Influența Temperaturii Asupra Electrizării Uleiului Mineral ÎN Transformatoarele Electrice DE Putere

DEPARTAMENTUL DE MAȘINI, MATERIALE

ȘI ACȚIONĂRI ELECTRICE

Facultatea de Inginerie Electrică Universitatea POLITEHNICA din București

Splaiul Independenței 313, 060042, Sala EA115, București, România

Tel: +4 021 402.9125; Fax: +4 021 318.10.16 www.amotion.pub.ro; e-mail: [anonimizat]

Decan, Director Departament,

Prof. dr. ing. Valentin NĂVRĂPESCU Prof. dr. ing. Laurențiu DUMITRAN

TEMA PROIECTULUI DE DIPLOMĂ

Absolvent: NAN MIHAI-RAZVAN

Forma de învățământ: Ingineri zi – promoția 2016

Titlul temei:

INFLUENȚA TEMPERATURII ASUPRA ELECTRIZĂRII ULEIULUI MINERAL ÎN

TRANSFORMATOARELE ELECTRICE DE PUTERE

Conținutul proiectului:

Structura și componentele sistemelor de izolație ale transformatoarelor electrice de putere;

Solicitările sistemelor de izolație – fenomenul de electrizare a uleiului;

3.Studiu experimental al fenomenului de electrizare a uleiului mineral; influența temperaturii asupra intensității curentului corespunător incărcării cu sarcină electrică;

4. Rezultate experimentale.

Conducător științific, Absolvent,

Prof.dr.ing. Laurențiu DUMITRAN NAN MIHAI-RAZVAN

Data eliberării temei: 14 aprilie 2016

1

Cuprins

CAPITOLUL 1…………………………………………………………………………………5

SISTEMELE DE IZOLAȚIE ALE TRANSFORMATOARELOR DE PUTERE 5

1.1. Caracteristici constructive generale 5

1.2. Componentele SI 8

1.2.1. Hârtia (cartonul) celulozică 9

1.2.1.1. Cartoane pentru transformatoare 12

1.2.1.2. Hârtia NOMEX 12

1.2.1.3. Hârtia Kraft 12

1.2.2. Uleiuri………………………………………………………………………………12

Uleiul mineral……………………………………………………………………12

Uleiul vegetal……………………………………………………………………14

Uleiul sintetic……………………………………………………………………14

CAPITOLUL 2……………………………………………………………………………….15

SOLICITĂRILE SISTEMELOR DE IZOLAȚIE – FENOMENUL DE ELECTRIZARE

ULEIULUI………………………………………………………………………………..15

Solicitări electrice……………………………………………………………………16

Solicitări mecanice…………………………………………………………………..17

Solicitări termice…………………………………………………………………….19

Solicitări ale mediului ambiant………………………………………………………20

Electrizarea uleiului mineral…………………………………………………………21

2

CAPITOLUL 3………………………………………………………………………………27

STUDIU EXPERIMENTAL AL FENOMENULUI DE ELECTRIZARE A ULEIULUI MINERAL ; INFLUENȚA TEMPERATURII ASUPRA INTENSITĂȚII CURENTULUI

CORESPUNZĂTOR ÎNCĂRCĂRII CU SARCINĂ ELECTRICĂ……………………….27

Instalații utilizate în lume pentru studiul electrizării izolațiilor…………………….27

Instalația de filtrare a uleiului Ministatic…………………………………………27

Instalația de filtrare a uleiului LEA………………………………………………28

Dispozitivul PRIME………………………………………………………………28

Instalația cu disc rotativ…………………………………………………………..30

Instalații utilizate în laboratul de Materiale Electrotehnice pentru studiul electrizării uleiului

mineral……………………………………………………………………………………………….31

3.3. Influența temperaturii asupra intensității curentului corespunzător încărcării cu sarcină electrică………………………………………………………………………………………34

CAPITOLUL 4………………………………………………………………………………37 REZULTATE EXPERIMENTALE…………………………………………………………37

CAPITOLUL 5………………………………………………………………………………44

CONCLUZII…………………………………………………………………………………47

Bibliografie……………………………………………………………………………………..49

3

4

CAPITOLUL 1

Sisteme de izolație (SI) hartie-ulei ale transformatoarelor de putere (TP)

Sistemele de izolatie elctrica au ca rol primoridial tocmai asigurarea izolatiei electrice a diverselor parti conductoare, care se afla la potentiale electrice diferite. Acestea influenteaza intr-o foarte mare masura functionarea, durata de exploatare a transformatoarelor de putere. Practic sistemele de izolatie sunt reprezentate prin diferitele parti constructive ale echipamentelor electrice, iar acestea la randul lor sunt alcatuite dintr-un ansamblu de material elctroizolante care se afla in contact direct cu partiel conductoare ale acestora.

Structural, in functie de complexitatea si natura echipamentelor electrice sisteme de izolatie se impart in simple si complexe. Cele simple apar in cazul lichidelor, gazelor, solidelor. Izolatia se realizeaza dintr-un singur material electroizolant, pe cand in cazul celor complexe din mai multe material electroizolante care au structuri si stari de agregare diferite.

Reprezentativ pentru aceste materiale, ca si functii de baza este tocmai rezistivitatea foarte mare a acestor materiale data de latimea benzii Fermi, cuprinsa intre 5 si 9 eV.

Hartia, lemnul, cartonul electrotehnic sunt materiale solide de izolatie electrica care stau la baza constructiei transformatoarelor de putere, iar lichidele electroizolante, uleiurile minerale, vegetale si sintetice completeaza in functie de cerintele constructive partea de izolatie electrica deoarece trensformatoarele de putere au un sistem de izolatie complex unde aceste materiale elctroizolante se afla in contact direct cu partile conductoare, uneori in contact indirect ca si suport mecanic al cailor de curent si de mediul de racire. Au fost efectuate diferite teste pentru imbunătățirea izolației acestor transformatoare, prin înlocuirea hârtiei (carton) celulozice cu hârtie poliamidică (Nomex) și a uleiului mineral cu uleiuri sintetice, dar datorită costului redus și a bunei comportări în exploatare, sistemul de izolație hârtie-ulei este și în zilele noastre cel mai utilizat.

5

Se încearcă, in prezent tot mai mult realizarea unor sisteme de izolație care să permită obținerea unor transformatoare mai compacte și mai economice.Acest lucru este posibil prin :

-creșterea valorilor tensiunilor (de până la 1200kV);

-reducerea nivelului de poluare, a pierderilor, a maselor și a gabaritelor ce trebuiesc transportate;

Caracteristici ale transformatorului cum ar fi: construcția acestuia (uscat sau în ulei), valorile tensiunilor celor două înfășurări și a puterii, influențează modul de realizare a sistemului de izolație. Transformatoarele de puteri mari sunt, în general, transformatoare în ulei.

Ca si component principale utilizate în realizarea sistemului de izolație al unui transformator de putere sunt : cilindrii izolanți, izolația conductoarelor, izolația dintre straturile înfășurărilor, izolația dintre înfășurarea de înaltă tensiune și înfășurarea de joasă tensiune, trecerile izolante, penele de fixare. Componentele se realizează în funcție de dispunerea înfășurărilor transformatorului(concentrice, în care înfășurarea de joasă tensiune este dispusă în interior și alternante, în care bobina înfășurării de joasă tensiune alternează cu bobina înfășurării de înaltă tensiune).

Fig 1.1. Reprezentare schematică a înfășurărilor concentrice Fig 1.2. Reprezentare schematică a înfășurărilor alternante

În figura 1.1, izolația principală poate fi alcătuită din mai multe straturi : partea solidă (hârtie, carton, pertinax) și partea lichidă (ulei).

