![12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015
CIGRÉ ŠK D1-02
2
UVOD
Optični temperaturni senzorji (v nadaljevanju OTS), vgrajeni v navitja sodobnih transformatorjev, služijo za
direktno merjenje temperature najtoplejše točke v navitjih. Proizvajalec transformatorja jih je zaradi tega dolžan
postaviti v pričakovano najtoplejše mesto v navitju. Praviloma so to svitki v zgornjem delu navitja, ker pa so to
vhodni deli navitja, so tudi dielektrično najbolj izpostavljeni. S postavitvijo OTS v območje pričakovanih
največjih dielektričnih obremenitev v navitju posegamo v območja, ki v sebi nosijo skrita tveganja za slabitev
dielektričnih razmer ali celo preboj izolacije, saj se razkrijejo šele ob prevzemnih dielektričnih preizkusih in
analizah olja, ali še kasneje - med obratovanjem transformatorja. Za varno vgradnjo OTS v navitja je potrebno
zanesljivo ogrodje, ki primerno varuje optično konico in kabel pred poškodbami, previdnost pri vgradnji ter
primerna čistoča orodij ter opreme.
Število vgrajenih senzorjev v navitju določa uporabnik. Za trifazne transformatorje večjih moči, ranga 100
MVA, minimalno število senzorjev priporoča tudi standard [1]. V transformator je pogosto vgrajeno več kot
deset senzorjev, kar je lahko dodaten razlog za tehten premislek in sodelovanje proizvajalca in uporabnika
transformatorja.
S stališča projektiranja in izračuna notranje izolacije v navitjih je pomembno vedeti, ali je v območju senzorjev
potrebno izolacijo ojačiti in s tem odpraviti domnevno dielektrično oslabitev. Splošno mnenje je, da OTS ne
motijo električnega polja v navitjih, v kolikor so zagotovljene ustrezne minimalne plazilne razdalje in ustrezen
nivo čistoče, ki preprečuje onesnaženje navitja ob vgradnji senzorjev [1]. Na podlagi že opravljenih raziskav
nekaterih drugih avtorjev smo zasledili pomisleke o nevtralnosti vgradnje različnih tipov optičnih vlaken v
dielektrično kritičnih lokacijah transformatorskih navitij [2].
Pri razvoju sodobnih transformatorjev je projektantsko vodilo zmanjševanje izolacijskih razdalj in izboljšanje
polnilnega faktorja navitij. To lahko dosežemo z optimizacijo izolacije na žici (npr. konstrukcija navitja brez
papirne izolacije) ali z zmanjšanjem hladilnih kanalov v navitju do te mere, da le-ti zadoščajo za učinkovito
hlajenje navitja, obenem pa še zagotavljajo primerno dielektrično trdnost [4], [6].
Oljni kanal lak-olje brez papirnega omota na žici med dvema sosednjima svitkoma vijačnega navitja tvori
preprost izolacijski sklop, sestavljen iz trde lak izolacije na žici, tlačene lepenke (distančnika) ter olja kot
tekočega dielektrika. Tlačena lepenka je stabilen izolacijski material z značilno homogeno strukturo in visoko
stopnjo odpornosti na vlago. Lak na žici PVA (polyvinyl acetal) termičnega razreda E (120°C) je brez zaznavne
higroskopnosti. V ta relativno enostaven dielektrični sklop je pogosto treba vgraditi sklop optičnih senzorjev, ki
je po zgradbi zahtevnejši in sestavljen iz materialov različnih dielektričnih in kemičnih lastnosti. V pričujoči
raziskavi smo proučili vpliv vgradnje senzorjev v navitja brez papirne izolacije. Uporabljen je obstoječi senzor s
standardnim tehnološkim postopkom vgradnje, izvedene primerjalne meritve dielektrične trdnosti in delnih
praznjenj na osmih vzorcih z in brez OTS, ter s plinsko kromatografsko analizo olja preverjene sledi razkrojenih
plinov v olju v treh različnih dielektričnih stanjih.
