Moisture Assesment of Celulose ins.-UT-G-2012

INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE16 – 17 November 2012, GABROVO

ОЦЕНКА НА ВЛАГОСЪДЪРЖАНИЕТО В ЦЕЛУЛОЗНАТА ИЗОЛАЦИЯ НАСИЛОВИ ТРАНСФОРМАТОРИ В ЕКСПЛОАТАЦИЯ

ASSESMENT OF MOISTURE CONTENT IN THE CELLULOSE INSULATIONOF POWER TRANSFORMERS IN SERVICE

Александър Владимиров Евтим КърцелинМГУ „Св. Иван Рилски”, МГУ „Св. Иван Рилски”, София, 1700, София, 1700,E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]

AbstractThe equilibrium of moisture in oil-paper insulation is discussed. The effects of the moisture on the

cellulose insulation dielectric and mechanical properties will be explained. Indirect methods fordetermination of moisture content in the cellulose insulation are reviewed.

Keywords: cellulose insulation; power transformers, assessment of moisture content.

1. ВЪВЕДЕНИЕГлавен източник на вода в

трансформатора се явяваатмосферната влага. Освен тазивлажност трансформаторът сампроизвежда определено количествовода в следствие на химичниреакции на процесите на стареене.При напълно натоварентрансформатор целулознатаизолация ще се състари за 20-30години, при което ще се отдели0,5÷0,75% вода (от масата наизолацията) [3]. Стареенето на трансформаторното

масло увеличава влагосъдържаниетов целулозната изолация до 1%преди да бъде подменено. Ако за

времето на експлоатация е ималосамо една смяна на маслото, тообщото количество навлагосъдържанието в твърдатаизолация няма да превиши 2-3%.Ако целулозната изолация е

силно състарена, напримермеханичната якост на разкъсванена хартията е понижена повече отдвойно, което се получава припреминаване на нормалният срок наексплоатация, отделената вода вследствие въздействието натемпературата, се увеличавазначително.Наличието на влага в твърдата и

течната изолация натрансформатора играе критична

Международна научна конференция “УНИТЕХ’12” – Габрово

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

роля при определяне на остатъчнияексплоатационен ресурс нацелулозната изолация.Присъствието на влага втрансформатора влошаваелектрическата и механичнатаякост на изолацията. Като цяло,механичния експлоатационен ресурсизолацията, се намаляванаполовина при двойно увеличаванена влагосъдържанието; степента натермично износване на изолациятае пропорционално на съдържаниетона вода. Възможна е появата наелектрически разряди в области свисоко напрежение порадинарушаване на равновесието навлагосъдържанието втрансформатора, предизвиквайкиниско ниво на началнотонапрежение за появата начастичен разряд с високинтензитет.

2. РАЗПРЕДЕЛЕНИЕ НА ВЛАГОСЪДЪРЖАНИЕТО В ТРАНСФОРМАТОРА. Изолационните масла, каквото

е и трансформаторното масло, неправят химична реакция сводата. Въпреки товаразтворимостта на водатанараства значително сувеличаване на температурата занормално рафинирани нафтеновимасла. Водата в трансформаторното

масло се намира в трисъстояния:

- разтворено; - при влошено състояние на

маслото водните молекулиса здраво свързани къммолекулите на маслото;

- когато влажността вмаслото премине точката нанасищане, водата се отделяот маслото, в свободнаформа, във вид на капкиили емулсия.

Съдържанието на влага вмаслото се измерва в ppm, катосе използва масата на маслоторазделена на масата на влагата(μg/g). В целулозата водата може да

се намери в четири състояния: - да бъде адсорбирана по

повърхността;- под формата на пара;- като свободна вода в

порите на целулозата;- като погълната свободна

вода.Целулозата можe да съдържа

много повече вода от маслото.Обемът на маслото в типиченсилов трансформатор достига до80000 литра. Ако предположим,че влагосъдържанието в маслотое 20 ppm, общата маса на водатаще е само 2 kg, много по-малкоот тази в хартията(целулозата). При целулозатавлажността се дава като % сухамаса разделена на масата наводата, например при 4000 kgизолация и водно съдържание 2%имаме 80 kg вода. Добре е да се познават

