Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 19 Χαρακτηρισμός Γήρανσης Μονωτικών Ελαίων Μετασχηματιστών Φυσικοχημικές / Αναλυτικές Μέθοδοι και Διηλεκτρική Φασματοσκοπία. Μέρος Ι Θεωρητική Ανάλυση Χ. Δ. ΠΑΡΑΣΚΕΥΑΣ Π. ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ Κ. Θ. ΔΕΡΒΟΣ Διπλ. Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Η/Υ Ε.Μ.Π. Αναπληρωτής Καθηγητής Ε.Μ.Π. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Περίληψη Σε αυτή την εργασία γίνεται μια ανασκόπηση των μεθόδων, που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της γήρανσης των ηλεκτρομονωτικών ελαίων, που εμπεριέχονται στους μετασχηματιστές ισχύος και τους αυτομετασχηματιστές των συστημάτων μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Εξετάζονται οι κυριότερες φυσικοχημικές και αναλυτικές μέθοδοι, που συνήθως χρησιμοποιούνται, και εναλλακτικά προτείνεται η αξιοποίηση της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας στο πεδίο της συχνότητας με ταυτόχρονη θερμική διέγερση. Οι μετρήσεις αυτές είναι εφικτές στο χώρο των πρακτικών εφαρμογών και είναι δυνατόν να υλοποιηθούν ακόμη και για τα υγρά ηλεκτρομονωτικά υλικά, τα οποία χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερα ασθενή ρεύματα απωλειών. Προσφέρουν το συγκριτικό πλεονέκτημα ότι χαρακτηρίζουν το υλικό με βάση τους τυχόν αναπτυσσόμενους μηχανισμούς πόλωσης και θερμικής χαλάρωσης του εξεταζόμενου δείγματος, το οποίο εμπεριέχει όλες σχεδόν τις απαραίτητες πληροφορίες για τη γενικότερη κατάσταση όλου του συστήματος μόνωσης της διάταξης, δηλαδή του μονωτικού ελαίου, των ελιγμάτων, του κελύφους και του μονωτικού χαρτιού. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ελαίου δεν αποτελεί ικανό κριτήριο για τη περιγραφή της μονωτικής συμπεριφοράς των ΜΣ ισχύος. Η πρόβλεψη της διάρκειας ζωής των μετασχηματιστών αποτελεί προϋπόθεση για την εύρυθμη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στους σταθμούς παραγωγής και την αδιάλειπτη μεταφορά ενέργειας μέσω των δικτύων σε εθνικό επίπεδο [1]. Η λειτουργική αξιοπιστία των μετασχηματιστών ισχύος (ΜΣ) και των αυτομετασχηματιστών (ΑΜΣ) στο δίκτυο, συνδέεται άμεσα με την ικανοποιητική κατάσταση των μονώσεών τους. Η συνεχής παρακολούθηση και ο έλεγχος της ικανότητας μόνωσης των διατάξεων των ΜΣ και ΑΜΣ και ιδίως του ηλεκτρομονωτικού ελαίου 1 αποτελεί επιτακτική ανάγκη δεδομένου ότι, πέραν της τακτικής περιοδικής συντήρησης μπορεί να προβλεφθεί έγκαιρα η αυξημένη πιθανό- 1 Είναι πλέον κοινά αποδεκτό ότι η τάση διάσπασης του ηλεκτρομονωτικού τητα εκδήλωσης αστοχίας στις διατάξεις αυτές και να επιχειρηθεί προληπτική συντήρηση, όταν και όπου απαιτηθεί [2]. Όμως, πέρα από τις μετρήσεις, που στοχεύουν στη λειτουργική αξιοπιστία των διατάξεων, που εμπεριέχουν τα ηλεκτρομονωτικά έλαια, θα πρέπει να δοθεί και η διάσταση των απαιτούμενων μέτρων για τη διασφάλιση της υγιεινής και ασφάλειας του ανθρώπινου δυναμικού αλλά και του περιβάλλοντος. Η καθημερινή διαχείριση των μονωτικών ελαίων αποτελεί πρόβλημα για τους μηχανικούς της παραγωγής και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, δεδομένου ότι ενδεχομένως ενέχει και περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Είναι γεγονός ότι πολλές από τις διατάξεις, που βρίσκονται σε πολυετή λειτουργία, είναι πιθανόν να περιλαμβάνουν ηλεκτρομονωτικά ορυκτέλαια, τα οποία εμπεριέχουν μικρές περιεκτικότητες σε πολυχλωριωμένα διφαινύλια (PolyChlorinated Biphenyls, PCBs), η εισαγωγή των οποίων γίνεται είτε εκ κατασκευής είτε ως προϊόντα επιμόλυνσης του κύκλου ζωής τους. Οι επιμολύνσεις συνήθως προκύπτουν μέσα από μολυσμένα φίλτρα αφύγρανσης, ή/και αναμίξεις δειγμάτων και συχνά επαυξάνουν την πρόσθετη ποσότητα των PCBs, τα οποία οδηγούνται στο χαρτί της μόνωσης και πρακτικά δεν μπορεί να αφαιρεθούν από τη διάταξη του ΜΣ. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι, τα αποδεκτά όρια για τα περιεχόμενα PCBs στο έλαιο των μετασχηματιστών, μειώθηκαν πρόσφατα στις Η.Π.Α. από τα 50 ppm στα 2 ppm και η μέτρησή τους γίνεται από εξειδικευμένα εργαστήρια σύμφωνα με ειδικά πρότυπα μετρήσεων [3]. Η ποσότητα αυτή της πρόσμιξης θεωρείται κρίσιμη, προκειμένου να δοθεί έγκριση για τη θερμική καταστροφή των διατάξεων και υλικών, που έχουν ήδη ολοκληρώσει τον κύκλο ζωής τους 2. Σε διαφορετική περίπτωση 2 Η καύση αντικειμένων που εμπεριέχουν PCBs,ακόμα και σε χαμηλές συγκεντρώσεις, οδηγεί στο σχηματισμό διοξεινών στην ατμόσφαιρα, οι οποίες μεταφέρονται σε μεγάλες αποστάσεις και μέσω της αναπνευστικής και τροφικής οδού καταλήγουν στους ανθρώπινους οργανισμούς. Οι διοξίνες κυρίως προσβάλλουν το ανοσοποιητικό σύστημα του ανθρώπου και ευθύνονται για σειρά καρκινογενέσεων [4] [5].
