ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Υψηλές Τάσεις Ενότητα 4: Υγρά Μονωτικά Υλικά Κωνσταντίνος Ψωμόπουλος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί Ενότητας Ο στόχος της 4 ης Ενότητας είναι να παρουσιαστούν με λεπτομέρειες τα βασικά υγρά ηλεκτρομονωτικά υλικά, οι ιδιότητες, οι νόμοι που τα διέπουν και τα φαινόμενα που εμφανίζονται κατά τη χρήση τους στις κατασκευές υψηλών τάσεων. 4
Περιεχόμενα Ενότητας Υγρά Μονωτικά Υλικά Τα Φαινόμενα Γήρανσης και Διάσπασης στο Μονωτικό Λάδι 5
Υγρά Μονωτικά Υλικά - 1 Χαρακτηριστικά Ιδιότητες εφαρμογές Θεωρία διάσπασης και γήρανσης 6
Υγρά Μονωτικά Υλικά - 2 Τα υγρά μονωτικά υλικά έχουν αρκετά μεγαλύτερη διηλεκτρική αντοχή συγκριτικά με τα αέρια σε κανονικές συνθήκες, (διηλεκτρική αντοχή του αέρα 21kV/cm και του μονωτικού ελαίου μετασχηματιστών 60 200kV/cm ). Η σημασία τους στις ηλεκτροτεχνικές κατασκευές είναι μεγάλη γιατί έχουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: 7
Υγρά Μονωτικά Υλικά - 3 Μεγάλο συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας: ( 0,3 10-3 cal/ cms C), με αποτέλεσμα να διευκολύνουν την απαγωγή θερμότητας, η οποία δημιουργείται στους αγωγούς, τις επαφές διακοπτών και τους πυρήνες και τα τυλίγματα μετασχηματιστών. Ο συνδυασμός τους με στερεά μονωτικά δεν επιτρέπει την ύπαρξη του αέρα, ο οποίος προκαλεί βλάβες στις επιφάνειες των στερεών μονωτικών. Αυτό επιτυγχάνεται όταν η πλήρωση του χώρου, που καταλαμβάνει το υγρό μονωτικό, γίνεται υπό συνθήκες κενού σε ορισμένη θερμοκρασία. 8
Υγρά Μονωτικά Υλικά - 4 Το κυρίως χρησιμοποιούμενο υγρό μονωτικό, σε μετασχηματιστές, και παλαιότερα σε καλώδια, διακόπτες και πυκνωτές, είναι το μονωτικό λάδι. Παράγεται σαν κλάσμα της απόσταξης του πετρελαίου και η χημική του σύσταση διαφέρει με την προέλευση του πετρελαίου. Τα μονωτικά λάδια διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: 9
Υγρά Μονωτικά Υλικά - 5 Τα Μεθανέλαια: Στα λάδια αυτά κυριαρχούν κεκορεσμένοι υδρογονάνθρακες τύπου παραφίνης. Από τη γεωλογική άποψη είναι τα παλαιότερα λάδια. Τα Ναφθανέλαια: Κυριαρχούν ακόρεστοι υδρογονάνθρακες τύπου ναφθαλίνης. Τα Ναφθαλμεθανέλαια: Είναι μείγμα των δύο προηγούμενων, χωρίς όμως να κυριαρχεί κανένας από τους δύο τύπους υδρογονανθράκων. 10
Υγρά Μονωτικά Υλικά - 6 Η θερμοκρασία ανάφλεξης του μονωτικού ελαίου είναι 130 250 C. Γι' αυτό, ως μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας τους καθορίζεται η θερμοκρασία των 90 C. Τα μονωτικά λάδια οξειδώνονται από τον αέρα, με αποτέλεσμα να μειώνεται η διηλεκτρική αντοχή τους. Γι' αυτό, η παρουσία του αέρα αποκλείεται στις κατασκευές που χρησιμοποιείται το μονωτικό λάδι. Η υγρασία προκαλεί δραστική μείωση στη διηλεκτρική αντοχή του μονωτικού ελαίου. 11
Υγρά Μονωτικά Υλικά - 7 Σχήμα 5-1: Μείωση της διηλεκτρικής αντοχής του μονωτικού ελαίου ανάλογα με το ποσοστό του νερού. Σχήμα 5-2: Μεταβολή της tgδ των μονωτικών ελαίων ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη συχνότητα. 12
Υγρά Μονωτικά Υλικά - 8 Η διηλεκτρική αντοχή των μονωτικών ελαίων εξαρτάται, όπως εκείνη των αερίων και στερεών μονωτικών, από τη διάταξη των ηλεκτροδίων και τη μορφή της τάσης. Ισχύει δηλαδή ότι: Όσο περισσότερο ανομοιογενές είναι το πεδίο, τόσο μειώνεται η τάση διάσπασης. Η διηλεκτρική αντοχή υπό κρουστική τάση είναι μεγαλύτερη από ότι με εναλλασσόμενη τάση 50Hz επί 1min. Η διηλεκτρική αντοχή υπό συνεχή τάση είναι μεγαλύτερη από ότι με εναλλασσόμενη τάση. Η τάση διάσπασης κατά την καταπόνηση με κρουστικές τάσεις είναι μεγαλύτερη κατά την αρνητική πολικότητα από ότι κατά τη θετική. 13
