PROCEDURI DE MASURARE A CURENTILOR DE ABSORBTIE RESORBTIE PE ESANTIOANE IN LABORATOR SI PE TRANSFORMATOARE (PROIECT MIDMIT 22080/2008)

Pag.1/16 PROCEDURI DE MASURARE A CURENTILOR DE ABSORBTIE RESORBTIE PE ESANTIOANE IN LABORATOR SI PE TRANSFORMATOARE (PROIECT MIDMIT 22080/2008)

CUPRINS Pag.2/16 1. Masurarea curentilor de absorbtie/resorbtie..3 1.1. Consideratii generale definitii..3 1.2. Masurarea curentilor de absorbtie/resorbtie...5 2. Proceduri de masurare a curentilor de absorbtie resorbtie...6 2.1. Proceduri de masurare a curentilor de absorbtie resorbtie pe esantioane de ulei electroizolant.7 2.2. Proceduri de masurare a curentilor de absorbtie resorptie pe esantioane de hartie..10 3.Procedura de lucru privind utilizarea metodei CABS (metoda curentilor de absorbtie-resorbtie) la transformatoarelor electrice de putere.12 5. Concluzii 14 6. Bibliografie 15 Anexa 1...16 2

Pag.3/16 1. Masurarea curentilor de absorbtie/resorbtie 1.1. Consideratii generale definitii Sa consideram un condensator plan, constituit din doua armaturi metalice de arie S, intre care se afla un izolant de grosime d si permitivitate relativa ε r. Daca se aplica condensatorului o tensiune continua U c si se presupune ca dielectricul (izolantul) este ideal (are conductivitatea electrica nula), intensitatea curentului de incarcare i i (variabil in timp) se determina cu ajutorul ecuatiei diferentiale : d i L dt 2 i 2 dii + R dt ii + C = 0, (1.1) dii 1 deduse din : L + Rii + iidt = Uc dt C, L si R reprezentand inductanta si, respective, rezistenta circuitului, iar C=ε 0 ε r S/d capacitatea condensatorului. Cum L si R au valori reduse, incarcarea condensatorului dureaza (practice) o fractiune de secunda. In realitate nu exista izolanti ideali. Rin urmare, in regim electric stationar, prin dielectric trece un curent permanent (de conductie), avand intensitatea i c (determinate de marimea tensiunii aplicate si de rezistenta electrica a izolantului R iz =ρd/s, unde ρ reprezinta rezistivitatea izolantului). Pentru descarcarea condensatorului se pun armaturile sale in scurtcircuit, rezultand : i c =0. Prin urmare, curentul de descarcare i d urmeaza aceeasi lege de variatie cu i i (pentru un izolant ideal), respective i d = -i i. In practica toti izolantii solizi aflati in campuri electrice slabe (cand nu exista injectie de sarcina de la electrozi) sunt parcursi de curenti electrici reziduali (anormali), care persista zile si chiar luni intregi, atat in cazul incarcarii, cat si in cazul descarcarii condensatoarelor ( notati cu i 1, respective i 2 ). Curentul rezidual de incarcare (i 1 ) se numeste curent de absorbtie, iar curentul rezidual de descarcare (i 2 ) se numeste curent de resorbtie. Curentii totali absorbiti la incarcarea (i 1 ) si, respective, la descarcarea condensatorului (i 2 ) sunt : i respectiv, ' 1 ii + ic + i 1 =, (1.2) i = i +. (1.3) d ' 2 i 2 3