I. OPIS VZORCEV IN POSTOPKA DIELEKTRIČNIH PREIZKUSOV
Preizkusni vzorec predstavlja en izsek iz tipičnega vijačnega navitja z radialnimi hladilnimi kanali 3 mm. Vzorci so
izdelani iz pravokotne lakirane žice brez papirne izolacije dimenzij; 6,6 mm x 1,8 mm, lak PVA grade 1,
(debelina nanosa 85 m nominalno), radij zaoblitve na žici 0,65 mm. Preizkusni vzorec tvori snop dvajsetih
radialno zloženih žic, galvansko spojenih na robovih in mehansko učvrščenih s povitjem in zateznimi vijaki
(Slika 1). Vsi materiali in postopki uporabljeni za izdelavo
preizkušancev so enaki tistim, ki se uporabljajo v redni
proizvodnji transformatorjev.
Določitev dielektrične trdnosti oljnega kanala je zahteven
postopek, saj poleg geometrijskih izdelavnih toleranc žice
na dielektrično trdnost preizkušanca vplivajo tudi
temperatura, vsebnost vlage in prisotnost nečistoč v
vzorcih. Ob dielektričnih preizkusih in meritvah se zato
neizbežno srečamo z relativno velikim statističnim
raztrosom izmerjenih vrednosti, zaradi česar dielektrično
trdnost preizkušanca lahko določimo le statistično ali z
uporabo izkustvenega faktorja varnosti.
Slika 1: Zgradba preizkusnega vzorca z optičnim temperaturnim senzorjem](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Recommended
More Related Content
More from Juso Ikanovic
More from Juso Ikanovic (9)
IMPACT OF OPTICAL FIBRE TEMPERATURE SENSORS ON DIELECTRIC WITHSTAND OF OIL CHANNEL IN THE PAPERLESS WINDING INSULATION OF POWER TRANSFORMERS
- 1. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK D1-02 1 VPLIV OPTIČNIH TEMPERATURNIH SENZORJEV NA DIELEKTRIČNO ZDRŽNOST OLJNEGA KANALA V NAVITJIH BREZ PAPIRNE IZOLACIJE MOČNOSTNIH TRANSFORMATORJEV Tim Gradnik, Elektroinštitut Milan Vidmar tim.gradnik@eimv.si Juso Ikanović, Blaž Janežič, Andrej Jurman Kolektor- Etra Povzetek: Članek obravnava vpliv vgradnje optičnih temperaturnih senzorjev na dielektrično trdnost transformatorskih navitij brez papirne izolacije. V ta namen so izdelani in preizkušeni realni modeli vijačnega navitja s pravokotno žico, izolirano z lakom ter enotnim oljnim kanalom 3 mm. Preizkusni modeli so izdelani po tehnološkem postopku Kolektor Etra in preskušeni v visokonapetostnem laboratoriju EIMV. Izmerjene so prebojne napetosti AC 50Hz v oljnem kanalu z in brez prisotnosti optičnih temperaturnih senzorjev ter spremljan razvoj delnih praznjenj. Iz obeh serij preizkušancev so odvzeti vzorci olja za plinsko kromatografsko preiskavo. Eksperimentalno pridobljeni rezultati so preverjeni z analizo dielektričnih razmer v oljnem kanalu po metodi končnih elementov. Rezultate meritev smo primerjali z empirično določeno enačbo, ki določa dielektrične obremenitve izolacije pri katerih nastopi povečana verjetnost pojava parcialnih razelektritev. V članku ocenjujemo primernost vgradnje senzorja v sendvič izvedbi. Ključne besede: optični temperaturni senzor, dielektrična trdnost, PVA vijačno navitje, močnostni transformator IMPACT OF OPTICAL FIBRE TEMPERATURE SENSORS ON DIELECTRIC WITHSTAND OF OIL CHANNEL IN THE PAPERLESS WINDING INSULATION OF POWER TRANSFORMERS Abstract: Paper analyses the impact of fiber- optic temperature sensors installation on dielectric withstand of oil-filled paperless transformer winding insulation. A PVA