Ä†wiczenie 5 Badanie izolacji papierowej

BADANIE IZOLACJI PAPIEROWO-OLEJOWEJ

I. WIADOMOŚCI TEORETYCZNE

1. Ogólna charakterystyka izolacji papierowo-olejowej

Postęp w technologii materiałów elektroizolacyjnych i szerokie rozpowszech-

nianie izolacji z tworzyw sztucznych sprawia, że izolacja papierowo-olejowa znaj-

duje obecnie zastosowanie jedynie w układach wysokonapięciowych odgrywając

w nich jednak znaczącą rolę. W układach izolacyjnych najwyższych napięć (>110

kV) stanowi ona podstawowy materiał izolacyjny dla transformatorów, kondensa-

torów, przekładników itp.

Izolacja wykonana z nasyconego papieru przedstawia sobą materiał izolacyjny

uwarstwiony w specyficzny sposób. Jej własności elektryczne wynikają z własno-

ści obu składników tj. celulozy oraz syciwa. Syciwem mogą być różnego rodzaju

oleje, kalafonia, wazelina itp. Najczęściej jako syciwo stosowany jest olej mineralny. Przez odpowiednie nasycenie papieru można znacznie zwiększyć jego wy-

trzymałość elektryczną. Nasycenie olejem mineralnym transformatorowym zwięk-

sza sześciokrotnie wytrzymałość izolacji dla napięć przemiennych i dwunastokrot-

nie dla stałych. Papier nasycony ma również przeszło dwukrotnie większą wy-

trzymałość niż czysty olej. Wynika stąd, że izolacja papierowo-olejowa ma znacz-

nie lepsze własności elektryczne niż każdy z jej składników osobno. Osiągnięcie tak dobrych parametrów uwarunkowane jest starannym i właściwym przygotowa-niu składników w technologii produkcji izolacji papierowo-olejowej.

Asortyment produkowanych papierów elektroizolacyjnych jest następujący:

− bibułka kondensatorowa - grubość (0,005 ÷ 0,40) mm, gęstość (0,75 ÷

1,30) g/cm3,

− papier kablowy - grubość (0,01 ÷ 0,20) mm, gęstość (0,7 ÷ 1,1) g/cm3,

− papier nawojowy - grubość (0,02 ÷ 0,12) mm, gęstość ok. 0,8 g/cm3.

Ćwiczenie 5

− papiery do wyrobu tworzyw warstwowych, do wyrobów mikowych, pa-

pier olejny, preszpany, papier półprzewodzący i inne.

Ze wzrostem gęstości papieru wzrasta jego przenikalność i wytrzymałość elek-

tryczna, a także i tgδ.

Najważniejszą wielkością wpływającą na gabaryty urządzeń z izolacją papie-

rowo-olejową jest natężenie elektryczne dopuszczalne. Najwyższe dopuszczalne

natężenia pola elektrycznego stosuje się w przypadku kondensatorów elektrycz-

nych gdzie wykorzystuje się najcieńszy papier (15 ÷ 20 kV/mm). Natężenie do-

puszczalne zależy od rodzaju napięcia. Przy napięciu stałym rozkład natężeń zale-

ży od konduktywności materiałów

pap

(5.1)

pap

zaś przy napięciu przemiennym od przenikalności dielektrycznych

pap

(5.2)

pap

Przenikalność dielektryczna oleju mineralnego jest mniejsza od przenikalności

dielektrycznej celulozy. Z wzoru (5.2) wynika, że przy uwarstwieniu szeregowym

celulozy i oleju lub papieru nasyconego i oleju bardziej naprężanym dielektrykiem

będzie olej. Rozkład jest więc niekorzystny - olej ma mniejszą wytrzymałość elek-

tryczną. W kondensatorach energetycznych często stosuje się oleje syntetyczne

mające przenikalność dielektryczną zbliżoną do przenikalności celulozy.

Przenikalność dielektryczną wypadkową papieru nasyconego olejem można

wyznaczyć z wzoru

εcεsγ

ε =

(5.3)

(

)

c γ c − γ ε c − ε s

gdzie: εc - przenikalność elektryczna celulozy (przenikalność względna celulozy

ok. 5,6), εs - przenikalność syciwa (dla oleju transformatorowego ε’s ≈ 2,2),

γc - gęstość celulozy (około 1,55 g/cm3), γ - gęstość papieru (celuloza + po-

wietrze).

Wypadkowy współczynnik strat dielektrycznych wynosi

tgδ

ε (γ − γ )

δ =

+ Atgδ , gdzie A

(5.4)

1 + A

ε γ

Badanie izolacji papierowo-olejowej

Wzory powyższe można wyprowadzić korzystając z wypadkowej pojemności

i wypadkowych strat energii.

Własności elektryczne papierów zależą silnie od ich zawilgocenia. Papiery są

bardzo higroskopijne i w normalnych warunkach otoczenia zawierają kilka procent

wilgoci (około 6%). Wytrzymałość elektryczna takich papierów jest mała. Bardzo

dobre własności izolacyjne ma papier po wysuszeniu i impregnacji olejem

w próżni.

Dobór właściwego rodzaju papieru i technologii nasycania mają podstawowe

znaczenie dla osiągnięcia dobrych własności elektrycznych. Dobrze przygotowana

izolacja z papieru nasyconego osiąga wytrzymałość kilkuset kilowoltów na centy-

metr. Zmiany własności papierów w czasie eksploatacji objawiają się najwyraźniej

poprzez obniżanie się ich wytrzymałości mechanicznej.