Pag.4/16 Pentru multi izolanti rezulta i 2 =- i 1, ceea ce corespunde unui curent anormal reversibil. In cazul lichidelor izolante contaminate poate exista un curent anormal ireversibil (situatie in care rezulta : i 2 =0). Pentru a gasi o expresie matematica pentru curentii de absorbtie/resorbtie, trebuie sa gasim o expresie matematica pentru functia de raspuns f(t). Astfel, plecand de la ecuatia polarizatiei electrice, considerand componenta rapida, dar dupa un timp foarte mare de aplicare a campului electric E 0, putem scrie : 0 E0 f ( τ ) 0 P ( t = ) = ε dτ (C/m 2 ) (1.4) Fiecare dielectric are propria functie de raspuns. S-au creeat multe modele pentru functia de raspuns. Functia de raspuns oferita de modelul classic Debye poate fi scrisa astfel : t τ ε f ( t) = e (1/s) (1.5) τ Expresia Debye reprezinta un process fizic greu de observat in materiale dielectrice solide. A fost obtinuta sub presupunerea ca dipolii nu interactioneaza care este adevarata pentru un numar de lichide polare, dar nu pentru solide. Functia de raspuns oferita de modelul Curie-von Schweidler este valida pentru multe materiale dielectrice si poate fi exprimata cu ajutorul relatiei : n f ( t) = At, (1.6) unde A, n sunt constante de material. Este important de notat ca acest model, daca n>1 nu este aplicabil pentru intervale scurte de timp, pe cand daca n<1 nu este aplicabil pentru intervale mari de timp. O expresie generala pentru functia de raspuns este data de expresia : A f ( t) = (1/s) (1.7) m n t t + τ τ unde A, m si n sunt constante de material. 4

Pag.5/16 1.2. Masurarea curentilor de absorbtie/resorbtie Masurarea curentilor de absorbtie/resorbtie este o metoda, in domeniul timp, pentru investigarea procesului lent de polarizare, definit mai sus, in materialele dielectrice. Presupunem ca obiectul supus incercarii este descarcat de sarcina si se aplica un puls de tensiune definit astfel : 0 U t) = Uc 0 Pentru ( o t< to t t tc t> t c (1.8) t o t tc apare asa numitul curent de absorbtie care are patru componente. Una reprezinta curentul de incarcare, a doua este datorata conductiei obiectului supus testarii, a treia parte reprezinta curentul de sarcina spatiala, iar a patra parte apare datorita declansarii diferitelor procese de polarizare. Curentul de absorbtie se poate exprima astfel : i abs σ ( t) ε δ ε = + ( t) + f ( t) CU 0 c pentru to 0 t t c (1.9) unde C o este capacitatea geometrica a obiectului supus testului, iar δ (t) este functia impuls ce are originea la t=t 0. Imediat dupa polarizare, se poate masura curentul de resorbtie (descarcare), deconectand sursa si scurtcircuitand obiectul supus incercarii (fig.1.1). In acord cu principiul suprapunerii si neglijand termenul al doilea din ecuatia (1.2), vom avea pentru t ( t0+ Tc) : [ f ( t) f ( t T )] i + res= CU 0 c c (1.10) Acest curent este de polaritate opusa curentului de absorbtie. Al doilea termen din ecuatia (1.3) poate fi neglijat daca Tc este mare. Asfel curentul de resorbtie devine direct proportional cu functia de raspuns f(t). 5

Pag.6/16 U c i a b s (t) t 0 T c t c i re s (t) t Fig.1.1. Pricipiul masuratorii curentilor de absorbtie resorbtie In practica, curentii de absorbtie si resorbtie sunt masurati prin tehnica schitata in fig.1.2. i abs i res U C Obiect de testat Electrometru Fig.1.2. Modul de masurare a curentilor de absorbtie resorbtie 2. Proceduri de masurare a curentilor de absorbtie resorbtie Schema de principiu din fig.1.2 se poate sintetiza, in cazul nostru, prin schema bloc din fig.2.1. Fig.2.1. Schema bloc a instalatiei de masura 6

Pag.7/16 Utilizarea metodei de masurare a curentilor de absorbtie resorbtie presupune parcurgerea urmatoarelor etape : 1. realizarea conexiunilor la celula de masura ; 2. conectarea echipamentului de masura la celula de masura; 3. achizitia si stocarea curentilor de absorbtie resorbtie si a datelor referitoare la mediul ambiant (temperatura si umiditate); 4. prelucrarea rezultatelor cu ajutorul unui software specializat. 2.1. Proceduri de masurare a curentilor de absorbtie resorbtie pe esantioane de ulei electroizolant Probele de ulei se preleveaza si se ambaleaza diferit, in functie de analizele pentru care sunt destinate, astfel : a) pentru analiza cromatografica se preleveaza conform SR EN 60567/2001; b) pentru celelalte analize probele de ulei se colecteaza de la busoanele de luat probe de ulei de pe cuva transformatorului, direct in vasul in care se transporta, respectandu-se urmatoarele indicatii : Colectarea se efectueaza de preferinta pe timp senin, iar iarna pe timp geros, cand umiditatea relativa este cat mai scazuta ; Busoanele de luat probe de pe transformator se curata cu atentie si se lasa sa curga liber 0.5 1 l de ulei, care se colecteaza separat ca ulei uzat pentru reconditionare, in tavi metalice ; Vasul (sticla) in care se ia proba de ulei trebuie sa fie curat si uscat si sa aiba o temperatura mai mare decat cea a mediului ambiant exterior pentru a nu se produce fenomenul de condens ; Vasul (sticla) in care se ia proba se clateste de 2 3 ori cu uleiul din transformator si apoi se umple cu acelasi ulei, nu mai mult de 100 ml. Uleiul care este folosit pentru clatire se colectioneaza separat, ca ulei uzat pentru conditionare. In timpul umplerii, sticla se va apropia cat mai mult de busonul sau robinetul de unde se recolteaza proba, pentru ca jetul de ulei sa nu se contamineze ; 7