6

În figura 1.2., izolația este așezată între bobinele alternante, fiind realizată din inele izolante.

În cazul în care întâlnim înfășurări cilindrice (vezi Fig.1.3.), acestea sunt realizate din conductoare cu secțiune dreptunghiulară izolate, astfel încât o spiră a înfășurării să fie izolată electric față de spirele vecine. Aceste înfășurări se folosesc pentru intensități ale curentului electric mai mici de 800 A și tensiuni mai mici de 1 kV.

Fig 1.3. Reprezentarea schematică a înfășurării cilindrice.

Înfășurările stratificate intră în componența transformatoarelor de putere cu tensiune de peste 1 kV. Acestea sunt realizate în mod continuu în mai multe straturi din conductoare rotunde (vezi Figura 1.4) dispuse pe un cilindru izolant, direct sau cu ajutorul unor pene.

Fig.1.4. Reprezentarea schematică a înfășurărilor stratificate.

7

Un dezavantaj major al acestor înfășurări este acela că valorile tensiunii dintre straturile înfășurării sunt foarte mari și este necesară folosirea unei izolații suplimentare pentru transformatoarele în ulei și din hârtie. Expresia tensiunii care apare între două straturi este :

Ustrat = 2wkesp

unde wk reprezintă numărul de spire pe strat, iar esp este tensiunea pe spiră.

Ultima înfășurare prezentată în acest subcapitol este înfășurarea în galeți. Acestea se folosesc pentru tensiuni de până la 60 kV, realizate din spire multe și conductoare de secțiune mică, divizate pe lungime într-o serie de bobine mai mici numite galeți. Galeții sunt separați prin canale realizate cu ajutorul unor distanțiere sau cu ajutorul unor inele izolante [1].

Fig.1.5. Reprezentarea schematică a înfășurărilor în galeți.

1.1. Componentele SI

In general transformatoarele de putere au sistemele de izolație realizate din hârtie celulozică și ulei mineral, vegetal sau sintetic. Prin combinarea produselor celulozice cu diferite sortimente de ulei prezintă două avantaje majore în construirea sistemelor de izolație :

costuri foarte reduse;

proprietăți dielectrice foarte bune [2].

8

1.2.1. Hârtia (cartonul) celulozică

Materia primă și procesul de realizare sunt relativ ieftine, motiv pentru care produsele celulozice sunt cele mai utilizate în realizarea sistemelor de izolație pentru transformatoarele de putere. Produselor celulozice stau la baza realizarii pieselor cu diferite dimensiuni și forme și cu proprietăți dielectrice bune [3].

Acestea în special hârtia care este un produs organic (conținând 90 % celuloză), sunt obținute în urma prelucrării lemnului. În practică, sunt utilizate două procedee pentru extragerea celulozei din lem și pentru inlăturarea celorlalte substanțe [4] :

procedeul cu bisulfit – are la bază încălzirea sub presiune a lemnului cojit și mărunțirea acestuia cu ajutorul unei soluții de sulfit acid de calciu;

procedeul cu sulfat – este cea mai utilizată metodă, deoarece în urma procesului de fabricație a celulozei se obțin grade de polimerizare mai ridicate decât în cazul primului procedeu și are la bază dezagregarea lemnului cu ajutorul hidroxidului de sodiu la care se adaugă o sulfură de sodiu care are rolul de a mări puterea de dezagregare.

Rezistenta mecanica a celulozei care este cea mai inportanta proprietate a hartiei este determinate de gradul de polimerizare a celulozei.

Orientarea si lungimea paralelă a macromoleculelor determină rezistența mecanică a hârtiei. Scade gradul de polimerizare în timpul funcționării transformatoarelor datorită solicitărilor termice, chimice, electrice, mecanice care apar. La o scădere a gradului de polimerizare sub 200, izolația din hârtie trebuie inlocuită, deoarece aceasta și-a pierdut rezistența mecanică.

Dezavantajul celulozei este acela că aceasta absoarbe foarte repede apa și ,de aceea, în aplicațiile electrotehnice se folosește celuloza nealbită. Pierderile dielectrice și rezistența izolației variază foarte mult cu conținutul de apă, din acest motiv s-a studiat în privința obținerii unor produse pe bază de celuloză care să asigure o funcționare optimă și îndelungată a transformatoarelor. Aceste produse sunt :

Materiale cu grosimea de până la 3 mm

hârtie Kraft;

9

carton pentru transformatoare (T IV) – carton presat la cald, din hârtie Kraft;

carton pentru transformatoare (T III) – carton lustruit, din hârtie Kraft;

cottonboard (CB) – carton presat la cald constând 100% din bumbac;

hârtie Nomex – carton presat sau lustruit constând 100% din fibre sintetice [5]

Materiale tip bloc, până la 20 mm grosime

blockboard (Bs) – carton preset la cald constând din straturi de hârtie Kraft (lipite cu material poliesteric);

plyboard (Pb) – constând din hârtie Kraft reprocesată (lipită cu material poliesteric);

lemn laminat cu densitate ridicată (Hh) – plăci din lemn de fag dispuse încrucișat (lipite cu rășină) [5].

Fig. 1.6. Izolația unui transformator de putere realizată din celuloză.

*) în sensul fibrelor;

**) în sens perpendicular fibrelor

Tabelul 1.2. Proprietățile materialelor celulozice tip bloc (până la 20 mm grosime)

11

1.2.1.1. Cartoane pentru transformatoare

Cartonul este produs din celuloza, cu reacție chimică neutră, cu fibre lungi, de culoare cenușie și are proprietăți dielectrice superioare preșpanului. Acesta este alcătuit din fibre celulozice fără liant și poate fi complet uscat, degazificat și impregnat cu ulei și din aceste motive poate fi folosit la realizarea unor piese izolatoare de construcție specială.

1.2.1.2. Hârtia NOMEX

Hârtia NOMEX este un polimer sintetic realizat prin presarea fibrelor scurte de poliamidă aromatică, având proprietăți termice superioare și este utilizată în domenii în care temperatura depășește 150o C, însă aceasta nu este utilizată foarte des la realizarea sistemelor de izolație ale transformatoarelor în ulei, deoarece are proprietăți electrice și mecanice inferioare hârtiei Kraft, dar se utilizează foarte des la realizarea sistemelor de izolație ale mașinilor electrice [6].

1.2.1.3. Hârtia Kraft

Prin procedeul cu sulfat se obține acest tip de hârtie, care este alcătuită din pastă celulozică și se folosește la izolarea individuală a spirelor bobinelor transformatoarelor. În cazul în care aceasta este bine uscată prezintă proprietăți dielectrice foarte bune :

permitivitatea relativă cuprinsă între 1,5 și 3,5;

factorul de pierderi cuprins între 0,003 și 0,004;

valori mari ale rezistivității de volum (1013 – 1015 Ωm);

rigiditatea dielectrică cuprinsă între 7 și 9 kV [7, 10]. Hârtia Kraft se obține cu costuri foarte reduse.

1.2.2. Uleiuri

1.2.2.1. Uleiul mineral

Acesta se obține prin rafinarea petrolului și are în componența sa hidrocarburi parafinice, naftenice și aromatice care conțin sulf. În cazul petrolului neprelucrat, hidrocarburile aromatice sunt cele mai stabile din punct de vedere termic, dar acestea se găsesc în cantități mici. Acesta este folosit la realizarea sistemelor de izolație a mai

12

multor echipamente electrice, cum ar fi : transformatoare de putere, întreruptoare, condensatoare. Acestea trebuie să îndeplinească anumite caracteristici impuse de IS, IEC și

BS, cum ar fi aspectul, densitatea, vâscozitatea etc. Avantajul costului redus este factorul major pentru care se folosește uleiul mineral în dauna uleiurilor sintetice și vegetale, cu toate că acestea au proprietăți mult mai bune față de uleiul mineral [10]. În afară de rolul de mediu izolant, uleiul mineral are și rolul de mediu de transmitere a căldurii (mediu de răcire). De aceea, în transformatoarele electrice de putere uleiul mineral este circulat cu ajutorul unor pompe speciale.