2. Przygotowanie izolacji papierowej do nasycania

Technologia nasycania papieru jest zabiegiem dosyć skomplikowanym. Nasy-

caniu poddawana jest już gotowa, uformowana izolacja papierowa. Ze względów

technologicznych papier użyty do wykonania izolacji (nawijania) musi mieć od-

powiednią wytrzymałość mechaniczną. najlepiej do tego celu nadaje się papier

wilgotny. Papier brany do wytworzenia izolacji zawiera około 6 % wilgoci i musi

być dodatkowo nawilżony do około 13 % - posiada wtedy największą wytrzyma-

łość na rozerwanie.

Izolacja papierowa przygotowana do nasycenia musi być uprzednio dokładnie

wysuszona. Na przykład izolacja transformatorowa nie powinna zawierać więcej

niż 0,3 % wilgoci. Suszenia dokonuje się zazwyczaj w komorach próżniowych

w temperaturze około 120°C. Bezpośrednio po wysuszeniu papier zostaje nasyco-

ny syciwem lub zalany olejem.

3. Równowaga hydrodynamiczna w układzie papier-olej

Czasochłonne i kłopotliwe suszenie papieru w procesie przygotowania izolacji

papierowo-olejowej musi być uzupełnione dosyć skomplikowanym zabiegiem

starannego odwilgocenia oleju. Suszenie papieru traci swój sens przy nasyceniu go

olejem zawilgoconym ( np. olejem nie zabezpieczonym przed wchłanianiem wil-

goci z atmosfery). Zawartość wody w oleju (przy temperaturze 20°C) równa 10 g/m3

odpowiada zawartości wody w papierze powyżej 3 %.

Z rysunku 5.1 wynika, że przy niższych temperaturach woda w izolacji papie-

rowo-olejowej skoncentrowana jest głównie w papierze, przy wyższych temperatu-

rach – odwrotnie.

Ćwiczenie 5

30°C

20°C

°C

, % 8

50°C

ierze w

ap p 6

60°C

ydo

70°C

ść

80°C

arto

90°C

Z 2

100°C

Zawartość wody w oleju wol, g/t

Rys. 5.1. Równowaga wilgoci w układzie papier - olej

Kierunek dyfuzji wilgoci przedstawia schematycznie rysunek 5.2.

olej

papier

20 °C

90 °C

Rys. 5.2. Kierunek dyfuzji wilgoci w izolacji papierowo-olejowej przy różnych temperaturach W czasie eksploatacji izolacja papierowo-olejowa musi być zabezpieczona

przed wchłanianiem wilgoci z zewnątrz.

Badanie izolacji papierowo-olejowej

4. Starzenie się izolacji papierowo-olejowej

Oznaką starzenia się izolacji papierowo-olejowej (również izolacji w ogóle) są:

− pogorszenie się wytrzymałości elektrycznej,

− obniżenie wytrzymałości mechanicznej,

− zmiana struktury materiału (depolimeryzacja),

− zawilgocenie i zabrudzenie itp.

Procesy starzenia zależą nie tylko od rodzaju materiału ale również i przede wszystkim od warunków eksploatacyjnych. Starzenie izolacji zachodzi pod wpły-wem:

− napięcia roboczego i przepięć,

− podwyższonej temperatury,

− obciążeń mechanicznych,

− wilgoci i zabrudzeń,

− utleniania,

− promieniowania UV (nadfiolet) itp.

Procesy starzenia się izolacji papierowo-olejowej zaczynają się najczęściej od

przenikania do niej wilgoci. Izolacja papierowo-olejowa zawilgocona to:

− zmniejszona wytrzymałość udarowa,

− przyspieszenie starzenia się (depolimeryzacja, obniżenie własności me-

chanicznych),

− obniżenie napięcia początkowego wyładowań niezupełnych.

Należy wspomnieć, że własności dielektryczne wody znacznie odbiegają od

własności elektrycznych innych dielektryków. Jest ona dobrym rozpuszczalnikiem

i rzadko występuje w stanie czystym - posiada zatem dużo większą przewodność.

Ponadto jest dielektrykiem wybitnie polarnym (ε’ ≈ 81). Zrozumiałe jest więc, że

wilgoć w dielektryku, oprócz swojego destrukcyjnego działania, ma duży wpływ

na własności elektryczne izolacji.

Rozróżniamy trzy podstawowe mechanizmy starzenia się izolacji:

a) starzenie cieplne,

b) starzenie elektrochemiczne,

c) starzenie jonizacyjne.

Z zagadnieniem starzenia dielektryków wiąże się pojęcie czasu życia izolacji.

Czas życia jest to czas, po którym wartość wielkości przyjętej do oceny stanu ze-

starzenia izolacji zmaleje do poziomu umownie uznanego za krytyczny. Poziom

ten stanowi kryterium zestarzenia się izolacji. Przykładowo: jeżeli wielkością

przyjętą do oceny będzie wytrzymałość elektryczna izolacji to czas życia izolacji określony będzie przez czas eksploatacji w określonych warunkach po którym

napięcie przebicia osiągnie poziom uznany za krytyczny. Oceny długości życia

izolacji dokonuje się na podstawie krzywych życia. Krzywa życia to zależność

Ćwiczenie 5

czasu życia od intensywności narażeń przyjętych jako główna przyczyna procesu

starzenia.

