Index of /rozprawy2/10725

Akademia Górniczo-Hutnicza

im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki

i Inżynierii Biomedycznej

Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki

Analiza mechanizmów procesów degradacji

w polimerowych układach izolacyjnych wysokich napięć

in high voltage polymer insulation systems

mgr inż. Józef Roehrich

Rozprawa doktorska

Promotor: Prof. dr hab. inż. Barbara Florkowska

Kraków, 2013

2

Serdeczne podziękowania składam

Pani Promotor Profesor Barbarze Florkowskiej za inspirację, pomoc w pracy naukowej oraz cierpliwość,

Dr hab. inż. Markowi Florkowskiemu oraz

Prof. Jakubowi Furgałowi za cenne wskazówki i uwagi, Rodzicom, Córce Małgorzacie i Karolinie za wsparcie

3

Spis treści

Wykaz oznaczeń ...5

1. Wstęp ...7

2. Polimerowe układy izolacyjne urządzeń elektroenergetycznych ... 12

2.1 Charakterystyka materiałów polimerowych... 12

2.2 Układy izolacyjne kabli elektroenergetycznych ... 14

2.3 Układy izolacyjne maszyn elektrycznych ... 16

3. Narażenia eksploatacyjne układów izolacyjnych maszyn elektrycznych i kabli elektroenergetycznych ... 19

3.1 Charakterystyka ogólna narażeń eksploatacyjnych ... 19

3.2 Narażenia szybkozmienne układów izolacyjnych maszyn elektrycznych generowane w układach przekształtnikowych ... 22

3.3 Badania dla oceny wpływu parametrów układu zasilającego silnik na przepięcia 27 3.3.1 Pomiary laboratoryjne w układzie modelowym ... 27

3.3.2 Badania na modelu symulacyjnym ... 28

3.3.3 Wyniki pomiarów oraz symulacji przepięć na uzwojeniu silnika ... 30

4. Program, zakres i metodyka badań laboratoryjnych ... 35

4.1 Zakres i program badań... 35

4.2 Metodyka badań laboratoryjnych ... 36

5. Pomiary wyładowań niezupełnych dla oceny procesów degradacji w układach izolacyjnych ... 39

5.1 System pomiarowy wyładowań niezupełnych ... 39

5.2 Wielkości charakteryzujące mechanizm wyładowań niezupełnych i parametry sygnałów impulsowych ... 41

5.3 Rozkłady i obrazy fazowo-rozdzielcze impulsów wyładowań ... 44

5.4 Detekcja wyładowań niezupełnych ... 46

5.5 Metodyka obróbki danych pomiarowych ... 48

6. Badania układów modelowych elementów uzwojeń maszyn elektrycznych ... 50

6.1 Charakterystyka układów modelowych izolacji maszyn elektrycznych niskiego napięcia ... 50

6.2 Modelowanie rozkładu natężenia pola elektrycznego w próbkach TP... 53

4

6.2.2 Wyniki modelowania rozkładu natężenia pola elektrycznego ... 54

6.2.3 Strefy występowania wyładowań niezupełnych w próbkach modelowych typu TP ... 58

6.3 Rejestracje przebiegów impulsowych wyładowań niezupełnych ... 60

6.4 Próba długotrwała przy narażeniach szybkozmiennych ... 63

6.5 Próba długotrwała przy narażeniach szybkozmiennych z rejestracją obrazów fazowo-rozdzielczych ... 65

6.6 Próba długotrwała przy narażeniach napięciem sinusoidalnym ... 66

7. Badania laboratoryjne układów modelowych izolacji kablowej ... 69

7.1 Źródła wyładowań niezupełnych w izolacji kablowej ... 69

7.2 Wpływ defektów w izolacji kablowej na rozkład natężenia pola elektrycznego ... 71

7.3 Układy modelowe źródeł wyładowań niezupełnych w izolacji kablowej ... 77

7.4 Pomiary wyładowań niezupełnych w układach modelowych ... 80

7.4.1 Napięcie początkowe i napięcie zapłonu wyładowań ... 80

7.4.2 Obrazy fazowo – rozdzielcze i rozkłady amplitudowe ... 84

7.4.3 Charakterystyka intensywności wyładowań niezupełnych ... 86

7.4.4 Wpływ biegunowości napięcia na intensywność wyładowań niezupełnych ... 91

7.5 Symulacje modelu mechanizmu wyładowań niezupełnych ... 93

7.5.1 Założenia podstawowe ... 93

7.5.2 Etapy modelowania mechanizmów wyładowań niezupełnych ... 94

7.5.3 Wyniki symulacji mechanizmów wyładowań niezupełnych ... 98

7.6 Straty dielektryczne w izolacji kablowej ... 120

7.6.1 Ekrany półprzewodzące w kablowych układach izolacyjnych ... 120

7.6.2 Pomiary strat dielektrycznych w układach modelowych... 121

8. Zakończenie ... 126

Literatura ... 129

5

Wykaz oznaczeń

ac − grubość warstwy powietrza; grubość inkluzji gazowej w próbkach kablowych,

ae − grubość ekranu półprzewodzącego w próbkach płaskich,

ai − grubość izolacji dwuwarstwowej przewodu nawojowego; grubość izolacji w próbkach płaskich izolacji kablowej,

b − współczynnik odbicia fali, bm − współczynnik odbicia silnika,

bi − współczynnik odbicia falownika,

Ca − pojemność części dielektryka nie objętego wyładowaniami,

Cb − pojemność dielektryka szeregowego z źródłem wyładowań,

Cc − pojemność źródła wyładowań,

Ck − pojemność sprzęgająca,

dc − średnica inkluzji gazowej,

di − grubość izolacji kablowej,

de − grubość ekranu półprzewodzącego w kablu,

DCu − średnica przewodu nawojowego,

Dn() − rozkład fazowy liczby impulsów wyładowań, Dn(q) − rozkład amplitudowy ładunków wyładowań, D(,q,n) − obraz fazowo−rozdzielczy wyładowań,

E − natężenie pola elektrycznego,

r − przenikalność elektryczna względna, 0 − przenikalność elektryczna próżni,

f − częstotliwość,

 − faza napięcia sinusoidalnego,

K − pojemność wejściowa silnika, kp − współczynnik przepięcia,

l − długość kabla,

lcr − długość krytyczna kabla,

N’ − liczba impulsów wyładowań w przyjętym czasie rejestracji,

N − częstość powtarzania impulsów wyładowań w ciągu jednej sekundy, n − liczba impulsów o danym ładunku,

R − rezystancja elektryczna,

6

Ri − rezystancja izolacji,

 − rezystywność elektryczna materiału,

Q − ładunek elektryczny, Qmx − ładunek maksymalny,

Qtot − ładunek całkowity,

tp − czas do przebicia,

tr − czas narastania napięcia,

Ua − napięcie na badanym obiekcie

Ub − napięcie na części układu izolacyjnego wolnej od wyładowań; wartość przepięcia,

Uc − napięcie w źródle wyładowań,

Ucz − napięcie zapłonu wyładowań,

Ucg − napięcie gaśnięcia wyładowań,

Ui − napięcie początkowe wyładowań mierzone na obiekcie badanym,

UDC − wartość napięcia stałego przełączanego przez przekształtnik,

Un − napięcie znamionowe,

to − szerokość okna czasowego,

z − zakres fazowy wyładowań,

Zi − impedancja wejściowa falownika,

Zk − impedancja falowa kabla,

Zm − impedancja wejściowa silnika; impedancja detekcyjna,

DT − Dead Time – czas martwy przetwornika analogowo–cyfrowego EPDM − Ethylene Propylene Diene Monomer – monomer etylenowo ‒

propylenowo – dienowy

EPR − Ethylene Propylene Rubber – guma etylenowo–propylenowa GIS − Gas Insulated Substation – rozdzielnia gazowa,

GND − Ground – uziemienie,

HDPE − High Density Polyethylene – polietylen o dużej gęstości LDPE − Low Density Polyethylene – polietylen o małej gęstości

LLD − Low Level Discirimination – dolny próg dyskryminacji przetwornika, PWM − Pulse Width Modulation – modulacja szerokości impulsów,

PD − Partial Discharges – wyładowania niezupełne,

RAMP − źródło napięcia o regulowanym czasie narastania napięcia, THEIC − Tris(2-hydroxyethyl) isocyanurate

TP − Twisted pair – układ modelowy uzwojenia silnika,

ULD − Upper Level Discrimination – górny próg dyskryminacji przetwornika, XLPE − Crosslinked Polyethylene – polietylen sieciowany