enamel insulated helical winding models with 3 mm oil channel were built according to technological process of Kolektor Etra and tested in EIMV high-voltage laboratory. AC 50Hz breakdown voltage and partial discharge levels of the winding models with and without optical fibre temperature sensor were measured as well as dissolved gas analyses of the oil samples were made. Experimental results were evaluated and analysed through dielectric study based on finite elements simulation and empirical design guidelines based on partial discharge inception models. Based on these results, paper discusses installation of the fiber-optic temperature sensors in the sandwich construction. Keywords:Fiber-optic temperature sensor, Dielectric withstand, PVA helical winding, Power Transformer
- 2. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK D1-02 2 UVOD Optični temperaturni senzorji (v nadaljevanju OTS), vgrajeni v navitja sodobnih transformatorjev, služijo za direktno merjenje temperature najtoplejše točke v navitjih. Proizvajalec transformatorja jih je zaradi tega dolžan postaviti v pričakovano najtoplejše mesto v navitju. Praviloma so to svitki v zgornjem delu navitja, ker pa so to vhodni deli navitja, so tudi dielektrično najbolj izpostavljeni. S postavitvijo OTS v območje pričakovanih največjih dielektričnih obremenitev v navitju posegamo v območja, ki v sebi nosijo skrita tveganja za slabitev dielektričnih razmer ali celo preboj izolacije, saj se razkrijejo šele ob prevzemnih dielektričnih preizkusih in analizah olja, ali še kasneje - med obratovanjem transformatorja. Za varno vgradnjo OTS v navitja je potrebno zanesljivo ogrodje, ki primerno varuje optično konico in kabel pred poškodbami, previdnost pri vgradnji ter primerna čistoča orodij ter opreme. Število vgrajenih senzorjev v navitju določa uporabnik. Za trifazne transformatorje večjih moči, ranga 100 MVA, minimalno število senzorjev priporoča tudi standard [1]. V transformator je pogosto vgrajeno več kot deset senzorjev, kar je lahko dodaten razlog za tehten premislek in sodelovanje proizvajalca in uporabnika transformatorja. S stališča projektiranja in izračuna notranje izolacije v navitjih je pomembno vedeti, ali je v območju senzorjev potrebno izolacijo ojačiti in s tem odpraviti domnevno dielektrično oslabitev. Splošno mnenje je, da OTS ne motijo električnega polja v navitjih, v kolikor so zagotovljene ustrezne minimalne plazilne razdalje in ustrezen nivo čistoče, ki preprečuje onesnaženje navitja ob vgradnji senzorjev [1]. Na podlagi že opravljenih raziskav nekaterih drugih avtorjev smo zasledili pomisleke o nevtralnosti vgradnje različnih tipov optičnih vlaken v dielektrično kritičnih lokacijah transformatorskih navitij [2]. Pri razvoju sodobnih transformatorjev je projektantsko vodilo zmanjševanje izolacijskih razdalj in izboljšanje polnilnega faktorja navitij. To lahko dosežemo z optimizacijo izolacije na žici (npr. konstrukcija navitja brez papirne izolacije) ali z zmanjšanjem hladilnih kanalov v navitju do te mere, da le-ti zadoščajo za učinkovito hlajenje navitja, obenem pa še zagotavljajo primerno dielektrično trdnost [4], [6]. Oljni kanal lak-olje brez papirnega omota na žici med dvema sosednjima svitkoma vijačnega navitja tvori