Tabela 5.1

Mechanizmy starzenia się izolacji. t - czas życia, θ - temperatura

Mechanizm

cieplny

elektrochemiczny

jonizacyjny

Przyczyna

oddziaływanie

zanieczyszczenia i wilgoć

wyładowania niezu

starzenia

temperatury

(zjawisko elektrolizy)

pełne (wnz)

Czynniki

wilgoć, tlen

temperatura,

wilgoć, temperatura

przyśpieszające

naprężenie dielektryczne

Krzywe

t= f

t = f

(n)

(θ)

t = f (E) dla θ =const.

życia

T = f (θ) dla E = const.

n - intensywność wnz

Różne mechanizmy starzenia występują z reguły jednocześnie. W przypadku

izolacji papierowo-olejowej szczególne znaczenie ma jej zawilgocenie które jest katalizatorem wszelkich niekorzystnych zmian w dielektryku.

4.1. Starzenie cieplne

Starzenie cieplne spowodowane jest długotrwałym działaniem temperatury na

dielektryk. Czynnikami przyspieszającymi starzenie cieplne są wilgoć i tlen.

Uznanie temperatury jako czynnika decydującego o starzeniu się izolacji stało się

przyczyną oparcia klasyfikacji materiałów izolacyjnych na dopuszczalnych tem-

peraturach ich pracy.

Głównymi procesami starzenia cieplnego izolacji papierowo-olejowej są:

− depolimeryzacja,

− wydzielanie się gazów (wodór, lekkie węglowodory),

− utlenianie prowadzące do powstawania kwasów karboksylowych (kwasy

→ związki smoliste → szlam).

W przypadku starzenia cieplnego krzywą życia izolacji stanowi zależność czasu

jej życia od temperatury. Jako wielkość fizyczna do określenia kryterium zużycia

się izolacji papierowo-olejowej została przyjęta (przez Montsingera) wytrzymałość

mechaniczna na rozerwanie. Wg teorii Montsingera izolację uważać należy za

zużytą gdy jej wytrzymałość mechaniczna na rozerwanie zmniejszy się dwukrot-

nie. Przyjęcie wytrzymałości mechanicznej do oceny stopnia zestarzenia zostało podyktowane tym, że własności elektryczne mogą zmieniać się nieznacznie w czasie eksploatacji. Zmniejszenie się wytrzymałości mechanicznej na rozerwanie gro-

zi pękaniem i rozwarstwianiem się materiału i nagłą utratą własności izolacyjnych.

Obniżenie się wytrzymałości papieru na rozerwanie związane jest z jego depo-

limeryzacją. Dlatego, bardziej współcześnie, za podstawę oceny stopnia zestarze-

Badanie izolacji papierowo-olejowej

nia się izolacji przyjmuje się stopień polimeryzacji celulozy. Jest to średnia liczba

pierścieni glukozy w łańcuchu celulozy. Dla papieru nie zestarzonego n = 1500, dla zestarzonego około 150.

Podstawę zależności czasu życia izolacji od temperatury stanowi prawo Arrhe-

niusa mówiące o wykładniczej zależności szybkości reakcji chemicznych od tem-

peratury. Wzór Montsingera dla izolacji włóknistej słuszny dla dość wąskiego

zakresu temperatur ma postać

A e m

= ⋅ − θ ,

(5.5)

gdzie: A i m - współczynniki charakteryzujące materiał włóknisty, t - czas życia w temperaturze θ.

Przy wzroście temperatury o ∆θ czas życia izolacji wyniesie

m(θ

∆θ)

t' = A ⋅ −

(5.6)

Zakładając, że wzrost temperatury o ∆θ powoduje dwukrotne skrócenie czasu

życia izolacji, otrzymujemy:

t = em∆θ = 2 , ln2 = m∆θ ,

(5.7)

przy współczynniku m = 0,0866 (stała Montsingera) przyrost temperatury powo-

dujący dwukrotne skrócenie czasu życia izolacji ∆θ = 8°C. Badania Montsingera

dotyczyły wąskiego zakresu temperatur (90 ÷ 135)°C. Krzywą życia izolacji papie-

rowej przedstawia rysunek 5.3.

cia t, lata y

zas żC

105

113

121

Temperatura θ, °C

Rys. 5.3. Zależność czasu życia izolacji papierowej od temperatury.

Ćwiczenie 5

4.2. Starzenie elektrochemiczne

Starzenie elektrochemiczne występuje przede wszystkim przy napięciu stałym

i wolnozmiennym - podstawą starzenia jest zjawisko elektrolizy. Prąd upływu ma

charakter elektrolityczny i jest związany z przenoszeniem jonów. Jony niemeta-

liczne po dojściu do elektrod i rozładowaniu mogą tworzyć czynne substancje

łączące się z dielektrykiem natomiast jony metaliczne po neutralizacji na elektro-

dach mogą wnikać w głąb dielektryku tworząc niekiedy drogi przewodzące zwane

dendrytami.

Zewnętrznym objawem starzenia się jest wzrost przewodności dielektryku.

Czynnikami przyspieszającymi starzenie elektrochemiczne są: temperatura i natę-

żenie pola elektrycznego.

Przyczyną występowania tej formy starzenia jest wilgoć, nawet śladowa, wy-

stępująca nawet w dobrze wysuszonym papierze oraz zanieczyszczenia dysocjują-

ce (np. kalafonia). Dysocjacja zanieczyszczeń jest tym większa im większą przeni-

kalność ma rozpuszczający je ośrodek. Np. przenikanie kalafonii występuje najsil-

niej w izolacji papierowej syconej olejami syntetycznymi mającymi stosunkowo

dużą przenikalność dielektryczną.