20 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 είναι αναγκαία η χημική καταστροφή (αντί της θερμικής) γεγονός που εμπεριέχει πολύπλοκες χημικές διεργασίες. Τα χαμηλά ποσοστά βιο-αποικοδόμησης των ορυκτελαίων, που χρησιμοποιούνται από την ηλεκτρική βιομηχανία, αλλά και η πιθανότητα ύπαρξης χαμηλών περιεκτικοτήτων PCBs στα έλαια των μετασχηματιστών, επιτάσσουν από την πλευρά των περιβαλλοντικών κινδύνων, την αντικατάσταση των ηλεκτρομονωτικών ελαίων, με άλλα, λιγότερο τοξικά. Αποτέλεσμα αυτής της ανάγκης, ήταν η εμφάνιση ελαίων με βάση τους εστέρες [6] ή τις σιλικόνες [7], ή ακόμα και φυτικών ελαίων [8], [9]. Παρόλα αυτά, το σχετικά υψηλό τους κόστος και το γεγονός ότι τα έλαια αυτά εμπεριέχουν μεγάλα ποσοστά υγρασίας τα καθιστούν σήμερα δυσεύρετα στην πράξη και αξιοποιήσιμα μόνο σε ειδικές εφαρμογές μετασχηματιστών. Εδώ πρέπει να προσθέσουμε ότι οι εστέρες, οι σιλικόνες και τα φυτικά έλαια, ανήκουν στην κατηγορία «υψηλής ανάφλεξης», δηλαδή αναφλέγονται σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία. Ένα τέτοιο έλαιο δεν μπορεί να αναφλεχθεί σε θερμοκρασία μικρότερη των 300 C [10]. Επιτακτική ανάγκη για την ανάπτυξη και την εφαρμογή βελτιωμένων διαγνωστικών μεθόδων της ικανότητας μόνωσης αποτελεί η σταθερά αυξανόμενη ηλικία του ακριβού εξοπλισμού των υψηλών τάσεων (ΥΤ). Σε πολλά μέρη του κόσμου, η πλειοψηφία των μεγάλων μετασχηματιστών ισχύος που εγκαταστάθηκαν στη δεκαετία του 60 και τη δεκαετία του 70 εξακολουθούν να βρίσκονται σε λειτουργία. Νέες μέθοδοι έχουν προταθεί την τελευταία δεκαετία και ακόμα νωρίτερα, για τις οποίες απαιτούνται αξιόπιστα διαγνωστικά εργαλεία. Μερικές από αυτές τις μεθόδους είναι βασισμένες στις μεταβολές των διηλεκτρικών ιδιοτήτων της μόνωσης. Οι διηλεκτρικές ιδιότητες εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες, όπως ενδεικτικά αναφέρονται: η συχνότητα λειτουργίας, ο χρόνος ηλέκτρισης, η θερμοκρασία και η υγρασία του λειτουργικού περιβάλλοντος, η χημική σύνθεση ενός μεμονωμένου ηλεκτρομονωτικού υλικού, και τέλος η δομή και οι μηχανισμοί συνέργειας, που εκδηλώνονται στο σύστημα της μόνωσης, που αποτελείται από διαφορετικά διηλεκτρικά υλικά. Στην εφαρμοσμένη μηχανική ηλεκτρικής ενέργειας, οι περισσότεροι από αυτούς τους παράγοντες, π.χ. οι διηλεκτρικές απώλειες ή ο συντελεστής ισχύος, εξετάζονται κατά τη διάρκεια τυποποιημένων δοκιμών για πολλές συσκευές ισχύος, αλλά η συχνότητα της τάσης δοκιμής είναι, γενικά, μόνο η συχνότητα ισχύος για την οποία σχεδιάζεται ο εξοπλισμός. Ο συντελεστής ισχύος σε μια μοναδική συχνότητα είναι, εντούτοις, μερικές φορές ανεπαρκής για να χαρακτηριστούν οι μεγάλες αλλαγές στις διηλεκτρικές ιδιότητες των σύνθετων συστημάτων. Μια γενική θεώρηση των δημοσιεύσεων, των σχετικών με τις εναλλακτικές διαγνωστικές μεθόδους που είναι βασισμένες στις διαφορετικές μεθόδους περιγραφής των διηλεκτρικών χαρακτηριστικών των υλικών, καθώς επίσης και οι συζητήσεις με τους χρήστες τέτοιων μεθόδων, αποκαλύπτουν έλλειψη γνώσης των βασικών παραμέτρων τέτοιων εναλλακτικών μεθόδων. 2. ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΟΙ ΕΛΕΓΧΟΙ Οι κυριότεροι φυσικοχημικοί έλεγχοι ποιότητας στα μονωτικά έλαια των μετασχηματιστών ισχύος και οι αποδεκτές τιμές των μετρούμενων μεγεθών συνοψίζονται στον Πίνακα 1. Πίνακας 1: Φυσικοχημικοί έλεγχοι και όρια αποδεκτών τιμών για τον έλεγχο της ποιότητας των ηλεκτρομονωτικών ελαίων. µ µ 2.1. Τάση διάσπασης ASTM D877 D971 D974 D1533 D1298 D1500 Ως τάση διάσπασης καθορίζεται η τάση κατά την οποία εμφανίζεται διάσπαση του μονωτικού μέσου, στην περίπτωσή μας το έλαιο, το οποίο βρίσκεται μεταξύ δύο σημείων διαφορετικού δυναμικού. Πειραματικά, η τάση διάσπασης μπορεί να οριστεί ως διηλεκτρική αντοχή, που είναι η μέγιστη τιμή τάσης, που μπορεί να εφαρμοστεί ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια βυθισμένα στο έλαιο χωρίς να δημιουργηθεί τόξο. Η τάση διάσπασης δεν είναι κριτήριο της ποιότητας κατασκευής του μονωτικού ελαίου, είναι όμως μια συμβατική μέθοδος δοκιμής, που μπορεί να μας αποκαλύψει το βαθμό, στον οποίο νερό ή και άλλα αιωρούμενα σωματίδια είναι αναμεμιγμένα στο έλαιο. Η μετρούμενη τιμή της τάσης διάσπασης εξαρτάται κυρίως από τη συσκευή και τη μέθοδο που θα χρησιμοποιήσουμε. Η συσκευή όπως και η μέθοδος περιγράφονται σε διάφορους κανονισμούς, ο επικρατέστερος των οποίων είναι ο ASTM D 877. Η μέθοδος που περιγράφεται σε αυτό τον κανονισμό είναι και η πιο κοινά χρησιμοποιούμενη, για την εκτίμηση της ποιότητας των ηλεκτρομονωτικών ελαίων. 2.2. Διεπιφανειακή τάση Η μέθοδος σύμφωνα με την οποία μετράται η διεπιφανειακή τάση σε ορυκτέλαια είναι η ASTM D 971. Για τη διεξαγωγή των μετρήσεων απαιτείται ειδική συσκευή (interfacial tensiometer). Η επιφανειακή τάση αποτελεί μοριακή ιδιότητα, που οφείλεται στις έλξεις μεταξύ των μορίων. Το φαινόμενο της μοριακής έλξης εμφανίζεται και στην επιφάνεια που διαχωρί-
Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 21 ζει δυο αδιάλυτα μεταξύ τους υγρά, π.χ. την επιφάνεια που διαχωρίζει μονωτικό έλαιο και αποσταγμένο νερό. Σ αυτήν την περίπτωση η επιφανειακή τάση λέγεται διεπιφανειακή τάση. Τα σωματίδια που υπάρχουν ή που δημιουργούνται στο μονωτικό έλαιο τείνουν να συγκεντρωθούν στην επιφάνεια, που διαχωρίζει αυτό από το αποσταγμένο νερό. Η συγκέντρωση αυτή έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της επιφανειακής τάσης. Γι αυτό, ο προσδιορισμός της επιφανειακής τάσης του ελαίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξεύρεση της παρουσίας προϊόντων, που οφείλονται σε οξείδωση. Επίσης ο προσδιορισμός αυτός οδηγεί σε ενδιαφέροντα συμπεράσματα σχετικά με την ποιότητα και την εξέλιξη των ιδιοτήτων του ελαίου. Τα πιο πάνω ισχύουν τόσο για τα καινούργια έλαια όσο και για τα έλαια που βρίσκονται σε μηχανήματα εν λειτουργία. 