preprost izolacijski sklop, sestavljen iz trde lak izolacije na žici, tlačene lepenke (distančnika) ter olja kot tekočega dielektrika. Tlačena lepenka je stabilen izolacijski material z značilno homogeno strukturo in visoko stopnjo odpornosti na vlago. Lak na žici PVA (polyvinyl acetal) termičnega razreda E (120°C) je brez zaznavne higroskopnosti. V ta relativno enostaven dielektrični sklop je pogosto treba vgraditi sklop optičnih senzorjev, ki je po zgradbi zahtevnejši in sestavljen iz materialov različnih dielektričnih in kemičnih lastnosti. V pričujoči raziskavi smo proučili vpliv vgradnje senzorjev v navitja brez papirne izolacije. Uporabljen je obstoječi senzor s standardnim tehnološkim postopkom vgradnje, izvedene primerjalne meritve dielektrične trdnosti in delnih praznjenj na osmih vzorcih z in brez OTS, ter s plinsko kromatografsko analizo olja preverjene sledi razkrojenih plinov v olju v treh različnih dielektričnih stanjih. I. OPIS VZORCEV IN POSTOPKA DIELEKTRIČNIH PREIZKUSOV Preizkusni vzorec predstavlja en izsek iz tipičnega vijačnega navitja z radialnimi hladilnimi kanali 3 mm. Vzorci so izdelani iz pravokotne lakirane žice brez papirne izolacije dimenzij; 6,6 mm x 1,8 mm, lak PVA grade 1, (debelina nanosa 85 m nominalno), radij zaoblitve na žici 0,65 mm. Preizkusni vzorec tvori snop dvajsetih radialno zloženih žic, galvansko spojenih na robovih in mehansko učvrščenih s povitjem in zateznimi vijaki (Slika 1). Vsi materiali in postopki uporabljeni za izdelavo preizkušancev so enaki tistim, ki se uporabljajo v redni proizvodnji transformatorjev. Določitev dielektrične trdnosti oljnega kanala je zahteven postopek, saj poleg geometrijskih izdelavnih toleranc žice na dielektrično trdnost preizkušanca vplivajo tudi temperatura, vsebnost vlage in prisotnost nečistoč v vzorcih. Ob dielektričnih preizkusih in meritvah se zato neizbežno srečamo z relativno velikim statističnim raztrosom izmerjenih vrednosti, zaradi česar dielektrično trdnost preizkušanca lahko določimo le statistično ali z uporabo izkustvenega faktorja varnosti. Slika 1: Zgradba preizkusnega vzorca z optičnim temperaturnim senzorjem
- 3. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK D1-02 3 Za dielektrične preizkuse sta bila zato izdelana dve skupini preizkušancev, s po štirimi vzorci na skupino: 1. Skupina vzorcev brez OTS (skupina A, slika 2a): hladilni kanal 3 mm, distančnik 3 mm (tlačena lepenka T IV), lak izolacija na žici PVA (polyvinyl acetal), mineralno olje (Nytro 10XN). 2. Skupina vzorcev z OTS (skupina B, slika 2b): hladilni kanal 3 mm, distančnik 3 mm (tlačena lepenka T IV), lak izolacija na žici PVA (polyvinyl acetal), mineralno olje (Nytro 10XN) in optični senzor, ki ga sestavljajo materiali; zaščitni disk (Nomex), PTFE (polytetrafluoroethylene) zaščitni oplet v dveh slojih, optično vlakno 62,5 µm (silica fiber) in optični senzor (ethyl cyanoacrilate). Optični senzor je umeščen v posebno odprtino v distančniku 2 mm in fiksiran v »sendvič« vpetje z dvema distančnikoma debeline 0,5 mm. Sliki 2a in 2b: Distančnika brez (levo) in z OTS (desno) Za pripravo vzorcev je bil uporabljen enak tehnološki postopek, kot pri stabilizaciji višine transformatorskih navitij; segrevanje na 115 °C, podtlak 15 mbar, čas