Tabelul 1.3. Caracteristicile uleiurilor minerale conform IS, IEC și BS

13

1.2.2.2. Uleiul vegetal

Acesta reprezinta un amestec de trigliceride și acizi grași, fluid la temperatură medie care se obține în urma procesării plantelor (floarea soarelui, rapiță, porumb, măslin, soia).Acizii grași conduc la creșterea vâscozității și la creșterea temperaturii de congelare a uleiului. Uleiul vegetal este 100% biodegradabil și s-a dorit introducerea lui în sistemele de izolație de puteri mici amplasate în zone cu risc ridicat de incendiu [10, 11]. Conținutul de acizi grași determină proprietățile dielectrice ale uleiurilor vegetale, iar în tabelul 1.4 sunt dispuse informațiile cu privire la conținutul de acizi grași pentru diferite tipuri de uleiuri vegetale [12].

Tabelul 1.4. Conținutul de acizi grași corespunzător mai multor sortimente de ulei vegetal

1.2.2.3. Uleiul sintetic

Uleiul sintetic este uleiul cu proprietățile termice cele mai bune și are un procent al biodegradabilității destul de mare, însă mult mai mic față de uleiurile vegetale [12]. Polyolesterul și Complexesterul sunt folosite pentru sistemele de izolație ale transformatoarelor de putere datorită caracterelor polimerice care oferă vâscozități foarte bune și proprietăți electrice bune. In sensul îmbunătățirea proprietăților termice, uleiul sintetic se poate combina cu uleiul mineral, însă nu se recomandă utilizarea acestei combinații în realizarea sistemelor de izolație datorită stabilității reduse la oxidare

[13].

14

CAPITOLUL 2

Imbatranirea sistemelor de izolatie

Pe parcursul funcționării transformatoarelor de putere apar anumite tipuri de solicitări ale sistemelor de izolație. Solicitarile pot fi de natura electrica, mecanica, termica, mediu ambient, dar si alte solicitari cum ar fi fenomenul de elctrizare a uleiului care conduce la reducerea duratei de viata a sistemelor de izolatie.

Aprecierea solicitarilor se face pornind de la condițiile reale de funcționare ale echipamentelor electrice [14], acestea fiind :

– regimul permanent (mod de funcționare continuu) reprezintă regimul de calcul și dimensionare a echipamentelor electrice și sistemelor de izolație;

regimul de suprasarcină (mod de funcționare intermitent) este regimul în care se determină o creștere temporară a solicitărilor izolațiilor;

regimul anormal (are durate foarte reduse, de ordinul fracțiunilor de secundă) constituie regimul în care apar supratensiuni sau scurtcircuite care determină apariția unor solicitări bruște. Corespunde funcționării în regim de avarie sau atunci când parametrii de funcționare sunt diferiți față de cei normali.

Tabelul 2.1. Solicitările sistemelor de izolație și factorii de influență

15

2.1. Solicitări electrice

Exista două tipuri de solicitari electrice:

solicitări electrice normale (în serviciu);

supratensiuni accidentale. Acestea apar datorită unor fenomene accidentale cum ar fi descărcările electrice din timpul unei furtuni, datorită rețelelor unde punctul neutrului se

găsește în apropierea unui scurtcircuit etc.

Solicitările electrice fac posibile apariția unor câmpuri electrice. Intensitățile acestor câmpuri trebuie să fie cu un ordin de mărime mai mici decât valoarea maximă admisibilă, altfel se produc străpungeri ale izolației și alte fenomene nedorite, care conduc la îmbătrânirea izolației și, cu timpul, scoaterea din funcțiune a acelor echipamente care suferă astfel de fenomene. Procesul de îmbătrânire reprezintă procesul lent în urma căruia sistemele de izolație își pierd (reduc) proprietățile electrice, termice, mecanice. Când valorile acestor proprietăți devin inferioare unor valori alese arbitrar, sistemele de izolație nu mai pot îndeplini funcțiile pentru care au fost realizate.

In cadrul solicitărilor electrice, cel mai nociv și cel mai des întâlnit fenomen, în timpul funcționării sistemelor de izolație, îl constituie descărcările parțiale, care se produc în cavitățile cu gaz existente în sistemele de izolație solide sau în bulele de gaz din lichidele electroizolante.

La sistemele de izolație solide (mașini electrice, cabluri cu izolație sintetică), descărcările parțiale nu pot fi eliminate, însă nivelul acestora la tensiune nominală nu trebuie să depășească o valoare limită admisibilă, deoarece izolația se va afla în pericol.

Conductoarele care conțin impurități pot produce solicitări electrice foarte intense și conduc la apariția unor canale și a unor arborescențe electrice și în final apare străpungerea izolației. Aceste zone de discontinuitate reprezintă zonele critice ale izolațiilor, deoarece aici se exercită toate tipurile de solicitări.

Imbatranirea si degradarea izolației din cadrul izolatoarelor se manifestă prin fenomenul de conturnare, care reprezintă o descărcare electrică ce se produce în stratul gazos care

înconjoară un izolator electric. Starea mediului ambiant (ploaie, ceață, poluare) este principalul factor ce influențează esențial valorile tensiunii de conturnare în cazul distanței de

16

amorsare a arcului electric în aer. Pentru a mări tensiunea de conturnare, izolatoarele se construiesc cu renuri.

Pentru proiectarea sistemului de izolație trebuie să se ia în considerare faptul că tensiunea de străpungere trebuie să fie mai mare decât tensiunea de conturnare și mai trebuie remarcat faptul că, în cazul în care sistemul de izolație nu mai îndeplinește rolul de izolator electric, trebuie să îndeplinească rolul de suport mecanic. Aceste funcții pot fi îndeplinite prin dimensionarea corectă a grosimii izolației.

În general, solicitările electrice se referă la valorile mediate ale intensității câmpului electric. Acolo unde există defecte de suprafață, de volum care constau în impurități metalice, fisuri, goluri, intenistatea locală a câmpului electric poate fi cu două sau trei ordine de mărime superioară intensității mediate a câmpului electric.

2.2. Solicitări mecanice

Reprezintă forțele de compresiune, alungire, strivire la care sunt supuse sistemele de izolație, unde eforturile mecanice exercitate între conductoarele active sau între acestea și suporții lor, solicitările permanente corespunzătoare funcționării normale trebuie preluate și suportate de către sistemele de izolație.

Eforturile mecanice sunt destul de mari în cazul echipamentelor electrice de puteri mari si solicitările mecanice apar datorită forțelor electromagnetice cu care câmpurile magnetice acționează asupra conductoarelor.

Forțele dintre două conductoare (apariția forțelor electrodinamice) determină apariția vibrațiilor conductoarelor cu frecvența de 100 Hz, care pot produce defecte ale izolației.

In cazul in care solicitările mecanice depășesc valorile maxim admisibile, sistemele de izolație sunt distruse din punct de vedere mecanic si apar fisuri, forfecări sau chiar ruperea izolației. Consecința acestora este că se produce străpungerea sistemelor de izolație în zona respectivă.

17

i1 i2

f f

Fig.2.1. Forța între 2 conductoare

Variațiile de temperaturi produc dilatări și contracții care determină dezlipirea izolațiilor de părțile conductoare și abraziunea suprafețelor prin frecări repetate.