Υγρά Μονωτικά Υλικά - 9 Ο έλεγχος της διηλεκτρικής αντοχής των μονωτικών ελαίων γίνεται με ειδικές συσκευές. Τα ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό, καθώς και η διαδικασία δοκιμής, καθορίζονται ανάλογα με τον κανονισμό που θα γίνουν οι δοκιμές. Γι' αυτό, όταν δίνονται τα αποτελέσματα ενός ελέγχου, είναι απαραίτητο να γίνεται αναφορά στον κανονισμό δοκιμών. Στα μονωτικά υγρά ανήκουν επίσης υδρογονάνθρακες οι οποίοι έχουν υποστεί χλωρίωση, όπως : το Askarel, το pyranol, το Nepdin κλπ. Τα μονωτικά αυτά είναι άκαυστα και έχουν περίπου διπλάσια έως τριπλάσια διηλεκτρική σταθερά ως προς το μονωτικό έλαιο. Δεν χρησιμοποιούνται πλέον, γιατί περιέχουν τοξικά συστατικά. 14
Υγρά Μονωτικά Υλικά - 10 Μία άλλη κατηγορία συνθετικών μονωτικών υγρών είναι υδρογονάνθρακες που έχουν υποστεί φθορίωση. Η διηλεκτρική σταθερά τους είναι μεγαλύτερη από εκείνη του μονωτικού ελαίου. Δεν προκαλούν φθορές στα στερεά μονωτικά και είναι άκαυστα υλικά. Ένα άλλο υγρό μονωτικό είναι το σιλικονούχο έλαιο. Είναι εύφλεκτο υλικό και γι' αυτό έχει πολύ περιορισμένη πρακτική εφαρμογή. 15
Τα Φαινόμενα Γήρανσης και Διάσπασης στο Μονωτικό Λάδι - 1 Τα φαινόμενα γήρανσης και διάσπασης του μονωτικού ελαίου δεν έχουν ερμηνευτεί πλήρως. Έχει διατυπωθεί η άποψη, ότι οι παράγοντες μείωσης της διηλεκτρικής αντοχής μπορεί να είναι οι ίδιοι με εκείνους κατά τη γήρανση και διάσπαση των στερεών μονωτικών. Η δυσκολία για τη μελέτη των παραπάνω παραγόντων στο λάδι, οφείλεται στην αλλαγή της μοριακής δομής του μετά από μία τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης. 16
Τα Φαινόμενα Γήρανσης και Διάσπασης στο Μονωτικό Λάδι - 2 Σχήμα 2.1-2: Πειραματική απόδειξη για τη διάταξη των αιωρούμενων σωματιδίων στο μονωτικό λάδι, υπό μορφή γέφυρας μεταξύ των ηλεκτροδίων. 1, 4 : Ηλεκτρόδια εφαρμογής της τάσης,2: μονωτικό λάδι, 3: τεμάχια χαρτιού α) Τεμάχια χαρτιού πάνω στο ηλεκτρόδιο πλάκα προ της εφαρμογής της τάσης. β) Διάταξη των τεμαχίων χαρτιού κατά την εφαρμογή της τάσης. Φαινόμενα γήρανσης και διάσπασης του μονωτικού ελαίου δεν έχουν ερμηνευτεί πλήρως. Έχει διατυπωθεί η άποψη, ότι οι παράγοντες μείωσης της διηλεκτρικής αντοχής μπορεί να είναι οι ίδιοι με εκείνους κατά τη γήρανση και διάσπαση των στερεών μονωτικών. Η δυσκολία για τη μελέτη των παραπάνω παραγόντων στο λάδι, οφείλεται στην αλλαγή της μοριακής δομής του μετά από μία τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης. 17
Τα Φαινόμενα Γήρανσης και Διάσπασης στο Μονωτικό Λάδι - 3 Σχήμα 5.1-1 : tgδ= f(u) στο λάδι μετασχηματιστών. Εκτός από τους παράγοντες αυτούς, που εξετάζονται στο προηγούμενο κεφάλαιο και αφορούν τα στερεά μονωτικά, η γήρανση και η διάσπαση του μονωτικού ελαίου αποδίδεται κυρίως στα αιωρούμενα σε αυτό ξένα σωματίδια, τα οποία φαίνεται ότι μειώνουν τις αποστάσεις μόνωσης, γιατί σχηματίζουν αγώγιμες οδούς μεταξύ των ρευματοφόρων μερών με διαφορετικό δυναμικό. 18
Τα Φαινόμενα Γήρανσης και Διάσπασης στο Μονωτικό Λάδι - 4 Την ταύτιση των τιμών Ε α και Ε d μετά από μία τιμή πίεσης, που είναι χαρακτηριστική για κάθε ηλεκτρομονωτικό αέριο Η τάση διάσπασης παρουσιάζει μία ιδιομορφία, ως προς την αρχική τάση, μετά από μία τιμή της πίεσης του αερίου, που ονομάζεται κρίσιμη πίεση p κ. Η τιμή αυτή είναι : Για τον αέρα περίπου: 12 bar Για το SF 6 περίπου : 1,5 bar 19
Τέλος Ενότητας