разделителните криви навлажността между маслото ицелулозата в равновесносъстояние. Когатотрансформатора е в равновесносъстояние, се предоставя лесенметод за бърза оценка навлагосъдържанието в целулозната


изолация, а също така, сепредсказват бъдещи повреди,само чрез следене наконцентрацията на влага вмаслото. Най-точни са равновесните

криви на Оммен, публикуванипрез 1983 г. [1] представени нафиг. 1. Той комбинира кривитена влагосъдържанието в маслотовъв функция от относителнатавлажност на въздуха, с кривитена влагосъдържанието вцелулозата във функция ототносителната влажност навъздуха. Принципът на Оммен сесъстои в това, че равновеснитекриви изобразяват еднаквоотносително насищане за маслотои целулозата при еднакватемпература.При равновесно състояние,

относителното насищане намаслото е същото, кактоотносителното насищане нацелулозната изолация в контактс маслото при това условиемогат да се приложатравновесните криви от фиг. 2.[1, 2], показващи отношениетона водата в целулозата къмводата в маслото, за да сеопредели концентрацията наводата в целулозата.

Фиг. 1. Равновесни криви на Оммен зарегиона с ниско влагосъдържание засистема хартия-масло

Фиг.2. Равновесни криви наразделението между масло и целулоза (RH% към водно съдържание в %)

Важно е да се разбере, че принормална работа натрансформатора, дори и присъздаване на стабилнотемпературно състояние,съществуват температурниразлики, и поради тази причинаима и различни влагосъдържанияв различните структури наизолацията [2]. За пример може да се вземе

трансформатор с естественоохлаждане, с температурнаразлика между дъното и капака20 K при пълен товар.Предполага се, че околнататемпература е 20 ºС исъществува температурноравновесие, при товатемпературите показани на фиг.3 са типични. Ако е инсталиран


датчик за относителна влажностна дъното на трансформатора итой показва 22% относителнавлажност, от кривите на фиг. 2,може да се определисъдържанието на вода в различничасти на изолационната система.Такава оценка е извършена нафиг. 3.

Фиг. 3. Влагосъдържание в критичниелементи от изолацията

Различните нива навлагосъдържание трябва да сеимат предвид при оценяване насъстоянието на изолацията насиловите трансформатори.

3. ВЛИЯНИЕ НА ВЛАЖНОСТТА ВЪРХУ КАЧЕСТВАТА НА ЦЕЛУЛОЗНАТА ИЗОЛАЦИЯ. Наличието на влага в

целулозната изолация сконцентрация 4% може да съкратиоперативния ресурс на силовтрансформатор с фактор 40,(т.e. 97.5 %) [1]. На фиг. 4 епосочена характеристика наочаквания експлоатационенресурс на целулозна изолация взависимост от влагосъдържаниетои работната температура.

Изолационната якост нацелулозата се понижава приовлажняване. На фиг. 5 [4] сапоказани характеристиките надобре изсушена и лошо изсушенапроба от хартиено-масленаизолация при промяна натемпературата от 0 до +120 ºC.Известно че, че при

повишаване на относителнатавлажност в целулозата от 0,5%до 3%, нивото на напрежението,при което започват да сепоявяват частични разряди спадас 50%.

Фиг. 4. Очакван експлоатационен ресурсна твърдата изолация в зависимост отвлажността

Фиг. 5. Зависимост наелектрическата якост на изсушена (1) илошо изсушена (2) изолация във функцияот температурата

Изследван е ефектът отстареенето на изолацията [5]


върху появата на пълзящиразряди и началното напрежениена частичните разряди (ЧР), нафиг. 6, като са сравненипробивното напрежение инапрежението, при което сепоявяват ЧР, на състарениобразци в сухо и овлажненосъстояние, с нови неизползваниобразци пресборд. Някои отсъстарените образци пресборд саизсушени до достигане навлагосъдържание 0,5%, а другиот образците са свлагосъдържание 2.7%÷2.9%.Както се вижда от фиг. 6,