In cazul aparitiei scurtcircuitelor în echipamentele de puteri mari, forțele electrodinamice care acționează asupra conductoarelor iau valori foarte mari și sunt mult superioare forțelor electrodinamice care apar în timpul funcționării normale :

În tabelul 2.2 sunt prezentate valorile raportului dintre solicitările la scurtcircuit și solicitările normale.

Tabelul 2.2. Valori ale solicitărilor la scurtcircuit raportate la cele nominale

– valoarea de vârf a componentei periodice a curentului de scurtcircuit; In – curentul nominal;

– prima valoare de vârf a componentei periodice a curentului de scurtcircuit în cazul unui scurtcircuit asimetric.

18

Solicitările mecanice joacă un rol important în realizarea unui echipament electric de puteri mari și de aceea trebuie prevăzută în sistemul de izolație o absență totală a ”jocurilor” între bobine și miezurile feromagnetice.

2.3. Solicitări termice

Marea majoritateca sistemelor de izolație sunt construite din materiale organice, în special polimeri, proprietățile lor variind cu temperature, fapt care conduce la reacții chimice de degradare a izolației : pierderi de masă, reducerea grosimii izolației, reducerea rezistenței la umiditate, reducerea progresivă a proprietăților mecanice, o creștere a factorului de pierderi și o scădere a rezistivității electrice. La cresterea temperaturii izolației, creste numărul de legături chimice și izolația se degradează mai repede. În timpul funcționării unui echipament electric de putere mare, există mai multe surse de căldură în care se produc pierderi de energie :

conductoare (pierderi prin efect Joule);

circuite magnetice (pierderi magnetice prin curenți turbionari și prin histerezis magnetic)

sistemul de izolație (pierderi dielectrice prin conducție electrică și prin histerezis dielectric)

Căldură trebuie evacuată către sistemul de răcire cu ajutorul izolației, pentru ca repartiția temperaturii depinde de conductivitatea termică a materialelor electroizolante din care este realizată izolația, de temperatura mediului ambiant și de structura fizico-chimică a izolației.

Sistemele de izolație sunt supuse acțiunii șocurilor termice care constau în temperaturi ridicate pe durate foarte scurte. Acest proces determină curenții maxim admisibili, însă se pot produce diferite defecte ale izolației : fisuri ale izolației, deformarea acestora, apariția bulelor de gaz.

În tabelul 2.3 se pot observa valorile temperaturilor admisibile la scurtcircuit pentru diferite echipamente electrice.

19

Tabelul 2.3. Valorile ale temperaturii la scurtcircuit

Solicitările termice reprezintă pentru sistemele de izolație cele mai importante eforturi, deoarece determină durata de viață a acestora.

2.4. Solicitări ale mediului ambiant

In mod decisiv factorii externi influențează îmbătrânirea sistemelor de izolație, interacțiunile chimice directe sau indirecte reprezentând cele mai importante consecințe.

Solicitările mediului ambiant pot degrada izolația sau pot intensifica degradările generate de alți factori care intervin în funcționarea echipamentelor electrice.

Asadar materialele electroizolante pot fi influențate de factori chimic externi, proveniți de la alte materiale, care se află în contact cu umezeala, radiații ultraviolete, poluanți industriali, etc.

Umiditatea atmosferică pătrunde in majoritatea izolațiilor (hârtii, ulei) și reduce proprietățile dielectrice ale acestora.

Oxigenul reprezintă principalul factor extern care influențează degradarea izolației și pentru a reduce efectele sale, în izolații se adaugă antioxidanți.

Sistemele de izolație sunt supuse concomitent solicitărilor electrice, termice, mecanice, de mediu și de aceea degradarea acestora este mult mai accentuate [15].

20

Capitolul 3

Electrizarea uleiului mineral in TP

Localizat în transformatoarele de mare putere fenomenul de elctrizare nu este un fenomen destul de inteles si controlat si constă în apariția unor descărcări electrice locale care afectează proprietățile fizico-chimice ale sistemelor de izolație și care conduce la scoaterea din funcțiune a transformatoarelor de putere. Pentru a cunoaște cât mai bine efectele electrizării trebuie studiați factorii care duc la încărcarea cu sarcină a uleiului de transformator (mineral) și totodată la avarierea transformatoarelor. Factorii care accentuează fenomenul de eletrizare a uleiului mineral sunt : vâscozitatea, temperatura, umiditatea, viteza de curgere a uleiului, natura și structura izolațiilor) [21, 23].

Fig. 2.2. Circulația forțată a uleiului prin transformatoarele de putere: 1 – miez, 2 – cuvă, 3 –

înfăsurare de joasă tensiune, 4 – înfășurare de înaltă tensiune, 5 – ventilator, 6 – pompă, 7 – radiatoare [24].

În cazul în care circulația uleiului prin cuvă și prin corpurile de răcire ale transformatoarelor de putere este forțată (fig. 2.2), uleiul se încarcă cu sarcină electrică, aparând fenomenul de electrizare. Densitatea de sarcină care apare în ulei este înfluențată de proprietățile uleiului (conținutul de apă din ulei [25] , concentrația de impurități rezultate în procesul de fabricare [26] și conținutul aditivilor din ulei [27]) și de structura pompelor și a conductelor de ulei [28].

21

Un studiu efectuat în SUA [29] a arătat faptul că transformatoarele care au fost scoase din funcțiune datorită fenomenului de electrizare funcționau în stare normală, însă acest efect s-a rărit deoarece viteza uleiului în înfășurări și în circuitele de răcire sunt mai mici decât cele în cazul circulației forțate.

Fenomenul de electrizare apare în general la transformatoarele de putere de ordinul

MVA, la tensiuni înalte (300 kV) și la toți producătorii și la toate tipurile de uleiuri și cartoane.

În transformatoarele de putere, uleiul se deplasează în raport cu celelalte elemente constructive, cum ar fi : cuva, elementele de răcire, miezul și înfășurările [24]. Pompele ajută la circulația forțată a uleiului prin transformator și acesta antrenează o parte din sarcinile electrice localizate la interfața hârtie-ulei și odată cu deplasarea sarcinilor, uleiul se incarcă cu aceste sarcini electrice [30].

În timpul funcționării transformatoarelor, apar solicitări termice care degradează izolația hârtie-ulei, conducând la apariția unor bule de gaz în ulei, circulația forțată a acestuia pompează gazele în partea de sus a izolației, aici nivelul de sarcină electrică este mai mare și astfel se intensifică descărcările parțiale și datorită impurităților din ulei apar străpungeri ale izolației.

Procesul de electrizare a uleiului din transformatoarele de putere este destul de complex [2.30]. Uleiul intră în contact cu o serie de materiale izolante și metalice, cum ar fi izolația spirelor (alcătuită din hârtie Kraft, fire din bumbac, lacuri pentru impregnare), izolația straturilor (care este formată din hârtie Kraft, carton pentru transformatoare), izolația principală (plăci din pertinax, inele din pertinax) și izolațiile auxiliare (care au în componență plăci de rășini, preșpan, plăci de pertinax) și datorită compozițiilor diferite apar reacții fizico-chimice diferite în prezența impurităților din ulei. Alți factori care influențează reacțiile fizico-chimice sunt temperatura și umiditatea uleiului și a hârtiei electrotehnice [2.30].

22

Tabelul 2.4. Valorile densității de volum a sarcinii din ulei [27, 35]

Datorită circulației forțate a uleiului sunt îndeplinite condițiile necesare pentru producerea fenomenului de încărcare cu sarcină electrică a acestuia și deci a antrenării ionilor formați la interfața ulei-hârtie electrotehnică [31].

Din tabelul 2.4 se observă faptul că uleiurile imbătrânite au densitatea de volum a sarcinii electrice mai mare decât în cazul uleiurilor neîmbătrânite.

