ZASTOSOWANIE SPEKTROFOTOMETRU OPTYCZNEGO DO BADANIA WIDM SYGNAŁÓW OPTYCZNYCH EMITOWANYCH PRZEZ WYŁADOWANIA NIEZUPEŁNE W OLEJU IZOLACYJNYM

_______________________________________

* Politechnika Opolska.

Michał KOZIOŁ*

ZASTOSOWANIE SPEKTROFOTOMETRU OPTYCZNEGO DO BADANIA WIDM SYGNAŁÓW OPTYCZNYCH EMITOWANYCH PRZEZ WYŁADOWANIA NIEZUPEŁNE

W OLEJU IZOLACYJNYM

W artykule przedstawiono opis stanowiska badawczego oraz wyniki pomiarów zjawiska wyładowań niezupełnych, wykonanych za pomocą spektrofotometru optycznego w zakresie promieniowania widma światła widzialnego i nadfioletowego.

Pomiar przeprowadzono na układzie iskiernika generującego zjawiska wyładowań niezupełnych powierzchniowych, który został zanurzony w oleju izolacyjnym. Za model powierzchni posłużyła szklana płytka o ustalonym napięciu przebicia. Rejestracji dokonano za pomocą sondy światłowodowej zanurzonej w oleju izolacyjnym. Sondę połączono z spektrofotometrem wysokiej rozdzielczości za pomocą włóknistego światłowodu o małym tłumieniu. Pomiary przeprowadzono dla trzech ustalonych progów pomiarowych przy jednostkowym czasie naświetlania, który z uwagi na niestabilny charakter zjawiska przyjęto na poziomie 65s.

SŁOWA KLUCZOWE: wyładowania niezupełne, spektrofotometr optyczny, emisja promieniowania świetlnego

1. WPROWADZENIE

Najczęściej stosowanymi dielektrykami w urządzeniach elektrycznych są ciecze elektroizolacyjne, których głównym zadaniem jest zapewnienie dobrej izolacji elektrycznej oraz odprowadzenie ciepła.

Jedną z często stosowanych takich cieczy jest olej mineralny, który używany jest m.in. w transformatorach. Olej ten otrzymywany jest z rafinowanych destylatów naftowych. Charakteryzuje się powolnym rozkładem biologicznym, co wpływa niekorzystnie na środowisko naturalne. Stąd w przypadkach wysokich wymagań ochrony środowiska oraz bezpieczeństwa pożarowego stosuje się oleje syntetyczne. Ciecz syntetyczna posiada lepsze właściwości użytkowe takie jak szybka biodegradacja, mała toksykologia i wysoka temperatura zapłonu.

W oleju izolacyjnym mogą być obserwowane wyładowania niezupełne w postaci świetleń i snopień. Powstające wyładowania powodują rozkład oleju

oraz jego zanieczyszczenie, co w dłuższej perspektywie czasu wpływa na mechanizm powstawania wyładowań.

Prowadzona praca badawcza dotyczy możliwości wykorzystania metody spektrofotometrii optycznej w diagnozowaniu i rozpoznawaniu form wyładowań niezupełnych (WNZ) w oleju izolacyjnym. Generowane zjawiska WNZ w oleju, podobnie jak i w powietrzu charakteryzują się emisją fali elektromagnetycznej. Badaniu poddana została emisja w zakresie promieniowania ultrafioletowego (UV), światła widzialnego (VIS) oraz części bliskiej podczerwieni (NIR). Generacja zjawisk przeprowadzona została na układzie iskiernika, który modelował powierzchniowe wyładowania niezupełne na szklanej płytce o grubości 10 mm. Rejestracji widm emisyjnych dokonano za pomocą spektrofotometru optycznego wysokiej rozdzielczości oraz światłowodowej sondy. Prowadzona praca badawcza dotyczy możliwości wykorzystania metody spektrofotometrii optycznej w diagnozowaniu i rozpoznawaniu form wyładowań niezupełnych w cieczach izolacyjnych.

2. STANOWISKO POMIAROWE

Stanowisko pomiarowe zastosowane do generowania wyładowań niezupełnych składało się z transformatora probierczego, szklanego naczynia wypełnionego olejem izolacyjnym, układu iskiernika modelującego wyładowania powierzchniowe, sondy światłowodowej, optycznego toru transmisyjnego oraz spektrofotometru optycznego. Schemat układu stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys 1. Analiza danych pomiarowych została przeprowadzona w programie OceanView, a ich graficzna interpretacja opracowana została w środowisku MATLAB.

światłowód USB

Zasilanie WN

Regulator napięcia

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego

Układ iskiernika modelującego wyładowania niezupełne powierzchniowe przedstawiony na rys. 2a zbudowany jest z następujących elementów: elektrody z przyłożonym napięciem, szklanej płytki o wymiarach 90x100x10 mm oraz tarczy-elektrody zamykającej układ. Generacja sygnałów optycznych następuje na powierzchni szklanej płytki dla wartości zadanego napięcia.

a) b)

Rys. 2. Elementy stanowiska pomiarowego: a) układ iskiernika modelującego wyładowania niezupełne powierzchniowe, b) spektrofotometr optyczny HR4000

Do rejestracji widm sygnałów optycznych emitowanych przez badany układ iskiernika w oleju izolacyjnym zastosowano światłowodową sondę FL-400 o wysokiej odporności termicznej, która poprzez optyczny tor transmisyjny połączona została z spektrofotometrem optycznym wysokiej rozdzielczości HR 4000 firmy Ocean Optics. Zastosowany spektrofotometr rys. 2b. umożliwił rejestrowanie widm promieniowania emisyjnego w zakresie od 200 nm do 1100 nm oraz poprzez dedykowane oprogramowanie OceaView dane zostały zapisane w postaci liczbowej, co umożliwiło ich dalszą obróbkę.

