Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

Transcript

1 Raport știintific și tehnic Etapa 2 izolatoare compozite pe baza metodei proprii a colectivului de cercetare Versiunea 1.0 1

2 CUPRINS 1. Introducere Pag Scopul documentului Rezumatul etapei 3 2. Activități de cercetare industrială 3 Activitatea 2.1. Preluarea documentației și digitizarea informațiilor 3 conform necesităților metodei de analiză Activitatea 2.2. Adaptarea metodei de determinare a distribuției câmpului electric la configurațiile geometrice ale izolatoarelor compozite ce se vor analiza Activitatea 2.3. Aplicarea metodei de analiză pentru izolatoare în stare normală de funcționare și obținerea distribuțiilor normale de linii de câmp electric Activitatea 2.4. Aplicarea metodei de analiză pentru izolatoare cu defect și obținerea distribuțiilor neliniare de câmp electric Versiunea 1.0 2

3 1. Introducere 1.1. Scopul documentului Scopul acestui document este cel de a prezenta modalitățile de preluare a documentațiilor tehnice ale izolatoarelor compozite folosite de C.C.T.E.E. TRANSELECTRICA S.A. în rețelele de înaltă tensiune, conform cu cerințele metodei de analiză numerică a distribuției câmpului electric la configurațiile geometrice ale izolatoarelor compozite, de a prezenta procesul de adaptare a metodei de determinare a distribuției câmpului electric la configurațiile geometrice ale izolatoarelor compozite analizate, precum și de a prezenta rezultatele obținute în urma analizei analizei la izolatoarele compozite în funcționare normală și la cele ce prezintă anumite defecte Rezumatul etapei Scopul general al acestui proiect îl constituie creșterea performanței și competitivității agentului economic prin utilizarea expertizei existente în universitate în vederea îmbunătățirii tehnologiilor moderne achiziționate de acesta. Obiectivele proiectului se concretizează în interconectarea expertizei din universitate cu necesitățile industriale ale beneficiarului prin: - Realizarea unei metode de diagnosticare a stării izolatorului compozit și de estimare a duratei sale de viață pe baza distribuției câmpului electric longitudinal din jurul izolatorului; - Analiza distribuției câmpului electric la izolatoare fără și cu defect, punerea în evidență a deformărilor liniilor de câmp la diferite tipuri de defecte; - Realizarea unei baze de date privitoare la izolatoarele fără și cu defecte. - Experimentări pe izolatoare cu și fără defecte, la care se determină distribuția câmpului electric, pentru validarea soluției tehnice. Pentru atingerea obiectivelor, în cadrul etapei curente a fost realizată o bază de date ce cuprinde informațiile tehnice referitoare la izolatoarele din materiale compozite din structura rețelelor de înaltă tensiune ale C.N.T.E.E.TRANSELECTRICA S.A., s-a ales izolatorul compozit pentru modelare, s-au obținut caracteristicile tehnice ale acestuia de la producător, s-a realizat o analiză prin spectroscopie dielectrică pentru stabilirea caracteristicilor de material, s-a definitivat metoda numerică de studiu a distribuției câmpului electric longitudinal și s-au obținut rezultate privind distribuția câmpului electric la izolatoare compozite cu funcționare normală și la cele ce prezintă defecte provenite din exploatare. 2. Activități de cercetare industrială Activitatea 2.1. Preluarea documentației și digitizarea informațiilor conform necesităților metodei de analiză La C.N.T.E.E. TRANSELECTRICA S.A. s-a realizat pe parcursul etapei a doua a acestui contract o analiză a situației izolatoarelor compozit instalate în Rețeaua electrică de transport (RET), fiind solicitate de la toate Sucursalele de transport (ST) informații despre izolatoarele compozit cu care sunt echipate aparatajul stațiilor, barele stațiilor ți liniile electrice aeriene (LEA). Rezultatele analizei au fost cuprinse în baza de date realizată de doctoranzii ce fac parte din echipa de lucru a proiectului. Versiunea 1.0 3