Cum a fost menționat și mai sus, fenomenul de electrizare este influențat de anumiți parametrii ai uleiului (viteza, debitul, temperatura, umiditatea) din transformatoarele de putere [30].

Datorită generării, acumulării și transportului sarcinilor electrice care apar la interfața ulei-hârtie, în transformatoarele de putere apare fenomenul de electrizare, creșterea vitezei și a temperaturii uleiului favorizând acest fenomen [22, 32, 34, 35].

23

Viteza

Temperatura

Contaminări

Starea suprafeței

Densitatea de volum a sarcinii din ulei

Umiditatea

Viteza generează curentul de electrizare, turbulențe, tensiunea de forfecare și timpul de relaxare.

Temperatura influențează reacțiile fizico-chimice, lungimea Debye, vâscozitatea, conductivitatea uleiului și umiditatea.

Aceste impurități generează injecția de sarcină, absorb ionii și ajută la îmbunătățirea scurgerii.

Starea suprafeței influențează rugozitatea, turbulențele și tensiunea de forfecare.

Are rolul de a transporta sarcinile mobile din stratul difuz, de a acumula sarcinile pe suprafețele izolatoare.

Este sursa de ioni de la interfața ulei-hârtie și asigură conductivitatea uleiului.

Fig. 2.3. Factorii care influențează fenomenul de electrizare

În cazul în care temperatura sistemul de izolație al unui transformator de putere este

între 15-60 oC și dacă pompele sunt puse în funcțiune, probabilitatea de producere a fenomenului de electrizare este foarte mare. Dacă uleiul din radiatoare este împins de către pompe din partea de jos a transformatorului în partea de sus a cuvei, atunci izolația se încarcă cu sarcină electrică [29].

Datorită fenomenului de electrizare numărul importatnt de avarii ale transformatoarelor de putere din Europa, America și Asia a condus la efectuarea unor experimente și cercetări pentru a reduce efectele acestei electrizări. Astfel de cercetări s-au desfășurat și în cadrul colectivului Laboratorului de Materiale Electrotehnice din Facultatea de Inginerie Electrică, Universitatea Politehnica din București.

24

O primă metodă pentru a reduce descărcările electrice datorate electrizării izolației solide este acela de a limita puterea transformatorului prin reducerea vitezei uleiului.

A doua metodă de reducere a sarcinilor electrice apărute este aceea de a limita debitul de ulei prin alimentarea pompelor numai atunci când temperatura crește extrem de mult.

În cazul în care dorim să eliminăm procesul de separare a sarcinii la interfața ulei-hârtie se folosesc aditivi (1,2,3-benzotriazol (BTA), 2-6-di-tert-butil-para-cresol) [36, 43].

Odată adăugați aditivii, densitatea de sarcină se diminuează, devenind, în unele cazuri, negativă. Valorile sunt prezentate în tabelul 2.5.

Tabelul 2.5. Influența concentrației de aditiv asupra uleiurilor minerale

În cazul în care crește cantitatea de aditiv (BTA), ea fiind mai mare de 5 ppm, densitatea de volum a sarcinii din ulei scade și se reduce conductivitatea uleiului, însă crește cu debitul și temperatura uleiului, conform studiilor efectuate de Paillat [43].

25

26

CAPITOLUL 4

Studiu experimental al fenomenului de electrizare a uleiului mineral ; influența temperaturii asupra intensității curentului corespunzător încărcării cu sarcină electrică

3.1. Instalații utilizate în lume pentru studiul electrizării izolațiilor

Datorită cunoașterii de noi informații privind electrizarea sistemelor de izolație, în special electrizării uleiului mineral în transformatoarele electrice de putere, au fost realizate diferite instalații pentru studiul fenomenului de electrizare. Ele se bazează pe filtrarea uleiului, curgerea uleiului în diferite conducte și rotirea unor discuri de carton în ulei.

3.1.1. Instalația Ministatic

Această instalație este folosită pentru studiul incărcării cu sarcină electrică a uleiului mineral. Prima instalație de acest tip a fost construită de Oommen și Petrie și avea ca scop determinarea densității de volum a sarcinii din combustibili petrolieri. Realizând mai multe studii cu ajutorul aceste instalații și având din ce în ce mai multe informații despre electrizarea uleiului mineral în transformatoarele electrice de putere, au fost făcute câteva modificări ale instalației de către firma Westinghouse Electric Corporation [43] care constau în introducerea unui filtru de hârtie care are aceeași structură chimică ca a hârtiei folosită în transformatoarele de putere. Principalul motiv al acestei modificări este faptul că uleiul încărcat cu sarcină electrică trece prin filtrul de hârtie și se poate măsura curentul de electrizare cu ajutorul unui picoampermetru. Toate componentele instalației și principiul de funcționare pot fi observate

în figura 3.1.

Fig. 3.1. Instalația Ministatic : 1-seringă, 2-robinet, 3-suport filtru, 4-recipient de colectare, 5-azot sub presiune, 6-suport din teflon, 7-cușcă Faraday, 8-picoampermetru.

27

3.1.2. Instalația LEA

A doua instalație care are scop studiul încărcării cu sarcină electrică a uleiului mineral este instalația LEA realizată de LEA – Poitiers [42, 43]. Acest dispozitiv este o imbunătățire a instalației Ministatic, ea având drept scop evitarea contactului uleiului mineral cu aerul și are o mai bună precizie a măsurătorilor. Pentru a putea măsura curenții de electrizare, se pompează uleiul din recipient cu ajutorul siringii sub presiune de argon. Următorul pas este trecerea uleiului prin filtrul de hârtie care susținut de un suport metalic. Unele aparate sunt adăugate instalației pentru a măsura presiunea uleiului în timpul măsurătorii (manometru) și pentru a preveni diferiti factori externi care pot influența măsurătorile (cușcă Faraday).

Fig 3.2. Instalația LEA : 1-seringă, 2-recipient ulei, 3-cușcă Faraday, 4-recipient de colectare, 5-suport metalic pentru filtru, 6-picoampermetru, 7-robinet, 8-manometru.

3.1.3. Dispozitivul PRIME

Această instalație a fost realizată de către Institutul PRIME din cadrul Universității

Poitiers [42] care simulează curgerea uleiului din cadrul transformatoarelor de putere. Uleiul circulă printr-o conductă dreptunghiulară ajungând la izolația din hârtie, apar sarcini electrice la interfața ulei-hârtie, acestea migrează către ulei apărând fenomenul de electrizare datorită mișcării laminare a uleiului. Acest proces are loc într-o buclă închisă si prezintă o serie de

28

dezavantaje (absorbția impurităților și a umidității de către ulei), în special datorită faptului că această instalație necesită o cantitate mai mare de ulei față de celelalte dispositive.

Fig.3.3. Dispozitivul PRIME : 1-dinamometru, 2-vas sub presiune, 3-încălzitor, 4-senzor, 5-pompă, 6-termostat, 7.picoampermetru [3.1.3.2.].

O altă instalație care are ca principiu simularea curgerii uleiului în transformatoarele de putere a fost realizată de către Hitoshi Okubo și Katsumi Kato din cadrul Universității Nagoya din Japonia. Această instalație are ca principiu detectarea variației intensității câmpului electric (obținut prin aplicarea unei diferențe de potențial între doi electrozi metalici) cauzată de sarcina electrică adevărată separată la suprafața de contact ulei-hârtie. La baza principiului de măsură este metoda Kerr (o metodă care are scopul de a măsura câmpurile electrico-optice) [44.]. Instalația constă dintr-o celulă de măsură, o pompă, un generator de sarcină și două vase de relaxare a sarcinii electrice din ulei. Uleiul este forțat de către pompă să circule prin conducte până când acesta intră în contact cu hârtia și apar sarcinile electrice. Intensitatea câmpului electric apărută în ulei se măsoară cu ajutorul metodei Kerr [44]. Instalația de electrizare a uleiului se poate observa în figura 3.4. a), iar celula de măsură poate fi observată în figura 3.4. b).