sušenja v ventilacijski vakuumski peči 16 ur. Po končanem sušenju so vzorci učvrščeni z lesenimi pritrdilnimi vijaki, s katerimi smo lahko naravnali primerno razdaljo med svitkoma. S tem smo poustvarili dejanske razmere v oljnem kanalu, ko je navitje v transformatorju stisnjeno med ploščami za stiskanje navitij. Sledil je postopek zalivanja vzorcev z oljem v stekleni 3 litrski posodi, v vakuumski komori s podtlakom 30 mbar. Po osem urni impregnaciji vzorcev v olju, so vzorci pripravljeni na dielektrične preskuse in transportirani v visokonapetostni laboratorij EIMV. Izveden je bil odprt način meritev, kjer je imelo olje tekom meritev površinski stik z okoliškim zrakom. Kot tekoči dielektrik je uporabljeno naftensko transformatorsko olje Nynas Nytro 10XN, posušeno po tovarniškem tehnološkem postopku. Slika 3: Preizkusni vzorec, pripravljen na dielektrični preizkus
- 4. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK D1-02 4 Za dielektrični preizkus so pripravljeni štirje vzorci brez OTS (oznake A1…A4) ter štirje vzorci z OTS (oznake B1…B4). En snop žic preizkušanca je bil ozemljen, na drugem smo dvigovali pritisnjeno napetost AC 50 Hz v stopnjah po 500 V/s do meje pričakovane zdržne napetosti 28 kV. Nadaljnje dvigovanje napetosti do preboja je potekalo s koraki po 1 kV, čas med napetostnimi koraki v seriji A je znašal 30 s. V seriji B je bil čas med napetostnimi koraki podaljšan na 60 s, s čemer smo časovno povečali dielektrično obremenitev na standardno enominutno napetost. Slika 4: Merilna shema dielektričnih preizkusov Dosedanje izkušnje so pokazale, da so plinsko kromatografske analize razkrojenih plinov v olju zanesljiv pokazatelj dielektrične preobremenitve izolacijskega sistema. Iz obeh serij preizkušancev so odvzeti vzorci olja za plinsko kromatografsko preiskavo pred dielektričnim preizkusom, 5 min po dosegu empirično določene zdržne napetosti (28 kV), ter po preboju vzorca. Postopek odvzema in analize olja iz vzorcev smo opravili po enakem postopku, kot pri preverjanju stanja olja po dielektričnih preizkusih izolacije transformatorja (IEC 61181, IEC 60567 in IEC 60475). Rezultati plinsko-kromatografskih analiz pred in po dosegu zdržne napetosti pri odvzetih vzorcih olja ne kažejo opaznih porastov koncentracij vodika, plina, značilnega ob nastanku parcialnih praznjenj. Po preboju pa se v odvzetih vzorcih pojavijo tipične rasti koncentracij acetilena, vodika in etilena, kot razvidno v Tabeli 1. Plin Pred dosegom zdržne napetosti 5 min po dosegu zdržne napetosti Po preboju Koncentracija v ppm Vodik H2 0,5 0,5 2,9 Metan CH4 0,6 0,6 1,2 Acetilen C2H2 0,0 0,0 6,6 Etilen C2H4 0,0 0,0 0,8 Etan C2H6 0,0 0,0 0,1 Ogljikov monoksid CO 9,6 9,5 9,8 Ogljikov dioksid CO2 423 426 429 Kisik O2 29770 29817 29727 Dušik N2 59505 59650 59376 Celokupna vsebnost plinov 92,1 ml/l 92,0 ml/l 92,0 ml/l Tabela 1: Rezultati plinsko-kromatografskih analiz vzorcev olja vzorca B Legenda: Tr: Kaskadni transformator, z regulirano AC 50 Hz napetostjo Zn: Dušilna impedanca Ck: vezni kondenzator 2000 pF (normala) Ct: Preizkusni vzorec Zm: Nizkonapetostna impedanca merilnega instrumenta