2.3. Βαθμός εξουδετέρωσης Η εύρεση του βαθμού εξουδετέρωσης, ή οξύτητας, ενός μονωτικού ελαίου περιγράφεται στον κανονισμό ASTM D974, και υποδηλοί τον αριθμό των mg ΚΟΗ που απαιτούνται για να ουδετεροποιήσουν ένα γραμμάριο ηλεκτρομονωτικού ελαίου. Η οξύτητα εξαρτάται από τα παραπροϊόντα γήρανσης, όπως και από τις συγκεντρώσεις των πρόσθετων ουσιών, όπως η πιθανή συγκέντρωση PCBs στο σώμα του ελαίου με τιμή μεγαλύτερη των 50 ppm. Ο βαθμός εξουδετέρωσης αποτελεί μέτρο της οξύτητας του ελαίου. Η οξύτητα, που μετράται στα μονωτικά έλαια, πρακτικά, αποτελείται μόνο από την οργανική οξύτητα, γιατί η ανόργανη είναι αμελητέα. Έχει σημασία η παρακολούθηση της οξύτητας του ελαίου, γιατί αύξηση της οξείδωσής του, συνοδεύεται γενικά και από αύξηση της οξύτητάς του. 2.4. Περιεκτικότητα νερού Η μέθοδος για την εύρεση της περιεκτικότητας νερού στον όγκο του μονωτικού ελαίου (ppm max) περιγράφεται στον κανονισμό ASTM D1533, ο οποίος απαιτεί τη χρήση ειδικού οργάνου (αναλυτής Karl Ficher). Η αυξημένη περιεκτικότητα νερού μπορεί να σημαίνει τον χαρακτηρισμό του ελαίου στο οποίο περιέχεται, ως ακατάλληλο για χρήση. Αντίθετα η μικρή περιεκτικότητα νερού δε σημαίνει κατ ανάγκη και την ικανοποιητική ποιότητα του μονωτικού ελαίου. Συνεπώς για το χαρακτηρισμό της ποιότητας του ελαίου η αποκλειστική χρήση αυτής της μεθόδου δεν είναι αρκετή. 2.5. Σχετική πυκνότητα Οι μετρήσεις σχετικής πυκνότητας γίνονται σύμφωνα με τον κανονισμό ASTM D1298. Η σχετική πυκνότητα δεν αποτελεί μέτρο ποιότητας του μετρούμενου δείγματος, είναι όμως μια ένδειξη για την ύπαρξη παραπροϊόντων γήρανσης στον όγκο του. Η αύξηση της σχετικής πυκνότητας μπορεί να οφείλεται στα παραπροϊόντα αποικοδόμησης, στον όγκο του ελαίου, δηλαδή στη χημική αποσύνθεση του μονωτικού χαρτιού, στα παραγόμενα ιόντα χαλκού [11], ή στις ελεύθερες ρίζες διασπασμένων αλυσίδων υδρογονανθράκων. 2.6. Χρώμα Ο κανονισμός, που χρησιμοποιείται συνήθως για τον έλεγχο του χρωματικού βαθμού ενός μονωτικού ελαίου, είναι ο ASTM D1500. Σύμφωνα με αυτόν απαιτείται μια συσκευή, που ονομάζεται χρωματόμετρο, η οποία περιλαμβάνει πηγή φωτός, τυποποιημένους χρωματιστούς γυάλινους δίσκους και δύο γυάλινα δοχεία με κάλυμμα και διάταξη για την παρατήρηση. Οι τυποποιημένοι γυάλινοι δίσκοι χαρακτηρίζονται από συμβατικούς αριθμούς που απέχουν κατά 0,5 ο ένας από τον άλλο. Η κλίμακα αρχίζει από το 0,5 (ανοιχτόχρωμα έλαια) και φτάνει ως το 8 (πλέον σκουρόχρωμα έλαια). Το χρώμα των μονωτικών ελαίων είναι γενικά ανοικτό κίτρινο και διαφέρει λίγο από έλαιο σε έλαιο. Το χρώμα του αχρησιμοποίητου ελαίου είναι κάποιο στοιχείο για να εκτιμηθεί η κατάσταση του. Το ίδιο ισχύει τόσο για τα λίγο μεταχειρισμένα έλαια όσο και για τα έλαια, που βρίσκονται σε χρήση για πολύ χρόνο. Αν η κατάσταση των τελευταίων έχει χειροτερεύσει από τη χρήση τους, είναι δυνατό να βγουν συμπεράσματα από τη μεταβολή στο χρώμα τους, σε συνδυασμό όμως και με άλλους ελέγχους. Η μεταβολή του χρώματος του ελαίου που βρίσκεται σε υπηρεσία πιθανό να σημαίνει οξείδωση ή παρουσία ξένων σωματιδίων μέσα σ αυτό. Πρέπει, ωστόσο, να σημειωθεί ότι το χρώμα του δείγματος δεν αποτελεί πάντα έναν αξιόπιστο παράγοντα για τον καθορισμό της ποιότητας του ελαίου και δε θα πρέπει να χρησιμοποιείται αυτόνομα για το χαρακτηρισμό του. Επίσης, ενίοτε και όποτε κρίνεται απαραίτητο, γίνονται φυσικοχημικοί έλεγχοι για τα μεγέθη, που περιγράφονται στον Πίνακα 2, σύμφωνα με τους σχετικούς κανονισμούς. Πίνακας 2: Πρόσθετοι φυσικοχημικοί έλεγχοι. ASTM D 445 D 1169 D 3635 D 5837 D 1698 µ D 92 PCBs D 4059 Οι έλεγχοι αυτοί δεν αποτελούν συχνή πρακτική, όπως αυτοί που αναφέρονται στον Πίνακα 1.
22 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 3. ΑΕΡΙΟΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ Συμπληρωματικά, γίνονται αεριοχρωματογραφικές μετρήσεις, που αποσκοπούν στην καταγραφή των περιεκτικοτήτων των παραγόμενων αερίων λόγω της ταυτόχρονης επιβολής ηλεκτρικής και θερμικής καταπόνησης (συνέργειας) στο συνδυασμό του υγρού-στερεού μονωτικού υλικού. Τα συχνότερα ανιχνευόμενα αέρια με τη βοήθεια Υγρής Χρωματογραφίας Υψηλής Πίεσης (High Performance Liquid Chromatography) σε ορυκτά έλαια μετασχηματιστών είναι O 2, N 2, H 2, CH 4, CO, CO 2 H 6 H 4 H 2, C 3 H 8 και άλλοι υδρογονάνθρακες. Το Σχήμα 1 συνοψίζει τους μηχανισμούς σχηματισμού αέριων εγκλεισμάτων και στερεών καταλοίπων στη μήτρα του μονωτικού ελαίου, που εμπεριέχεται στους μετασχηματιστές ισχύος [12], [13]. µ µ µ =200 µ C, H 2O µ O', CO 2 H 2O µ CnHm ( ) (C6H10O5)N O2 O2 H2 CH4, C2H4 C2H2 µ CO,CO2, H2, CH 4, C2H6 C2H 4, C3-C4 µ Σχήμα 1: Η δημιουργία παραπροϊόντων σε ηλεκτρικές διατάξεις που εμπεριέχουν ηλεκτρομονωτικά έλαια (α). Αντιδιαστέλλονται τα αέρια που εκλύονται λόγω της ηλεκτρικής επίδρασης, της θερμικής καταπόνησης και των ανομοιογενειών (επιφανειακών σπηλαιώσεων - κοιλοτήτων όγκου) που εμπεριέχονται στα στερεά μονωτικά (β). Figure 1: Byproduct formation in electrical equipment containing insulating oils a) Evolution of gases created by the electrical field, thermal fatigue and the presence of surface and volume cavities which exist in the solid insulators (b). Σύμφωνα με τις παρεχόμενες συγκεντρωτικές πληροφορίες του Σχήματος 1, τα παραπροϊόντα που δημιουργούνται από τη γήρανση του συστήματος των μονώσεων στους (α) (β) μετασχηματιστές ισχύος ενδέχεται να προέρχονται είτε από τη μείωση του βαθμού πολυμερισμού της κυτταρίνης (C 6 H 10 O 5 ) N σε Ν=200 στο μονωτικό χαρτί, είτε από τη μείωση των χαρακτηριστικών του μονωτικού ελαίου (C n H m ) [14]. Τα δημιουργούμενα παραπροϊόντα αποτελούνται από νερό και από ουσίες μερικώς πολωνόμενες ή ιοντιζόμενες κατά την εφαρμογή εξωτερικών ηλεκτρικών πεδίων [11]. Οι κυριότεροι παράγοντες που μπορούν να επιδράσουν και να αλλοιώσουν τα χαρακτηριστικά των μονώσεων επιφέροντας γήρανση ή/και συνθήκες διάσπασης είναι: Η ηλεκτρική καταπόνηση, η σπηλαίωση και οι κοιλότητες στον όγκο των υλικών, και η θερμική καταπόνηση. Αναλυτικά, τα παραπροϊόντα που συνδέονται με τη γήρανση στο στερεό μονωτικό και προέρχονται από τον ηλεκτρικό παράγοντα είναι συνήθως C, και H 2 O [15]. Η σπηλαίωση οδηγεί στη δημιουργία στερεών σωματιδίων, και τέλος η θερμική καταπόνηση οδηγεί στο σχηματισμό ριζών οξυγόνου Ο, CO 2, H 2 O και φουρφουράλης. Επίσης, τα παραπροϊόντα που σχηματίζονται κατά τη γήρανση του υγρού μονωτικού και προέρχονται από την παρουσία του ηλεκτρικού παράγοντα είναι συνήθως H 2, CH 4, C 2 H 4, C 2 H 2, και πολυμερή. Η σπηλαίωση οδηγεί (κατά την παρουσία μοριακού οξυγόνου) στην έκλυση αερίων, CO, CO 