7

1. Wstęp

Problematyka układów elektroizolacyjnych jest dziedziną prac badawczych w Technice Wysokich Napięć, która w swych podstawowych założeniach dotyczy doboru materiałów dielektrycznych i optymalizacji konstrukcji urządzeń elektrycznych wysokiego napięcia. Badania mechanizmów procesów degradacji w materiałach dielektrycznych wiążą się w dużym stopniu z możliwością określenia niezawodności współczesnych układów elektroizolacyjnych i są prowadzone zarówno dla celów aplikacyjnych, jak i poznawczych. Pogłębienie wiedzy o przyczynach inicjowania i rozwoju tych procesów ma znaczenie w obydwu aspektach. Opracowanie układów izolacyjnych w ramach nowych technologii, z zastosowaniem kolejnych generacji materiałów dielektrycznych o wyższych parametrach, jest podstawą konstrukcji urządzeń elektrycznych na coraz wyższych poziomach napięciowych. Poszczególne grupy układów elektroizolacyjnych charakte-ryzują:

− specyficzne warunki eksploatacyjne,

− właściwe dla danego urządzenia ich konstrukcje, − odpowiednie materiały dielektryczne,

− określone wymagania pod względem odporności na narażenia eksploatacyjne. Długotrwałą wytrzymałość elektryczną układów izolacyjnych determinują narażenia eksploatacyjne, stanowiące grupę narażeń wieloczynnikowych, w zespole których szczególną rolę odgrywa działanie silnych pól elektrycznych, zarówno przy częstotliwości sieciowej, jak i w stanach przepięciowych. Wytrzymałość elektryczną ograniczają wówczas wyładowania niezupełne, których różnorodne formy znajdują warunki rozwoju zarówno w polu elektrycznym jednorodnym, jak i niejednorodnym, w konstrukcjach układów izolacyjnych z dielektrykami stałymi, gazowymi i mieszanymi. Wyładowania niezupełne posiadają pewne cechy wspólne w różnych konstrukcjach układów izolacyjnych, jednak dla oceny ich form, mających decydujące znaczenie w etapach poprzedzających wyładowanie zupełne, badania materiałów izolacyjnych w określonych konstrukcjach i konfiguracjach elementów przewodzących są niezbędne. Badania mechanizmów wyładowań niezupełnych, w szczególności inicjowanych przez nie procesów degradacji w materiałach układów izolacyjnych, prowadzących do przebicia elektrycznego i awarii urządzeń, są jednym z kierunków prac skupiających się na opracowaniu metod oceny ich stanu, wchodzących w zakres obszernej dziedziny, jaką jest Diagnostyka Urządzeń Elektroenergetycznych.

8 Problematyka wyładowań niezupełnych jest w kompleksowym ujęciu od kilkudziesięciu lat jednym z głównych obszarów prac badawczych w Laboratorium Wysokich Napięć w Akademii Górniczo – Hutniczej. Obejmuje swym zakresem badania mechanizmów i form wyładowań niezupełnych, procesów przemian w strukturach materiałów dielektrycznych, metody detekcji impulsowych sygnałów wyładowań oraz ich akumulacji i przetwarzania do postaci obrazów fazowych z uwzględnieniem różnych grup urządzeń elektroenergetycznych [15, 16, 20, 21]. Praca doktorska jest elementem badań kontynuowanych obecnie w problematyce wyładowań niezupełnych w Laboratorium Wysokich Napięć na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej.

Charakteryzując tę dziedzinę badań trzeba stwierdzić, iż od przeszło 50 lat znany jest fakt, że istnieje związek pomiędzy wyładowaniami niezupełnymi a napięciem przebicia dielektryków stałych [55]. Najlepiej opracowane teoretycznie są jednak mechanizmy przebicia elektryczny i cieplny, dające podstawy w pewnych warunkach, po uwzględnieniu właściwości fizycznych dielektryków, do obliczenia napięcia przebicia lub wskazania kierunku zmian napięcia przebicia np. w funkcji temperatury. Opisy mechanizmów przebicia dielektryków stałych, spowodowanego przez wyładowania niezupełne, są efektem wieloletnich badań laboratoryjnych i opracowanych zależności eksperymentalnych, które pozwalają jednak jedynie na ekstrapolację otrzymanych wyników. Przyczyną powyższego jest przede wszystkim bardzo złożony charakter przebicia zainicjowanego jonizacją w fazie gazowej lub emisją elektronów w silnym polu elektrycznym, zależnego od wielkości naprężeń elektrycznych, rodzaju dielektryka oraz stopnia niejednorodności jego struktury. Dodatkowym, niezwykle ważnym czynnikiem w mechanizmie inicjowania i rozwoju wyładowań niezupełnych jest rodzaj narażeń eksploatacyjnych. Oprócz typowego narażenia, jakim jest pole elektryczne przy napięciu przemiennym, występują w eksploatacji urządzeń elektrycznych inne formy narażeń elektrycznych, np. szybkozmienne przebiegi impulsowe, przepięcia udarowe i łączeniowe, których charakter oddziaływania na materiały dielektryczne jest zbliżony do zjawisk przy napięciu przemiennym, lecz dynamika ich rozwoju jest inna [8, 21].

Wyładowania niezupełne, będące efektem zespołu fizykalnych, elektrycznych i chemicznych interakcji w materiałach dielektrycznych, dają początek procesom przemian w ich strukturze, prowadzącym do wyładowania zupełnego. Odporność na wyładowania niezupełne jest cechą charakterystyczną różnych grup materiałów dielektrycznych, niezależnie od ich wytrzymałości istotnej i odporności termicznej. Wprowadzanie nowych materiałów i technologii w konstrukcjach układów izolacyjnych urządzeń elektrycznych, w szczególności polimerów syntetycznych, wskazuje kierunki prac badawczych dla ich oceny i potwierdzenia przydatności w eksploatacji.

Polimery syntetyczne jednorodne lub modyfikowane, a także liczne odmiany kompozytowe, są obecnie podstawą konstrukcji większości układów izolacyjnych urządzeń elektrycznych [9, 10, 54]. Ich ograniczona trwałość w eksploatacji jest w większości przypadków efektem postępujących przemian fizykalnych, zachodzących pod wpływem narażeń eksploatacyjnych wieloczynnikowych, wśród których dominującym

9 czynnikiem jest silne pole elektryczne. Badania polimerów mają na celu między innymi poznanie ich właściwości w warunkach działania wyładowań niezupełnych, a także określenie ich wpływu na stan techniczny urządzeń i wynikające stąd zagrożenia jego pogorszenia. Z tego powodu polimery syntetyczne znajdują się w obszarze intensywnych badań laboratoryjnych i analiz teoretycznych, towarzyszących modyfikacji i rozwojowi konstrukcji urządzeń elektrycznych. W rozdziale 2 pracy przedstawiono na podstawie literatury koncepcje mechanizmów procesów degradacji materiałów polimerowych, a w rozdziale 3 charakterystykę narażeń eksploatacyjnych i warunków inicjowania wyładowań niezupełnych, w tym wpływ – najmniej rozpoznanych jeszcze – impulsowych narażeń szybkozmiennych.

Do tej grupy problemów wpisuje się niniejsza praca doktorska, w której uwzględniono szczególne warunki inicjowania wyładowań niezupełnych w defektach struktury polimerowych układów izolacyjnych maszyn elektrycznych i kabli elektroenergetycznych. Analiza i ocena wyników wstępnych badań przeprowadzonych w tej dziedzinie pozwoliły na sformułowanie następującej tezy pracy:

Badania impulsowych zjawisk dielektrycznych w polimerowych układach izolacyjnych, odniesione do warunków ich inicjowania

− przy narażeniach szybkozmiennych,

− w zdefiniowanych defektach struktury układu izolacyjnego,

wnoszą nowe elementy poznawcze do opisu mechanizmu wyładowań niezupełnych i inicjowanych przez nie procesów degradacji materiałów polimerowych.

W pierwszym przypadku motywem przewodnim było podjęcie badań wyładowań niezupełnych w układach izolacyjnych maszyn elektrycznych zasilanych z przekształtników, a więc w warunkach oddziaływania szybkozmiennych narażeń impulsowych na materiały dielektryczne. Krótkie czasy narastania napięcia, występujące w falownikach z jednej strony przyczyniają się do zwiększenia sprawności tych urządzeń, z drugiej jednak – powodują powstawanie zjawisk falowych, w wyniku których izolacja maszyn elektrycznych zostaje narażona na działanie podwyższonego natężenia pola elektrycznego, które może powodować powstawanie wyładowań niezupełnych. Rozpoznanie warunków inicjowania wyładowań w układach izolacyjnych reprezentujących konfiguracje uzwojeń maszyn elektrycznych niskiego napięcia, a następnie odniesienie efektów prób starzeniowych w warunkach oddziaływania na izolację polimerową wyładowań niezupełnych przy narażeniach impulsowych szybkozmiennych, do występujących przy napięciu przemiennym, stanowiło zadanie realizowane w badaniach laboratoryjnych. Znajomość faktu, iż przepięcia impulsowe, szybkozmienne są czynnikiem przyspieszającym procesy degradacji izolacji maszyn elektrycznych, spowodowała potrzebę opracowania przez producentów modyfikowanych materiałów izolacyjnych, charakteryzujących się – oprócz wymaganych właściwości termicznych i mechanicznych – również odpornością na erozyjne działanie wyładowań niezupełnych. Badania stanu izolacji modelowych układów izolacyjnych prowadzono

10 poprzez pomiar intensywności wyładowań niezupełnych, metoda ta, podobnie jak klasyczne metody badań izolacji oparte na pomiarach przy napięciu stałym [29], może być pomocna w ocenie stanu izolacji maszyn elektrycznych. W badaniach laboratoryjnych układów modelowych typu twisted pair uzwojeń maszyn elektrycznych (Rozdział 6) zastosowane zostały przewody nawojowe klasy C200 w izolacji dwuwarstwowej, w której wewnętrzną warstwę stanowiła żywica poliestrowa modyfikowana THEIC, a zewnętrzną warstwę polimer typu poliamid–imid [64].