Krzywe życia to zależność czasu życia od natężenia pola elektrycznego oraz

temperatury (przy założeniu istnienia tylko procesów starzenia elektrochemicznego).

Szybkość starzenia elektrochemicznego wzrasta dwukrotnie przy wzroście tem-

peratury o 10 °C (związek ten odpowiada również prawu Arrheniusa). Zależność

jest następująca

θ −θ

t = t ⋅ b k

(5.8)

gdzie: b i k - stałe zależne od rodzaju izolacji (dla izolacji papierowo-olejowej b = 2, k = 10), t1 - czas życia w temperaturze θ1, t2 - czas życia w temperaturze θ2.

4.3. Starzenie jonizacyjne

Starzenie jonizacyjne wywołane wyładowaniami niezupełnymi występuje

głównie przy napięciu przemiennym. W układach najwyższych napięć są często

głównym czynnikiem decydującym o czasie życia układu izolacyjnego. Wyłado-

wania niezupełne powstają najczęściej w wolnych przestrzeniach gazowych za-

mkniętych wewnątrz dielektryku lub w syciwie. Wyładowania te powodują: roz-

kład syciwa (nowe pęcherzyki gazowe), lokalne wzrosty temperatury, erozję papie-

ru. Wtrąciny gazowe w izolacji powstają tym łatwiej im większa jest temperatura

pracy i im większa wilgoć zawarta w izolacji.

Wyładowania niezupełne mogą rozwijać się również wzdłuż powierzchni dielek-

tryku drążąc w głąb izolacji kanaliki lub pozostawiając za sobą ścieżki przewodzące.

Badanie izolacji papierowo-olejowej

Okres starzenia jonizacyjnego może być bardzo krótki w przypadku przekro-

czenia napięcia początkowego jonizacji (Uj). Występuje wtedy starzenie związane

z erozją materiału przechodzącą w drzewienie prowadzące w krótkim czasie do

przebicia izolacji.

Przy starzeniu bezerozyjnym występującym do czasu zainicjowania rozwoju

kanału, występuje zależność tego czasu od natężenia pola elektrycznego w postaci

C E n

= ⋅ − ,

(5.9)

gdzie: t - czas do zainicjowania kanału drążącego dielektryk, C i n - współczynniki

zależne od rodzaju materiału dielektryka i warunków starzenia.

Konieczność zapobiegania szybkiej degradacji izolacji wiąże się z określeniem

dopuszczalnej intensywności wyładowań w dielektryku. W zależności od rodzaju

urządzenia wielkości ujmujące intensywność określają normy. Zwykle uregulowa-

nie to dotyczy dopuszczalnego ładunku pozornego qp (np. 300 pC) neutralizowa-

nego w czasie pojedynczego wyładowania przy określonym napięciu probierczym.

5. Polaryzacja dielektryków uwarstwionych

Obok innych mechanizmów polaryzacji, omówionych w innym ćwiczeniu,

w dielektrykach uwarstwionych mamy do czynienia z tzw. polaryzacją warstwową

wynikającą z niejednorodności struktury materiału. Zjawisko to można zaobser-

wować badając zachowanie się dielektryków niejednorodnych w polu elektrycz-

nym stałym bądź przemiennym niskiej częstotliwości.

Jeżeli w układzie izolacyjnym istnieją odrębne obszary oddzielone od siebie

powierzchniami granicznymi, to każda z tych powierzchni przedstawia sobą barie-

rę potencjału. Pewna ilość nośników ładunku elektrycznego nie może przechodzić

z jednego obszaru do drugiego jakkolwiek może się swobodnie poruszać w obrębie

danego obszaru. Spowodowane to jest różnymi przewodnościami elektrycznymi

obszarów. W przypadku przyłożenia pola elektrycznego, przy powierzchniach

granicznych gromadzi się ładunek, a każdy z obszarów, wskutek rozdzielenia się ładunków różnoimiennych, przestaje być na zewnątrz obojętny stając się swego

rodzaju dipolem elektrycznym. Proces tworzenia się tych dipoli związany jest ze stratami energii.

Rysunek 5.4 przedstawia schemat zastępczy dielektryku w którym gałąź RaCa

reprezentuje polaryzację stratną (powolną) na przykład warstwową, natomiast

pojemność Cg (pojemność geometryczna) wynika z wymiarów geometrycznych

układu i występowania polaryzacji bezstratnych (szybkich). Rezystancja R repre-

zentuje upływność dielektryka.

Ćwiczenie 5

I'a

I"a

Rys. 5.4. Schemat zastępczy dielektryku (a) oraz wykres wektorowy prądów (b): Cg - pojemność geometryczna, R - rezystancja skrośna, Ca - pojemność absorpcyjna, Ra rezystancja absorpcyjna.

Przy polaryzacjach stratnych wielkość ładunku polaryzacyjnego będzie zależeć

od częstotliwości przyłożonego pola, zatem również od częstotliwości będzie zale-

żeć przenikalność dielektryczna a więc i pojemność. O przenikalności dielektrycz-

nej dielektryku przy danej częstotliwości będą decydować te rodzaje polaryzacji, które zdążą się dokonać w pierwszym półokresie. Przy dużych częstotliwościach

istnieją tylko polaryzacje szybkie zachodzące bez strat (polaryzacja elektronowa i atomowa) a pojemność układu przyjmuje wartość równą pojemności Cg.