2, και οξέων. Χωρίς την καταλυτική παρουσία του οξυγόνου, οι εστίες σπηλαίωσης δημιουργούν από τα ηλεκτρομονωτικά ορυκτέλαια Η 2, CΗ 4 H 6 H 4, και βαρύτερους υδρογονάνθρακες της οικογένειας C 3 C 4. Τέλος η θερμική καταπόνηση οδηγεί (με την παρουσία μοριακού οξυγόνου) στην έκλυση αερίων, CO, CO 2, και οξέων. Χωρίς την καταλυτική παρουσία του οξυγόνου, η θερμική καταπόνηση ενδέχεται να επιφέρει στο υγρό μονωτικό το σχηματισμό Η 2, CΗ 4 H 6 H 4, βαρύτερων υδρογονανθράκων της οικογένειας C 3 C 4, και ρητίνης. Η αεριοχρωματογραφική μελέτη στο έλαιο ενός μετασχηματιστή εντοπίζει τις αέριες φάσεις και τα ποσοστά τους (ppm) με τα οποία εμπεριέχονται. Η σωματιδιακή ρύπανση, όπως και τα διάφορα άλλα στερεά παραπροϊόντα δεν προσδιορίζονται με τη μέθοδο της αεριοχρωματογραφίας και κατά συνέπεια δε λαμβάνονται υπόψη. Αυτού του είδους τα παραπροϊόντα μπορούν να ελέγχονται μόνο μέσα από συγκεκριμένες συμπληρωματικές φυσικοχημικές αναλύσεις -ξεχωριστές για το κάθε πιθανό συστατικό- οι οποίες και θα πρέπει να επαναλαμβάνονται ανά τακτά χρονικά διαστήματα (π.χ. προσδιορισμός τέφρας). Το γεγονός ότι απαιτείται η παράλληλη διεξαγωγή πολλών και διαφορετικών μετρήσεων για τον τελικό χαρακτηρισμό της κατάστασης του ηλεκτρομονωτικού ελαίου ενδεχομένως υποδηλοί μία πρακτική αδυναμία στη συνολική προσέγγιση του προβλήματος. Κατά τη διάρκεια της αποικοδόμησης του ελαίου συντελείται η θραύση των μοριακών αλυσίδων των υδρογονανθράκων και αναπτύσσονται αέρια παραπροϊόντα, τα οποία αφήνουν μεγάλες ελεύθερες ρίζες στην υγρή φάση [13]. Οι συγκρούσεις μεταξύ τέτοιων ελεύθερων ριζών παράγουν
Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 23 συνήθως μεγάλα συσσωματώματα κολλοειδών προϊόντων αποσύνθεσης με ένα μέσο μοριακό βάρος από 450 έως 550, τα οποία δεν είναι πλέον διαλυτά στο έλαιο και καθιζάνουν με τη μορφή λάσπης ή στάχτης [11]. Οι περιορισμοί που υπάρχουν στη χρήση αεριοχρωματογραφικών τεχνικών προέρχονται από το γεγονός ότι η συνολική σύσταση των διαλυμένων αερίων δεν μπορεί να καταγραφεί ανά πάσα στιγμή με μεθόδους Ανάλυσης Διαλυμένων Αερίων (Total Dissolved Gas Analysis, TDGA), αφού διαρκώς σχηματίζονται νέα παραπροϊόντα και τα διαλυμένα αέρια στο υγρό μονωτικό μπορούν, είτε να παράγονται, είτε να απορροφώνται, με αποτέλεσμα οι μετρούμενες τιμές να είναι το προϊόν της χημικής κινητικής δύο ανταγωνιστικών αντιδράσεων. Επιπροσθέτως, οι μέθοδοι ελέγχου που περιγράφονται στον κανονισμό ASTM D2440 περί της χημικής σταθερότητας και οξείδωσης των ορυκτελαίων, απαιτούν περιβάλλον εργαστηρίου, για την ολοκλήρωση των χρονοβόρων ελέγχων απορρόφησης στο ορατό φάσμα. 4. ΠΡΟΒΛΕΨΗ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΖΩΗΣ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΜΙΓΑΔΙΚΗ ΕΠΙΤΡΕΠΤΟΤΗΤΑ Κάθε είδος μονωτικού υλικού, όπως και στην περίπτωσή μας τα μονωτικά έλαια μετασχηματιστών, αποτελείται, σε ατομικό επίπεδο, από αρνητικά και θετικά φορτία που ισορροπούν μεταξύ τους σε μικροσκοπικό, καθώς επίσης και σε μακροσκοπικό επίπεδο. Μακροσκοπικά, κάποιο διπολικό χωρικό φορτίο μπορεί να υπάρχει, αλλά ακόμα και τότε, θα υπάρχει μια γενική ουδετερότητα του φορτίου. Μόλις ένα ηλεκτρομονωτικό υλικό εκτεθεί σε ένα ηλεκτρικό πεδίο Ε (που παράγεται από μια τάση μεταξύ ηλεκτροδίων που ενσωματώνονται στη μόνωση), τα θετικά και αρνητικά φορτία προσανατολίζονται στο χώρο διαμορφώνοντας έτσι τα διαφορετικά είδη δίπολων, ακόμη και σε ατομικές κλίμακες. Μια τοπική δυσαναλογία φορτίων «προκαλείται» μέσα στα ουδέτερα είδη (άτομα ή μόρια) όσο τα «κέντρα βάρους» για τις ίσες ποσότητες θετικών και αρνητικών φορτίων, ± q, χωρίζονται κατά μία μικρή απόσταση d, δημιουργώντας ένα διπολικό φορτίο που χαρακτηρίζεται από μια διπολική ροπή, p = qd, η οποία συσχετίζεται με το «τοπικό» ή «μικροσκοπικό» πεδίο. Η διπολική ροπή μπορεί, επίσης, να γραφτεί ως p = αe, όπου α η «πολωσιμότητα» των στοιχείων ή του υπό εξέταση υλικού. Σημειώστε ότι τα p, d και E είναι διανυσματικά μεγέθη. Δεδομένου ότι η απόσταση d θα είναι διαφορετική για κάθε διαφορετικό στοιχείο (άτομο ή μόριο) καθώς επίσης και ο αριθμός των διπόλων τους ανά μονάδα όγκου, θα είναι επίσης διαφορετική και η πολωσιμότητά τους. Λόγω των χημικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ανόμοιων ατόμων που διαμορφώνουν τα μόρια, πολλά μόρια θα έχουν μια σταθερή απόσταση d μεταξύ των κέντρων των φορτίων, διαμορφώνοντας κατά συνέπεια τα μόνιμα δίπολα, τα οποία είναι συνήθως τυχαία προσανατολισμένα και κατανεμημένα μέσα στο υλικό, εφόσον δεν εφαρμόζεται κανένα εξωτερικό πεδίο. Η μακροσκοπική επίδραση της πολωσιμότητας ενός μεμονωμένου στοιχείου μπορεί να δοθεί σε μια γενική σχέση μεταξύ της μακροσκοπικής πόλωσης P και του αριθμού πολωμένων στοιχείων ανά μονάδα όγκου του υλικού. Οι κυριότεροι μηχανισμοί, που παράγουν τη μακροσκοπική πόλωση Ρ, είναι οι εξής: Η «ηλεκτρονιακή πόλωση» επιδρά σε κάθε άτομο ή μόριο δεδομένου ότι τα κέντρα βάρους των ηλεκτρονίων, που περιβάλλουν τους θετικούς ατομικούς πυρήνες, θα μετατοπιστούν από το ηλεκτρικό πεδίο Ε. Αυτή η μεταβολή στην κατανομή των ηλεκτρικών φορτίων είναι εξαιρετικά ταχεία κι έτσι μπορεί πρακτικά να παρατηρηθεί μέχρι και στις οπτικές συχνότητες (10 15 Hz). Η «ιοντική (ή ατομική / μοριακή) πόλωση» αναφέρεται στα υλικά, που περιέχουν μόρια, τα οποία διαμορφώνουν ιόντα, που δεν διαχωρίζονται από ασθενή ηλεκτρικά πεδία ή από χαμηλές θερμοκρασίες. Εκτός από την ηλεκτρονιακή πόλωση, που προκαλείται στα μόρια από το ηλεκτρικό πεδίο, αναμένεται να εκδηλωθούν, επίσης, ελαστικές μετατοπίσεις των πλεγματικών φορτίων (πυρήνες και ηλεκτρόνια). Αυτοί οι τύποι μορίων είναι συνήθως πολικές ουσίες, οι οποίες μπορούν να πολωθούν μέχρι και στις υπέρυθρες συχνότητες (10 13 Hz). Η «διπολική, ή πόλωση προσανατολισμού» αναφέρεται στα υλικά, που περιέχουν μόρια, τα οποία εκδηλώνουν μόνιμες διπολικές ροπές, οι προσανατολισμοί των οποίων είναι στατιστικά κατανεμημένοι λόγω της θερμικής τους ενεργοποίησης. Κάτω από την επιρροή του Ε, τα δίπολα θα προσανατολιστούν μόνο μερικώς, έτσι θα υπάρχει πάλι, μια γραμμική εξάρτηση του Ρ και του Ε. Η ιοντική και η διπολική πόλωση είναι ακόμα αρκετά γρήγορες ενέργειες και μπορεί να ακολουθήσουν τις συχνότητες εναλλασσόμενου ρεύματος μέχρι το MHz ή και το GHz. Η «διεπιφανειακή πόλωση» παρατηρείται κυρίως σε μονωτικά υλικά που αποτελούνται από διαφορετικά διηλεκτρικά υλικά, όπως π.