- 5. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK D1-02 5 Slika 5 prikazuje rezultate izmerjenih prebojnih napetosti, slika 6 pa prikazuje časovne poteke naraščanja preizkusne napetosti. Dielektrični preizkusi so izvedeni v dveh sklopih, v prvem so preizkušeni vzorci A1 ... B4, v drugem pa vzorci B1 ... B4. Slika 5: Prebojne napetosti Slika 6: Preizkusna napetost v odvisnosti od časa Iz rezultatov opravljenih meritev lahko ocenimo, da je zdržnost izolacije v preizkusih nihala med maksimalno prebojno napetostjo 𝑈 𝑝𝑟 𝑚𝑎𝑘𝑠 = 48 𝑘𝑉 in minimalno prebojno napetostjo 𝑈 𝑝𝑟 𝑚𝑖𝑛 = 32 𝑘𝑉. Pri vzorcih z OTS so opažene (v povprečju) celo višje prebojne napetosti kot pri vzorcih brez OTS. Dosežene vrednosti zdržnosti izolacije presegajo vrednosti, pričakovane glede na empirično določene krivulje zdržnosti oljnega kanala [3], kar kaže na zadovoljivo pripravo preizkušancev in izvedbe preizkusnih postopkov. Razmerje skrajnih vrednosti prebojnih napetosti je bilo povsem primerljivo s podobnimi predhodnimi preizkusi z 1,5 mm oljnim kanalom [4] in znaša: 𝑈 𝑝𝑟 𝑚𝑎𝑘𝑠 𝑈 𝑝𝑟 𝑚𝑖𝑛 = 1,49 Med dvigovanjem preizkusne napetosti je bil poleg prebojnih napetosti merjen tudi naboj parcialnih praznjenj, skladno s standardom IEC 60270 (Slika 7). Namen meritev parcialnih praznjenj je bila korelacija dinamike oz. nivoja parcialnih praznjenj s prebojno napetostjo preizkušanca. Na sliki 7 so prikazani rezultati meritev parcialnih praznjenj posameznih preizkušancev, v odvisnosti od preizkusne napetosti. Iz rezultatov je razviden relativno velik in naključno razporejen raztros vrednosti parcialnih praznjenj pri obeh tipih preizkušancev. Na tej osnovi ugotavljamo, da prisotnost OTS v preizkušancu ne vpliva na nivo parcialnih praznjenj. Slika 7: Naboj parcialnih praznjenj preizkušancev v odvisnosti od preizkusne napetosti 0 10 20 30 40 50 A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 napetost(kV) vzorec Prebojna napetost AC 0.1 1 10 100 20 25 30 35 40 45 50 Nabojparcialnihpraznenj-PDQ[IEC](nC) Napetost - AC peak/sqrt(2) (kV) A1 Q[IEC] A2 Q[IEC] A3 Q[IEC] A4 Q[IEC] B1 Q[IEC] B2 Q[IEC] B3 Q[IEC] B4 Q[IEC] Vzorec:
- 6. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK D1-02 6 Slika 8 prikazuje časovne poteke naboja parcialnih praznjenj preizkušancev. Iz rezultatov vidimo, da naraščanje oz. časovni trend naraščanja parcialnih praznjenj, v trenutkih pred prebojem nima karakterističnega vzorca, na osnovi katerega bi lahko predvideli trenutek preboja brez poškodbe preizkušanca. Na tem mestu ugotavljamo, da meritve PD ni mogoče uporabiti kot korelatorja za oceno praga prebojne napetosti. Slika 8: Naboj parcialnih praznjenj preizkušancev v odvisnosti od časa Slika 9 prikazuje fotografije lokacij dielektričnih prebojev, kjer je razvidno, da so preboji pri vseh vzorcih direktnega tipa, ter da so se preboji razvili v sredinskem delu svitka v območju nad zgornjim robom distančnika. Slika 9: Lokacije prebojev na preizkušancih Eksperimentalni rezultati kažejo, da so vsi preboji nastali zunaj območja OTS, nad distančnikom. To dokazuje, da vgradnja optičnega senzorja ne zmanjšuje dielektrične trdnosti oljnega kanala v navitjih brez papirne izolacije. Največje dielektrične obremenitve izolacije se glede na opažanja pojavljajo v prostoru med žicami, kjer dominira dielektrična obremenitev olja in ne v prostoru distančnikov, ne glede na to ali je vanj vgrajen OTS.