Pag.8/16 Vasele (sticlele) cu probe de ulei se astupa ermetic, preferabil cu dop de sticla, folosirea dopurilor de cauciuc fiind interzisa ; Probele de ulei colectate pe timp rece se desfac numai dupa ce au capatat temperatura incaperii, pentru a evita condensul. Vasele pentru probe de ulei se recomanda sa fie din sticla de culoare inchisa sau din metal de calitate superioara. Utilizarea recipientilor din sticla impune respectarea urmatoarelor : Sticlele trebuie sa fie perfect curate si uscate ; Spalarea se poate face cu soda calcinata, fosfat trisodic sau detergenti, urmata de spalarea cu apa de la robinet si clatirea cu apa distilata ; Sticlele se usuca intr-o etuva la 105-110 o C, se astupa ermetic si se depun la loc uscat ; Recipientele cu probe de ulei vor fi insotite de o eticheta pentru marcarea acestora. Etichetele lipite pe recipiente sau legate cu un fir de gatul acestora, vor contine obligatoriu urmatoarele informatii : Statia/locul de prelevare ; Denumirea uleiului (TR 30, TR 25A, etc.) ; Transformatorul ; Producatorul si seria transformatorului ; Locul de prelevare (nivel inferior, mediu sau superior) ; Temperatura uleiului la prelevare ; Data prelevarii ; Numele celui care a efectuat prelevarea ; Masurarea curentilor de absorbtie resorbtie se realizeaza cu un montaj ca cel din figura 2.1., dupa ce se realizeaza conexiunile la celula de masura standard (fig.2.2) si apoi se porneste aplicatia ce realizeaza achizitia curentilor de absorbtie - resorbtie. 8

Pag.9/16 Fig.2.2 Celula standard ulei electroizolant Fig.2.3. Rezultatele obtinute pentru un continut de apa in ulei de 10 ppm In fig.2.3 sunt prezentate, ca exemplu, curbele masurate pe un esantion de ulei electroizolant avand un continut de apa de 10 ppm. Dupa achizitia curentilor, se realizeaza prelucrarea acestora cu ajutorul unui software special. 9

Pag.10/16 2.2. Proceduri de masurare a curentilor de absorbtie resorptie pe esantioane de hartie In cazul in care se doreste utilizarea esantioanelor de hartie ce a fost utilizata la sistemul de izolatie al transformatoarelor, se aduce hartia in laborator si se depoziteaza pentru a ajunge la temperatura ambianta, apoi se taie in esantioane, la dimensiunile dorite (100 mm x 100 mm, de exemplu). Pentru masurarea curentilor de absorbtie resorbtie la esantioanele de hartie, se folosesc fie celule standard cum este cea din fig.2.4, sau celule construite special pentru astfel de masuratori cum este cea din fig.2.6. Fig.2.4. Celula KEITHLEY Fig.2.5. Rezultatele obtinute pentru un continut de apa in ulei de 10 ppm 10