повърхността на изсушеният исъстарен пресборд има по-нискапробивна якост и началнонапрежение на ЧР, сравнено снов и изсушен пресборд. Когатосъстареният пресборд имаотносително високовлагосъдържание, диелектричнитесвойства на повърхността мучувствително се понижават, ипо-специално, ЧР се появяватпри значително по-ниско ниво нанапрежението за овлажнена исъстарена изолация. Термичнотостареене изглежда има по-малковлияние върху диелектричнитесвойства на повърхността натрансформаторния пресбордотколкото влажността.

Фиг. 6. Пълзящи разряди върху сух иовлажнен трансформаторен пресбордсравнени с сух и неизползван пресборд

Влажността въздейства пряковърху свойствата надиелектриците:

- постояннотоковапроводимост, σdc;

- високочестотната съставкана относителнатадиелектрична проницаемост,ε∞;

- фактор на диелектричнитезагуби, tgδ;

- диелектричнахарактеристика, f(t).

По тези характеристики скосвени методи може да сеопредели съдържанието на влагав целулозната изолация и вмаслото на силов трансформатор.

4. КОСВЕНИ МЕТОДИ ЗА ОПРЕДЕЛЯНЕНА ВЛАГОСЪДЪРЖАНИЕТО В ЦЕЛУЛОЗНАТА ИЗОЛАЦИЯ. От организацията СИГРЕ са

предложени няколко новинеразрушаващи метода заопределяне навлагосъдържанието, основаващисе на измерването надиелектричните характеристики


на изолационната система натрансформатора [6]. Тритеосновни техники са съответно:

- Измерване наполяризационният идеполяризационният ток(PDC);

- Измерване навъзстановяващото сенапрежение (RVM);

- Измерване на честотнитехарактеристики надиелектрика (tgδ въвфункция от честотата,FDS).

Първите два метода работят вобластта на времето, а третия вчестотната област. Тепозволяват да се получидиелектричната характеристикатаf(t) на изолационната система натрансформатора или нейнатачестотно зависима комплекснадиелектрична проницаемост

(1)

и двете взаимно свързани презпреобразуване на Фурие. За момента единствените

методи, на които може да серазчита и са достоверни, са PDCи FDS, според публикация 254 наСИГРЕ. Ще се разгледатпринципите на двата метода заопределяне на съдържанието навода в изолационната система натрансформатора.

4.1.1. Анализ наполяризационните идеполяризационните токове.

За анализ на поляризационнитеи деполяризационните токовемежду изводите ВН и НН натрансформатор, се подава импулспостоянно напрежение самплитуда около 100 V(амплитуда U0) и времетраене Тр,наречено продължителност наполяризацията (фиг. 7) [8]. Потози начин, протича заряднияток на капацитета натрансформатора, т.е. наизолационната му система. Товае поляризационният ток. Той имаимпулсна форма, за времето наподаване на напрежението, катонамалява до определенастойност, определена отпроводимостта на изолационнатасистема, докато протичаполяризацията. След изтичане навремето за поляризация Тр,ключът S се превключва вдругата посока и диелектрика сесвързва на късо презамперметър. По този начинразрядният ток си променяполярността от положителна наотрицателна, като постепенноспада до нула за време TD. Идвата тока (релаксационнитокове) се запазват ванализатор. След това сепараметризира модел на главнатаизолация описващ поведението надиелектрика. Всички параметрина този модел се симулират и сеопределят допълнително,използват се предварителноизмерени проби от пресборд сопределено съдържание на вода,свойствата на маслата игеометрията на главнатаизолация. Апроксимиране между


изчислената и измеренатастойност на релаксационнитетокове за различнитевлагосъдържания предоставяинформация за съдържанието навода в твърдите изолационниматериали и проводимостта намаслата.

Фиг. 7. Принципна схема за измерване нарелаксационните токове

4.1.2. Основа на анализа нарелаксационните токове.