- 7. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK D1-02 7 II. FEM ANALIZA DIELEKTRIČNIH RAZMER Izračun električnega polja v preizkušancu s pomočjo metode končnih elementov (FEM) predstavlja osnovo analize dielektrične trdnosti oljnega kanala, ki omogoča grobo predvidevanje lokacije dielektrično najbolj obremenjenih področij. V slednji je verjetnost pojava parcialnih praznjenj in preboja v preizkušancu največja. Predpostavimo, da imata vsebnost vlage in prisotnost nečistoč na vse vzorce enak ali podoben učinek. S to predpostavko lahko poenostavimo robne pogoje analize električne poljske jakosti (EPJ) ter zmanjšamo vpliv izvedbenih odstopanj, ki nastanejo med pripravo vzorcev in izvedbo dielektričnih preizkusov. Primerjava dielektrične trdnosti preizkušancev temelji na izračunu dielektričnega varnostnega faktorja σ [3], [5]. Ta sloni na empirično določenih krivuljah (Slika 10), ki določajo vrednosti EPJ v homogenem polju, pri katerih nastopi povečana verjetnost pojava parcialnih razelektritev z več kot 1% verjetnostjo, pri določeni širini oljnega kanala. Dielektrična trdnost kanala, opisana s koeficientom K v enačbi (1), je odvisna od širine kanala x ter dielektričnih lastnosti mejnih materialov v oljnem kanalu. K = 21,3 kV/mm – razplinjeno olje med pregradama K = 17,3 kV/mm – razplinjeno olje poleg prevodnega dela 𝐸 𝑘(𝑥) = 𝐾 ∙ 𝑥−0.37 (1) Slika 10: Krivulji kritične vrednosti EPJ v odvisnosti od širine oljnega kanala Krivulje upoštevajo verjetnostno naravo prebojne trdnosti v olju, veljavne pa so za območje homogenih električnih polj. Območja nehomogenega električnega polja obravnavamo z vpeljavo preračunane povprečne vrednosti EPJ, s čimer je možna neposredna primerjava dielektrične obremenitve z empiričnimi krivuljami [3]. Razmerje med povprečno vrednostjo EPJ in ustrezno krivuljo definira t.i. varnostni faktor izolacije. Verjetnost pojava delnih razelektritev je majhna (manj kot 1%) , če je σmin > 1. Pot električne silnice, kjer je izračunan varnostni faktor, je t.i. kritična trajektorija, ki predstavlja mesto najvišje dielektrične obremenitve v izolacijskem sklopu. Varnostni faktor izolacije nam v pričujoči analizi služi za kvantifikacijo dielektrične obremenitve različnih vzorcev, kot tudi za določitev lokacije dielektrično najbolj obremenjene točke. V nadaljevanju so prikazani primerjalni rezultati simulacij električnega polja v preizkušancu z in brez OTS, za izračun EPJ je izbrana napetost 28 kV. Uporabljeni model je linearen, zato se lahko izračune EPJ in faktorja varnosti skalira na poljubno vrednost preizkusne napetosti. Relativne dielektrične konstante materialov, uporabljene v simulaciji, so podane v tabeli 2. 1 10 100 0.1 1 10 100 E [kV/mm] x [mm] Ek1 Ek3
- 8. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK D1-02 8 Material εr Vezan les 3,4 Nomex 4,0 Olje 2,2 PTFE 3,3 PVA 4,4 Tlačena lepenka T IV 4,4 Tabela 2: Dielektrične konstante materialov Slika 11: Prerez modela z optičnim temperaturnim senzorjem Slika 12: EPJ na površini distančnika in temperaturnega senzorja Slika 13: Kritična trajektorija v vmesnem olju ter vmesnem olju z vgrajeno OTS