29

Fig.3.4. a) Instalația pentru studiul electrizării uleiului.

Fig.3.4. b) Celula de măsură.

3.1.4. Instalația cu disc rotativ

Odată cu evoluția fenomenului de electrizare și cu fenomenele care au loc la interfața ulei-hârtie s-a dezvoltat instalația cu disc rotativ. Această instalație are la bază un disc de carton care este introdus într-un recipient metalic în care se află uleiul mineral. Mișcarea de rotație a discului de carton în raport cu uleiul mineral, conduce la generarea unui curent electric datorat sarcinilor electrice separate la interfața carton-ulei. Intensitatea curentului

30

electric generat poate fi măsurată cu ajutorul unui nanometru, ceea ce permite caracterizarea fenomenului de electrizare. O astfel de instalație este prezentată în figura 3.5.

Fig.3.5. Instalația cu disc rotativ.

3.2. Instalații utilizate în laboratul de Materiale Electrotehnice pentru studiul electrizării uleiului mineral

Pentru măsurarea curenților de electrizare a uleiului mineral, în laboratrul de Materiale

Electrotehnice, s-a folosit instalația cu disc rotativ. Acest dispozitiv este prezentat în detaliu în figura 3.6.

Fig.3.6. Instalație de electrizare a uleiului : 1-disc carton eletrotehnic, 2-recipient metalic,

3-bucșă teflon, 4-motor electric, 5-electrometru Keithley 6487, 6-PC, 7-cușcă Faraday, 8-suport izolator din teflon.

31

În interiorul cuștii Faraday (7) (cușcă ecranată) se află recipientul metalic (2) care este plasat pe un suport izolator din teflon (8). În interiorul recipientului este introdus discul din carton electrotehnic (1) care este fixat cu ajutorul unei tije metalice antrenate de un motor

electric de curent continuu (alimentat de la o sursă de curent continuu) care are turația reglabilă între 100 și 1000 rpm.

Datorită motorului de curent continuu, discul realizează rotiri cu turație fixă și

antrenează uleiul. La interfața dintre ulei și carton apar sarcini electrice, acestea deplasându-se

în volumul de ulei mineral, ducând la incărcarea cu sarcină electrică a acestuia. Datorită

mișcării discului de carton, are loc ruperea stratului dublu electric și apare fenomenul de

încărcare cu sarcină electrică a uleiului.

Măsurarea curenților de electrizare se face la o turație fixată a motorului de curent

continuu (cu ajutorul unui reostat) cu ajutorul electrometrului Keithley 6487 (5), conectat

între masă și recipientul metalic sau între masă și tija metalică și cu ajutorul unei interfețe

paralele (HP-IE 488) conectate la un calculator/laptop. Pentru înregistrarea măsurătorilor a

fost folosit softwareul LabVIEW din cadrul firmei National Instruments [45].

Aparatele și componetele necesare realizării instalației de electrizare sunt arătate mai

jos.

Fig.3.7. a) Aparate necesare pentru realizarea instalației de electrizare : 1-sursă de current

continuu, 2-reostat pentru reglarea turației motorului electric de current continuu, 3-

ampermetru .

32

Fig.3.7. b) Celula de măsură pentru curenții de electrizare.

Fig.3.7. c) Electrometrul Keithley 6487.

33

3.3. Influența temperaturii asupra intensității curentului corespunzător încărcării cu

sarcină electrică

Pentru studiul influenței temperaturii asupra intensității curentului corespunzător încărcării cu sarcină electrică s-a folosit o etuvă de laborator (figura 3.8), în care a fost introdusă celula de măsură și s-au efectuat măsurători la diferite temperaturi (figura 3.9.)

Fig.3.8. Etuva de laborator.

Pentru a determina dacă temperatura este un factor care influențează fenomenul de electrizare a uleiului mineral, este nevoie de incălziri succesive la diferite temperaturi a celulei de măsură, deci a uleiului mineral.

Principiul de măsurare a curentului de electrizare rămâne același, cu ajutorul unei instalații cu disc rotativ, însă, de această dată, instalația este introdusă într-o etuvă a cărui rol este de a incălzi uleiul mineral.

Măsurătorile din cadrul laboratorului de Materiale Eletrotehnice au fost efectuate la temperaturile de 30, 40, 50 și 60 oC, timp de 20 de minute pentru fiecare temperatură.

S-a constat că odată cu creșterea temperaturii, curentul de electrizare a uleiului mineral crește, deoarece moleculele din ulei prezintă agitații termice și apar sarcini electrice mai intense.

34

Fig.3.9. Celula de măsură introdusă în etuva de laborator.

35

36

CAPITOLUL 4

Rezultate experimentale

Intensitatea curentului de electrizare Ie a fost măsurată cu ajutorul instalației cu disc rotativ reprezentată în figura 4.1. Au fost folosite eșantioane de ulei mineral și discuri din carton electrotehnic cu diametrul de 100 mm și grosimea de 2 mm. Înainte de realizarea măsurătorilor, discurile au fost condiționate la temperatura de 55 oC, timp de 48 de ore și după au fost impregnate în ulei (48 de ore).

Fig. 4.1. Instalație pentru măsurarea curentului de electrizare (metoda I)

Pentru a putea măsura curentul de electrizare, electrometrul Keithley 6487 trebuie conectat între masă și recipientul metalic în care este introdus uleiul și discul din carton electrotehnic. O altă metodă de măsură a curentului de electrizare o reprezintă conectarea electrometrului între masă și tija metalică (figura 4.2.).

Fig 4.2. Instalație pentru măsurarea curentului de electrizare (metoda II).

37

Măsurătorile au fost efectuate timp de 20 de minute pentru 30, 40, 50 și 60 oC și au durat 3 zile.

4.1. Curba Ie = f(t) pentru o turație dată și o temperatură

În acest caz mărimea măsurată o reprezintă curentul corespunzător fenomenului de electrizare a uleiului mineral.

Fig 4.3. Variația curentul de electrizare în timp pentru uleiul mineral la turația de 350 rpm și temperatura de 30 oC.

Se poate observa că măsurătorile au fost efectuate din secundă în secundă timp de 20 de minute, iar valoarea maximă a curentului de electrizare la temperatura de 30 oC este de 81 pA.

În cazul în care dorim sa aflăm valoarea lui Ie(t) la un moment dat ne trebuie media a cinci puncte apropriate.

38

Pentru obținerea rezultatelor experimentale s-a utilizat metoda I de măsurare a curentului de electrizare, care constă în încărcarea cu sarcină electrică pozitivă a uleiului mineral. Am folosit această metodă, deoarece curentul de electrizare este pozitiv. În cazul în care se folosea metoda II, curentul de electrizare avea valori negative, dar singura diferență între cele două metode este semnul curentului de electrizare.

În figura 4.4 se poate observa că intensitatea curentului de electrizare crește pentru o temperatură mai mare, dar se stabilizează în timp.

Fig 4.4. Variația curentul de electrizare în timp pentru uleiul mineral la turația de 350 rpm și temperatura de 40 oC.

39

Fig 4.5. Variația curentul de electrizare în timp pentru uleiul mineral la turația de 350 rpm și temperatura de 50 oC.

La temperatura de 50 oC, curentul de electrizare crește semnificativ față de 30 și 40 de oC. Acest caz se întâmplă și la temperatura de 60 oC (figura 4.5)

Fig 4.6. Variația curentul de electrizare în timp pentru uleiul mineral la turația de 350 rpm și temperatura de 50 oC.