Pag.11/16 In fig.2.5 sunt prezentate, ca exemplu, curbele masurate pe un esantion de hartie avand un continut de apa de 2.63 %. Dupa achizitia curentilor, se realizeaza prelucrarea acestora cu ajutorul unui software special. 2.3. Proceduri de masurare a curentilor de absorbtie resorptie pe esantioane de hartie imersate in ulei electroizolant Esantioanele de hartie in ulei se preleveaza direct din transformatoare sau se realizeaza din hartia, folosita la izolatia acestora, imersata in ulei de transformator. In cazul in care se doreste prelevarea esantioanelor de hartie din transformatoare, trebuie sa se parcurga urmatorii pasi : 1. se scoate din transformator, in recipiente speciale, o cantitate suficienta de ulei electroizolant, asa incat sa se poata deschide usa de vizitare ; 2. se preleveaza hartia pusa special, de la punerea in functie a transformatorului, si se stocheaza in uleiul din transformator, in recipiente speciale ; 3. se transporta in laborator si se depoziteaza pana ajung la temperatura ambianta ; In cazul in care se folosesc esantioane de hartie imersate in ulei de transformator se folosesc recipiente speciale in care avem esantioane de hartie si se imerseaza in ulei electroizolant, apoi se lasa sa ajunga la echilibru. Fig.2.6. Celula pentru esantioane de hartie si hartie-ulei 11

Pag.12/16 3.Procedura de lucru privind utilizarea metodei CABS (metoda absorbtie-resorbtie) la transformatoarelor electrice de putere curentilor de Utilizarea metodei CABS presupune parcurgerea urmatoarelor etape : 1. retragerea din functie a transformatorului; 2. realizarea conexiunilor la transformatorul ce trebuie masurat (dezlegarea cordoanelor /barelor, legarea bornelor in scurtcircuit, etc.) ; 3. conectarea echipamentului ID 1000 01 la transformator ; 4. pornirea aplicatiei software de achizitie a curentilor de absorbtie resorbtie. Fig.3.1.Conexiunile utilizate pentru transformatoarele de putere Se poate aplica tensiunea atat pe partea de inalta tensiune cat si pe partea de joasa tensiune. Nivelul tensiunii aplicate se recomandă a fi de 1000 V, pentru unitățile de transformare aflate în exploatare, şi de 500 V pentru unitățile de transformare noi. Schemele de masura sunt la latitudinea utilizatorului, in sensul ca se pot face masuratori in schemele de conexiuni dorite (de regula cele solicitate de prescriptiile in vigoare). Este recomandat sa se efectueze masuratori pentru schemele de conexiuni in care se masoara curentii de absorbtie/resorbtie intre infasurari (primar secundar, secundar tertiar, depinzand de modul de dispunere a infasurarilor). Pentru a nu se produce transformari importante (degradari chimice notabile) care să modifice concentrația de dipoli electrici sau marimea sarcinii spațiale, nivelul tensiunii aplicate se recomanda a fi de 1000 V pentru transformatoarele din exploatare si 500 V pentru transformatoarele noi. 12

Pag.13/16 5. achizitia curentilor de absorbtie resorbtie, a temperaturii uleiului si a datelor referitoare la temperatura si umiditate ; 6. prelucrarea rezultatelor. Datele obtinute cu ajutorul softului de achizitie sunt prelucrate apoi cu alt software dedicat, obtinandu-se : 1.procesarea datelor (in domeniul timp si in domeniul frecventa) ; 2.achiziția datelor referitoare la temperatura uleiului şi corectarea valorilor curenților de absorbție / resorbție cu variația temperaturii. Valorile corectate se afişează şi se stochează. 3. achiziția datelor referitoare la temperatura şi umiditatea atmosferică (afişare şi stocare). 4.rezultate obtinute : 4.1.continut de umiditate in sistemul de izolatie (SI) ulei hartie ; 4.2.indicele de polarizare si coeficientul de absorbtie a SI ; 4.3.conductivitatile uleiului si a hartiei la 20 o C si 25 o C ; 4.4.componentele reala si imaginara ale capacitatii complexe a SI ; 4.5.tangenta unghiului de pierderi dielectrice a SI ; 4.6.tensiunea de revenire (RV) ; 4.7. gradul de imbatranire a SI. Rezultatele se prezinta sub forma buletinului din anexa 1. Superioritatea metodei CABS fata de alte metode similare se manifesta prin urmatoarele : 1. achizitia temperaturii uleiului si efectuarea corectiilor cu temperatura, in cazul prelucrarii datelor, a curentilor de absorbtie - resorbtie masurati ; 2. achizitia temperaturii si umiditatii mediului ; 3. determinarea gradului de umiditate si imbatranire a sistemelor de izolatie, pe baza rezultatelor obtinute in laborator si on-site ; Masuratorile in statiile de transformare se efectueaza conform : a) CEI 60076 Transformatoare de putere ;, b) IEC 60422:2005 - Mineral insulating oils in electrical equipment. Supervision and maintenance guidance ; 13