χ. το χαρτί / κυτταρίνη εμβαπτισμένο σε μονωτικό έλαιο. Ο κακός συνδυασμός των διάφορων διηλεκτρικών υλικών προκαλεί, κάτω από την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, την απόθεση των κινούμενων θετικών και αρνητικών φορτίων στις (μικρο - ή μακρο -) διεπιφάνειες των διαφορετικών υλικών, διαμορφώνοντας έτσι κάποια είδη διπόλων. Αυτό το φαινόμενο είναι συχνά πολύ αργό και γενικά γίνεται αντιληπτό στο φάσμα της συχνότητας ισχύος και κάτω (f 50Hz). Η μεταφορά των φορτίων από διακριτή στάθμη σε διακριτή στάθμη (hopping conduction) μπορεί επίσης να βοηθήσει στη δημιουργία μηχανισμών πόλωσης. Η διαδικασία αυτή είναι αργή, συντελεί στην εκδήλωση ασθενών ρευμάτων και εμφανίζει έντονη θερμοκρασιακή εξάρτηση. Συνήθως συναντάται στα στερεά βιομηχανικά υλικά, παραδείγματος χάριν στα μονωτικά υλικά των καλωδίων υψηλών τάσεων (Διασταυρούμενο Πολυαιθυλένιο, XLPE), στο μονωτικό χαρτί, στα κεραμικά και σε όλα τα μονωτικά υλικά
24 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 ισχύος, που εμπεριέχουν ατέλειες. Λόγω της αυξημένης κινητικής στα υγρά μονωτικά υλικά οι μηχανισμοί πόλωσης εκδηλώνονται εντονότερα από ό,τι στα στερεά μονωτικά υλικά. Περισσότερες πληροφορίες μπορεί να αναζητηθούν σε εξειδικευμένα βιβλία [16], [17], [18]. Ένα ηλεκτρομονωτικό υλικό χαρακτηρίζεται ως διηλεκτρικό, όταν, λόγω των μηχανισμών πόλωσης που προαναφέρθηκαν, έχει την ικανότητα να αποθηκεύει ενέργεια κατά την επιβολή ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Όταν εφαρμοσθεί μία συνεχής τάση (DC) κατά μήκος των οπλισμών ενός πυκνωτή παράλληλων πλακών, θα αποθηκευθεί περισσότερη ενέργεια στην περίπτωση που υπάρχει κάποιο διηλεκτρικό μεταξύ των οπλισμών, από ό,τι στην περίπτωση, που δεν υπάρχει κανένα υλικό μεταξύ των ηλεκτροδίων (πυκνωτής κενού). Το διηλεκτρικό αυξάνει την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας του πυκνωτή, εξουδετερώνοντας κάποια από τα φορτία των ηλεκτροδίων, τα οποία κανονικά θα συνέβαλαν στη διαμόρφωση της όλης πεδιακής έντασης μεταξύ των οπλισμών. Η μετρούμενη χωρητικότητα κατά την παρουσία του διηλεκτρικού εξαρτάται από το πλήθος των ηλεκτρικών φορτίων, που εμπεριέχονται στο υλικό και τα φαινόμενα πόλωσης, που εκδηλώνονται κατά τις συνθήκες μέτρησης. Τα χωρικά φορτία στον όγκο ενός υλικού μπορούν να συνδέονται με ιόντα, που έχουν υπεισέλθει στον όγκο του υλικού, πολικά υγρά που έχουν ροφηθεί, και ηλεκτρονιακές καταστάσεις που βρίσκονται στο απαγορευμένο διάκενο και συνδέονται με ακαθαρσίες ή ατέλειες π.χ. κενές θέσεις ατόμων ή διακοπή μοριακών αλυσίδων. Η χωρητικότητα σχετίζεται με τη διηλεκτρική σταθερά του υλικού σύμφωνα με τη σχέση: C = C o.κ κ = C / C o (4.1) όπου: κ : διηλεκτρική σταθερά του υλικού, C : χωρητικότητα με την παρουσία του διηλεκτρικού, C o : χωρητικότητα χωρίς τη προσθήκη υλικού (κενό). Σχήμα 2: Πυκνωτής παράλληλων πλακών με ενδιάμεσο διηλεκτρικό. Παράλληλο ισοδύναμο κύκλωμα C G που χρησιμοποιείται για τον αναλυτικό προσδιορισμό των διηλεκτρικών μεγεθών. Figure 2: The equivalent circuit of a parallel plate capacitor incorporating the material under test (liquid or solid). Όταν εφαρμοστεί μια εναλλασσόμενη ημιτονοειδής τάση στα άκρα του ίδιου πυκνωτή, το συνολικά παρατηρούμενο ρεύμα θα προέρχεται από το ρεύμα φόρτισης (I charge ) που διαρρέει τον πυκνωτή και σχετίζεται με τη χωρητικότητα, και επομένως τη διηλεκτρική σταθερά του υλικού, και από το ρεύμα απωλειών (I loss ) που σχετίζεται με τις απώλειες δηλ. την αντίσταση όγκου του υλικού. Οι απώλειες στο υλικό μπορούν να προσδιορισθούν από τη διαγωγιμότητα (G), η οποία συνδέεται παράλληλα με τον ιδανικό πυκνωτή (C). Το συνολικό ρεύμα που διαρρέει το δοκίμιο, μέσα από τον πυκνωτή (I charge ), και μέσα από την αντίσταση απωλειών (I loss ), είναι σύμφωνα με το προτεινόμενο παράλληλο κύκλωμα C-G του Σχ. 2: I = I charge + I loss = V.(jωC+G) = V.( jω C o κ + G ) (4.2) Αντικαθιστώντας, G = ω C o κ λαμβάνουμε, I = V.( jωc o κ + ω C o κ ) = V.(jω C o )(κ -jκ ) = = V.(jω C o )κ* (4.3) όπου, κ* = κ jκ. Η μιγαδική διηλεκτρική σταθερά (κ*) συναποτελείται από το πραγματικό μέρος (κ ), στο οποίο αποδίδεται η αποθήκευση ηλεκτρικών φορτίων στον ιδανικό πυκνωτή (C), και από το φανταστικό μέρος (κ ), στο οποίο αποδίδεται η διαρροή ηλεκτρικών φορτίων μέσα από τη διαγωγιμότητα (G) του εξεταζόμενου συστήματος μόνωσης (ρεύμα απωλειών). Η σχετική μιγαδική διηλεκτρική επιτρεπτότητα (ε r * κ*) περιγράφει την αλληλεπίδραση των υλικών με το ηλεκτρικό πεδίο. Η σχετική μιγαδική διηλεκτρική επιτρεπτότητα (ε r *), είναι ισοδύναμη προς τη μιγαδική διηλεκτρική επιτρεπτότητα (ε*) ανηγμένη ως προς τη διηλεκτρική σταθερά του κενού. ε r * = ε*/ε ο = ( ε /ε ο ) j( ε /ε ο ) = ε r - j. ε r (4.4) όπου ε ο = η διηλεκτρική σταθερά του κενού 8,854.10-12 F/m. Το πραγματικό μέρος (ε r ) αποτελεί μια ένδειξη για το πόση ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί στο υλικό από το επιβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο, και επίσης αναφέρεται ως σχετική διηλεκτρική σταθερά (για τη συχνότητα στην οποία εξετάστηκε). Για το απόλυτο κενό ισχύει ότι ε r = 1. Για τα αέρια μονωτικά πρακτικά ισχύει ότι ε r 1. Όμως, για τα περισσότερα στερεά και υγρά μονωτικά υλικά ισχύει: ε r >1. Ειδικά για τα μονωτικά υλικά ισχύει ότι 1 ε r 10, για τους ημιαγωγούς 10 ε r 20, και για τα μέταλλα ε r. Τα ηλεκτρομονωτικά έλαια χαρακτηρίζονται από τιμές 2,2 ε r 2,5, στη συχνότητα και θερμοκρασία λειτουργίας. Η φανταστική συνιστώσα (ε r ) ονομάζεται και συντελεστής απωλειών. Αποτελεί μία ένδειξη για το πόσο πολικά χαλαρό 3 αναμένεται ότι θα αποδειχθεί ένα υλικό ως προς το εξωτερικά επιβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Ένα υλικό ονομάζεται χαλαρό σε μία συχνότητα, όταν ο κυρίαρχος μηχανισμός πόλωσής του είναι ικανός να ακολουθεί τις μεταβολές 3 Ένα υλικό ονομάζεται χαλαρό σε μία συχνότητα, όταν ο κυρίαρχος μηχανισμός πόλωσής του είναι ικανός να ακολουθεί τις μεταβολές του εφαρμοζόμενου σε αυτό πεδίου.
Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 25 του εφαρμοζόμενου σε αυτό πεδίου. Το ε r συνιστά πάντοτε μία θετική ποσότητα και στην πράξη είναι κατά πολύ μικρότερο από το ε r. Ο συντελεστής απωλειών λαμβάνει υπόψη του τους μηχανισμούς των διηλεκτρικών απωλειών και της αγωγιμότητας όγκου των υλικών. Γενικά στη βιβλιογραφία υπάρχει σύγχυση σχετικά με το συμβολισμό και την ονοματολογία των όρων διηλεκτρικών μεγεθών, η οποία συνοψίζεται στον Πίνακα 3. Πίνακας 3: Ονοματολογία των διηλεκτρικών μεγεθών που συνήθως χρησιμοποιείται. µ µ * Complex Dielectric Constant - * Complex Dielectric Permittivity - F/m r * Relative Complex Dielectric Permittivity - r Relative Dielectric Constant - r Loss Factor - Dielectric Constant -, Relative Permittivity - : *= r *=> -j. = r -j. r. Για το εξεταζόμενο ισοδύναμο κύκλωμα (Σχήμα 2), το ανυσματικό διάγραμμα της σχετικής μιγαδικής διηλεκτρικής επιτρεπτότητας εμφανίζει διαφορά φάσης 90 ο μεταξύ της φανταστικής και της πραγματικής συνιστώσας. Η ανυσματική συνιστώσα (ε r *) σχηματίζει γωνία δ με τον πραγματικό άξονα (ε r ) (Σχήμα 3α). Τα αναμενόμενα επίπεδα «χαλάρωσης» στη συχνότητα που ενδιαφέρει, για το κάθε υλικό προκύπτουν από την αναλογία της απολεσθείσας ενέργειας ως προς την αποθηκευόμενη ενέργεια στο χρόνο μιας περιόδου. Ανά κύκλο συχνότητας ισχύει ότι, εφδ = απολεσθείσα /αποθηκευθείσα ενέργεια, εφδ = Ι loss / I charge = κ / κ = ε r / ε r (4.5) όπου, εφδ: απώλειες εφαπτομένης, ή εφαπτομένη απωλειών, ή tanδ. Για τα ισχυρά μονωτικά υλικά, όπως είναι τα ηλεκτρομονωτικά έλαια μετασχηματιστών, το διάνυσμα του ε r * τείνει στο ε r και η εφδ (tanδ) τείνει στο +0. Επομένως, όταν το μέτρο του διανυσματικού σφάλματος ε error της μετρητικής διάταξης γίνει μεγαλύτερο από το μέτρο του ε r, του μετρούμενου υλικού, η συνολικά μετρούμενη γωνία δ error μπορεί να γίνει αρνητική, π.χ. tanδ -0 (Σχήμα 3β) [19]. Αυτή είναι μια πολύ σημαντική παράμετρος, που θα πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη κατά τη μέτρηση ηλεκτρομονωτικών ελαίων στην επιλογή της κατάλληλης μετρητικής διάταξης και κυρίως του κατάλληλου μετρητικού αισθητήρα - κελιού. Για να ξεπεραστεί αυτή η πειραματική δυσκολία, η γεωμετρία του κελιού που εμπεριέχει το δείγμα του μονωτικού ελαίου. που πρόκειται να χαρακτηριστεί, θα πρέπει να είναι τέτοια. ώστε να ενισχύει το σήμα του Ι loss, έτσι ώστε αυτό να μπορεί να καταγραφεί από μια υψηλής ακρίβειας γέφυρα LCR σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί είτε με την αύξηση της γεωμετρίας των ηλεκτροδίων, είτε με την επιλογή κατάλληλων υλικών για την κατασκευή του κελιού μετρήσεων. r'' r* r* (error) error r' error Σχήμα 3: Το διανυσματικό διάγραμμα της σχετικής μιγαδικής διηλεκτρικής επιτρεπτότητας. (a) Η γωνία δ σύμφωνα με τον ορισμό της εξίσωσης 4.5. (β) Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων, προστίθετο πάντα στο διάνυσμα της σχετικής μιγαδικής διηλεκτρικής επιτρεπτότητας, ένα διάνυσμα σφάλματος (ε error ), το οποίο σχετιζόταν με τη μετρητική διάταξη. Αυτό το διάνυσμα γίνεται σημαντικό μόνο σε ισχυρά μονωτικά υλικά, επειδή /ε r / 0 και γίνεται συγκρίσιμο με το /ε error /. Figure 3: Loss tangent vector diagram. tanδ is also referred to as loss tangent, or D= Dissipation factor. (a) Angle δ, as defined by eq. 3.5. (b) During the measurements an error vector (ε error ), related to the instrumentation, is added to the permittivity vector. This error vector becomes significant only for high insulating materials, because /ε r / 0 and becomes comparable to the /ε error /. Ο κάθε ένας από τους διηλεκτρικούς μηχανισμούς πόλωσης συνδέεται με μία χαρακτηριστική συχνότητα συντονισμού (δηλ. απότομη αύξηση διηλεκτρικής σταθεράς σε δεδομένη συχνότητα) ή συχνότητα χαλάρωσης (δηλ. σταδιακή μείωση διηλεκτρικής σταθεράς με την αύξηση της συχνότητας). Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4, καθώς η συχνότητα αυξάνεται, οι πιο αργοί διηλεκτρικοί μηχανισμοί (α) (β)
26 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 πόλωσης εξαλείφονται, αφήνοντας μόνον τους ταχύτερους να συμβάλλουν στα φαινόμενα αποθήκευσης ενέργειας (κ ). Κατ αντιστοιχία ο συντελεστής απωλειών (κ ) θα επαυξηθεί σε κάθε κρίσιμη συχνότητα. Τέτοια φαινόμενα συντονισμού συνδέονται συνήθως με την ηλεκτρονιακή ή ατομική πόλωση. Τα φαινόμενα χαλάρωσης αναπτύσσονται κατά την πόλωση προσανατολισμού και συνδέονται με τη μετατόπιση ιόντων, δίπολων ή/και χωρικών φορτίων στον όγκο του υλικού και εκδηλώνονται εντονότερα στα γηρασμένα ηλεκτρομονωτικά υλικά (π.χ. χρησιμοποιημένα έλαια ΜΣ). Σχήμα 4: Η απόκριση συχνότητας των διηλεκτρικών μηχανισμών συντονισμού και χαλάρωσης και τα διάφορα φαινόμενα ή/και μηχανισμοί με τους οποίους σχετίζονται. Figure 4: The frequency response of dielectric mechanisms for resonance and relaxation and the various mechanisms related to them. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στη μελέτη αυτή γίνεται προσπάθεια να αντικατασταθούν οι συνήθεις μετρήσεις φυσικοχημικών παραμέτρων των μονωτικών ελαίων, όπως οξύτητας, χρώματος, τάσης διάσπασης, ιξώδους, διεπιφανειακής τάσης, υγρασίας και αεριοχρωματογραφίας από μία μόνο σύνθετη μέτρηση: [12] [13] [20], την καταγραφή της μεταβολής της μιγαδικής επιτρεπτότητας στα ηλεκτρομονωτικά έλαια μετασχηματιστών ΥΤ. Αυτές οι εργαστηριακές μετρήσεις είναι γενικά γνωστές με τον όρο «διηλεκτρική φασματοσκοπία στο πεδίο της συχνότητας» [21], και προσφέρουν το πλεονέκτημα ότι επιτρέπουν την εμφάνιση των τυχόν αναπτυσσόμενων μηχανισμών πόλωσης και χαλάρωσης του εξεταζόμενου δείγματος [22] [23]. Η μέτρηση της σχετικής μιγαδικής επιτρεπτότητας, και εν γένει των διηλεκτρικών μεγεθών, για τον προσδιορισμό της ποιότητας ενός ηλεκτρομονωτικού ελαίου δεν είναι κάτι καινούργιο. Η μέθοδος ASTM D 924 παραδείγματος χάριν, περιγράφει την εύρεση της σχετικής επιτρεπτότητας σε μονωτικά υγρά. Όμως πολλά από τα φαινόμενα πόλωσης και θερμικής χαλάρωσης δεν εμφανίζονται στη συχνότητα λειτουργίας της συσκευής και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η καινοτομία στην εργασία αυτή έγκειται στην εισαγωγή μιας επιπρόσθετης παραμέτρου της θερμικής διέγερσης των δίπολων και των μηχανισμών μεταφοράς φορτίων στο χαρακτηρισμό των υλικών με διηλεκτρική φασματοσκοπία στο πεδίο της συχνότητας (περιοχή συχνοτήτων Hz έως ΜHz). Με τον τρόπο αυτό, λαμβάνονται υπόψη όλες οι απαραίτητες πληροφορίες που αφορούν στη γενικότερη κατάσταση του συστήματος μόνωσης, όπως αυτές προκύπτουν από τις ακαθαρσίες και τα έγκλειστα αέρια που αναπτύσσονται στο υγρό μονωτικό μετά την ηλεκτρική καταπόνηση, τη θερμική καταπόνηση και τη σπηλαίωση στα υλικά της διάταξης π.