Drugi obszar badań dotyczył układów izolacyjnych kabli elektroenergetycznych, w szczególności wpływu niejednorodności struktury izolacji na rozkład natężenia pola elektrycznego i warunki inicjowania wyładowań niezupełnych. Największe wartości natężenia pola elektrycznego występują przy ekranie półprzewodzącym na żyle roboczej kabla oraz w defektach w izolacji powstałych w tym obszarze. Wówczas – oprócz wpływu kształtu geometrycznego inkluzji gazowych i ich usytuowania w izolacji polimerowej, szczególnego podkreślenia wymaga uwzględnienie wyładowań niezupełnych, powstających w wyniku niepełnej adhezji materiałów na granicy ekran półprzewodzący – polimer izolacyjny. Jest to problem inicjowania i rozwoju wyładowań w przypadku jednakowych lub różnych konduktywności powierzchni granicznych w źródłach wyładowań. Dla oceny mechanizmów wyładowań w tych warunkach zastosowano w badaniach laboratoryjnych układy modelowe reprezentujące defekty wewnętrzne i defekty występujące przy powierzchni ekranów półprzewodzących w izolacji etylenowo– propylenowej kabli elektroenergetycznych (Rozdział 7). Ten rodzaj izolacji polimerowej, znajdującej się w stadium rozwojowym w krajowej elektroenergetyce, jest w mniejszym stopniu niż polietylen rozpoznany pod względem odporności na wyładowania niezupełne.

Praca doktorska ma charakter eksperymentalny i oparta jest na zaplanowanym programie badań laboratoryjnych (Rozdział 4) z zastosowaniem wybranych polimerowych układów izolacyjnych: maszyn elektrycznych i kabli elektroenergetycznych.

Zakres pracy obejmuje:

− oddziaływanie wyładowań niezupełnych na polimerowe układy izolacyjne reprezentowane przez układy modelowe wykonane według zaleceń normatywnych w tej dziedzinie badań,

− zastosowanie w badaniach narażeń elektrycznych, właściwych dla warunków eksploatacyjnych wybranych obiektów: narażeń szybkozmiennych w przypadku uzwojeń maszyn elektrycznych i narażeń sinusoidalnych w przypadku układów izolacyjnych kabli elektroenergetycznych,

− detekcję i rejestrację impulsowych form wyładowań niezupełnych z przetwa-rzaniem do postaci obrazów fazowo rozdzielczych,

− obliczenia rozkładu natężenia pola elektrycznego w konfiguracjach uzwojeń w modelowych układach izolacyjnych typu twisted pair dla zilustrowania strefy wyładowań na powierzchni izolacji poliamido–imidowej,

11 − obliczenia rozkładu natężenia pola elektrycznego w izolacji etylenowo–

propylenowej dla pokazania wpływu defektów w izolacji na lokalny wzrost natężenia pola i możliwe wyładowania niezupełne,

− badania starzeniowe przewodów izolowanych maszyn elektrycznych z zastosowaniem narażeń szybkozmiennych, dla wyznaczenia zależności czasu do przebicia od natężenia pola elektrycznego,

− pomiary laboratoryjne i symulacje komputerowe przepięć na uzwojeniu silnika przy narażeniach napięciem impulsowym o krótkim czasie narastania i różnych długościach kabli zasilających silnik,

− badania mechanizmów wyładowań niezupełnych w układach modelowych izolacji etylenowo–propylenowej, zawierających „wewnętrzne” źródła wyładowań i przy powierzchni ekranów półprzewodzących,

− symulacje komputerowe mechanizmów wyładowań niezupełnych przy zmiennych wartościach napięć zapłonu i gaśnięcia, stanowiących o strukturze zbiorów impulsów wyładowań i ich rozkładach amplitudowo–fazowych.

Programem badań mechanizmów oddziaływania wyładowań niezupełnych objęte zostały w części doświadczalnej pracy dwa rodzaje materiałów dielektrycznych: izolacja etylenowo–propylenowa kabli elektroenergetycznych i poliamido–imidowa maszyn elektrycznych, reprezentujące układy izolacyjne o zasadniczo odmiennych cechach pod względem narażeń eksploatacyjnych i warunków inicjowania wyładowań niezupełnych.

Praca stanowi wkład do rozszerzenia wiedzy o mechanizmach wyładowań niezupełnych i ich wpływie na makroskopowe, mierzalne wielkości charakteryzujące stan dielektryczny polimerowych układów izolacyjnych.

Pragnę podziękować Panu inż. Kazimierzowi Chudybie i Kol. mgr inż. Krzysztofowi Pędziszowi za pomoc techniczną przy przygotowaniu układów modelowych.

12

2. Polimerowe układy izolacyjne urządzeń

elektroenergetycznych

2.1 Charakterystyka materiałów polimerowych

Liczną grupę materiałów w układach izolacyjnych urządzeń elektrycznych na wszystkich poziomach napięciowych stanowią polimery syntetyczne. Są to wielkocząsteczkowe związki chemiczne pochodzenia organicznego, powstałe w procesach polimeryzacji z połączenia wiązaniami kowalencyjnymi cząstek podstawowych, tzw. monomerów. W tej grupie materiałów elektroizolacyjnych największe zastosowanie znalazły: polietylen, należący do grupy poliolefinów i izolacja etylenowo–propylenowa, stosowana w kablach elektroenergetycznych średnich i wysokich napięć, folia polipropylenowa w warstwowych układach izolacyjnych kondensatorów, chemo-utwardzalne żywice np. epoksydowe w konstrukcjach transformatorów i przekładników, materiały poliamido−imidowe na izolację uzwojeń w maszynach elektrycznych, materiały kompozytowe na bazie żywic syntetycznych w maszynach elektrycznych średnich i wysokich napięć, elastomery silikonowe w izolatorach [6, 12] i inne. W kolejnych etapach opracowywania nowych konstrukcji urządzeń elektrycznych, wprowadzano zmodyfikowane struktury polimerów dla polepszenia ich właściwości elektrycznych, termicznych i mechanicznych. Typowym przykładem jest polietylen, początkowo w latach 50-tych ubiegłego wieku produkowany jako gatunek o małej gęstości LDPE (Low Density

Polyethylene) i dużej gęstości HDPE (High Density Polyethylene), a obecnie wyłącznie

jako polietylen sieciowany XLPE (Crosslinked Polyethylene) stosowany w kablach elektroenergetycznych na napięcie do 500 kV [3, 53, 59]. W wyniku modyfikacji uzyskano wzrost temperatury pracy dopuszczalnej długotrwałej od 70oC dla polietylenu LDPE do 90oC dla XLPE, oraz poprawę właściwości elektrycznych.

Długotrwałe działanie narażeń eksploatacyjnych w układach izolacyjnych powoduje procesy starzeniowe i degradację materiałów polimerowych. W odniesieniu do materiałów zbudowanych z syntetycznych makromolekuł, pojęcie degradacja oznacza zmiany właściwości fizycznych spowodowane reakcjami chemicznymi, w wyniku których zachodzi przerwanie łańcucha makromolekuły [2, 15]. Polimery syntetyczne, będące tworzywami organicznymi, posiadają znaczną wrażliwość na procesy starzeniowe wywołane działaniem pola elektrycznego. W procesach starzeniowych istotną rolę odgrywają wyładowania niezupełne, rozwijające się w defektach struktury materiałów, w inkluzjach i szczelinach gazowych, mogących powstać zarówno w technologicznym procesie wytwórczym, jak i w warunkach eksploatacji.

13 Kompleksowe oddziaływanie wyładowań niezupełnych na wymienione wcześniej polimerowe materiały syntetyczne obejmuje zróżnicowane formy energetyczne, takie jak: bombardowanie powierzchni w źródłach wyładowań przez elektrony i jony dodatnie, promieniowanie ultrafioletowe, podwyższoną temperaturę, których efektem są przemiany fizykochemiczne, prowadzące do zmian strukturalnych w materiałach, wzrostu przewodności i powstawania kanałów przewodzących.