Съгласно теорията налинейните диелектрици може дасе изведе моделът показан нафиг. 8а/б [8], описващповедението на случайнадиелектрична характеристика f(t)в областта на времето илиполяризационна характеристика

и проводимост σ въвфункция от честотата [6].На фигура 8в, е показано

подреждането на бариерите,разредките и маслените канали вглавната изолационна система насилов трансформатор. За нуждитена моделирането, тазисъвкупност може да се опрости(на фиг. 8г). Използва се R-Cмодел на произволен диелектрик,показан на фиг. 8б, а работниятмодел на диелектрика на целиятрансформатор е показан на фиг.8д. Той се състои от една R-Cверига моделираща маслото (синдекс „о”) в паралел с втораверига моделираща резредките (синдекс „s), и трета веригамоделираща бариерите (с индекс„в”) свързана последователнокъм първите две. Дисперсията намаслото за периодите наизмерване над 1 s може да сепренебрегне. Така, маслото можемного добре да се симулира,използвайки само неговатапроводимост и относителнадиелектрична проницаемост(εrмасло=2.2). Поради тази причинамоделът на маслото съдържа самоедин кондензатор CO замаслените канали исъпротивлението RO, което еследствие от проводимостта намаслото σoil.Стойностите на елементите

описващи бариерите (CB, RB, CBi, RBi)и разрeдките (CS, RS, CSi, RSi) нафиг. 2д, се изчисляват отрелаксационните токове измерениза образци пресборд с добреизвестни влагосъдържания катосе взема предвид геометричният


капацитет на бариерите иразредките. Измервателниятапарат обикновено определяавтоматично нивото навлагосъдържанието.

Фиг. 8. a. Кондензатор с плочи катомодел на условен диелектрик

б. Модел описващ режима наработа на диелектрик съсслучайни поляризационнихарактеристики и проводимост

в.Част от сечението наизолационната система насилов трансформаторнамираща между намотки НН иВН

г. Опростен модел на основнитеелементи – масло, бариери иразредки

д. Модел на диелектрика наизолационната система насилов трансформатор

4.1.3. Тълкуване нарезултатите от измерването наполяризационните идеполяризационните токове

На фиг.9 [8] са показаниефектите на проводимостта намаслото и съдържанието на влагав твърд изолационен материалвърху поляризациония ток. Затипични условия на измерванепроводимостта на маслото засягаосновно времевия обхват t < 100s. По висока проводимост водидо по-голям ток. Твърдатаизолация влияе върхуполяризационните характеристикиосновно в обхват t > 1000 s,което е ясно видимо поувеличаващата се разлика нарелаксационните токове в тазиобхват от времето. Тазихарактеристика на хартиено-маслената изолационна система,позволява, да се разделятефектите на качествата намаслото и влагосъдържанието втвърдата изолация върхурелаксационните токове един отдруг. На фиг. 9б [8] са показани

измерените поляризационнитокове в сравнение сизчислените токове завлагосъдържание 0,5% и 1% заново изработен силовтрансформатор с мощност 392MVA. Измереният поляризационенток в обхвата t > 1000 s e


между изчислените токове завлагосъдържания 0,5% и 1%.

Фиг. 9. a. Ефект на проводимосттана маслото и влагосъдържанието втвърдата изолация върхуполяризационния ток (ipol)

б. Анализ на 392 MVA силовтрансформатор

Така може да се направизаключение, чевлагосъдържанието в твърдатаизолация е доста под 1%.Апроксимацията даваща найблизка стойност запроводимостта на маслотоопределя тази стойност на0,3.10-12 1/Ωm.Влагосъдържанието натрансформатора е определено вфабриката по време наконтролните изпивания по методана Карл-Фишер. Резултатът е бил0,61%. Освен това, по метода заопределяне температура на точкана оросяване на азот напълнендиректно преди транспорт, се еполучил резултат 0,45%.Очевидно, че има добросъвпадение между анализа нарелаксационните токове и други

методи за определяне навлагосъдържание.

4.2.1. Измерване на честотнитехарактеристики на диелектрика(tgδ във функция от честотата,FDS).

