozwój procesów starzeniowych uważa się pole elektryczne, temperaturę oraz narażenia mechaniczne typu drgania i naprężenia wewnętrzne struktury dielektryka [1, 3]. Natężenie pola tj. jego wartość jest wyznacznikiem skomplikowania budowy przepustu transformatorowego. Z tego powodu dla najwyższych napięć stosowane są specjalne kon-

strukcie, w których wykorzystuje się sterowanie natężeniem pola (rys. 1). Zwykle takowy efekt dla prądu przemiennego osiągane jest przez podział izolacji na szereg pojemności tzw. sterowanie pojemnościowe. W praktyce oznacza to że izolacja laminarna przedzielana jest okładzinami przewodzącymi, które tworzą poszczególne pojemności. Połączenie warstwy przewodzącej z izolatorem zdaniem autorów jest miejscem zapoczątkowywania przyśpieszonych procesów starzeniowych. Na tej granicy ośrodków zwanej granicą faz gromadzi się ładunek przestrzenny Maxwella-Wagnera, który to w specyficznych warunkach powoduje superponowanie efektów cieplnych zwanych z ang. Termal Runway, które w końcowych etapach może doprowadzić do awarii [4, 5]. Artykuł zawiera wyniki pomiarów odpowiedzi dielektrycznej izolacji przepustów transformatorowych po eksploatacji i dodatkowym starzeniu termoelektrycznym oraz przypadku nowego rdzenia izolacyjnego z generowanymi defektami.

Obiekt i metodyka badań

Obiektem badań był przepust Micafli CTKF 145kV, rdzeń izolacyjny przepustu Izoerg PTK 52kV oraz trzy przepusty typu Micafli CTF 245kV po 25 latach pracy. Przepust CTKF został umieszczony na zbiorniku, w którym zainstalowano oporowe źródło ciepła o regulowanej mocy. Całość została zalana olejem transformatorowym. Na stanowisku przeprowadzono starzenie w dwóch cyklach, każdy po 112 godzin przy temperaturze oleju 800C oraz napięciu 74kV i temperaturze otoczenia 200C. Pomiar temperatury oleju przeprowadzany był w górnej części kadzi za pomocą systemu rejestracji typu czaki. Natomiast w przypadku radzenia przepustu PTK 52 kV zostały wykonane wiercenia wzdłuż warstw, w których umieszczono sadzę symulującą punktowe uszkodzenie jednej z warstw izolacji (rys.3). Przeprowadzono pomiary współczynnika strat dielektrycznych tgδ oraz pojemności, które mierzono w zakresie częstotliwości 10-4 ÷ 5∙103 Hz z wykorzystaniem miernika dirana firmy Omicron. Dane pomiarowe opracowano za pomocą programu Origin v. 8.1. Wygląd stanowisk pomiarowych przepustów przedstawiają rysunki nr 2 oraz 3.

Rys. 3.2. Rozkład natężenia pola elektrycznego po promieniu rdzenia izolacyjnego bez (1) oraz z ekranami sterującymi (2) [6] Wyniki badań

Na rysunku 4 przedstawiono wyniki pomiarów współczynnika strat dielektrycznych w dziedzinie częstotliwości dla przepustu CTKF 145kV po 15 latach eksploatacji i po dodatkowym starzeniu. Na charakterystyce po 15 latach eksploatacji brak jest widocznych oznak przyśpieszonego starzenia się izolacji, charakterystykę można określić jako typową dla takiego czasu pracy. Pierwszy cykl starzeniowy spowodował pojawienie procesu widocznego tylko w miedzy 10-3 do 10 Hz w postaci znacznego wzrostu tgδ, co przedstawia zapoczątkowanie przyśpieszonej degradacji izolacji. Zadaniem autorów jest to skutek generacji produktów rozkładu posiadających ładunek jonowy. Ostatni cykl starzeniowy spowodował dalszy rozwój procesu degradacyjnego w zakresie niskich częstotliwości oraz pojawienie się procesu wcześniej niewystępującego w przedziale częstotliwości 10 do 2·102 Hz. Drugi zaobserwowany proces można interpretować jako efekt dalszego przeobrażania produktów rozkładu izolacji w częściowo zawie-

Rys.2. Wygląd stanowiska badawczego przepustu CTKF 145kV

rające węgiel, na skutek działania wyładowań niezupełnych (WNZ) występujących na granicy faz, w której to na skutek utraty adhezji nastąpiło przekroczenie progu zapłonu WNZ. Linią czerwoną została zaznaczona częstotliwość 50Hz, można zauważyć, że w początkowym stadium procesu starzeniowego nie wpływa na zmianę wartości tgδ. Dopiero kolejny cykl starzeniowy powoduje wzrost strat dielektrycznych dla tej częstotliwości. Taka sytuacja potwierdza stwierdzenie, że mimo pozytywnych wyników pomiarowych standardowych metod może dojść do awarii ponieważ przyśpieszone starzenie najwcześniej widoczne w niskich częstotliwościach. Na rysunku 4 przedstawiono odpowiedź dielektryczną rdzenia przepustu typu PTK 52kV nowego i po iniekcji grafitu. Można zauważyć, że wprowadzenie grafitu powoduje poja-

Rys.3. Widok przepustu PTK 52 kV podczas preparacji inkluzji Rys.4. Wyniki pomiarów FDS przepustu micafil CTKF dla poszczególnych cykli starzeniowych.