4 Pentru o primă analiză prin modelare numerică a fost ales izolatorul CI-400-II-120-TT produs de IPROEB S.A. Bistrița, cu specificații din Zona II var. A, corespunzătoare pentru izolatoarele de pe LEA 400 kv Porțile de Fier-Slatina. Din catalogul firmei au fost extrase următoarele elemente constructive necesare modelării geometrice: Fig.1. Izolator compozit CI 400 kv, 120kN, conform catalog IPROEB Fig.2. Caracteristici dimensionale CI 400 kv, 120kN, conform catalog IPROEB Deoarece datele din catalog s-au dovedit insuficiente pentru o modelare corectă a izolatorului compozit s-a luat legătura cu fabricantul IPROEB Bistrița, care s-a dovedit extrem de interesat de studiul din proiectul de față și a pus la dispoziția echipei de cercetare toate elementele necesare. În figura următoare se prezintă izolatorul compozit cu toate dimensiunile geometrice necesare pentru modelare. Fig.3. Caracteristici geometrice izolator compozit Versiunea 1.0 4

5 S-au obținut informații privitoare la materialele folosite în realizarea acestui izolator compozit pentru LEA 400 kv: - Tija pe care sunt fixate armăturile de capăt este din fibra de sticlă tip ECR și are diametrul de 16mm; - Materialul rilelor și al izolației ce îmbracă tija din fibră de sticlă este cauciuc siliconic lichid tip (Liquid Sillicone Rubber LSR); - Grosimea izolației peste tija din fibră de sticlă,este de 5 mm; - Grosimea rilelor este de 4mm la vârf și de 6 mm la bază. Fabricantul nu a avut informații suficiente, pentru continuarea modelării, privitoare la caracteristicile tehnice ale materialelor ce intră în alcătuirea izolatorului și a transmis doar file de catalog de la firma Momentive Performance Materials Inc. Prin contactarea furnizorului s-au obținut date de material pentru cauciuc siliconic lichid (LSR) de tip Silopren SL8601- GREY, format din două componente în amestec 1:1: Fig.4. Proprietăți cauciuc LSR Tija baston pe care se depune cauciucul siliconic este realizată din fibră de sticlă produsă de firma Bastion Glassfibre Rod & Section Limited, USA. S-au obținut și aici datele tehnice necesare modelării. Izolatorul se realizează prin injecția în matriță pe tija baston a amestecului și vulcanizare la o temperatură cuprinsă între C. Deoarece s-a considerat că datele tehnice necesare modelării trebuiesc cunoscute mai aprofundat, în special comportarea materialului izolatorului la variația temperaturii, s-a realizat în cadrul Laboratorului de Materiale Electrotehnice din Facultatea de Inginerie electrică din UPB, de către prof. dr.ing. Florin Ciuprina, membru al colectivului de cercetare, analiza prin spectroscopie dielectrică a influenței temperaturii asupra proprietăților electrice ale izolatoarelor din LSR. Probele au fost extrase din materialul pus la dispoziție de fabricantul IPROEB Bistrița. Cercetările au avut în vedere că fenomenele care se produc în materialele electroizolante Versiunea 1.0 5

6 polimerice sub acțiunea câmpului electric și anume conducția și polarizarea electrică, sunt influențate în mod considerabil de variațiile de temperatură. Creșterea de temperatură conduce la intensificarea agitației termice în aceste materiale, ceea ce determină creșterea exponențială a conductivității materialelor electroizolante, atât în cazul conducției ionice cât și în cazul conducției electronice [1]. In privința polarizării electrice, intensificarea agitației termice cauzată de creșterea de temperatură determină, în general, o scădere a permitivității electrice, îndeosebi prin împiedicarea orientării dipolilor de către câmpul electric, însă și fenomenele de interfață sunt influențate de variațiile de temperatură. În plus, influența temperaturii asupra proprietăților dielectrice este strâns legată de frecvența câmpului electric [2]. Așadar, cunoașterea comportamentului dielectric la diferite temperaturi și frecvențe ale câmpului electric este foarte importantă pentru buna funcționare a oricărui sistem de izolație format din materiale polimerice, deci o atenție deosebită trebuie acordată izolatoarelor din cauciuc siliconic LSR. Testele prin spectroscopie dielectrică s-au efectuat pe două eșantioane prelevate dintr-o rilă a unui izolator, conform celor prezentate în figura următoare. Fig.5 Eșantioane prelevate din rila izolatorului compozit Spectroscopia dielectrică este o tehnică modernă de analiză a interacțiunii dintre un material și câmpul electric care acționeaza asupra sa [3,4]. Pentru determinarea experimentală a părții reale a permitivității relative ( ) și a tangentei unghiului de pierderi (tg δ), a fost utilizat un spectrometru dielectric NOVOCONTROL echipat cu celula de măsură ZGS pentru eșantioane solide și lichide. Pentru efectuarea măsurărilor prin spectroscopie dielectrică s-au montat eșantioanele LSR între electrozii celulei active ZGS și s-au setat condițiile de măsurare. Eșantionul LSR montat între cei doi electrozi formează un condensator căruia i se aplică o tensiune la o anumită frecvență. Această tensiune determină apariția unui curent de aceeași frecvență prin eșantionul de test. Defazajul dintre tensiunea aplicată și curentul care apare este folosit pentru determinarea mărimilor dielectrice care fac obiectul acestui studiu ( și tg δ). Versiunea 1.0 6