χ. τα χάλκινα ελίγματα, το χαρτί της μόνωσης ή το έλαιο που τα εμπεριέχει [24]. Η παρακολούθηση της μιγαδικής επιτρεπτότητας ελαίων μετασχηματιστών, ως συνάρτηση της συχνότητας και της θερμοκρασίας, μπορεί να δώσει σημαντικές πληροφορίες για την κατάσταση της μόνωσης των ηλεκτρικών διατάξεων ισχύος [25], [26]. Σε αυτή τη μελέτη διερευνάται η δυνατότητα χρήσης της θερμικά εξαρτώμενης διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ως μεθόδου ελέγχου ποιότητας και πρόβλεψης του χρόνου ζωής των μετασχηματιστών ισχύος. Η δημιουργία βάσεων δεδομένων, όπου θα καταγράφονται τα αποτελέσματα πόλωσης σε μια ευρεία κλίμακα συχνοτήτων και θερμοκρασιών μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ισχυρό διαγνωστικό εργαλείο στα χέρια των μηχανικών. Η αξιόπιστη παρακολούθηση της μόνωσης των μετασχηματιστών, μερικοί από τους οποίους λειτουργούν από τη δεκαετία του 60, θα ελαχιστοποιήσει την πιθανότητα αστοχιών τους, καθώς και τον περιβαλλοντικό κίνδυνο που ενέχεται λόγω των πιθανών διαρροών ή εκδηλώσεων πυρκαγιάς, γεγονός που προβληματίζει ιδιαίτερα, ιδίως όταν τα μονωτικά τους έλαια περιέχουν ίχνη PCBs. Τα αποτελέσματα, που προκύπτουν από το χαρακτηρισμό των δειγμάτων με μετρήσεις διηλεκτρικής φασματοσκοπίας μπορούν να συγκριθούν με τα αποτελέσματα, που προκύπτουν από φυσικοχημικές και αεριοχρωματογραφικές μετρήσεις, ούτως ώστε να προκύψουν χρήσιμα συγκριτικά συμπεράσματα για την περιγραφή της λειτουργικής αξιοπιστίας των διατάξεων. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Fofana I., Borsi H., Gockenback E., Fundamental Investigations On Some Transformer Liquids Under Various Outdoor Conditions IEEE Trans. Dielectrics and Elec. Insul. Vol. 8, No. 6, 2001, pp. 1040-1047. 2. B. H. Ward, A survey of new techniques in insulation monitoring of power transformers, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 17, No. 3, 2001, pp. 16-23. 3. COMMISSION, Official Journal of the European Communities, Commission Decision of 16 January 2001, Reference methods of measurement for PCB s, (C(2001) 107), pp. 23-31. 4. Hay A., Tarrel J., Mortality of power workers exposed to phenoxy herbicides and polychlorinated biphenyls in waste transformer oil, Annals of the New York Academy of Sciences, Vol. 837, 1997, pp. 138-
Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 27 156. 5. A. Ronneberg, K. Skyberg, Mortality and incidence of cancer among oil exposed workers in a Norwegian cable manufacturing company. Part I. Exposure conditions 1920-79, British Journal of Industrial Medicine, Vol. 45, 1998, pp. 589-594. 6. I. Fofana, V. Wasserberg, H. Borsi, and E. Gockenbach, Retrofilling conditions of high-voltage transformers, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 17, No. 2, 2001, pp. 17-30. 7. I. Fofana, Η. Borsi, Ε. Gockenback, Fundamental Investigations On Some Transformer Liquids Under Various Outdoor Conditions IEEE Trans. Dielectrics and Elec. Insul. Vol. 8, No. 6, 2001, pp. 1040-1047. 8. T. V. Oommen, Vegetable oils for liquid-filled transformers, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 18, No. 1, 2002, pp. 6-11. 9. T. V. Oommen, et al., Biodegradable transformer fluid from high oleic vegetable oils, Doble Conf. Paper, April 1999. 10. H. Borsi, Dielectric behavior of silicone and Ester Fluids for Use in Distribution Transformers, IEEE Trans. Elec. Insul., Vol. 26, No. 4, 1991, pp. 755-762. 11. R. Ferguson, A. Lobeiras, and J. Sabau, Suspended Particles in the liquid insulation of aging power transformers, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 18, No. 4, 2002, pp. 17-23. 12. V. G Arakelian, Effective diagnostics for oil-filled equipment, IEEE Electrical Insulation Magazine Vol. 18, 2002, p.26. 13. M. Duval, and A. depablo, Interpretation of gas-in-oil analysis using new IEC publication 60599 and IEC TC 10 databases, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 17, No. 2, 2001, pp. 31-41. 14. V. T. Morgan Effects of Frequency, Temperature, Compression, and Air Pressure on the Dielectric Properties of a Multilayer Stack of Dry Kraft Paper, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 5, No 1, February 1998, pp. 125-131. 15. M. Kanno, Ν. Oota, Τ. Suzuki, Τ. Ishii. Changes in ECT and dielectric dissipation factor of insulating oils due to aging in oxygen IEEE Trans. Dielectrics and Elec. Insul., Vol 8, No. 6, 2001, pp. 1048-1053. 16. A. R. von Hippel, Dielectric Materials And Applications, New York: The Technology Press of MIT and J. Wiley & Sons, 1958. 17. A. K. Jonscher, Dielectric Relaxation in Solids. London: Chelsea Dielectrics Press, 1983. 18. A. K. Jonscher, The universal dielectric response: part III, IEEE Electrical Insulation Mag., vol. 6, no. 4, 1990. 19. Agilent 16452A. Liquid Test Fixture, Operating and Service Manual, 3d Edition, Japan, 2000. 20. Mohamed A. A. Wahab, M. M. Hamada, A. G. Zeitoun, G. Ismail, Novel modeling for the prediction of aged transformer oil characteristics, Elsevier Science S.A. Electric Power Systems, Research 51, 1999, pp. 61 70. 21. Walter S. Zaengl, Dielectric Spectroscopy in Time and Frequency Domain for HV Power Equipment, Part I: Theoretical Considerations IEEE Electrical Insulation Magazine Vol. 19, No 5, 2003, pp. 5 19. 22. M.P. Goetz, Permittivity measurements of frequency dependent electronic materials, Hewlett-Packard Application Note 5964-1506E, 1995, CA, USA. 23. American Standards for Testing Materials, ASTM D924-03a, Standard Test Method for Dissipation Factor (or Power Factor) and Relative Permittivity (Dielectric Constant) of Electrical Insulating Liquids, 2003. 24. CIGRE Task Force 15.01.09: Dielectric response methods for diagnostics of power transformers, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 19, No. 3, 2003, pp. 12-18. 25. C. T. Dervos, P. Vassiliou, P. Skafidas and Ch. Paraskevas, Service life estimation of transformer oil in Proc. Intern. Conf. on Protection and Restoration of the Environment VI, Skiathos, July 1-5, 2002, pp. 1239-1246. 26. C. T. Dervos, Ch. D. Paraskevas, P. Skafidas and P. Vassiliou, Dielectric characterization of power transformer oils as a diagnostic life prediction method, IEEE Electrical Insulation Magazine, in press. Χ. Δ. Παρασκευάς, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Π. Βασιλείου, Αναπληρωτής Καθηγητής Ε.Μ.Π., Σχολή Χημικών Μηχανικών Ε.Μ.Π. Κ. Θ. Δέρβος, Καθηγητής Ε.Μ.Π., Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Ε.Μ.Π., Τομέας Συστημάτων Μετάδοσης Πληροφορίας και Τεχνολογίας Υλικών.