Тази техника е обобщение наизмерването на капацитетът иtgδ обикновено измервани припромишлена честота. Прилага сесинусоидален сигнал нависоковолтовите изводи, а токасе измерва от изводите за нисконапрежение. Казанът имагнитопровода са свързани къмземя. Основно правило е, чевремето за измерването е спродължителност четири пътипериода на измерване на най-ниската честота. Използва сечестотната област от 0,0001 Hzдо 1000 Hz. Измервателниятинструмент е напълноавтоматичен, преминава презпредварително програ-миранапоследователност, записваданните във форма на комплексенимпеданс. Използват сенапрежения между 5 и 120 V. За моделиране на

изолационната система на силовтрансформатор, се използваподобен на фиг. 8г. модел,представен на фиг. 10 [7].

Фиг. 10. Изолационен модел използванпри моделирането


Когато са избрани свойстватана материала и геометрията,комбинираната характеристика надиелектрика, се изчислявачислено. В честотната областхарактеристиката наизолационният модул може да сеизрази в проста формула:

(2)

Диелектричните проницаемастиот дясната страна (εразредка, εмасло,εбариера) на формула (2), са катоцяло сложни функции начестотата и температурата(формула 1), които са извлечениот измервания на изолационнимодели. Свойствата наматериалите са изменяни, докатосе постигне добро припокриванена измерените стойности. На фиг. 11 [7] са показани

измервания на tgδ за четириразлични трансформаторагрупирани по двойки Т11/Т12 иТ41/Т42. Спектърът на първитедва трансформатора е изместенприблизително с две декади почестота по отношение на другитедва трансформатора. Основнатапричина за тази разлика е по-високата проводимост на маслотоза Т11 и Т12 в сравнение с Т41и Т42.

Фиг. 11. Измерване на tgδ във функцияот честотата за четири различнитрансформатора

На фиг. 12 [7] е моделирановлиянието на три различнипроводимости на маслото.Обяснението за това поведение епоследователното свързване намаслото и целулозата. Пресбордадейства като бариера заносителите на йонен заряд вмаслото и по повърхността натвърдата изолация се акумулиратповърхностни заряди пораждащимного силно изразен пик приниските честоти. Позицията натози пик, в честотната област,зависи едновременно отпроводимостта на маслото иколичеството на пресборда вмасленият канал. Като първаапроксимация характеристиката“RC” времеконстанта може де сеизрази с:

(3)където ε0 е диелектричната

проницаемост на вакуума (8,85410-12 AsV-1m-1), а εr еотносителната диелектрична


проницаемост на пресборда(≈4,5); σoil e проводимостта намаслото; X - относителнотоколичество на твърдите бариери(фиг. 10).Реалният капацитет, C” и

имагинерната част от загубите(C”= tgδ.C’) също са честотнозависими и заедно се използватпри моделирането и оценката наизолацията. След като проводимостта на

маслото е определена, влияниетона влагосъдържа-нието вцелулозата е показано на фиг.13 [7]. Заключението е, чевлагосъдържанието е около 1% заТ11 и Т12 и по-ниско за другитедва трансформатора.

Фиг. 12. Влияние на проводимостта намаслото върху tgδ

Фиг. 13. Измерени стойностисравнени с изчислените за три различнивлагосъдържания на целулозата

Основната разлика всъстоянието изолацията междутрансформаторите епроводимостта на маслото.Маслата на Т11/Т12 са сменени,но въпреки това те изглежда сапо-състарени в сравнение сТ41/Т42. Причината за това най-вероятно е по-високата работнатемпература и консерватор ототворен тип за Т11/Т12.