7 a) b) a) Spectrometrul dielectric NOVOCONTROL: 1-calculator; 2-sistem MICTROTRONIC de control al temperaturii; 3-unitatea centrală Alpha-A; 4-celula de măsură ZGS; 5-celula de temperatură NOVOTHERM; b) Eșantion LSR în celula activă ZGS a spectrometrului. Partea reală a permitivității electrice ( ) și tangenta unghiului de pierderi (tg δ) s-au determinat în gama de frecvențe Hz, la temperaturi între 30 C și 80 C. Pentru a se putea observa influența temperaturii asupra comportamentului dielectric al eșantioanelor LSR, temperatura acestora a fost crescută de la 30 C până la 80 C, cu un pas de creștere de 10 C și o menținere timp de 10 minute în celula de măsură înainte de a se înregistra datele experimentale. Au fost testate prin spectroscopie dielectrică cele două eșantioane sub formă de disc cu diametrul de 40 mm, fiind prezentată media rezultatelor obținute. Influența temperaturii asupra spectrului dielectric al eșantioanelor din LSR poate fi observată în figura următoare unde sunt prezentate variaţiile părţii reale ale permitivităţii relative complexe (ε r ') și ale factorului de pierderi (tg δ) cu frecvența câmpului electric, determinate la temperaturi între 30 C și 80 C. r ' o C 40 o C 50 o C 60 o C 70 o C 80 o C tg o C o C 50 o C 60 o C o C 80 o C Frecventa [Hz] Frecventa [Hz] (a) (b) Fig.7Variația cu frecvența a părtii reale a permitivității (a) și a tangentei unghiului de pierderi tg δ (b), la temperaturi între 30 și 80 C. Analizând curbele dependente de frecvență pentru ε r ' și tg δ se pot observa fluctuații microscopice ale dipolilor (difuzia rotațională polarizare electrică), deplasări ale 10-5 Versiunea 1.0 7