Przy niewielkich częstotliwościach przyłożonego pola wpływ wolniejszych ro-

dzajów polaryzacji powoduje wzrost pojemności układu do wartości zwanej po-

jemnością fizyczną. Różnica pojemności fizycznej i geometrycznej określa pojem-

ność absorpcyjną reprezentującą polaryzacje stratne.

Ca = Cf − Cg .

(5.10)

Iloczyn RaCa = τa nosi nazwę stałej czasowej relaksacji. Z taką stała czasową za-

nika prąd przesunięcia związany z powolną polaryzacją od momentu przyłożenia na-

pięcia stałego. Częstotliwość relaksacji odpowiada odwrotności tej stałej czasowej.

W ogólnym przypadku schemat zastępczy dielektryku zawiera kilka gałęzi sze-

regowych RC. Związane jest to z różnymi rodzajami polaryzacji stratnych wystę-

pujących w konkretnym dielektryku. Kilka częstotliwości relaksacyjnych wystąpi

również w przypadku uwarstwienia kilkoma dielektrykami.

Jeżeli naładowany układ izolacyjny, przedstawiony powyższym schematem za-

stępczym (rys. 5.4), zewrzemy bezoporowo, to pojemność Cg zostanie szybko roz-

ładowana natomiast pojemność Ca rozładowuje się przez rezystancję Ra a więc

wolniej. Po usunięciu zwarcia może okazać się, że pojemność Ca nie została cał-

kowicie rozładowana. W takim przypadku nastąpi ładowanie pojemności Cg po-

przez rezystor Ra i wyrównanie się napięć na obu pojemnościach - pojawia się na

Badanie izolacji papierowo-olejowej

zaciskach układu napięcie zwane napięciem powrotnym. Samorozładowanie się

układu (poprzez R) zachodzi powoli i napięcie na jego zaciskach może się utrzy-

mywać dość długo.

napięcie powrotne

Rys. 5.5. Przebieg napięcia na kondensatorze z dielektrykiem papierowo-

olejowym w cyklu: ładowanie (napięcie stałe) - odłączenie źródła na-

pięcia - zwarcie - usunięcie zwarcia: t1 - czas ładowania, t2 - czas

zwarcia, t3 - stan rozwarcia.

Po przyłożeniu do układu napięcia stałego płynie przez izolację prąd zawierają-

cy trzy składowe: prąd pojemnościowy iC, prąd absorpcji ia oraz prąd upływu iR

(rys. 5.6).

Prąd pojemnościowy maleje najszybciej i praktycznie nie znaczenia przy ocenie

stanu izolacji. Po zaniknięciu składowej pojemnościowej mamy:

i = ia +iR stąd ia = i - iR .

(5.11)

Rys. 5.6. Przebiegi prądów w dielektryku po przyłożeniu napię-

cia stałego: iC - prąd pojemnościowy, ia - prąd absorpcji,

iR - prąd upływu, i - prąd sumaryczny.

Ćwiczenie 5

Pomiaru prądu upływu można dokonać po całkowitym ustaleniu się prądu

i czyli po zaniku prądu absorpcji. W związku z powyższym, przy pomiarach rezy-

stancji izolacji, pojawia się w normach zalecenie odczytu rezystancji po upływie pewnego czasu od momentu przyłożenia napięcia (np. po jednej minucie).

6. Diagnostyka izolacji papierowo-olejowej

Termin diagnostyka oznacza wykrywanie w porę, przy pomocy prób elektrycz-

nych, osłabionej izolacji. Właściwości izolacji zmieniają się w czasie eksploatacji

(starzenie się) i celem badań diagnostycznych jest stwierdzenie czy poszczególne

jej parametry mieszczą się w zakresach wartości określonych przez normy przed-

miotowe. Osłabiona izolacja nie może już w sposób pewny wytrzymać działania

przepięć atmosferycznych i wewnętrznych.

W ćwiczeniu ograniczono się do omówienia metod badań diagnostycznych do-

tyczących izolacji papierowo-olejowej ze szczególnym uwzględnieniem wskaźni-

ków zawilgocenia.

Ogólnie rzecz biorąc stan izolacji urządzeń z izolacją papierowo-olejową moż-

na określić dwoma rodzajami wskaźników:

− wskaźniki, których pomiar wymaga pobrania próbki,

− wskaźniki mierzone na całym układzie izolacyjnym.

W grupie pierwszej znajdują się wskaźniki otrzymane przy badaniu próbek

oleju (wytrzymałość elektryczna, tgδ, zawilgocenie itp.) bądź próbek papieru (sto-

pień polimeryzacji, wytrzymałość mechaniczna na rozerwanie, zawilgocenie).

Druga grupa to wskaźniki elektryczne związane z pomiarem na całym układzie

izolacyjnym (tgδ, rezystancja izolacji, pojemność izolacji, prąd upływu, prąd absorpcji).

7. Wskaźniki zawilgocenia

Wysokość bariery potencjału przy powierzchniach granicznych jest uzależniona

od rodzaju stykających się ośrodków, dlatego też przebieg zjawiska polaryzacji będzie inny w przypadku papieru suchego i zawilgoconego. Przypuszcza się, że

zjawisko absorpcji wilgoci przez papier wiąże się z tworzeniem nowego typu wią-

zań zwanych mostkami wodorowymi. Cząsteczki wody zostają wbudowane

w łańcuchy celulozy, co powoduje wystąpienie w izolacji papierowej nowej czę-

stotliwości relaksacyjnej i w zakresie do tej częstotliwości wzrost stałej dielektrycznej ε. Stała czasowa makropolaryzacji izolacji suchej zawiera się w prze-dziale kilkunastu do kilkudziesięciu sekund co odpowiada częstotliwościom relak-

sacyjnym około 0,01 ÷ 0,1 Hz. Dla izolacji zawilgoconej czas relaksacji wynosi 0,1 ÷ 0,01s (10 ÷ 100 Hz).

