Ä†wiczenie 5 Badanie izolacji papierowej id 97156

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, Ŝe izolacja papierowo-olejowa znaj-

duje obecnie zastosowanie jedynie w układach wysokonapięciowych odgrywając

w nich jednak znaczącą rolę. W układach izolacyjnych najwyŜszych 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 róŜnego rodzaju

oleje, kalafonia, wazelina itp. Najczęściej jako syciwo stosowany jest olej mineralny. Przez odpowiednie nasycenie papieru moŜna 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 równieŜ przeszło dwukrotnie większą wy-

trzymałość niŜ czysty olej. Wynika stąd, Ŝe izolacja papierowo-olejowa ma znacz-

nie lepsze własności elektryczne niŜ kaŜdy 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 takŜe i tgδ.

NajwaŜniejszą wielkością wpływającą na gabaryty urządzeń z izolacją papie-

rowo-olejową jest natęŜenie elektryczne dopuszczalne. NajwyŜsze dopuszczalne

natęŜenia pola elektrycznego stosuje się w przypadku kondensatorów elektrycz-

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

puszczalne zaleŜy od rodzaju napięcia. Przy napięciu stałym rozkład natęŜeń zale-

Ŝy 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, Ŝe przy uwarstwieniu szeregowym

celulozy i oleju lub papieru nasyconego i oleju bardziej napręŜanym dielektrykiem

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

tryczną. W kondensatorach energetycznych często stosuje się oleje syntetyczne

mające przenikalność dielektryczną zbliŜoną do przenikalności celulozy.

Przenikalność dielektryczną wypadkową papieru nasyconego olejem moŜna

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 powyŜsze moŜna wyprowadzić korzystając z wypadkowej pojemności

i wypadkowych strat energii.

Własności elektryczne papierów zaleŜą 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 próŜni.

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 obniŜanie się ich wytrzymałości mechanicznej.

2. Przygotowanie izolacji papierowej do nasycania

Technologia nasycania papieru jest zabiegiem dosyć skomplikowanym. Nasy-

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

technologicznych papier uŜyty 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 nawilŜony 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

niŜ 0,3 % wilgoci. Suszenia dokonuje się zazwyczaj w komorach próŜniowych

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 powyŜej 3 %.

Z rysunku 5.1 wynika, Ŝe przy niŜszych temperaturach woda w izolacji papie-

rowo-olejowej skoncentrowana jest głównie w papierze, przy wyŜszych 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 róŜnych 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 (równieŜ izolacji w ogóle) są:

− pogorszenie się wytrzymałości elektrycznej,

− obniŜenie wytrzymałości mechanicznej,

− zmiana struktury materiału (depolimeryzacja),

− zawilgocenie i zabrudzenie itp.

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

− napięcia roboczego i przepięć,

− podwyŜszonej temperatury,

− obciąŜeń 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, obniŜenie własności me-

chanicznych),

− obniŜenie napięcia początkowego wyładowań niezupełnych.

NaleŜy wspomnieć, Ŝe własności dielektryczne wody znacznie odbiegają od

własności elektrycznych innych dielektryków. Jest ona dobrym rozpuszczalnikiem

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

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

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

na własności elektryczne izolacji.

RozróŜniamy trzy podstawowe mechanizmy starzenia się izolacji:

a) starzenie cieplne,

b) starzenie elektrochemiczne,

c) starzenie jonizacyjne.

Z zagadnieniem starzenia dielektryków wiąŜe się pojęcie czasu Ŝycia izolacji.

Czas Ŝycia 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: jeŜeli wielkością

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

napięcie przebicia osiągnie poziom uznany za krytyczny. Oceny długości Ŝycia

izolacji dokonuje się na podstawie krzywych Ŝycia. Krzywa Ŝycia to zaleŜność

Ćwiczenie 5

czasu Ŝycia od intensywności naraŜeń przyjętych jako główna przyczyna procesu

starzenia.

Tabela 5.1

Mechanizmy starzenia się izolacji. t - czas Ŝycia, 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

napręŜenie dielektryczne

Krzywe

t= f

t = f

(n)

(θ)

t = f (E) dla θ =const.