8 purtătorilor de sarcină mobili (difuzia translațională a electronilor, golurilor sau ionilor conducție) sau o separare a sarcinilor electrice la interfețe aparute între constituenții materialului (polarizarea interfacială: la nivelul straturilor interioare ale dielectricului - polarizarea Maxwell/Wagner sau la nivelul electrodului extern aflat în contact cu proba). In același timp, fenomenul de polarizare este dependent de frecvența câmpului electric, în variația tangentei unghiului de pierderi fiind vizibile unele maxime corelate cu scăderi ale părții reale a permitivității, comportament atribuit încetării unui anumit tip de polarizare (relaxare dielectrică). Influența fenomenului de conducție asupra spectrului dielectric se evidențiază prin creșterea tangentei unghiului de pierderi odată cu scăderea frecvenței și printr-o independență a părții reale a permitivității de frecvențe. Având în vedere toate acestea, analizând curbele experimentale se pot desprinde următoarele concluzii privitoare la materialul LSR analizat: partea reală a permitivității relative este aproape constantă, practic nu variază cu frecvența câmpului electric, în gama de frecvențe analizată, pentru toate temperaturile analizate. Doar la temperaturi mari (60-80 C) apare o ușoară creștere a valorilor la frecvențe mici, ceea ce indică o polarizare la electrod datorată acumulării unor sarcini electrice la interfața electrod-eșantion; valorile lui scad cu creșterea temperaturii, de la 2,9 la 30 C la aproximativ 2,7 la 80 C, ceea ce indică faptul că orientarea dipolilor care determină polarizarea este îngreunată de intensificarea agitației termice. Se remarcă faptul că la temperatura de 30 C, apropiată de cea a mediului ambiant, valorile lui sunt foarte apropiate de cele de catalog pentru cauciucul siloconic SL8601-GREY; variația tangentei unghiului de pierderi indică o contribuție importantă a componentei pierderilor datorate conducției electrice la frecvențe mici, acolo unde se observă o scădere liniară a valorilor tg δ cu frecvența. Această contribuție a conducției devine mai importantă cu creșterea temperaturii, atât prin creșterea frecvenței maxime până la care se manifestă (de la 1-2 Hz la 30 C la aproximativ 50 Hz la 80 C) cât și prin creșterea valorilor conductivității cu aproximativ un ordin de mprime, de la S/m la 30 C la S/m la 80 C. în spectrul dielectric al tg δ se remarcă un maxim în gama frecvențelor industriale (zeci-sute de Hz), ceea ce corespunde unei polarizpri interfaciale de tip Maxwell/Wagner datorate acumulării de sarcini electrice la nivelul suprafețelor de separație dintre cele două componente de cauciuc siliconic ale dielectricului LSR. Influența acestei polarizări interfaciale asupra valorilor permitivității ste însă practic neglijabilă. valorile tg δ în gama de frecvențe analizată sunt mai mari decat cele de catalog ( ). Astfel, la frecvențe reduse, unde conducția determină nivelul pierderilor, valorile tg δ variază între 10-3 și 10-1, în timp ce la frevențe industriale sau mai mari, tg δ are valori cu ordinul de mărime 10-4, însă mai mari decât cele de catalog (pentru cauciucul siloconic SL8601-GREY) la temperaturi apropiate de Versiunea 1.0 8

9 cea a mediului ambiant. Trebuie remarcat că, deși valorile mai mari ale pierderilor dielectrice nu influențează imediat buna funcționare a izolatoarelor, ele pot conduce la diminuarea duratei de viață a materialelor utilizate. BIBLIOGRAFIE [1] F. Ciuprina, Materiale Electrotehnice Fenomene şi Aplicaţii, Editura Printech, [2] T. Blythe, D. Bloor, Electrical Properties of Polymers, Cambridge University Press, [3] F. Ciuprina, Caracterizarea electrica a polimerilor electroizolanti, Editura Printech, [4].F.Kremer, A. Schönhals, Broadband dielectric spectroscopy, Springer, 200 Activitatea 2.2. Adaptarea metodei de determinare a distribuției câmpului electric la configurațiile geometrice ale izolatoarelor compozite ce se vor analiza Modelarea izolatoarelor compozite presupune rezolvarea unei probleme de analiză a câmpului electric, numită și problema directă. Datele acestei probleme sunt împărțite în trei mari categorii: date geometrice, care conțin toate informațiile referitoare la formele și dimensiunile părților componente; caracteristicile de material, care conțin proprietățile de material și comportarea materialelor din care sunt realizate părțile componente ale dispozitivului, cum ar fi permitivitatea relativă ε r ; sursele de câmp, care conțin datele referitoare la cauzele câmpului electric din dispozitivul modelat, cum ar fi densitatea de volum a sarcinii electrice ρ v. Necunoscutele problemei directe sunt mărimile caracteristice câmpului electric, ce caracterizează starea dispozitivului și anume intensitatea câmpului electric (E) și inducția electrică (D). Rezolvarea unei pobleme cu ajutorul calculatorului se face prin descrierea acesteia în limbajul de calcul pe care sistemul de calcul îl înțelege. Trecerea de la dispozitivul electromagnetic la descrierea sa pentru calculator presupune parcurgerea a trei etape preliminare: Modelarea fizică: în această etapă sunt identificate fenomene fizice ce influențează funcționarea dispozitivului, neglijându-se cele neimportante. Se stabilește regimul de lucru al dispozitivului și se fac aproximările de natura geometrică, temporală, de material sau ale surselor de câmp; Modelarea matematică: în această etapă sunt scrise ecuațiile ce descriu fenomenele identificate în prima etapă și sunt identificate structurile matematice prin care se reprezintă mărimile fizice; Modelarea numerică: în această ultimă etapă problema este discretizată, pentru a putea fi rezolvată într-un timp rezonabil și cu un necesar de memorie suficient de redus. Această etapă presupune aproximarea spațiilor continue de funcții care descriu variațiile spațio-temporale ale mărimilor fizice prin spații discrete, precum și discretizarea operatorilor care intervin în ecuațiile câmpului. Versiunea 1.0 9