W procesach degradacji materiałów polimerowych w układach izolacyjnych kabli elektroenergetycznych, przekładników, maszyn elektrycznych, można wyodrębnić:

− mechanizmy degradacji zapoczątkowane wyładowaniami w fazie gazowej w dielektryku, oraz

− zainicjowane przez elektrony pierwotne, nie pochodzące z procesu jonizacji lawinowej w gazie.

W procesach tych zasadnicze znaczenie mają: erozja powierzchniowa, punktowa i drzewienie elektryczne (electrical treeing) [15, 43, 49], które charakteryzuje wieloetapowość i różnorodność oddziaływania energetycznego.

Z kolei, termoutwardzalna izolacja maszyn elektrycznych wysokiego napięcia stanowi przykład układu warstwowego, w którym narażenia termomechaniczne są przyczyną delaminacji i erozji powierzchniowej izolacji żywiczno ‒ mikowej i nastę-pującego po niej przebicia elektrycznego [15, 17, 44, 46]. Przyczyny i mechanizm wyładowań niezupełnych w izolacji maszyn elektrycznych niskiego napięcia zasilanych z układów przekształtnikowych zostały scharakteryzowane w rozdziale 3 oraz były przedmiotem badań opisanych w rozdziale 6. Odmienną w pewnym stopniu grupę problemów stanowią mechanizmy starzenia impregnowanych folii polipropylenowych (PP), stosowanych w kondensatorach energetycznych. Zasadniczą rolę odgrywają wówczas procesy elektrochemiczne w układzie polimer – olej [13, 28], których efektem jest pęcznienie i rozpuszczanie niskomolekularnej fazy polimeru, wzrost konduktywności folii PP i pogorszenie właściwości dielektrycznych warstwowego układu izolacyjnego kondensatora. Reakcje chemiczne są najsilniejsze w obszarach występowania ładunków elektrycznych w wyniku lokalnych wyładowań niezupełnych.

Szczególną grupę problemów stanowią wyładowania niezupełne na powierzchniach izolatorów kompozytowych z osłoną z kauczuku silikonowego, stosowanych w elektro-energetycznych liniach przesyłowych i rozdzielczych [9, 12, 54]. Cechą charakterystyczną tego typu powierzchni izolacyjnych jest zdolność do hydrofobizacji zabrudzeń naniesionych na powierzchnie osłon izolatorów [6, 48].

Degradacja polimerów pod działaniem wyładowań niezupełnych zależy od wielu czynników, takich jak: czas ekspozycji pod działaniem napięcia, rodzaj atmosfery, wilgotność, warunki procesu technologicznego. Wyładowania niezupełne mogą zostać zainicjowane przy napięciu znamionowym z powodu lokalnego wzrostu natężenia pola elektrycznego w izolacji, czynnikiem inicjującym mogą być również przepięcia łączeniowe, przepięcia impulsowe szybkozmienne. Synergizm narażeń czyni analizę wpływu tych czynników skomplikowaną.

14

2.2 Układy izolacyjne kabli elektroenergetycznych

Warunki rozwoju wyładowań niezupełnych w izolacji polietylenowej

Rodzaj układu izolacyjnego kabli elektroenergetycznych wynika z ich przeznaczenia i eksploatacji na określonym poziomie napięcia. W kablach energetycznych średnich i wysokich napięć dominującymi są polimerowe układy izolacyjne, których konstrukcja i proces technologiczny zapewniają odpowiednią, wymaganą wartość roboczego natężenia pola elektrycznego, wzrastającą wraz ze zwiększaniem się poziomu napięciowego kabli (Rys. 2.1). Wartości roboczego natężenia pola elektrycznego zawierają się w zakresie od ok. 2 kV/mm do 6 kV/mm, przy aktualnie wyraźnej tendencji zwiększania się tej wartości w kablach najwyższych napięć do ok. 14 kV/mm [32, 62].

W sieciach dystrybucyjnych średniego napięcia 15 i 20 kV najczęściej stosowane są kable o izolacji z polietylenu sieciowanego (XLPE) oraz gumy etylenowo–propylenowej (EPR), wykonywane z ekranami półprzewodzącymi na żyle i na izolacji [71]. Kable o izolacji EPR nie są na krajowym rynku powszechnie stosowane, lecz z powodzeniem są wykorzystywane od wielu lat w krajach Europy zachodniej oraz w USA, gdzie wykonywane są na napięcia do 150 kV.

Prace badawcze dotyczące trwałości kabli elektroenergetycznych koncentrują się obecnie bardziej na ocenie mechanizmów procesów degradacji i konstrukcjach układu izolacyjnego niż na wyborze technologii, które w znacznym stopniu są opanowane. Decydujący wpływ na trwałość układu izolacyjnego kabli mają występujące w nim niejednorodności, będące przyczyną zakłócenia rozkładu pola elektrycznego, oraz narażenia eksploatacyjne, zarówno jednoczynnikowe, jak i zespolone. Niejednorodności w strukturze polimerowej izolacji kabla można określić jako:

− zdeterminowane cechami morfologicznymi materiału,

− zdeterminowane parametrami i ewentualnymi błędami procesu technologicznego, − wywołane zmianami zachodzącymi w układzie izolacyjnym pod wpływem narażeń

eksploatacyjnych. SN WN NN Eri [kV/mm] Erż [kV/mm]

Rys. 2.1 Porównanie zakresów wartości roboczego natężenia pola elektrycznego w kablach średnich napięć (SN), wysokich napięć (WN) oraz najwyższych napięć (NN), Eri – natężenie robocze na izolacji kabla,

15 Charakterystyczną cechą morfologii polimerów jest występowanie w nich fazy krystalicznej i amorficznej, co czyni ich struktury nietrwałymi. Przemiany w strukturze polimerów mogą być następstwem podwyższonej temperatury, a także narażeń termomechanicznych, prowadzących do nieodwracalnych odkształceń elementów układu izolacyjnego [15]. Należą do nich między innymi lokalne nieciągłości kontaktu między ekranami półprzewodzącymi i izolacją, co z kolei może powodować pojawienie się wyładowań niezupełnych. Zjawiska zachodzące w fazie krystalicznej i amorficznej polimeru (tworzenie się mikropęknięć, inkluzji gazowych) mają istotny udział w mechanizmach powstawania kanałów przewodzących i przebicia izolacji. Technologia wytwarzania układu izolacyjnego kabla, w tym również nakładania ekranów półprzewodzących (obecnie w cyklu wytłaczania z zastosowaniem trzech głowic) powinna zapewnić gładkość powierzchni ekranów, dobrą przyczepność ekranów do izolacji, brak nierównomierności powierzchni granicznej między ekranami a izolacją, brak inkluzji gazowych wewnątrz izolacji. Technologia wytłaczania i sieciowania izolacji polietylenowej oparta na procesie całkowitego „suchego” sieciowania i chłodzenia w gazowym azocie, eliminuje możliwość powstawania mikrowtrącin wilgoci w izolacji i na powierzchniach granicznych z ekranami. Proces technologiczny może nie eliminować jednak w pełni mikrowtrącin gazowych w izolacji oraz mikroszczelin na granicach warstw. Nieuniknione wady procesu technologicznego oraz działanie narażeń eksploatacyjnych są przyczyną mikrodefektów w układach izolacyjnych kabli, które w polu elektrycznym są źródłem wyładowań niezupełnych.

Działanie wyładowań niezupełnych w izolacji polietylenowej wyzwala liczne reakcje o przebiegu łańcuchowym, których efektem są trwałe produkty rozpadu polimeru [49]. Tak na przykład kwant energii rzędu kilku elektronowoltów jest wystarczający do zerwania wiązań kowalencyjnych między atomami węgla CC w łańcuchu głównym makrocząsteczki, lub między atomami węgla i wodoru CH [15, 43]. Przerywanie wiązań oznacza powstawanie wolnych rodników posiadających niesparowane elektrony. Bardzo nietrwałe wolne rodniki reagują ze sobą albo z tlenem, który zazwyczaj jest obecny w inkluzjach gazowych, stanowiących źródła wyładowań. Badania polietylenu poddanego działaniu wyładowań niezupełnych prowadzone metodą spektroskopii w podczerwieni (IR) wykazały powstawanie podwójnych wiązań C=C (pik absorpcyjny o liczbie falowej 1630 cm-1) oraz grup karbonylowych C=O (pik absorpcyjny 1715 cm-1). W złożonych reakcjach łańcuchoworodnikowych szczególną rolę odgrywa tlen. Procesy starzeniowe w polietylenie pod działaniem wyładowań niezupełnych powodują zmiany w strukturze makrocząsteczek, powstawanie nienasyconych wiązań podwójnych, wiązań poprzecznych, grup karbonylowych oraz wydzielanie się wodoru. Produkty degradacji tworzą osady na powierzchni inkluzji gazowej, w której zachodzą wyładowania. Gazowe produkty degradacji polimerów, np. wodór i węglowodory, powstające przy rozpadzie polietylenu, mają wpływ na dalszy przebieg mechanizmu wyładowań niezupełnych.