Rys. 3. Światłowodowa sonda pomiarowa FL-400

3. WYNIKI POMIARÓW

Pomiar przeprowadzono dla trzech wartości napięcia zasilającego: 30 kV = 0,6Up, 35 kV = 0,7Up i 40 kV = 0,8Up. Górna wartość napięcia zasilającego jest przyjęta na poziome 80% wartości napięcia przebicia, która dla zastosowanej szybki szklanej o grubości 10 mm ustalona została doświadczalnie i wynosi Up = 51,0 kV. Czas integracji spektrofotometru został przyjęty na poziomie

65 sekund

. Zarejestrowano 30 pomiarów dla każdej wartości napięcia zasilającego, następnie otrzymane dane uśredniono. Uzyskane wyniki przedstawiono na rys. 4-6.

Rys. 4. Widmo promieniowania optycznego emitowane przez WNZ powierzchniowe występujące w oleju przy napięciu U = 30,0 kV

Rys. 5. Widmo promieniowania optycznego emitowane przez WNZ powierzchniowe występujące w oleju przy napięciu U = 35,0 kV

Rys. 6. Widmo promieniowania optycznego emitowane przez WNZ powierzchniowe występujące w oleju przy napięciu U = 40,0 kV

Na rys. 4 przedstawiono widmo promieniowania sygnału optycznego emitowane przez WNZ powierzchniowe w oleju izolacyjnym. Zjawisko wygenerowane na płytce szklanej o wymiarach 90x100x8 mm przy napięciu 30,0 kV. Grubość szybki w badanym układzie miała wpływ na wartość napięcia przebicia, co z kolei warunkowało możliwy zakres wartości napięcia zasilania.

Podczas przeprowadzania pomiarów stwierdzono, że przy większych napięciach zasilania następuje większa emisja promieniowania sygnału optycznego, co można zaobserwować na rys. 5 i 6.

4. PODSUMOWANIE

Na podstawie otrzymanych wyników pomiarowych dla iskiernika modelującego wyładowania powierzchniowe w oleju izolacyjnym, dla przyjętych trzech progów wartości napięcia stwierdzono powtarzalny kształt emitowanego widma optycznego. Przy zmianie wartości przyłożonego napięcia w zakresie przyjętych progów pomiarowych dla 0,6Up, 0,7Up i 0,8Up nie stwierdzono znaczących różnic w kształcie zarejestrowanych przebiegów widm.

Zaobserwowano jedynie zmianę wielkości natężenia emitowanego promieniowania, głównie w zakresie światła widzialnego. Zarejestrowane widma mieszczą się w przedziale długości fal od 330 nm do 860 nm, gdzie

największe natężenie przypada na zakres światła widzialnego 380 – 780 nm.

Stwierdzono niewielką generację w zakresie promieniowania ultrafioletowego, która mieści się w przedziale od 330 nm do 380 nm. Niewielka generacja występuje także w zakresie promieniowania podczerwonego, która zawiera się w przedziale od 780 nm do 860 nm.

Podjęta tematyka badawcza ma na celu określenie możliwości analizy sygnałów optycznych emitowanych przez wyładowania niezupełne generowane w oleju izolacyjnym za pomocą spektrofotometru optycznego.

LITERATURA

[1] Boczar, T.; Zmarzly, D., Optical spectra of surface discharges in oil. IEEE Trans.

Electr. Insul. 2006, 13, 632–639.

[2] Frącz P., Boczar T., Zmarzły D., Możliwości zastosowania spektrofotometrii optycznej w diagnostyce układów izolacyjnych transformatorów elektroenergetycznych, Wiadomości Elektrotechniczne nr 10, 2008.

[3] Żukowski P., Kozak C., Karwat C., Pomiary temperatury łuku palącego się w szczelinie międzystykowej aparatów elektrycznych za pomocą spektrofotometru światłowodowego, PAK vol. 54, nr 10/2008.

[4] Frącz P., Wykorzystanie optycznych sygnałów emitowanych przez wyładowania elektryczne w diagnostyce izolatorów, wyd. Politechniki Opolskiej, Opole 2011.

A SPECTROPHOTOMETRIC METHOD USED FOR RESEARCH STUDIES OF OPTICAL SIGNALS EMITTED BY PARTIAL DISCHARGES OCCURRING

IN INSULATING OIL

The paper presents results of research and measurement studies considering partial discharges registered by using of optical spectrophotometer applied in the wavelength range of visible and ultraviolet radiation. The study was conducted using a spark gap for modeling of surface partial discharge occurring in insulating oil. A glass plate with an established breakdown voltage value served as the surface material. The probe was connected with a high definition spectrophotometer using an optical fiber of low attenuation. The measurements were carried out for three given threshold values at unitary exposure time, which was assumed to 65 s, due to the unstable nature of partial discharges. The research subject considered was intended to determine the possibility of analysis of optical signals emitted by partial discharges generated in insulating oil by application of optical spectrophotometer.