40

4.2. Influența turației discului asupra valorii lui Ie = f(t)

În figura 4.7 sunt prezentate curbele curentului de electrizare măsurat la turația de 200,

300 și 400 rpm pentru eșantioanele de ulei mineral neîmbătrânite. Din datele ce se pot observa

în figura 4.7, valorile curentului de electrizare cresc considerabil odată cu creșterea turației discului. În primele minute ale măsurătorilor apare un vârf (peak) al curentului de electrizare care poate fi datorat încălzirii apărute în timpul rotirii discului. O altă remarcă asupra figurii

4.7 este aceea că, după un timp destul de îndelungat (50 de minute) curentul se stabilizează și devine constant.

Fig. 4.7. Variația curentului de electrizare I în timp pentru ulei mineral, pentru n = 200 rpm (1), n = 300 rpm (2), n = 400 rpm (3), (d = 100 mm, g = 2 mm).

În figura 4.8. sunt prezentate variațiile cunretului de electrizare în funcție de viteza de rotație a discului din carton electrotehnic, pe eșantioane de ulei mineral.

Măsurătorile au fost efectuate pentru diferite grosimi ale cartonului și se observă faptul că grosimea și turația discului din carton influențează valorile curentului de electrizare a uleiului mineral. Cu cât cartonul este mai gros cu atât valoarea curentului de electrizare este mai mare, respectiv cu cât turația este mai mare, cu atât valoarea curentului de electrizare este mai mare.

41

Fig. 4.8. Variația curentului de electrizare în funcție de viteza de rotație a discului din carton (d = 60 mm (1), d = 80 mm (2), d = 100 mm (3), g = 2 mm) pentru ulei mineral.

4.3. Influența temperaturii asupra valorii curentului de electrizare Ie

În acest subcapitol vor fi prezentate diferite caracteristici ale curentului de electrizare la diferite temperaturi ale uleiului mineral.

În primul rând, temperatura joacă un rol important în cadrul fenomenului de electrizare a uleiului mineral. În cazul uleiului mineral, purtătorii de sarcină sunt ionii proprii și/sau cei de impurități rezultați în urma disocierii moleculelor. Densitatea de sarcină în cazul unui lichid impur este mai mare decât densitatea de sarcină a unui lichid purificat. În cazul lichidelor nepolare acest lucru este mai semnificativ, deoarece purtătorii de sarcină sunt ionii care apar datorită disocierii impurităților. Disocierea impurităților este influențată de permitivitatea relativă a uleiului εr și de temperatura acestuia. În cazul în care permitivitatea este mare, creșterea temperaturii influențează favorabil procesul de disociere. Temperatura influențează și alti factori caracteristici uleiului cum ar fi : vâscozitatea, durata de relaxare τ, mobilitatea ionilor. Din aceste observații reiese faptul că temperatura este un factor important în apariția fenomenului de electrizare și favorizează acest fenomen.

În figura 4.9 se poate observa variația curentului de electrizare în funcție de temperatură după efectuarea, timp de 1 minut, a măsurătorilor.

42

Fig. 4.9. Variația curentului de electrizare la diferite temperaturi (după 1 minut).

Din analiza acestui grafic se poate observa că, curentul de electrizare are tendința să crească odată cu creșterea temperaturii. Acest fapt se datorează apariției agitației termice, crește densitatea de sarcină din ulei, iar valoare curentului de electrizare crește.

Fig. 4.10. Variația curentului de electrizare la diferite temperaturi (după 3 minute).

43

În figura 4.10 măsurătorile au fost efectuate timp de 3 minute și se observă că valoarea curentului de electrizare la temperatura de 60 oC este de 166 pA, ceea ce arată o creștere în timp a curentului de electrizare.

Fig. 4.11. Variația curentului de electrizare la diferite temperaturi (după 5 minute).

După 5 minute se observă o creștere semnificativă a curentului de electrizare, valoarea acestuia ajungând la aproximativ 180 pA, la o temperatură de 60 oC.

44

Fig. 4.12. Variația curentului de electrizare la diferite temperaturi (după 15 minute).

Fig. 4.13. Variația curentului de electrizare la diferite temperaturi (după 20 minute).

La sfârșitul primei măsurători se observă faptul că valorea curentului de electrizare crește semnificativ, ajungând la valoarea de 200 pA.

45

În final se poate constata că turația și temperatura influențează valorile curentului de electrizare, temperatura fiind factorul principal, deoarece creșterea ei produce diferite fenomene care conduc la creșterea purtătorilor de sarcină, deci a curentului de electrizare.

46

5. Concluzii

Majoritatea transformatoarelor de putere sunt echipate cu sisteme de izolație pe bază de hârtie și ulei mineral, această combinație fiind utilizată și la echipamentele de înaltă tensiune. Aceste sisteme de izolație sunt folosite datorită proprietăților dielectrice foarte bune și al costului redus al procesului de fabricație. Cea mai utilizată hârtie pentru sistemele de izolație o reprezintă hârtia Kraft, aceasta fiind folosită pentru înfășurările spirelor bobinelor și a celorlalte piese din construcția unui transformator electric de putere. Uleiul mineral utilizat în construcția sistemului de izolație al transformatorului are un rol dublu, mediu de răcire și izolator.

Fiecare transformator este construit din diferite materiale, deoarece el va funcționa în diferite condiții (în spații închise, deschise, umede, prăfuite). Odată cu avansarea tehnologiei s-a dorit și dezvoltarea unui sistem de izolație care să fie imun împotriva apei și a altor solicitări ale mediului ambiant, însă toate testele au eșuat datorită costurilor ridicate, singurul sistem de izolație care are cel mai bun raport calitate-preț rămânând cel din hârtie electrotehnică și ulei mineral.

Sistemele de izolație sunt supuse unor solicitări (electrice, mecanice, termice, datorate mediului ambiant) care determină îmbătrânirea în timp a acestora și pot duce chiar la scoaterea din funcțiune a echipamentelor electrice.

Fenomenul de electrizare este influentat de viteza, temperatura și umiditatea uleiului, de natura și starea izolației din carton, de conținutul de aditivi adăugati in ulei etc.

Instalatiile de laborator prezentate in această lucrare permit determinarea tendinței de electrizare a uleiurilor prin măsurarea curentului de electrizare.

Rezultatele obținute în laboratorul de Materiale Electrotehnice ne indică faptul că anumiți parametrii cum ar fi : temperatura, turația, umiditatea, vâscozitatea uleiului, grosimea și diametrul cartonului influențează într-o mare măsură apariția fenomenului de electrizare în trnasformatoarele electrice de putere.

Creșterea intensității curentului electric se datorează reacțiilor electrochimice ce se produc la interfața ulei-hârtie. În cazul în care are loc o creștere a temperaturii, reacțiile electrochimice se produc mai intens, fiind favorizat fenomenul de electrizare.

47

48

Bibliografie :

[1] Dumitran L.M., Sisteme de izolație electrică, Editura Printech, București 2008.

[2] T.A. Prevost, T.V. Oommen, “Cellulose Insulation in Oil-Filled Power Transformers: Part

I: history and development”, IEEE Electrical Insulation Magazine, vol.22. no.1, 2006, pp.28-35.

[3] C. Ekanayake, “Diagnosis of Moisture in Transformers Insulation – Application of

Frequency Domain Spectroscopy” PhD Thesis, Chalmers University of Technology, Goteborg, Suedia, 2006.

[4] C Nenitescu, Chimie Organică, vol.2, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1982.