10 În consecință, este necesar un model matematic care să descrie dispozitivul respectiv, introducând anumite ipoteze simplificatoare. Se va ajunge la o expresie matematică finală compusă din ecuații diferențiale și condițiile date. Analiza câmpului electric la izolatoare compozite se realizează în regim electrostatic, conform următoarelor ipoteze: medii liniare, izotrope, omogene; corpuri imobile, v=0; mărimi constante în timp; nu există mărimi permanente, M p =0, P p =0; nu există mărimi imprimate, E i =0, J i =0; nu există transfer de putere, p=0 (J=0). Regimul electrostatic în medii imobile, liniare, omogene este caracterizat de următorul sistem de ecuații diferențiale de ordinul I, care reprezintă formele locale ale câmpului electromagnetic (ecuațiile lui Maxwell): div D=ρ v (1) rot E=0 (2) D=εE (3) Din ecuațiile (1) si (3) rezultă: div εe = ρ v (4) Din ecuația (2) rezultă potențialul electrostatic V (E=-grad V), care se înlocuiește în ecuația (4): div ε grad V = -ρ v (5) Astfel, se obține ecuația diferențială de ordinul 2 a câmpului electromagnetic - ecuația Poisson scalară: ΔV= - ρ v /ε (6) Pentru ρ v =0, avem ecuația Laplace: ΔV=0. Pentru modelarea câmpului la izolatoarele compozit de înaltă tensiune am folosit metoda elementelor finite. Pachetul software de analiză a câmpului electromagnetic bazat pe metoda elementelor finite este format din trei module principale: Preprocesarea: datele de intrare precum geometria domeniului problemei (inclusiv frontiera sa), proprietățile de material, sursele de câmp și condițiile de frontieră, regimul de lucru. În urma discretizării domeniului și a ecuațiilor diferențiale, se generează sistemul de ecuații având ca necunoscute potențialele în nodurile rețelei de discretizare; Procesarea: se rezolvă pe cale numerică sistemul de ecuații generat în modulul anterior; Postprocesarea: se determină mărimile de câmp locale și globale, se vizualizează liniile echipotențiale, distribuția câmpului, se trasează grafice sugestive. Datorită configurației geometrice la izolatoarele compozite, modelarea numerică a câmpului electric folosind metoda elementelor finite s-a realizat pentru domenii bidimensionale axisimetrice (roz). Versiunea

11 Activitatea 2.3. Aplicarea metodei de analiză pentru izolatoare în stare normală de funcționare și obținerea distribuțiilor normale de linii de câmp electric Pornind de la datele din catalog şi corectate cu valorile obţinute în urma analizelor făcute asupra eşantioanelor extrase din exemplarul furnizat de către fabricantul IPROEB Bistrița, s-a modelat comportarea acestui izolator cu ajutorul pachetului software FEMM. În figurile următoare sunt prezentate reţeaua de discretizare (~ de noduri) pentru calculul câmpului electric precum şi repartiţia acestuia şi a tensiunii de-a lungul izolatorului. a) Realizare rețea de discretizare rilă izolator Versiunea

12 b) Detaliu Fig.8.Reţeaua de discretizare FEMM ( elemente) Fig.9.Distribuţia câmpului electric şi echipotenţialele Distribuţia potenţialului şi a câmpului electric de-a lungul izolatorului, la baza rilelor mici, se pot observa în figura următoare: Versiunea

13 (a) (b) Fig.10.Potenţialul electric (a) şi câmpul electric (b) în lungul izolatorului Rezultatul prezentat în figura (b) indică faptul că în prima porţiune a izolatorului (primii mm de lângă zona de înaltă tensiune), căderea de tensiune este semnificativă (500000V/100mm), formându-se o zonă prielnică descărcărilor electrice. Versiunea