16 Dla izolacji polietylenowej kabli elektroenergetycznych charakterystyczny jest mechanizm drzewienia elektrycznego (electrical treeing). Dla inicjacji drzewienia nie jest konieczne istnienie inkluzji gazowej w izolacji, zjawisko to może być efektem emisji polowej, która zależy bezpośrednio od natężenia pola elektrycznego, (jest to zakres od 4 kV/mm do 300 kV/mm) [15, 34]. W przypadku obecności mikroostrzy lub uszkodzeń ekranu w izolacji kablowej, takie wartości natężenia pola elektrycznego są możliwe.

Właściwości technologiczne i eksploatacyjne izolacji etylenowo–propylenowej (EPR)

Izolacja etylenowo–propylenowa (EPR) wykonana na bazie kauczuku etylenowo‒ propylenowodienowego (EPDM) lub etylenowo‒propylenowego (EPM), sieciowana przy użyciu nadtlenków organicznych [50], stosowana jest w kablach średnich napięć do 35 kV z zamiarem poszerzenia zakresu napięć znamionowych do poziomu wysokich napięć (w USA już jest stosowana w kablach na napięcie 150 kV). Polimer EPR ze względu na nasyconą strukturę posiada doskonałą odporność na ozon, dobre właściwości dielektryczne, a ponadto dobrą wytrzymałość mechaniczną w wysokich temperaturach i odporność na starzenie cieplne. Sprawia to, iż izolacja EPR jest alternatywą dla polietylenu sieciowanego [42]. Ekrany na żyle kablowej i na izolacji wykonane z polimeru półprzewodzącego czynią rozkład pola elektrycznego bardziej równomiernym, co jest wymagane w kablach średnich napięć od napięcia znamionowego 10 kV i przy napięciu wysokim. Stwierdzono, iż kable o izolacji EPR nadają się do pracy w temperaturze długotrwałej 105oC i dorywczo 140oC. Wytrzymałość elektryczna izolacji EPR może zapewnić długoletnią trwałość kabli, jeśli robocze natężenie pola elektrycznego nie przekracza 5 kV/mm (maksymalnie 7 kV/mm) w temperaturze roboczej 105oC. Dodatki w postaci wypełniaczy i zmiękczaczy powodują większe straty dielektryczne w EPR w porównaniu z XLPE, a ponadto mogą brać udział w procesach migracji na granicy żyły kablowej i ekranu półprzewodzącego [7]. To zjawisko oraz ewentualną deformację izolacji lub ekranów w miejscach ich styku, można traktować jako powodujące powstawanie defektów gazowych i źródeł wyładowań niezupełnych. Wpływ ekranów półprzewodzących na mechanizm wyładowań niezupełnych jest celem badań laboratoryjnych i analiz przedstawionych w rozdziale 7.

2.3 Układy izolacyjne maszyn elektrycznych

Rodzaje narażeń, jakim podlegają układy izolacyjne maszyn elektrycznych w eksploatacji, wskazują na kierunki doboru materiałów izolacyjnych, problemy technologiczne i konstrukcyjne. Podstawowe wymaganie dotyczy wówczas zasady koordynacji izolacji, a więc stopniowania wytrzymałości elektrycznej w poszczególnych strefach urządzenia i zastosowania w nich materiałów o wymaganej odporności na narażenia elektryczne. Ze względu na straty mocy w maszynie i wydzielanie się ciepła, materiały do układów izolacyjnych dobierane są odpowiednio do temperatury najgorętszego miejsca, która nie może przekroczyć temperatury dopuszczalnej. Z tego powodu do poszczególnych elementów układu izolacyjnego stosują się różne klasy

17 ciepłoodporności [73]. Narażenia mechaniczne, których przyczyną są siły elektrodynamiczne, występują zarówno w stanach ustalonych pod wpływem prądu znamionowego maszyny, jak i w wyniku przepływu prądów zwarciowych, a także w stanach przejściowych podczas załączania silników.

Narażenia termomechaniczne i spowodowane nimi ruchy dylatacyjne uzwojeń, dotyczą prawie wyłącznie stojanów dużych maszyn elektrycznych.

Polimery syntetyczne stanowią bazowe materiały izolacyjne zarówno do układów izolacyjnych maszyn wysokiego, jak i niskiego napięcia. W pierwszej grupie dominujące są – zarówno w przypadku izolacji tulejowej jak i ciągłej – układy izolacyjne termoutwardzalne, ukształtowane przez nasycenie tkaniny szklanej lub folii poliestrowej, odpowiednim rodzajem żywicy syntetycznej. Przeważnie są to modyfikowane żywice poliestrowe i epoksydowe. Trwałość układów izolacyjnych maszyn elektrycznych niskiego napięcia zależy przede wszystkim od wytrzymałości termicznej materiałów izolacyjnych oraz wytrzymałości mechanicznej w procesie technologicznym uzwajania, ze względu na możliwość rozciągania i ścierania. Dotyczy to przede wszystkim izolacji międzyzwojowej, której zasadniczym elementem jest izolacja przewodu nawojowego. Maszyny elektryczne z uzwojeniami wsypywanymi budowane są na napięcia nieprzekraczające 1000 V, a średnice przewodów nawojowych stosowanych w tego typu uzwojeniach, nie przekraczają 5 mm, przez co moc tego typu urządzeń nie przekracza kilkuset kilowatów [46]. Przekrój poprzeczny uzwojenia wsypywanego przedstawiono na rysunku 2.2.

Rys. 2.2. Przekrój uzwojenia wsypywanego: 1) napięcie międzyfazowe, 2) napięcie fazowe względem stojana, 3) napięcie międzyzwojowe występujące w tym samym uzwojeniu; a) izolacja międzyfazowa,

b) izolacja doziemna, c) izolacja przewodu nawojowego [69]

W produkcji przewodów nawojowych do silników elektrycznych największe znaczenie mają materiały z rodziny poliimidów, które wykazują dobre właściwości dielektryczne w podwyższonej temperaturze. Lakiery poliimidowe mają bardzo dobre właściwości cieplne, mogą być stosowane w układach izolacyjnych silników, których temperatura pracy wynosi nawet 200oC, wytrzymują również udar cieplny 500oC.

W tej samej grupie materiałów izolacyjnych klasyfikowane są powłoki poliamido– imidowe, wykazujące lepszą odporność na ścieranie [35]. Poliamid–imid wykazuje gorszą

18 odporność na działanie narażeń termicznych w porównaniu do powłok poliimidowych [35], ze względu jednak na lepszą odporność na ścieranie najczęściej stosowany jest jako wierzchnia warstwa przewodów nawojowych. Szczególny problem technologiczny i konstrukcyjny stanowią układy izolacyjne silników indukcyjnych niskiego napięcia zasilanych z przekształtników częstotliwości PWM (Pulse Width Modulation). Z powodu niedopasowania impedancji falowych przekształtnika, kabla zasilającego i silnika, na zaciskach silnika mogą pojawić się przepięcia powodujące uszkodzenie izolacji międzyzwojowej. Zwiększenie odporności izolacji międzyzwojowej uzyskuje się wówczas przez zastosowanie izolacji o wyższym stopniu grubości [64, 72]. W układach izolacyjnych klasy 200 [73] stabilność izolacji przy podwyższonej temperaturze uzyskuje się przez zastosowanie polimerów modyfikowanych np. poliester z dodatkiem THEIC (Tris(2-hydroxyethyl) isocyanurate). Przewody tego typu posiadają większą odporność na wyładowania niezupełne w porównaniu z materiałami niemodyfikowanymi [60].

Problem narażeń szybkozmiennych impulsowych, oddziaływujących na układy izolacyjne maszyn elektrycznych jest przedstawiony w rozdziale 3, natomiast mechanizm wyładowań niezupełnych w elementach uzwojeń analizowano, na podstawie wyników badań laboratoryjnych, w rozdziale 6.

19

3. Narażenia eksploatacyjne układów izolacyjnych

maszyn elektrycznych i kabli elektroenergetycznych

3.1 Charakterystyka ogólna narażeń eksploatacyjnych

Narażenia układów izolacyjnych urządzeń elektrycznych są efektem podwyższonej temperatury w warunkach pracy (narażenia termiczne), sił dynamicznych (narażenia mechaniczne) oraz pola elektrycznego w warunkach normalnej pracy urządzenia i w stanach przepięciowych (narażenia elektryczne).

Narażenia termiczne w wyniku oddziaływania podwyższonej temperatury, mogą

powodować zmiany w strukturze chemicznej materiałów izolacyjnych, mogą mieć również wpływ na cieplny mechanizm przebicia dielektryka.

Narażenia mechaniczne powstają w trakcie normalnej pracy urządzeń

elektrycznych, jak również w stanach awaryjnych. W maszynach wirujących uzwojenia wirnika i stojana narażone są na drgania mechaniczne wskutek występowania siły odśrodkowej podczas normalnej pracy. Największe siły występują w wyniku dynamicznego oddziaływania prądów zwarciowych w uzwojeniach maszyn podczas zwarć.