28 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 Extended summary Aging Characterization of Transformer Insulating Oils Physicochemical / Analytical Methods and Dielectric Spectroscopy. Part I Theoretical Analysis CH. D. PARASKEVAS P. VASSILIOU C. T. DERVOS Dipl. Electrical Engineer N.T.U.A. Associate Professor N.T.U.A. Professor N.T.U.A. Abstract This paper presents a review of the methods used in the aging characterization of insulating oils employed in power transformers and autotransformers in transmission and distribution networks. The commonly used physicochemical and analytical methods are investigated and temperature-dependent dielectric spectroscopy in the frequency domain is proposed as an alternative. The complex permittivity data were obtained at a wide range of frequencies and operation temperatures to demonstrate the polarization phenomena and the thermally stimulated effects. Such complex permittivity measurements may be utilized as a criterion for predicting the service life of oilfield electrical equipment. 1. INTRODUCTION Electrical power transformers are used to step up or step down voltage and are an integral component of any efficient power distribution network. A typical transformer incorporates coils of conducting wire wrapped around a core and covered with a paper-based insulator. Essential to the operation of these units are transformer oils that serve a dual function: electrical insulation and heat dissipation. Transformer life/aging is mainly related to the degradation of the insulating oil induced by thermal fatigue, decomposition to smaller chains or gaseous byproducts, or oxidation and degradation of the solid insulation, caused mainly by the thermal stress of the insulating paper [14], together with its electrochemical decomposition. The byproducts of the solids within the insulating liquids are water and other substances of partly polarizable and ionizable character [11]. Aging depends not just on loading, but is also influenced significantly by the type of paper, pulp composition, humidity and oxygen content, as well as the acidity level of the insulating liquid. Occasionally, failures occur in Ultra High Voltage (UHV) and HV transformers due to streaming electrification [15]. These have been attributed to electrical charges, generated at the interfaces between the moving insulating oil and the solid insulating materials of the power transformer with forced cooling. Apart from the physicochemical-analytical techniques usually employed for quality control of electrically stressed insulating oils, in this work the advantages of dielectric spectroscopy in the frequency domain under thermal excitation are also considered, since that technique provides information about both solid and liquid insulation. 2. PHYSICOCHEMICAL / ANALYTICAL TESTS The most significant physicochemical tests that are frequently performed on insulating transformer oils are described in the following ASTM standards: D877: Test method for dielectric breakdown voltage of insulating liquids using disk electrodes. This is not a quality criterion for the insulating oil, but it shows whether water or solid particles are mixed in the oil. D971: Test method for interfacial tension of oil against water by the ring method. This test may show the oxidation products created in the system. D974 Test method for acid and base number by colorindicator titration. Degradation byproducts of acidic nature may be indicated, especially PCBs presence. D1533: Test method for water in insulating liquids by coulometric Karl Fischer titration. The presence of water is not indicative of the oil quality. D1298: Practice for density, relative density (specific gravity), or API gravity of crude petroleum and liquid petroleum products by hydrometer method. The density increase marks the presence of degradation products of paper, of copper coils or of broken hydrocarbon chains. D1500: Test method for ASTM color of petroleum
Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 29 products (ASTM color scale). Color is not indicative of oil aging, since it is also dependent on the initial oil color. Additionally, Gas Chromatography (GC) and High Performance Liquid Chromatography (HPLC) techniques has been recently proposed for the identification and detection of dissolved or generated gases within the liquid insulation (i.e. H2, methane, hydrocarbons), thus obtaining information on oil dissociation and on the overall status of the component. The most frequently detected gases by GC and/or HPLC in transformer mineral oils are O2, N2, H2, CH4, CO, CO2, C2H6, C2H4, C2H2, C3H8 and other liquid hydrocarbons [12], [13]. Limitations of Dissolved Gas Analysis (DGA) techniques arise from the fact that the Totally Dissolved Gas Compositions (TDGC) cannot be monitored in the liquid, since the gases can be dynamically either evolving or being absorbed, and the measured values will be the net effect of two competitive reactions of the traced specific gases. 3. SERVICE-LIFE ESTIMATION BASED ON COMPLEX PERMITTIVITY Every kind of insulation material consists, at an atomic level, of negative and positive charges balancing each other on the microscopic as well as on more macroscopic scales. Macroscopically, some localized bipolar space charge may be present, but even then, overall charge neutrality exists. As soon as a material is exposed to an electric field, the positive and negative charges become oriented, thus forming different kinds of dipoles even on atomic scales. A local charge imbalance is thus induced within the neutral species (atoms or molecules) as the centers of gravity for the equal amounts of positive and negative charges, ± q, become separated by a small distance d, thus creating a dipole with a dipole moment, p = qd. The dipole moment is related to the local or microscopic electric field, E, and it can also be written as p = ae, where a is the polarizability of the material. The main mechanisms that produce macroscopic polarization P are electronic polarization, ionic (or atomic/molecular) polarization, bipolar (or orientational) polarization and interfacial polarization. Trapping and hopping of charge carriers between localized charge sites may occur, also creating polarization. 3.1. Complex permittivity Complex permittivity describes the dielectric properties of materials (solids and liquids). A material -in our case an insulating transformer oil- is classified as a dielectric if it has the ability to store energy when an external field is applied. When a voltage source is applied across a parallel plate capacitor incorporating the material under test, the material will become polarized at different frequencies, depending on the incorporated products, and as a result more charge will be stored when the dielectric incorporates higher concentrations of polarizable contaminants. When an AC sinusoidal voltage source is placed across the same capacitor, the resulting current will be made up of a charging current and a loss current that is related to the dielectric constant. The losses in the material can be represented as a conductance (G) in parallel with the capacitor (C). The current flowing through the capacitor is the charge current (Icharge) and the current flowing though the conductance is the loss current (Iloss) (Fig.2). For the ideal material all ac current should flow through the capacitor only. I = I charge + I loss = V.(jωC+G) = V.(jω Coκ + G) (3.1) Where C: capacitance with the material under test and C0: capacitance without the material (vacuum). Let G = ω.co.κ then, I = V.( jωcoκ + ω Coκ ) = V.(jω Co)(κ -jκ ) = = V.(jω Co)κ* (3.2) where, κ* = κ jκ. The complex dielectric constant (κ*) consists of a real part κ which represents the storage and an imaginary part κ which represents the loss. The permittivity describes the interaction of a material with an electric field. The relative complex dielectric permittivity (εr*) is a dimensionless quantity that compares the complex dielectric permittivity of the material to the permittivity of free space (εo = 8.854 10-12 F/m). εr* = ε*/εο = ( ε /εο ) j( ε /εο ) = εr - j. εr (3.3) The real part (εr ) is a measure of how much energy from an external electric field will be stored in a material and is frequently referred to as a dielectric constant. For the highly insulating transformer oils: 2.2 εr 2.5 (in operation frequency and temperature). The imaginary part (εr ) is called the loss factor. It is a measure of how dissipative or lossy a material is to an external electric field. εr is always > 0 and is usually much smaller than εr. The loss factor includes the effects of both dielectric loss and conductivity. When complex permittivity is drawn as a simple vector diagram, the real and imaginary components are 90 out of phase, Figure 3a. The vector sum forms an angle δ with the real axis (ε ). The relative lossiness of a material is the ratio of the energy lost to the
30 Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, III, τεύχ. 1-2 2003, Tech. Chron. Sci. J. TCG, III, No 1-2 energy stored. tan δ = Iloss /I charge = κ /κ = εr / εr (Energy lost per cycle) / (Energy stored per cycle) (3.4) Complex permittivity and tanδ data are obtained as a function of a wide range of frequencies and operation temperatures to demonstrate the polarization phenomena and the thermally stimulated currents that can be utilized as a criterion for oil service life prediction. 4. CONCLUSIONS This work exploits dielectric spectroscopy as a possible alternative diagnostic tool for the usually employed physicochemical and electrical tests that are periodically used on insulating transformer oils. Thus, one set of measurements on a small oil volume and just one method may provide data regarding the impending termination or continuation of the transformer oil service life. Ch.D. Paraskevas, School of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens. P. Vassiliou, Associate Professor, National Technical University of Athens, School of Chemical Engineering. C.T. Dervos, Professor, National Technical University of Athens, School of Electrical and Computer Engineering, Division of Information Transmission Systems and Materials Technology.