Badanie izolacji papierowo-olejowej

Wpływ zawilgocenia izolacji na czas relaksacji a także na przewodność elek-

tryczną został wykorzystany w szeregu metod pomiarowych służących do określe-

nia tego zawilgocenia. Mogą to być metody oparte na badaniach napięcia powrot-

nego, rezystywności, prądu upływu i prądu absorpcji, tgδ, pojemności. Duże

praktyczne znaczenie w ocenie stanu izolacji uzyskały wskaźniki zawilgocenia

zwane też współczynnikami absorpcji.

Tabela 5.2

Metody badań profilaktycznych

Ogólna

Metody badań

Rodzaje uszkodzeń

charakterystyka

izolacji

wykrywalne

niewykrywalne

metody

zawilgocenie, wyłado- defekty miejscowe,

jedna z metod podsta-

Pomiar tgδ

wania niezupełne, ogól- pojedyncze słabe miej-

wowych

ne zestarzenie całej

sca

izolacji

zawilgocenie, obecność

zestarzenie izolacji jako jedna z metod podsta-

Pomiar R, IR

przewodzących kanałów całości

wowych, pomiar wskaź-

ników R300, R60/R15

ogólne zawilgocenie

uszkodzenia miejscowe, stosowana przy wykry-

Pomiar C

izolacji

jonizacja (wyładowania

waniu zawilgocenia,

niezupełne)

wskaźniki C2/C50

i C80/C20

defekty miejscowe,

zawilgocenie

stosowana w profilakty-

Pomiar progu

istnienie wtrącin gazo-

ce izolacji wysokona-

jonizacji Uj

wych

pięciowej

Próba napięciem miejscowe uszkodzenia

defekty miejscowe lub

stosowana do obiektów

podwyższonym

o obniżonej wytrzyma-

ogólne, które nie obni-

o małej pojemności

50 Hz

łości

żyły napięcia przebicia

Próba napię-

do poziomu probiercze- stosowana do obiektów

ciem stałym

o dużej pojemności

7.1. Wskaźnik R60/R15

Dokonuje się pomiaru rezystancji po 15 i 60 sekundach od momentu przyłoże-

nia napięcia stałego (rys. 5.7a). Wykorzystuje się tutaj zarówno zmianę częstotli-

wości relaksacyjnej jak i zmianę przewodnictwa izolacji zawilgoconej. Im bardziej

izolacja jest zawilgocona tym mniejszy jest stosunek R60/R15.

Zawilgocenie powiększa częstotliwość relaksacyjną dielektryka i sprawia, że

przy napięciu stałym zjawisko absorpcji zanika w ciągu od ułamka sekundy pod-

czas gdy dla izolacji papierowej wysuszonej czas relaksacji sięga kilkudziesięciu sekund. Dla izolacji zawilgoconej wskaźnik R60/R15 jest bliski jedności R60/R15 ≈ 1.

Ćwiczenie 5

Dobry stan izolacji występuje gdy R60/R15 ≥ 1,3. Pomiary tego wskaźnika wyko-

nuje się w temperaturze 30±5°C.

Stopień zawilgocenia można określić również na podstawie pomiaru rezystancji

izolacji lub prądu upływu - odczytu dokonuje się po określonym czasie od momentu

przyłożenia napięcia stałego. Zwykle wykorzystuje się pomiar R60 lub R300 (odczyt

po 60 lub 300 sekundach). Wadą tych wskaźników, w przeciwieństwie do wskaź-

nika R60/R15, jest ich zależność od wymiarów geometrycznych układu izolacyjnego.

Pomiarów rezystancji należy dokonywać przy określonej temperaturze względ-

nie przeliczyć jej wartości do temperatury odniesienia (tab. 5.2). Temperatura ma

wpływ na ruchliwość i ilość ładunków biorących udział w procesie polaryzacji w

kierunku jej ułatwienia. Wskaźniki zawilgocenia odnoszą się do temperatury 30°C.

Tabela 5.3

Współczynniki przeliczeniowe przy pomiarach rezystancji.

Temperatura

°C 15

Współczynnik

0,50 0,57 0,66 0,76 0,87

1,14 1,32 1,52 1,74

izolacja sucha

izolacjazawilgocona

izolacja sucha

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

izolacjazawilgocona

θ = 80°C

f = 50 Hz

izolacja sucha

0 2

10 20 30 40 50 60 70 80 90 °C

Rys. 5.7. Zachowanie się własności elektrycznych izolacji papierowo-olejowej suchej i zawilgoconej 7.2. Wskaźnik C2/C50

Pomiar pojemności przy dwóch częstotliwościach 2 i 50 Hz wykorzystuje

wzrost częstotliwości relaksacyjnej izolacji zawilgoconej. Ponieważ częstotliwość

relaksacyjna izolacji wysuszonej to setne części Hz, pomiary pojemności przy 2

Badanie izolacji papierowo-olejowej

i 50 Hz dają wyniki zbliżone - polaryzacja nie zdąży się dokonać. Wzrost często-

tliwości relaksacyjnej izolacji zawilgoconej sprawia, że przy 2 Hz polaryzacja warstwowa już występuje co objawia się większą pojemnością przy tej częstotliwości (rys. 5.7c). Im większe zawilgocenie tym większa wartość wskaźnika C2/C50.