H.P. Moser, V.Dahinden, H. Wiedmann, Transformerboard II, Printing Styrian, Graz, 1979.

http://www.dpp-europe.com/-Nomex-html?lang=en

L Centurioni, G Colletti, Transformer Insulation, J Webster (ed.) Wileys Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, 2005.

A.V. Schijndel, J.M. Wetzer, P.A.A.F. Wouters, “Forecasting Transformer Reliability”,

Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 2006, pp. 577-582.

[9] J.G. Ford, A.M. Lockie, M.G. Leonard, “A new and

improved heat-stabilized insulation”, Conf.Paper 60-936, Summer meeting of the A.I.E.E., Atlantic City, NJ, June 22, 1960.

[10] P.Verma, “Condition Monitoring of Transformer Oil and Paper”, PhD Thesis, Patiala,

India, 2005.

[11] M. A. G. Martins, „Vegetable Oils, an Alternative to Mineral Oil for Power Transformers

– Experimental Study of Paper Aging in Vegetable Oil Versus Mineral Oil”, IEEE Electrical

Insulation Magazine, vol.26, no.6, 2010, pp. 7-13.

[12] T.V. Oommen, „Vegetable Oils for Liquid-Filled Transformers”, IEEE Electrical

Insulation Magazine, vol.18, no.1, 2002, pp. 6-11.

49

[13] E.W. Lucas, K.C. Rhee, Animal and vegetable fats, oils and waxes, appeard in Riegel’s

Handbook of Industrial Chemistry, 9th ed., J.A.Kent, Ed. New York : Van Nostrand-Reinhold, 1992.

[14] C.P. McShane, „Natural and Synthetic Ester Dielectric Fluids: Their Relative

Environmental, Fire Safety, and Electrical Performance”, Cooper Power Systems 1900 E.

North Street Waukesha, WI, 1999.

[15] V.Mentlik, R. Polansky, P. Prosr, „Influence of Temperature Ageing on Oxidation

Stability and Activation Energy of Insulating Liquids” Annual Report Conference on

Electrical Insulation Dielectric Phenomena, 2008.

[16] Dumitran L.M., Sisteme de izolație electrică, Editura Printech, București 2008.

M. El-Adawy, Thierry Paillat, Gerard Touchard, Huan Martin Cabaleiro, “Numerical

Simulation of the Electrical Double Layer Development: Physicochemical Model at the Solid and Dielectric Liquid Interface for Laminar Flow Electrification

Phenomenon”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol.18, no. 5, 2011, pp. 1463-1475.

B. Abedian “Electric Charging of Low Conductivity Liquids in Turbulent Flows

through Pipes” PhD Thesis M.I.T., 1979.

M. Zdanowski, S. Wolny, D. Zmarzly, “The analysis and selection of the spinning

disk system parameters for the measurement of static electrification of insulation oils,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 14, no. 2, 2007, pp. 480-486.

Y. Bouslimi, H. Fofana, H. Hemmatjou, “Static electrification assessment of

transformer oils in the spinning disc system”, High Voltage Engineering and

Application, 2010, pp. 337-340.

J. M. Cabaleiro, T. Paillat. O. Moreau, G. Touchard, “Electrical double layer’s development analysis: application to flow electrification in power transformers,” IEEE Transactions Industry Applications, vol. 45, no. 2, 2009, pp. 597-605.

T. Paillat, G. Touchard, Y. Bertrand, “Capacitive Sensor” to Measure Flow Electrification and Prevent Electrostatic Hazards”, Sensor, vol. 12, 2012, pp. 14315-14326;

50

[23] S. Tenbohlen, F. Vahidi, J. Gebauer, M. Krüger, P. Müller, “Assessment of power transformer reliability”, XVII International Symposium on High Voltage

Engineering, 2011.

[24] M. Vihacencu, „Electrizarea uleiurilor din transformatoarele de putere”.

T. V. Oommen, "Static Electrification Properties of Transformer Oil, IEEE Transactions on Electrical Insulation, vol.23, no. 1, pp. 123-128, 1988.

[26] D. W. Crofts, “The Static Electrification Phenomena in Power Transformers”, IEEE

Transactions on Electrical Insulation, vol. 23, no. 1, pp. 137- 146, 1988.

A. Bourgeois, Étude du phénomène d’électrisation par écoulement sur les cartons des transformateurs de puissance”, Thèse de Doctorat, INP de Grenoble, 2007.

S. Lindgren, Symposium Proceedings: Transformer Reliability: Management of Static Electrification in Power Transformers, TR-113741, EPRI Project Manager, 1999.

T. Paillat , O. Moreau, G. Touchard, “Influence od additives and pressboard degradation on flow electrification in high power transformers”, IEEE Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, vol.1, 1998, 182-187.

S. Isaka, H. Miyao, M. Tsuchie, “Investigation for standardisation of electrostatic charging tendency measurement of transformer oil in Japan”, International Conference on Dielectric Liquids, 1999.

J. M. Cabaleiro, Etude du developpement de la double couche electriquelors de la mise en ecoulement d'un liquide dielectrique dans une conduite isolante, Thèse de l'Université de Poitiers, 2007.

T. Oommen, E. Petrie, “Electrostatic charging tendency of transformer oils”, IEEE

Transactions Power, Apparatus and Systems, vol. 103, 1984, pp. 1923-1931.

J. Kędzia, B. Willner, “Electrification current in the spinning disk system,” IEEE

Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 1, No. 1, February 1994.

*** Static electrification in power transformers, CIGRE SC 12 JWG 12/15.13, 2002.

T. Paillat, Contribution a l’étude des phénomenes électrocinétiques dans les milieux poreux. Application au stockage géologique de déchets et a la prévention contre l’électrisation dans les transformateurs, These soutenue a l’Université de Poitiers,

1998.

A. Sierota, J. Rugis, “Electrostatic Charging in Transformer Oils”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol 1, no. 5, 1994.

51

R. Tamura, Y. Miura, T. Watanabe, T. Ishi, N. Yamada and T. Nitta, “Static Electrification by Forced Oil Flow in Large Power Transformer”, IEEE Trans. Power Apparatus & Systems, vol. 99, no.1, 1980.

S. Shimizu, “Electrostatics in Power Transformer”, IEEE Transactions on Power

Apparatus and Systems, vol. 98, 1979.

P. A. Guggenberg, J. R. Melcher, “Moisture Dynamics in Paper/Oil Systems Subject to thermal Transient”, Technical Report EL 6918 EPRI, 1990.

J. Shin , J. Hong , “Effect of the Addition of Benzotriazole on the Streaming Electrification Properties in Transformer Oil” Transactions on electrical and electronic materials, vol. 11, nr. 6, 2010, pp. 288-291.

T. Paillat, E. Moreau, G. Touchard, “Space charge density at the wall in the case of heptane fowing through an insulating pipe”, Journal of Electrostatics, vol. 53, 2001, pp.171-182.

P. Mas, O. Moreau, G. Touchard, “Perfectionnement du protocole de mesure de la tendance à la charge électrostatique des huiles minérales dans les transformateurs de puissance”, Conference Societé Francaise d'Electrostatique, 2000, pp. 149-154.

S. Isaka, H. Miyao, M. Tsuchie, “Investigation for standardisation of electrostatic

charging tendency measurement of transformer oil in Japan”, International Conference on Dielectric Liquids, 1999.

[44] H. Okubo, K. Kato, „Charge Behavior and Field Measurement Techniques in

Different Kinds of Insulation Oil for Power Transformer”, Nagoya University, Nagoya, Japan,

2008.

[45] M. S. Vihacencu, L.M. Dumitran and P.V. Notingher, “Transformer Mineral Oil Electrification Phenomenon”, Proceedings of 7th International Symposium on

Advanced Topics in Electrical Engineering, 2011, pp. 81-86.

52