Rys.5. Wyniki pomiarów FDS dla trzech przepustów CTF 245kV wycofanych z eksploatacji po 25 latach pracy.

Rys.6. Wyniki pomiarów FDS przepustu PTK 52 nowego i po wprowadzeniu inkluzji do wnętrza izolacji.

wienie się widocznego procesu powyżej 20Hz z maksimum strat w okolicach częstotliwości 5·103 Hz. Należy zauważyć, że mimo uszkodzenia jednej warstwy i wprowadzenia w to miejsce grafitu zmiany w częstotliwości 50Hz są stosunkowo niewielkie z 0,7% na 0,8%, co jest nadal wartością dopuszczalną dla przepustów RBP. Porównując charakterystyki przepustów CTKF po 224 h starzenia oraz PTK 52kV można zobaczyć analogię, że produkty węglowe rozkładu izolacji można obserwować w częstotliwościach powyżej 20Hz, co jest ważną informacją diagnostyczną, na podstawie której można wydać decyzję np. o ciągłym monitoring danego przepustu. Przeprowadzenie dodatkowych pomiarów poziomu WNZ z duża dozą prawdopodobieństwa wykazałyby ich zwiększoną aktywność. Przeprowadzono także pomiary FDS przepustów po 25 latach eksploatacji typu CTF, które zaprezentowano na rysunku 5. Należy zwrócić uwagę na analogię kształtu charakterystyk wszystkich trzech przepustów z uzyskaną dla przepustu CTKF po 224 godzinach starzenia termoelektrycznego. Na charakterystykach tych przepustów również widać zjawiska w zakresie powyżej 20Hz, jednakże nr 981 wydaje się być na najwcześniejszym etapie starzenia, o czym świadczy niewielkie maksimum w tym newralgicznym zakresie. W tych przypadkach również można zauważyć charakterystyczne pasma częstotliwości, w których przyśpieszone starzenie jest widoczne.

Podsumowanie

W warunkach eksploatacyjnych zapoczątkowywanie procesów starzeniowych izolacji przepustów można zaobserwować w zakresie częstotliwości poniżej 0,01Hz. Początku procesów starzeniowych można upatrywać w zmianach fizykochemicznych w izolacji na skutek działania podwyższonej temperatury, zazwyczaj w bliskiej odległości od głównego toru prądowego. W początkowym stadium przyspieszonego starzenia izolacji należy upatrywać w generacji ładunku jonowego powstałego na skutek rozkładu izolacji na jonowe produkty, które gromadzą się w okolicach granicy faz laminat-ekran przewodzący. Na dalszym etapie dochodzi do delaminacji na tej granicy, co jest skutkiem utraty adhezji a w końcowym etapie doprowadza do zapłonu WNZ, które to następnie stopniowo przeobrażają produkty rozkładu w węgiel. Z przeprowadzonych wyników pomiarów można wyciągnąć generalny wniosek, że po zapoczątkowaniu procesów starzeniowych w izolacji przepustów transformatorowych z izolacją stałą wystarcza kilkaset godzin pracy w niekorzystnych warunkach temperaturowych najczęściej w gorące letnie dni w popołudniowym szczycie energetycznym. Zdaniem autorów w celu ograniczenia liczby awarii wywołanej przez przepusty należy skrócić czasookresy pomiarowe lub wprowadzić bardziej wiarygodne metody diagnostyczne niż bazowanie na tgδ50Hz ponieważ jest to wysoce zawodny wskaźnik. Jedną z takich metod wydają się pomiary spektroskopowe w dziedzinie niskich częstotliwości zaprezentowane w niniejszym opracowaniu.

Autorzy: Andrzej MROZIK, Marek ZENKER, Patryk BOHATYREWICZ Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Katedra Elektrotechnologii i Diagnostyki ul. Sikorskiego 37, 70-313 Szczecin, e-mail: amrozik@zut.edu.pl n

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] 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. • [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., 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 • [6] Smith D. J., McMeekin S. G., Stewart B. G., Wallace P. A.: „The Modelling of Electric Field, Capacitance and Dissipation

Factor of a High Voltage Bushing over Varying Frequency”, Universities Power Engineering Conference (UPEC), 2012 47th International s. 1 – 6