Dla izolacji suchej C2/C50 < 1,3.

Czułość metody wzrasta wraz z temperaturą. Przesuwanie się częstotliwości

relaksacyjnej wraz z temperaturą w kierunku większych wartości powoduje sil-

niejszy wzrost wskaźnika C2/C50. Pomiaru tego wskaźnika powinno się dokonywać

przy nagrzanej izolacji.

7.3. Wskaźnik C80/C20

Pomiaru pojemności przy dwóch temperaturach 20°C i 80°C dokonuje się przy

częstotliwości 50 Hz. Ponieważ częstotliwość relaksacyjna wzrasta wraz z zawil-

goceniem i temperaturą, pomiar pojemności izolacji zawilgoconej w wyższej tem-

peraturze daje większą wartość pojemności i całego wskaźnika. Dla izolacji nie-zawilgoconej pomiary pojemności w różnych temperaturach dają wyniki zbliżone

(rys. 5.7d). Izolację uważa się za niezawilgoconą jeżeli C80/C20 ≤ 1,2.

7.4. Wskaźnik I10/I600

Pomiar prądu absorpcji i prądu upływu po 10 sekundach i 10 minutach od mo-

mentu przyłożenia napięcia stałego. W przypadku izolacji suchej i czystej wskaź-

nik izolacji I10/I600 > 2,5. Czas relaksacji jest wtedy długi i w czasie 10 s polaryzacja makroskopowa nie zdąży się dokonać, zaś po czasie 10 minut prąd absorpcji zanika i płynie tylko prąd upływu. Zawilgocenie przyśpiesza proces polaryzacji, czas relaksacji maleje i również stosunek I10/I600 maleje.

Izolację uważa się za silnie zawilgoconą jeśli wartość tego wskaźnika spadnie

poniżej 1,5.

7.5. Wskaźnik stanu izolacji tgδ

Wzrost tego współczynnika może oznaczać zawilgocenie, ogólne zestarzenie

izolacji a szczególnie syciwa oraz występowanie wyładowań niezupełnych.

Współczynnik strat tgδ mierzy się przy niskiej częstotliwości i jego wartość po-równuje się z wartością na początku eksploatacji urządzenia lub z wartością poda-

ną przez wytwórcę.

Pomiar musi być wykonywany przy określonym napięciu i określonej tempe-

raturze ze względu na dość silną zależność od tych czynników. Pomiar wykonany

w innej temperaturze powinien być przeliczony na temperaturę odniesienia.

Ćwiczenie 5

Tabela 5.4

Współczynniki przeliczeniowe przy pomiarach tgδ

Temperatura

°C 15

Współczynnik

1,68 1,52 1,36 1,22 1,10

0,90 0,81 0,73 0,66 0,59

8. Tendencje rozwojowe izolacji wysokonapięciowej

Rozwój układu izolacyjnego wysokonapięciowego zmierza do wyeliminowania

wad jakimi charakteryzuje się klasyczna izolacja papierowo-olejowa. Do takich

wad należą:

− starzenie,

− łatwopalność,

− stosunkowo wysoki tgδ,

− niejednorodność przenikalności i przewodności izolacji,

− kłopotliwa technologia.

Klasyczna izolacja wysokonapięciowa papier-olej zostaje coraz częściej zastę-

powana nowymi materiałami izolacyjnymi. W kablach wysokonapięciowych zo-

stała już prawie całkowicie zastąpiona przez polietylen (kable do 220 kV a nawet

odcinki doświadczalne 750 kV).

W kondensatorach energetycznych stosuje się folie polipropylenowe tworzące

z bibułką kondensatorową dielektryk trójwarstwowy o niskim tgδ i wysokiej wy-

trzymałości elektrycznej. Bibułka kondensatorowa zapewnia w tym układzie od-

powiednie nasycenie olejem (często syntetycznym) potrzebne do osiągnięcia wy-

sokiego napięcia początkowego wyładowań niezupełnych.

Przekładniki średnich napięć posiadają izolację żywiczną (kompozyt epoksy-

dowy) eliminującą olej z układu izolacyjnego. W przekładnikach najwyższych

napięć obecna jest jeszcze, ze względu na konieczność eliminacji powietrza z ob-

szaru największych naprężeń, izolacja klasyczna. W przekładnikach prądowych

110 kV zastosowano mieszaną izolację składającą się z tkaniny poliestrowej, folii

z politereftalanu etylenu i oleju mineralnego.

Transformatory energetyczne w dużej części budowane są na bazie izolacji pa-

pierowo-olejowej. Lepszych własności dielektrycznych poszukuje się stosując

syntetyczne składniki tej izolacji, tzn. syntetyczny papier i syntetyczny olej.

9. Pytania kontrolne

1. Własności elektryczne izolacji papierowo-olejowej.

2. Równowaga wilgoci w układzie papier-olej.

3. Rola zawilgocenia w procesie starzenia się izolacji.

Badanie izolacji papierowo-olejowej

4. Od czego i w jaki sposób zależą procesy starzenia się izolacji?

5. Schemat zastępczy dielektryku i jego elementy.

6. Wpływ wilgoci na mechanizm polaryzacji.

7. Napięcie powrotne i przyczyna jego powstawania.

8. Metody badań stosowane w profilaktyce izolacji.

9. Omówić wskaźniki zawilgocenia izolacji.

10. Wyjaśnić wpływ temperatury na własności elektryczne izolacji zawilgoconej.

Literatura

1. Flisowski Z.: Technika Wysokich Napięć. WNT, Warszawa 1988

2. Florkowska B.: Badania układów elektroizolacyjnych. Skrypt AGH,

3. Gacek Z.: Wysokonapięciowa technika izolacyjna. Wyd. Politechniki Ślą-

skiej, Gliwice, 1996

II. BADANIA

Obiektami badań są zwijki kondensatorowe oraz układy izolacyjne papierowo-

olejowe wybranych wysokonapięciowych urządzeń elektrycznych.