Narażenia termomechaniczne, będące efektem różnej rozszerzalności cieplnej

materiałów zastosowanych do budowy urządzeń, mogą powodować rozwarstwienia izolacji oraz powstawanie pęknięć, szczególnie w układach izolacyjnych termoutwardzalnych.

Narażenie elektryczne, jakim jest robocze natężenie pola elektrycznego, w normie PN-EN 60071-1:2006 [74] określono jako narażenie ciągłe o częstotliwości sieciowej. Robocze natężenie pola elektrycznego dobierane jest poprzez odpowiednie ukształtowanie przestrzeni, jaką wypełnia materiał izolacyjny, a jego wartość powinna być kilkakrotnie niższa niż wytrzymałość elektryczna zastosowanego materiału izolacyjnego. Nie zawsze jednak układ izolacyjny zbudowany jest w taki sposób, aby pracował przy jak najmniejszym, możliwym do uzyskania natężeniu pola elektrycznego. Przykładowo, w przypadku kabli elektroenergetycznych o konstrukcji walców współosiowych, najkorzystniejszym jest układ izolacyjny, w którym stosunek promienia zewnętrznego r2 na izolacji do wewnętrznego r1 na żyle kablowej r2/r1 = e ≈ 2,71. W praktyce stosowane są układy izolacyjne, w których stosunek ten jest mniejszy ze względu na wytrzymałość elektryczną współcześnie stosowanych materiałów izolacyjnych, takich jak np. XLPE. W obecnie produkowanych kablach o izolacji z polietylenu sieciowanego robocze natężenie pola elektrycznego osiąga wartości bliskie 15 kV/mm przy powierzchni ekranu półprzewodzącego na żyle kabla na napięcie znamionowe 290/500 kV [62].

20

Tabela 3.1. Podział przepięć występujących w układach elektroenergetycznych [74] Przepięcia dorywcze Przepięcia wolnozmienne Przepięcia szybkozmienne

Przepięcia o bardzo dużej częstotliwości 10 Hz < f < 500 Hz 0,02 s  Tt  3600 s 20 s < Tp  5000 s T2  20 ms 0,1 s < T1  20 s T2  300 s Tf  100 ns 0,3 MHz < f1 < 100 MHz 30 kHz < f2 < 300 kHz

Robocze natężenie pola elektrycznego w kablach średnich napięć zawiera się w zakresie 2-4 kV/mm, a w kablach najwyższych napięć może osiągać ok. 15 kV/mm (Rys. 2.1). Norma PN-EN 60071-1:2006 [74] oprócz narażenia elektrycznego roboczego definiuje cztery rodzaje narażeń przepięciowych, do których zaliczono: przepięcia dorywcze, przepięcia wolnozmienne, przepięcia szybkozmienne oraz przepięcia o bardzo dużej częstotliwości (Tabela 3.1). Przepięcia w układach elektroenergetycznych są jednymi z głównych narażeń układów izolacyjnych maszyn elektrycznych i urządzeń elektroenergetycznych. Wielkość przepięcia określana jest w jednostkach względnych pu jako stosunek wartości maksymalnej przepięcia mierzonej względem potencjału ziemi oraz wartości dopuszczalnej napięcia dla danego urządzenia Um (dla urządzeń niskiego i średniego napięcia Um = 1,2Un). Współczynnik przepięcia wyraża się wzorem [14]:

2 3 max m p p U U k  (3.1) gdzie:

Upmax  wartość maksymalna przepięcia,

Um  wartość dopuszczalna napięcia.

Przepięcia mogą charakteryzować się szybkimi przyrostami napięcia rzędu nawet setek kV/ns. Czas trwania typowego przepięcia zawiera się w przedziale od kilkudziesięciu nanosekund do kilku sekund.

Przepięcia dorywcze są to przepięcia o częstotliwości sieciowej, występujące

zazwyczaj w wyniku zwarć doziemnych w sieciach z izolowanym punktem neutralnym. Czas trwania przepięć dorywczych może zawierać się w zakresie od ułamków sekund nawet do kilku godzin, przy czym czas ten zależy od poprawności działania automatyki zabezpieczeniowej. Przepięcia dorywcze mogą również występować w wyniku nagłych spadków obciążenia oraz przy załączaniu nieobciążonych linii przesyłowych [14].

21 Norma dotycząca badań wytrzymałości elektrycznej układów izolacyjnych przy przepięciach dorywczych [74] przewiduje w czasie trwania próby wynoszącym 60 s zastosowanie napięcia probierczego sinusoidalnego o częstotliwości sieciowej i odpowiednio dobranej wartości maksymalnej. Przepięcia dorywcze stanowią szczególne narażenie układów izolacyjnych kabli elektroenergetycznych.

Do grupy przepięć wolnozmiennych zaliczane są przepięcia wewnętrzne wynikające z operacji łączeniowych, przepięcia te charakteryzują się czasami narastania czoła w zakresie od 20 s do 5 ms i czasami do półszczytu do 20 ms. Unormowanym odpowiednikiem tego typu przepięć jest udar łączeniowy 250/2500 s [74].

Przepięcia szybkozmienne, powstające w wyniku bezpośrednich wyładowań

atmosferycznych w linie napowietrzne, charakteryzują się czasami narastania napięcia w zakresie od 100 ns do 20 s oraz czasami do półszczytu do 300 s. Wytrzymałość udarową w warunkach laboratoryjnych bada się z zastosowaniem znormalizowanego udaru napięciowego, piorunowego 1,2/50 s [74].

Przepięcia o bardzo dużej częstotliwości powstają w wyniku operacji łączeniowych

w sieciach wyposażonych w wyłączniki próżniowe oraz w wyniku przeskoków występujących w układach izolacyjnych z izolacją gazową SF6.

Do grupy przepięć szybkozmiennych o dużej częstotliwości należą również przepięcia impulsowe szybkozmienne powstające na wejściu silników indukcyjnych zasilanych z przekształtników napięciowych z modulacją szerokości impulsu (Voltage-source

converter with pulse-width modulation PWM). Częstość przełączania przekształtników

z tranzystorami IGBT wynosi ponad 20 kHz [39], a czasy narastania impulsów od kilkudziesięciu ns do ok. 2 µs.

W pracy podjęto tematykę wpływu dwóch rodzajów narażeń zdefiniowanych w normie [74] na mechanizm wyładowań niezupełnych:

1. narażeń elektrycznych izolacji kablowej, pochodzących od roboczego oraz podwyższonego natężenia pola elektrycznego, występujących w wyniku przepięć

dorywczych o częstotliwości sieciowej, oraz z powodu defektów w strukturze

izolacji,

2. narażeń elektrycznych izolacji maszyn elektrycznych niskiego napięcia, powstających w wyniku występowania w układach falownikowych przepięć

szybkozmiennych.

W pierwszym przypadku przepięcia dorywcze mogą powodować powstawanie wyładowań niezupełnych w izolacji polimerowej kabli elektroenergetycznych z powodu zwiększania natężenia pola elektrycznego powyżej wartości natężenia roboczego izolacji kablowej. W drugim przypadku przepięcia szybkozmienne, występujące w układach napędowych wyposażonych w falowniki napięcia, mogą powodować powstawanie wyładowań niezupełnych w izolacji polimerowej maszyn elektrycznych [30].

22

3.2 Narażenia szybkozmienne układów izolacyjnych maszyn

elektrycznych generowane w układach przekształtnikowych

Warunki powstawania przepięć szybkozmiennych

Szczególną grupę narażeń elektrycznych układów izolacyjnych maszyn elektrycznych i kabli stanowią narażenia szybkozmienne generowane w układach przekształtnikowych. Już w początku lat 90 ub. wieku problem przepięć powstających w układach napędowych wyposażonych w falowniki został opisany przez Perssona [40], tematyka ta następnie była rozwijana w szeregu publikacji zespołów Stone’a [47], Skibinskiego [41], Bonnetta [5]. Zastosowanie przekształtników niesie ze sobą wiele korzyści, układy napędowe w których zastosowano falowniki napięcia charakteryzują się mniejszymi wymiarami oraz dużą sprawnością, wynoszącą nawet 98% [41]. Rozwój energoelektroniki umożliwił zastosowanie szybkich elementów przełączających, co spowodowało zmniejszenie strat wynikających z samego przełączenia napięcia [39]. We współczesnych falownikach zastosowanie mają tranzystory MOSFET oraz IGBT, umożliwiające uzyskanie stromości zmian napięcia od ok. 65 do 100 kV/s [19, 26, 51]. W przeszłości, gdy stosowano elementy przełączające o dłuższych czasach narastania (np. tyrystory GTO), uwaga konstruktorów skupiała się na kształcie napięcia generowanego przez falownik oraz zawartości wyższych harmonicznych, obecnie jednak przeważającym problemem jest występowanie przepięć w układach falownikowych. Przepięcia te są wynikiem dużych stromości napięć, które powodują występowanie zjawisk falowych w kablach łączących falowniki z silnikami (Rys. 3.1). Częstotliwość nośna współczesnych falowników w wyniku zastosowania szybkich elementów kluczujących takich jak tranzystory IGBT, osiąga wartości na poziomie 20 kHz [25, 51, 52].