14 (a) (b) Fig.11.Potenţialul electric (a) şi câmpul electric (b) în prima porţiune a izolatorului Se observă influența prezenței rilelor izolatorului asupra intensității locale a câmpului electric. În figura următoare se prezintă o imagine sugestivă a zonei la care intensitatea câmpului este ridicată. Versiunea

15 Fig.12. Intensitatea câmpului electric de-a lungul izolatorului In concluzie, metoda de calcul și modelul adoptat pot aduce elemente tehnice importante, atât pentru constructor cât și pentru utilizatorul din rețelele de înaltă tensiune. Activitatea 2.4. Aplicarea metodei de analiză pentru izolatoare cu defect și obținerea distribuțiilor neliniare de câmp electric Pentru a vizualiza influenţa anumitor factori ce pot conduce la defecte asupra distribuţiei câmpului electric de-a lungul izolatorului, au fost efectuate simulări ţinând cont de: - defecte de material (prin modificarea parametrilor electrici ai izolatorului datorită trecerii timpului ( îmbătrânirii izolatorului ) r ={2.6; 3.5; 7; 12; 20} Versiunea

16 Fig.13.Variaţia potenţialului electric V de-a lungul izolatorului [mm] Fig.14. Variația câmpul electric în lungul izolatorului [V/m] Se observă o variație semnificativă a intensității cîmpului electric în zona cea mai nefavorabilă la variația permitivității relative a materialului din care este realizat izolatorul compozit. Versiunea

17 - defecte geometrice (modificări ale geometriei izolatorului) Fig.15. Intensitatea câmpului electric în lungul izolatorului cu defect geometric S-a simulat un posibil defect ce constă în distrugerea unei părți dintr-o rilă a izolatorului, în zona înaltei tensiuni. Fig.16.Variaţia potenţialului electric [V] de-a lungul izolatorului [mm] Versiunea

18 Fig.17. Variația câmpului electric de-a lungul izolatorului [V/m] - modificări asupra potențialului și a cțmpului electric datorate condițiilor de mediu (prin depunerea de material (gheaţă) pe izolator). Fig.18. Intensitatea câmpului electric la depunere de ghiață Versiunea

19 Fig.19.Variaţia potenţialului electric V de-a lungul izolatorului [mm] Fig.20. Variația câmpului electric în lungl izolatorului [V/m] Depunerea de gheață pe izolator face să crească în zona defavorabilă și mai mult intensitatea câmpului electric, cu repercusiuni evidente privind defectele ce se pot ivi. Analizând rezultatele grafice ale simulărilor reiese clar impactul defectelor/condițiilor de mediu asupra distribuţiei câmpului electric de-a lungul izolatorului şi implicit situaţiile critice în funcţionarea acestuia. Versiunea

20 Pornind de la variaţia proprietăţilor materialului compozit în timp şi până la condiţiile atmosferice în care se presupune că funcţionează izolatorul, se impune o verificare periodică a acestuia pentru o mai bună siguranţă în funcţionare. În concluzie, rezultatele obținute în această etapă indică faptul că se dispune de o metodă de modelare pentru funcționarea izolatoarelor compozite din rețelele de înaltă tensiune și că se pot realiza analize ale defectelor întâlnite în rețelele C.N.T.E.E.TRANSELECTRICA S.A., în conformitate cu planul de lucru pentru anul ANEXA Baza de date izolatoare compozit utilizate pe LEA Transelectrica LEA 400 kv Bucati Extras Înlocuit (conturnări, ruperi) LEA 220 kv Bucati Înlocuit (conturnări, ruperi) IPROEB LAPP Furukawa EXIMPROD Inabensa Pirelli Cehia Producător neidentificat Total SEN Nivel tensiune Tip izolator compozit Bucati Producător Izolatoare defecte înlocuite 400 kv CI-400-II-120-TT 2685 IPROEB kv CI-400-II-120-TT IPROEB kv CI-400-II-160-TT 981 IPROEB kv CI-400-II-160-TT IPROEB kv EPS EXIMPROD kv EPS ,50- NN EXIMPROD kv CI-220IV 120,SMS120kN 273 IPROEB kv CI 220 II 120 BS 1350 IPROEB 13 Versiunea