W tabeli 5.5 umieszczone zostały wartości wskaźników dla izolacji niezawilgo-

conej. Wyniki pomiarów skonfrontowane z tą tabelą dadzą podstawę do oceny

stanu izolacji

Tabela 5.5

Wartości wskaźników zawilgocenia dla izolacji suchej

Wskaźnik

R60/R15

I10/I600

C80/C20

C2/C50

Wartość wskaźnika

> 1,3

> 2,5

< 1,2

< 1,3

1. Pomiar prądu upływu i prądu absorpcji

Pomiary wykonujemy wykorzystując miernik izolacji. Urządzenie to posiada

wbudowany wielofunkcyjny i wielozakresowy przyrząd pomiarowy (do pomiaru

napięcia, prądu i rezystancji) przełączany przyciskami. Posiada ponadto trzy za-kresy napięć roboczych 1, 3 i 10 kV.

W ćwiczeniu należy dokonać pomiaru prądu płynącego przez izolację w funkcji

czasu w odstępach czasowych, początkowo co 10s, później co 30s aż do ustalenia

się jego wartości. Czas zaczynamy mierzyć od momentu przyłożenia do obiektu

napięcia stałego. Przed rozpoczęciem pomiarów obiekty badań powinny być do-

kładnie rozładowane.

Ćwiczenie 5

Kolejność czynności:

− załączyć miernik izolacji i ustawić wymagane napięcie probiercze (250,

500, lub 1000V zgodnie ze wskazówkami prowadzącego zajęcia) przy

odłączonym obiekcie badań,

− przełączyć przyrząd na pomiar prądu ustawiając największy jego zakres,

− przyłączyć obiekt i rozpocząć pomiar czasu odczytując prąd w odstępach

czasowych (10 ÷ 30s) zmieniając w razie potrzeby jego zakres pomiaro-

wy; ostatniego odczytu prądu należy dokonać po 10 minutach,

− po zakończeniu pomiarów należy wyłączyć napięcie i zewrzeć elektrody

badanego obiektu,

− wyniki pomiarów przedstawić w tabeli 5.6,

− wykreślić charakterystyki I = f (t),

− obliczyć wskaźniki izolacji I10/I600 dla badanych układów izolacyjnych

i dokonać oceny ich stanu.

W wypadku powtarzania pomiarów na tym obiekcie (np. przy innym napięciu),

należy badany układ izolacyjny rozładować (rozładowywanie powinno trwać co

najmniej 10 minut).

Tabela 5.6

Wyniki pomiarów prądu płynącego przez izolację

badany obiekt (nazwa) ............................, U = ......... V, ϑ = .......... °C

µA

2. Pomiar współczynnika absorpcji R60/R15

Pomiary wykonujemy identycznie jak w punkcie 1, przy czym przyrząd pomia-

rowy należy przełączyć na pomiar rezystancji. Odczytu rezystancji dokonujemy co

15s aż do ustalenia się jej wartości.

Wyniki pomiarów przedstawić w tabeli 5.7.

Tabela 5.7

Wyniki pomiarów rezystancji izolacji

badany obiekt (nazwa) ............................, U = ......... V, ϑ = .......... °C

MΩ

Badanie izolacji papierowo-olejowej

Należy wykreślić charakterystyki R = f (t) oraz obliczyć współczynniki R60/R15

i określić stopień zawilgocenia izolacji.

3. Ocena zawilgocenia izolacji papierowo-olejowej

przez pomiar pojemności

Pomiary przeprowadzamy dla zwijek kondensatorowych umieszczonych w na-

czyniu z olejem podgrzewanym za pomocą kuchenki elektrycznej. Temperaturę

układu mierzymy termometrem cyfrowym.

Przebieg pomiarów:

− należy pomierzyć (za pomocą mostka zmiennoprądowego 50 Hz) pojem-

ność badanej zwijki w temperaturze otoczenia,

− po załączeniu grzejnika należy dokonywać pomiaru pojemności co około

10°C aż do 100°C,

− wyniki pomiarów przedstawić w tabeli 5.8,

Tabela 5.8

Wyniki pomiarów pojemności zwijek kondensatorowych w funkcji temperatury

zwijka nr .......... , U = ......... V, f = .......... Hz

°C

− wykreślić zależność C = f (ϑ),

− obliczyć wskaźnik C80/C20 i ocenić zawilgocenie izolacji.

4. Wnioski

We wnioskach należy umieścić własne spostrzeżenia i uwagi dotyczące meto-

dyki pomiaru jak i otrzymanych wyników. Ponadto należy porównać ze sobą oce-

ny stanu izolacji dokonane przy pomocy różnych wskaźników i ustosunkować się

co do ich przydatności.

Czy wskaźniki I10/I600 oraz R60/15 określone przy różnych napięciach różnią się

od siebie? Jeśli tak to dlaczego? Czy wysokość napięcia ma wpływ na wykrywal-

ność zawilgocenia?