Ŝycia

T = f (θ) dla E = const.

n - intensywność wnz

RóŜne 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 Ŝycia izolacji stanowi zaleŜność czasu

jej Ŝycia od temperatury. Jako wielkość fizyczna do określenia kryterium zuŜycia

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

mechaniczna na rozerwanie. Wg teorii Montsingera izolację uwaŜać naleŜy za

zuŜytą gdy jej wytrzymałość mechaniczna na rozerwanie zmniejszy się dwukrot-

nie. Przyjęcie wytrzymałości mechanicznej do oceny stopnia zestarzenia zostało podyktowane tym, Ŝe 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.

ObniŜenie 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 zaleŜności czasu Ŝycia izolacji od temperatury stanowi prawo Arrhe-

niusa mówiące o wykładniczej zaleŜności 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 Ŝycia w temperaturze θ.

Przy wzroście temperatury o ∆θ czas Ŝycia izolacji wyniesie

m(θ

∆θ)

t' = A ⋅ −

(5.6)

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

Ŝycia 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 Ŝycia izolacji ∆θ = 8°C. Badania Montsingera

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

rowej przedstawia rysunek 5.3.

cia t, lata y

zas ŜC

105

113

121

Temperatura θ, °C

Rys. 5.3. ZaleŜność czasu Ŝycia 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-

Ŝenie 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

duŜą przenikalność dielektryczną.

Krzywe Ŝycia to zaleŜność czasu Ŝycia od natęŜenia pola elektrycznego oraz

temperatury (przy załoŜeniu istnienia tylko procesów starzenia elektrochemicznego).

Szybkość starzenia elektrochemicznego wzrasta dwukrotnie przy wzroście tem-

peratury o 10 °C (związek ten odpowiada równieŜ prawu Arrheniusa). ZaleŜność

jest następująca

θ −θ

t = t ⋅ b k

(5.8)

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

4.3. Starzenie jonizacyjne

Starzenie jonizacyjne wywołane wyładowaniami niezupełnymi występuje

głównie przy napięciu przemiennym. W układach najwyŜszych napięć są często

głównym czynnikiem decydującym o czasie Ŝycia 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 równieŜ wzdłuŜ powierzchni dielek-

tryku drąŜąc w głąb izolacji kanaliki lub pozostawiając za sobą ścieŜki przewodzące.

Badanie izolacji papierowo-olejowej

Okres starzenia jonizacyjnego moŜe 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 zaleŜność tego czasu od natęŜenia pola elektrycznego w postaci

C E n

= ⋅ − ,

(5.9)

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

zaleŜne od rodzaju materiału dielektryka i warunków starzenia.

Konieczność zapobiegania szybkiej degradacji izolacji wiąŜe się z określeniem

dopuszczalnej intensywności wyładowań w dielektryku. W zaleŜności 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 moŜna zaobser-

wować badając zachowanie się dielektryków niejednorodnych w polu elektrycz-

nym stałym bądź przemiennym niskiej częstotliwości.

JeŜeli w układzie izolacyjnym istnieją odrębne obszary oddzielone od siebie

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

rę potencjału. Pewna ilość nośników ładunku elektrycznego nie moŜe przechodzić

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

danego obszaru. Spowodowane to jest róŜnymi przewodnościami elektrycznymi

obszarów. W przypadku przyłoŜenia pola elektrycznego, przy powierzchniach

granicznych gromadzi się ładunek, a kaŜdy z obszarów, wskutek rozdzielenia się ładunków róŜnoimiennych, 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 zaleŜeć

od częstotliwości przyłoŜonego pola, zatem równieŜ od częstotliwości będzie zale-

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

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

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

Przy niewielkich częstotliwościach przyłoŜonego pola wpływ wolniejszych ro-

dzajów polaryzacji powoduje wzrost pojemności układu do wartości zwanej po-

jemnością fizyczną. RóŜnica 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 przyłoŜenia 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 róŜnymi rodzajami polaryzacji stratnych wystę-

pujących w konkretnym dielektryku. Kilka częstotliwości relaksacyjnych wystąpi

równieŜ w przypadku uwarstwienia kilkoma dielektrykami.