Pag.14/16 c) IEC 60296:2003 - Fluids for electrotechnical applications Unused mineral insulating oils for transformers and switchgear ; d) TF D1.01.09 Dielectric responses methods for diagnostics of power transformers (S. Gubanski) Brochure CIGRE no. 254/2004. 4. Concluzii Incercarea cu tensiune continua ne ofera informatii cu privire la gradul de imbatranire, la gradul de umiditate. Nu in ultimul rand, experienta acumulata in utilizarea incercarilor cu tensiune continua, constituie un element deosebit de important in analiza sistemelor de izolatie analizate. Procedura de masurare a curentilor de absorbtie resorbtie se poate extinde de la esantioanele de ulei sau hartie, la sistemele de izolatie ulei hartie. Rezultatele obtinute sunt utile fiecarui material (ulei electroizolant si hartie) in parte, insa, daca sunt obtinute pentru un sistem de izolatie, rezultatele ne ofera o imagine a starii acestuia, fara a mai preleva probe din fiecare material in parte, ceea ce este un mare avantaj al acestei tehnici folosite (metoda CABS). Avand in vedere obtinerea unor rezultate la punerea in functie a transformatoarelor de putere, prin aplicarea procedurii de masurare a curentilor de absorbtie resorbtie la anumite intervale de timp, se evaluează calitatea sistemului de izolație, estimandu-se gradul de imbatranire. Prin utilizarea acestui echipament se extinde aria metodelor de diagnosticarea a stării izolației, ca de exemplu analiza rezistenței de izolatie, a factorului de disipare tg δ şi măsurarea descărcărilor parțiale. 14

5. Bibliografie Pag.15/16 1. Etapa I CEEX/PROIECT TIZE 566/2006 Cercetari privind realizarea unui echipament pentru determinarea starii izolatiei echipamentelor electrice 2. Bala, C. Masini electrice, EDP, Bucuresti, 1982. 3. KREUGER, F.H. Industrial High Voltage, Delf University 1991, vol. I. 4. IFRIM A., NOTINGHER, P. Materiale electrotehnice, EDP, Bucuresti, 1992. 5. T.K. SAHA, M. DARVENIZA, The Application of Interfacial Polarization Spectra for Assessing Insulation Condition in Aged Power Transformer, International Conference on Large High Voltage Electric Systems, CIGRE 98, Vol. 2, August 1998, pp. 7. 6. A. K. JONCHER, Dielectric Polarisation/depolarisation in Solids, Chelsea Dielectric Press, 1984. 7. NOTINGHER, P. SISTEME DE IZOLATIE, Editura PRINTECH, Bucuresti, 2002. 8. HORVATH, T., NEMETH, E., MATHE, B., STANCIU, V. INCERCAREA IZOLATIEI MASINILOR ELECTRICE, Editura Tehnica, Bucuresti, 1982 9. Etapa I CEEX/PROIECT TIZE 566/2006 Proiectare aparat pentru determinarea calitatii sistemelor de izolatie ale masinilor electrice prin masurarea curentilor de absorbtie resorbtie 15

Anexa 1 Raport de analiza Pag.16/16 1. Date generale unitatea de transformare : 2. Conditii de mediu : 3. Conexiunea/Conexiunile utilizate :... 4. Date geometrice :. 5. Curent absorbtie (variatie in timp) 6. Curent resorbtie (variatie in timp) 7. Determinare conductivitati : ulei/hartie la temperatura de 20 o C ; 8. Coeficientul de absorbtie si indicele de polarizare :. 9. Gradul de umezire a uleiului pe baza determinarii procentului de saturatie cu apa a uleiului : 10. Gradul de imbatranire a izolatiei : 11. Gradul de umiditate a uleiului [ppm] si hartiei [%] : 12. Variatia capacitatii electrice in functie de frecventa (componenta reala si imaginara ) 13. Variatia tangentei unghiului de pierderi dielectrice in functie de frecventa (componenta reala si imaginara ) 14. Spectrul de polarizare al RVM (grafic) 15. Aprecierea specialistului :. 16