- 9. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK D1-02 9 Slika 14: Faktor varnosti po kritični poti v vmesnem olju ter vmesnem olju z vgrajeno OTS Iz slike 14 je razvidno, da namestitev OTS v oljnem kanalu dielektrične obremenitve bistveno ne poveča. Lokalne vrednosti EPJ so v okolici OTS sicer višje (Slika 15), vendar na končno vrednost povprečne EPJ nimajo odločujočega vpliva. Potrebno pa je upoštevati dejstvo, da pri zelo nizkih širinah oljnih kanalov uporaba empiričnih krivulj ni več ustrezna, saj dielektrično trdnost bolj kot povprečna EPJ, določajo visoke lokalne električne poljske jakosti. Slika 15: EPJ v okolici OTS in vmesnem olju III. ZAKLJUČKI Na osnovi opravljenih meritev in analiz ugotavljamo, da vgradnja optičnih senzorjev za merjenje temperature najtoplejše točke v vijačna navitja, izdelana z lak izolacijo na žici, brez prisotnosti papirne izolacije in radialnim oljnim kanalom 3 mm, ne poslabšuje dielektrične trdnosti oljnega kanala v katerem je senzor nameščen. Kljub relativno visoki stopnji raztrosa rezultatov meritev, običajnem za tovrstne meritve, prebojev izolacije v območju senzorjev nismo zasledili. Študija dielektričnih razmer z metodo FEM je pokazala, da materiali vgrajeni v senzorju tvorijo homogen dielektrični sklop in da le-ti ne povzročajo večjih neenakomernosti pri razdelitvi dielektričnega bremena. Empirična sistematika po kriteriju ocene faktorja dielektrične varnosti preizkušancev se sklada z rezultati meritev dielektrične trdnosti vzorcev z in brez vgrajenega optičnega temperaturnega senzorja. Rezultati plinsko-kromatografskih analiz pred in po dosegu zdržne napetosti, pri vzorcih z vgrajenimi optičnimi senzorji ne kažejo opaznih porastov koncentracij vodika, značilnega indikatorja parcialnih praznjenj, kar potrjuje dielektrično nevtralnost senzorjev. V članku opisana izdelava preizkusnih vzorcev temperaturnih senzorjev, izvedena po standardnem tovarniškem tehnološkem postopku, potrjuje, da uporaba senzorjev predstavlja varno in splošno sprejemljivo rešitev. Opisani postopek vgradnje senzorjev zagotavlja dober termični stik senzorja z navitjem in s tem omogoča točno in zanesljivo merjenje temperature najtoplejše točke. 5 10 15 20 25 2 4 E[kV/mm] x [mm] σmin = 1,26 Ek3 Eavg 5 10 15 20 25 2 4 E[kV/mm] x [mm] σmin = 1,27 Ek3 Eavg
- 10. 12. KONFERENCA SLOVENSKIH ELEKTROENERGETIKOV – Portorož 2015 CIGRÉ ŠK D1-02 10 IV. LITERATURA [1] IEC 60076- 2, 2011: Temperature rise for liquid- immersed transformers [2] M. Muhr: Fibre optics in Board Arrangements with respect to Partial Discharge, Graz University of Tehnology, 2007 [3] H.P. Moser / V. Dahinden: Transformerboard II, H.Weidmann AG, 1999 [4] J. Ikanović, Istok Jerman: Navitja močnostnih transformatorjev brez papirne izolacije, Cigre ŠK A2-03, Laško 20013. [5] B. Janežič, B. Prašnikar, A. Jurman: Orodje za določitev dielektrične trdnosti glavne izolacije v transformatorju, Cigre ŠK A2- 04, Laško 20013. [6] P. Wedin: Electrical breakdown in dielectric liquids - a short overview, IEEE Electrical Insulation Magazine, Volume 30, Issue 6.