JeŜeli naładowany układ izolacyjny, przedstawiony powyŜszym 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 moŜe okazać się, Ŝe 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 moŜe 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 przyłoŜeniu 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 przyłoŜeniu napię-

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

iR - prąd upływu, i - prąd sumaryczny.

Ćwiczenie 5

Pomiaru prądu upływu moŜna dokonać po całkowitym ustaleniu się prądu

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

stancji izolacji, pojawia się w normach zalecenie odczytu rezystancji po upływie pewnego czasu od momentu przyłoŜenia 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 moŜe juŜ 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 moŜ-

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 uzaleŜniona

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

zjawisko absorpcji wilgoci przez papier wiąŜe 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 takŜe na przewodność elek-

tryczną został wykorzystany w szeregu metod pomiarowych słuŜących do określe-

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

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

praktyczne znaczenie w ocenie stanu izolacji uzyskały wskaźniki zawilgocenia

zwane teŜ 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

podwyŜszonym

o obniŜonej wytrzyma-

ogólne, które nie obni-

o małej pojemności

50 Hz

łości

Ŝyły napięcia przebicia

Próba napię-

do poziomu probiercze- stosowana do obiektów

ciem stałym

o duŜej pojemności

7.1. Wskaźnik R60/R15

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

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, Ŝe

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 moŜna określić równieŜ na podstawie pomiaru rezystancji

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

przyłoŜenia 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 zaleŜność od wymiarów geometrycznych układu izolacyjnego.

Pomiarów rezystancji naleŜy 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. PoniewaŜ częstotliwość

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

Badanie izolacji papierowo-olejowej

i 50 Hz dają wyniki zbliŜone - polaryzacja nie zdąŜy się dokonać. Wzrost często-

tliwości relaksacyjnej izolacji zawilgoconej sprawia, Ŝe przy 2 Hz polaryzacja warstwowa juŜ 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. PoniewaŜ częstotliwość relaksacyjna wzrasta wraz z zawil-

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

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

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

7.4. Wskaźnik I10/I600

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

mentu przyłoŜenia 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 zdąŜy się dokonać, zaś po czasie 10 minut prąd absorpcji zanika i płynie tylko prąd upływu. Zawilgocenie przyśpiesza proces polaryzacji, czas relaksacji maleje i równieŜ stosunek I10/I600 maleje.

Izolację uwaŜa się za silnie zawilgoconą jeśli wartość tego wskaźnika spadnie

poniŜej 1,5.

7.5. Wskaźnik stanu izolacji tgδ

Wzrost tego współczynnika moŜe 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 zaleŜność 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 naleŜą:

− 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 juŜ 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 Ŝywiczną (kompozyt epoksy-

dowy) eliminującą olej z układu izolacyjnego. W przekładnikach najwyŜszych

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

szaru największych napręŜeń, 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 duŜej 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 zaleŜą 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 naleŜy dokonać pomiaru prądu płynącego przez izolację w funkcji

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

się jego wartości. Czas zaczynamy mierzyć od momentu przyłoŜenia 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 naleŜy dokonać po 10 minutach,

− po zakończeniu pomiarów naleŜy 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),

naleŜy 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 naleŜy przełączyć na pomiar rezystancji. Odczytu rezystancji dokonujemy co

15s aŜ 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

NaleŜy 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:

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

ność badanej zwijki w temperaturze otoczenia,

− po załączeniu grzejnika naleŜy dokonywać pomiaru pojemności co około

10°C aŜ 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 zaleŜność C = f (ϑ),

− obliczyć wskaźnik C80/C20 i ocenić zawilgocenie izolacji.

4. Wnioski

We wnioskach naleŜy umieścić własne spostrzeŜenia i uwagi dotyczące meto-

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

ny stanu izolacji dokonane przy pomocy róŜnych wskaźników i ustosunkować się

co do ich przydatności.

Czy wskaźniki I10/I600 oraz R60/15 określone przy róŜnych napięciach róŜnią się

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

ność zawilgocenia?