4.3. Предимства и недостатъцина методите за определяне навлагосъдържание

Методът измерване начестотните характеристики надиелектрика, има предимствотода включва обикновените tgδ икапацитет на изолацията,измерени при промишленачестота. По този начин, е леснода се установи дали нещо не есгрешено в опитната постановкапо време на измерването.Присъщата за метода тясначестотна лента, го правинечувствителен към смущения и с


това се избягва нуждата отприлагане на високи напрежения.Качествените и количественитеоценки са преки и разбираеми.Възможно е да се извърши и тритерминално измерване (с защитенпроводник), за да се елиминиратпълзящите токове по изводите натрансформатора.Методът анализ на

поляризационните идеполяризационните токове,фундаме-нтално погледнато, есъщият като измерването наизолационно съпро-тивление.Ако стойностите на токовете саниски, методът може да бъдечувствителен към изместващитокове и смущения от обекта.Измервания със защитенпроводник са лесно изпълними.Оценката на резултатите едиректна и разбираема.Проводимостта на маслото можеда се определи от началнитетокове, а проводимастта напресборда от крайният ток.Проводимостта на пресборда есилно повлияна от влажността.

5. ИЗВОДИ

Количеството на водата визолационната система натрансформатора влияеотрицателно върху механичните иизолационните свойства нацелулозната изолация. Сувеличаване на срока наексплоатация, влагата нараствапо естествен път и действа катоавтокатализатор върху процеситена стареене на изолацията.Затова е необходимо периодично

влагосъдържа-нието вцелулозната изолация да сеоценява и при необходимост дасе извършва изсушаване. Косвените методи за

определяне на влагосъдържаниетодават добра оценка засъстоянието на целулознатаизолация. Предимство имаметодът - измерване начестотните характеристики надиелектрика.При инсталиране на датчик за

относителна влажност в казанана трансформатора може да сеизвършва непрекъснат контролвърху количеството наразтворена вода в маслото и пристабилна температура намашината, да направиприблизителна оценка завлагосъдържанието в целулознатаизола-ция.

ЛИТЕРАТУРА

1. Y. Du, M. Zahn, B. Lesieutre,A. V. Mamishev, S. R.Lindgren, MoistureEquilibrium in TransformerPaper-Oil Systems, IEEEElectrical InsulationMagazine, January/February1999-Vol.15, No.1 pp11-20

2. Brian Sparling, JacquesAubin, Assessing WaterContent in Insulating Paperof Power Transformers, GEEnergy, Calgary, Alberta,Canada

3. Влагосодержание изоляции трансформа-тора при его эксплуатации, http://leg.co.ua/transformatory/praktik


http://leg.co.ua/transformatory/praktika/vlagosoderzhanie-izolyacii-transformatora-pri-ego-ekspluatacii.html

a/vlagosoderzhanie-izolyacii-transformatora-pri-ego-ekspluatacii.html

4. Вдовико В. П., Частичние разряды в диагностировании высоковольтного оборудования,Новосибирск, Наука, 2007, ISBN 978-5-02-023210-5

5. J. Dai, Z. D. Wang, P.Jarman, Moisture and AgingEffect on the CreepageDischarge Characteristics atthe Oil/Transformer-boardInterface under DivergentField, 2008 Annual ReportConference on ElectricalInsulation DielectricPhenomena

6. S.M. Gubanski (chair), P.Boss, G. Csépes, V. DerHouhanessian, J. Filippini,P. Guuinic,U. Gäfvert, V.Karius, J. Lapworth, G.Urbani, P. Werelius, W.Zaengl, CIGRE Brochure 254,Dielectric Response Methodsfor Diagnostic of PowerTransformers, Report of TFD1.01.09, Paris, 2004

7. Uno Gäfvert, Lars Adeen, MatzTapper ,Parviz Ghasem, BengtJönsson, DielectricSpectroscopy in Time andFrequency Domain Applied toDiagnostics of PowerTransformers, 6thInternational Conference onProperties and Applicationsof Dielectric Materials, June21-26, 2000, Xi'an JiatongUniversity, Xi'an, China

8. Leibfried and A. J. Kachler,Insulation Diagnostics onPower Transformers using the

Polarisation andDepolarisation Current (PDC)Analysis, Confertence Recordof the 2002 IEEEInternational Symposium onElectrical Insulation,Boston, MA USA, April 7-10,2002




Moisture Assesment of Celulose ins.-UT-G-2012

Documents

Transcript of Moisture Assesment of Celulose ins.-UT-G-2012