a)

l b)

Rys. 3.1. a) Silnik indukcyjny zasilany z falownika: PWM – falownik, M – silnik indukcyjny K – kabel,

l – długość kabla, b) schemat zastępczy: Zi – impedancja wejściowa falownika, Zk – impedancja falowa

kabla, Zm – impedancja wejściowa silnika, bi – współczynnik odbicia falownika,

bm – współczynnik odbicia silnika, A, B – przebiegi odpowiednio na początku

23 Zjawiska falowe w kablu zasilającym silnik mają zasadniczy wpływ na powstawanie przepięć na zaciskach silnika przyłączonego do kabla. Przepięcia te są powodem powstawania wyładowań niezupełnych w układzie izolacyjnym maszyny [18, 40]. Napięcie wyjściowe przekształtnika w postaci impulsu napięciowego przemieszcza się w kierunku końca kabla oddalonego o odległość l w czasie zwanym czasem propagacji fali. Fala napięciowa przemieszcza się ze stałą prędkością v [11, 33, 45] zależną od parametrów zastosowanych materiałów oraz konstrukcji kabla]:

 1 1 0 0      C L t x v _(3.2) gdzie:

L0 − indukcyjność jednostkowa linii długiej,

C0 − pojemność jednostkowa linii długiej,  − przenikalność magnetyczna,

 − przenikalność elektryczna,

c − prędkość światła w próżni.

Falownik wytwarza napięcie zbliżone do fali prostokątnej. Impedancja wejściowa falownika Zi jest bliska zero, co wynika z faktu, że każdy tranzystor IGBT czy MOSFET wewnątrz swojej struktury posiada diody zabezpieczające złącze przed przepięciami komutacyjnymi. Przy założeniu, że wyjście falownika stanowi idealne zwarcie, współczynnik odbicia falownika dla fali powracającej bi = −1 [40, 41, 52]. Impuls napięciowy przemieszczając się w linii zasilającej dociera do zacisków silnika, a napotykając punkt nieciągłości impedancji falowej − ulega odbiciu. Współczynnik odbicia bm (3.3) [41] zależy od impedancji wejściowej Zm silnika obciążającego kabel. W miejscu przyłączenia silnika do kabla współczynnik bm jest dodatni i zależy od konstrukcji silnika, w tym od konstrukcji uzwojeń. Dla małych silników, w których uzwojenia wykonane są z drutu nawojowego, duże znaczenie odgrywa efekt naskórkowości. Impedancja wejściowa silników indukcyjnych Zm z uzwojeniami wsypywanymi zawiera się w przedziale 2 ÷ 5 k [41], a współczynnik odbicia w tym przypadku wynosi bm  0,95. W przypadku silników o mocach rzędu kilkudziesięciu kilowatów efekt naskórkowości nie odgrywa już tak dużej roli ze względu na przekroje przewodników. Impedancja wejściowa maszyn średniej mocy wynosi około 800  [41] a współczynnik odbicia bm  0,82. Dla maszyn o dużych mocach rzędu kilkuset kilowatów impedancja wejściowa wynosi około 400  [41, 52], co odpowiada współczynnikowi odbicia bm  0,6. Najniższa wartość współczynnika odbicia dla maszyn dużej mocy spowodowana jest odmienną konstrukcją uzwojeń, w tego typu silnikach stosowane są uzwojenia formowane. Podane powyżej wartości współczynników bm obliczono na podstawie [41] z zależności (3.3) zakładając, że impedancja falowa kabla zawiera się

24 w zakresie Zk = 80÷180  [41]. Za wartość maksymalną przepięcia odpowiada zatem stopień niedopasowania impedancji falowych kabla i silnika oraz kabla i falownika.

k X k X X Z Z Z Z b    _(3.3) gdzie:

Zk  impedancja falowa kabla,

ZX  impedancja elementu stanowiącego obciążenie kabla (Zm w przypadku silnika, Zi w przypadku falownika)

W wyniku zjawisk falowych i kolejnych odbić fali w punktach połączenia kabla z silnikiem i kabla z falownikiem powstają przepięcia. Napięcie na zaciskach silnika, wynikające z efektów falowych występujących w układzie napędowym, wyraża się wzorem [41]:

Um = (1 + bm) UDC (3.4)

gdzie:

Um  wartość napięcia na zaciskach silnika,

UDC  wartość napięcia stałego przełączanego przez przekształtnik,

bm  współczynnik odbicia w punkcie nieciągłości kabel – silnik.

Zatem wartość przepięcia w miejscu przyłączenia silnika, biorąc pod uwagę współczynniki odbicia przytoczone wcześniej, może zawierać się w przedziale 1,60÷1,95 pu. Wartość przepięcia wyrażana w postaci względnej pu jest to iloraz wartości maksymalnej napięcia na zaciskach silnika oraz napięcia źródła napięcia stałego, jakie jest przełączane przez przekształtnik [21, 44]: DC m p U U k  _(3.5) gdzie:

Um  wartość maksymalna napięcia na zaciskach silnika,

UDC  wartość napięcia stałego przełączanego przez przekształtnik.

W wyniku dużej stromości napięcia rozkład napięcia na uzwojeniu silnika nie jest równomierny, nawet do 85% napięcia zasilającego występuje na pierwszych zwojach, pozostała część rozkłada się na zwojach pozostałych [40]. Duże napięcie na izolacji zwojowej, pojawiające się z częstotliwością kluczowania, stanowi dla niej zagrożenie w postaci przepięć oraz występowania wyładowań niezupełnych [30].

25

Charakterystyka przepięć w uzwojeniu silnika

Przebieg napięcia powstającego w miejscu połączenia kabla z zasilanym silnikiem przedstawiono na rysunku 3.2 [69]. Przebieg napięcia na uzwojeniu silnika (na pojemności międzyzwojowej) ma charakter wykładniczooscylacyjny. Wartość maksymalna napięcia oraz częstotliwość oscylacji zależą od długości kabla łączącego falownik z silnikiem.

Rys. 3.2. Przepięcie powstające na zaciskach silnika w miejscu przyłączenia kabla zasilającego:

Um – wartość maksymalna napięcia, Ub – wartość przepięcia, UDC – stan ustalony napięcia,

t0,1, t0,9 – czasy odpowiadające wartościom odpowiednio 0,1 Um i 0,9 Um, tr – czas narastania napięcia [69]

Parametry przebiegu napięcia przedstawionego na rysunku 3.2 określone są w normie IEC 60034-18-41 [69]:

Um – wartość maksymalna napięcia – jest to maksymalna wartość, jaką osiąga napięcie mierzone względem poziomu 0 dla przebiegów unipolarnych (w przypadku przebiegów bipolarnych jest to połowa wartości międzyszczytowej przebiegu).

UDC – wartość napięcia w stanie ustalonym – wartość napięcia występująca po wygaśnięciu oscylacji.

Ub – wartość przepięcia – wartość przepięcia mierzona względem wartości napięcia w stanie ustalonym, Ub = Um – UDC

tr – czas narastania napięcia – czas występujący pomiędzy chwilami t0,1 i t0,9. Maksymalna szybkość narastania napięcia wynosi

r m m mx t U U dt du 0,9 0,1        (3.6)

26

Wpływ parametrów kabli zasilających na przepięcia w układach izolacyjnych silników

W zależności od zastosowanych w falowniku łączników elektronicznych czasy narastania napięcia mogą zawierać się w granicach od kilkudziesięciu nanosekund dla szybkich tranzystorów IGBT, do pojedynczych mikrosekund dla tyrystorów GTO [45, 46]. Najkrótsze czasy narastania występują w falownikach niskiego napięcia, w których zastosowano tranzystory IGBT lub MOSFET.

Czas narastania napięcia tr wpływa na krytyczną długość kabla lcr, czyli taką długość, przy której będą występowały zjawiska falowe, powodujące największe przepięcia. Przybliżona wartość górnej częstotliwości pasma trapezoidalnego przebiegu napięcia przekształtnika

f3dB wyraża się wzorem [20, 41]:

r dB _t

f₃ 0,35 (3.7)

Długość krytyczna kabla wynosi wówczas [56]:

2 v t l r cr  (3.8) gdzie:

tr  czas narastania bądź opadania napięcia

v  prędkość propagacji fali w kablu

Przykładowe wartości długości krytycznych kabli przedstawione w tabeli 3.2 zostały obliczone ze wzoru (3.8) przy założeniu następujących wartości przenikalności elektrycznych względnych materiałów izolacyjnych: dla XLPE :r = 2,25; v = 2×108 m/s oraz dla EPR: r = 3,3; v = 1,65×108 m/s [56]. Dla czasów narastania napięcia z zakresu 10 ns do 1000 ns długości krytyczne zawierają się w przedziale od kilkunastu do kilkudziesięciu metrów. Prędkość fali w kablu obliczono według wzoru (3.2).

Tabela 3.2. Wartości długości krytycznej kabla w izolacji polietylenowej lcrX oraz

w izolacji EPR lcrE w zależności od czasu narastania napięcia tr

tr [ns] f3dB [MHz] lcrX [m] lcrE [m]

1 350 0,57 0,46

10 35 5,7 4,6

100 3,5 57 46

27

3.3 Badania dla oceny wpływu parametrów układu zasilającego silnik

na przepięcia

3.3.1 Pomiary laboratoryjne w układzie modelowym

W celu wyznaczenia przebiegów napięć na uzwojeniu silnika indukcyjnego zasilanego napięciem o krótkim czasie narastania wykonano pomiary laboratoryjne w układzie przedstawionym na rysunku 3.3.

A B

D l

Rys. 3.3. Układ modelowy stosowany w badaniach laboratoryjnych: G – generator funkcyjny Rigol 2041A, M – silnik indukcyjny, K – kabel, l – długość kabla, D – dioda krzemowa,

A, B – punkty, w których rejestrowano przebiegi napięcia

Źródło napięcia zasilającego stanowił generator funkcyjny (G) Rigol 2041A umożliwiający regulację czasu narastania czoła napięcia tr, dzięki czemu możliwie było zbadanie zależności wartości przepięcia od czasu narastania impulsu. Generator zasilał układ składający się z kabla (K) obciążonego silnikiem indukcyjnym (M). W układzie przedstawionym na rysunku 3.3 rolę kabla pełnił kabel koncentryczny RG-58/U. W laboratorium kabel ten dostępny jest w odcinkach o różnych długościach, które można ze sobą łączyć uzyskując różne konfiguracje układu. Izolację kabla stanowi polietylen sieciowany. Dysponując odcinkami kabla RG-58/U o rożnych długościach przeprowadzono pomiary przepięć występujących na zaciskach silnika w zależności od długości kabla l oraz czasu narastania napięcia tr. Aby uzyskać efekt odbicia fali w punkcie przyłączenia kabla do falownika w modelu zastosowano diodę dołączoną do wyjścia generatora. Analogiczna sytuacja występuje w falownikach, które stanowią zwarcie dla fali odbitej. W eksperymencie zastosowano następujące długości kabla

l: 40 m, 20 m, 10 m oraz 4 m. Czas narastania napięcia tr zmieniano w zakresie od 20 ns ÷ 500 ns. Dla dłuższych czasów narastania zjawiska falowe nie mają już takiego znaczenia ze względu na warunek określony wzorem (3.7). Obciążenie kabla stanowił stojan silnika indukcyjnego (M) o mocy 3 kW z uzwojeniami wsypywanymi, podczas pomiarów kabel obciążony był uzwojeniem jednej fazy stojana. Dla przykładu, wyniki pomiarów przepięć na zaciskach silnika przy różnych długościach kabla i czasie narastania napięcia tr = 100 ns przedstawiono na rysunku 3.4.

28 t [s] U [V] l=40m l=20m l=10m

Rys. 3.4. Przebiegi napięć na uzwojeniu silnika indukcyjnego zmierzone w badaniach laboratoryjnych dla czasu narastania napięcia tr=100 ns oraz długości l kabla równych 10m, 20m i 40m

3.3.2 Badania na modelu symulacyjnym

W celu przeprowadzenia symulacji numerycznych przyjęto następujące założenia:  napięcie falownika narasta od 0 do napięcia UDC (Rys. 3.2),

 kabel łączący falownik z silnikiem można zamodelować jako linię długą.

Model symulacyjny przedstawiony na rysunku 3.5 zaimplementowano w programie EMTP-ATP. Napięcie zasilające układ pochodziło z źródła typu RAMP, którego czas narastania może być regulowany. W modelu symulacyjnym wartości napięcia UDC, jak również czas narastania napięcia tr były analogiczne jak w doświadczeniu opisanym w podrozdziale 3.3.1.

Kabel RG-58/U modelowano jako linię długą o następujących parametrach: impedancja falowa Zk=52 , rezystancja jednostkowa wewnętrznej żyły kabla RCu = 32,81 × 10-3 /m. Prędkość propagacji fali w kablu (v = 2×108 _{m/s) wyznaczono na podstawie przenikalności} elektrycznej polietylenu. Powyższe parametry kabla przyjęto za specyfikacją techniczną kabla [58]. W symulacjach przepięć, jako model silnika wybrano wysoko-częstotliwościowy schemat zastępczy przedstawiony na rysunku 3.5 [4, 21, 56].

A B

UDC

RAMP

Rys. 3.5. Model stosowany w badaniach symulacyjnych: RAMP – źródło napięcia o regulowanym czasie narastania tr, Rwy – rezystancja wyjściowa generatora, MLD – model linii długiej, Re, Ld, K – model

29 W schemacie na rysunku 3.5 wielkość Ld reprezentuje indukcyjność rozproszenia uzwojeń, wartość indukcyjności została zmierzona. Rezystancja Re reprezentuje straty w rdzeniu stojana, jej wartość określa się na podstawie charakterystyki impedancyjnej Z=f(f). Rezystancja Re jest równa impedancji silnika w stanie rezonansu prądów, rezonans ten w przypadku badanego silnika występuje przy częstotliwości fres=32 kHz. Zastępczą pojemność K wyznacza się ze wzoru (3.9) [4, 24]. Charakterystykę impedancyjną Z=f(f) modelowanego silnika przedstawiono na rysunku 3.6.

d res L f K 1 4 1 2 2   (3.9) gdzie:

fres  częstotliwość rezonansowa,

Ld  indukcyjność rozproszenia uzwojeń.

Z [k]

f [kHz] fres

Rys. 3.6. Charakterystyka impedancyjna Z(f) badanego silnika

Parametry elementów modelu symulacyjnego przedstawiono w tabeli 3.3, wyniki symulacji komputerowych przedstawiono w tabeli 3.4. Przykładowe wyniki symulacji przepięć przedstawiono na rysunku 3.7.

Tabela 3.3. Parametry modelu wysokoczęstotliwościowego silnika indukcyjnego 3 kW dla obwodu przedstawionego na rysunku 3.6 [24]

Ld K Re

[mH] [nF] [k]

120 Hz 1 kHz -- --

30 t [s] U [V] l=40m l=20m l=10m

Rys. 3.7. Wyniki symulacji przepięć występujących na uzwojeniu silnika indukcyjnego dla czasu narastania napięcia tr=100 ns oraz długości l kabla równych 10m, 20m i 40m

3.3.3 Wyniki pomiarów oraz symulacji przepięć na uzwojeniu silnika

Wybrane wyniki badań laboratoryjnych przepięć oraz odpowiadających im symulacji przedstawiono na rysunkach 3.8  3.10. Zaprezentowane wyniki odpowiadają czasom narastania napięcia stosowanym w dostępnych na rynku falownikach napięcia. W modelu symulacyjnym, jak również w pomiarach laboratoryjnych, zastosowano długości kabli stosowanych w technice falownikowej. W celu analizy wyników eksperymentu oraz symulacji przepięć opisanych w podrozdziałach 3.3.1 oraz 3.3.2 porównano wartości współczynników przepięcia kp: kpp  dla danych pomiarowych oraz kps  wyznaczone drogą symulacji przepięć. Współczynnik przepięcia określa wartość względną przepięcia

pu (3.5). Wartości współczynników przepięć dla badanych długości l kabla zasilającego,

jak również czasu narastania napięcia tr, zestawiono w tabeli 3.4.

Tabela 3.4 Współczynniki przepięcia kpp oraz kps wyrażone w pu

tr [ns] lcr [m] l=40 [m] l=20 [m] l=10[m] l=4[m] kpp kps kpp kps kpp kps kpp kps 50 5 1,26 1,41 1,13 1,36 1,00 1,24 1,00 1,02 100 10 1,26 1,38 1,13 1,34 1,00 1,23 1,00 1,01 500 50 1,20 1,26 1,08 1,12 1,00 1,05 1,00 1,00 1000 100 1,17 1,08 1,04 1,05 1,00 1,02 1,00 1,00

W układzie pomiarowym nie stwierdzono przepięć dla kabli o długościach 4 i 10 m. Współczynnik przepięcia utrzymuje się na stałym poziomie kpp = 1,00 w badanym zakresie czasów narastania napięcia tr. W modelu symulacyjnym przepięcia nie występują w kablu o długości 4 m, występują natomiast w kablu o długości 10 m. Długość krytyczna kabla o izolacji wykonanej z XLPE dla czasu narastania tr = 50 ns wynosi 5 m, zatem model symulacyjny potwierdza kryterium długości krytycznej kabla lcr określone wzorem (3.8).