15 DEGRADACE IZOLAČNÍCH SYSTÉMŮ TOČIVÝCH STROJŮ – ELEKTRICKÉ STROMEČKY Martin Širůček ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI Fakulta elektrotechnická Katedra technologíí a měření
1. Úvod Významná část poruch ve vysokonapěťových točivých strojích je způsobena problémy se statorovým vinutím. V mnoha případech je příčinou selhání statorového vinutí uplatňování různých druhů namáhání, které na něj vlivem elektrického pole působí. Tyčové popř. cívkové vinutí umístěné v drážkách elektrického točivého stroje proto může být ovlivněno např. způsobem zaklínování vinutí, stažením konců vinutí, odolnostíi vinutí proti koróně, zvoleným materiálem izolace, apod. Pojmem stárnutí izolačního systému pak označujeme pozvolné snižování dielektrických vlastností a elektrické pevnosti právě tohoto použitého izolačního materiálu. Izolační systém vysokonapěťových elektrických točivých strojů je složen ze tří základních složek. Jedná se o slídovou pásku, nosnou složku nejčastěji reprezentovanou skleněnou tkaninou, které jsou spojeny pomocí vhodně zvolené epoxidové pryskyřice. Vlivem elektrického mechanického a tepelného namáhání dochází u izolačního systému k zeslabování vazeb mezi slídovou páskou a pryskyřicí, popř. nosné složky a pryskyřicí. To umožňuje růst elektrického stromečku skrz izolační materiál. Dochází k většímu nebezpečí průrazu izolace, které může vést k ovlivnění funkčnosti vysokonapěťového elektrického stroje. 2. Elektrické stromečky Základní podmínkou vzniku elektrického stromečku je, aby byla daná oblast vystavena silnému elektrickému poli. To může následně vyvolat vznik a růst elektrického stromečku prostřednictvím různých vodivých částeček, nečistot a dalších defektů ve struktuře materiálu. Vznik elektrického stromečku je proto úzce spojen s částečnými výboji. Elektrické pole, které se vyskytuje v blízkosti výbojového kanálu, je velmi nehomogenní a jeho intenzita zde dosahuje velkých hodnot. V místech, ve kterých dochází k překročení hodnoty čistě elektrické pevnosti, nastává průraz mikroskopických rozměrů. Potenciál výbojového kanálu se poté přenáší do průrazem vytvořené oblasti, kde znovu zapříčiní průraz. Prodlužování výbojového kanálu v pevném izolantu neprobíhá pravidelně. Kanály mají tendence postupným rozvětvováním vytvářet stromečkové struktury, které vycházejí z místa, kde výboj začal působit. Kanály postupně pronikají hlouběji do vrstvy izolantu, až dojde k překlenutí vzdálenosti mezi elektrodami. Průraz nastává buď okamžitě nebo až po uplynutí určité doby, kdy stromeček získá dostatečně silný průměr. Na Obr.1 je uvedena praktická ukázka růstu elektrického stromečku v krychličce z epoxidové pryskyřice, do které byla zalita jehlová napájecí elektroda. Uplatňováním strukturálních nehomogenit pryskyřice dochází působením vysokého napětí k výbojové činnosti, která vyústí v tvorbu drobných větviček směrem k zemnící elektrodě, na které byla krychlička položena. Po určité době ji jedna z větviček dosáhne. Poté se vlivem působícího elektrického pole začne zvětšovat její průměr, který bude postačovat k vodivému spojení mezi elektrodami a k proražení materiálu.
napájecí elektroda
vodivý kanálek Obr. 1: Růst elektrického stromečku v epoxidové pryskyřici 3. Popis experimentu Autoři článku [3] se zabývali vznikem elektrických stromečků v izolaci tyčového vinutí realizovaného běžně používanými třísložkovými kompozity. Vznik stromečků byl zkoumán ve směru elektrického pole přes elektrodu kolmo ke směru pásky. Průběh realizovaného experimentu byl proto zaměřen na zkoumání vzniku elektrického stromečku ve směru podél povrchu slídové pásky. Byla vybrána slídová páska využívaná pro izolační systémy založené na technologii Resin-Rich. 4. Vzorky Pro výrobu vzorků byl zvolen materiál Relanex 45.011. Jedná se o tepelně tvrditelný izolační materiál, ohebný při pokojových teplotách. Působením vyšších teplot se stává tvárný a lepkavý. Je vyroben z kalcinovaného slídového papíru a skleněné tkaniny, spojených pomocí epoxido-novolakové pryskyřice. Používá se pro izolační systémy Resin-Rich jako izolace cívek a tyčí elektrických strojů pro provozní napětí 24 kV pracujících v teplotní třídě F (155°C). [2] Uspořádání vzorků a jeho rozměrové údaje znázorňuje Obr.2. Jednalo se o 8 vrstev pásky zvoleného materiálu, mezi které byly vloženy elektrody realizované tenkými vodiči. Pro účely experimentu byly vyrobeny tři druhy vzorků. První typ měl elektrody umístěny na stejné vrstvě (Obr.2), druhý typ měl elektrody odděleny jednou vrstvou daného izolačního materiálu a třetí typ měl mezi elektrody umístěny vrstvy dvě. Postup výroby vzorků se shodoval s kroky přípravy izolačního systému technologií Resin-Rich.
Obr.2: Uspořádání vzorků – vzorek s elektrodami na stejné vrstvě
5. Průběh experimentu Pro účel experimentu bylo využito zařízení pro řízenou degradaci vzorků do 24 kV/50 Hz umístěné v laboratořích KET/ET FEL ZČU. U každého vzorku byl na jednu elektrodu připájen drátek, na který bylo přivedeno napájecí napětí, druhá elektroda byla umístěna mezi dvě vodivé destičky spojené se zemnící elektrodou. V rámci experimentu byla realizována dvě měření. Poprvé bylo napětí vystaveno 12 vzorků, kde každý druh, tzn. bez vrstvy, 1 vrstva, 2 vrstvy, byl zastoupený čtyřikrát. Ukázalo se, že při vystavení vzorků, které neměly žádnou oddělující vrstvu mezi elektrodami, došlo k průrazu při dosažení určité velikosti napětí, a to téměř okamžitě. V tomto případě se jednalo o hodnotu napětí 7 kV. Grafické vyjádření průběhu experimentu lze vidět na Obr.3. Úrovně napětí v kilovoltech (kV), kterým byly jednotlivé vzorky vystaveny, jsou uvedeny jako poloměr dané kružnice. Doby průrazů jednotlivých vzorků i časový průběh napětí, jaké bylo během pokusu na vzorky přiváděno, vyjadřují hodnoty umístěné na okraji kružnice. Hodnoty jsou udány v hodinách. U vzorků, kde byla použita jedna vrstva mezi elektrodami, došlo ve třech ze čtyř případů k proražení v relativně krátkém čase po zvýšení napětí na 7 kV. Průměrná doba průrazu pro tyto vzorky byla 27,29 h, tedy asi 5 hodin po zvýšení napětí z 5 kV na již zmíněnou hodnotu. Zbývající vzorek s elektrodami oddělenými jednou vrstvou byl proražen až na hodnotě 8 kV v čase 53,143 h. U všech vzorků se dvěma vrstvami došlo k průrazu na napětí 12 kV s průměrnou dobou průrazu mezi elektrodami odpovídající 111,4 hodinám.
Diagram průběhu 1. experimentu 0h 129,469 h 12kV 10kV 117,88 h 8kV
22,447 h 22,447 h
6kV
107,316 h
22,447 h
4kV
proražení vzorku bez vrstvy
2kV 0kV
90,85 h
22,462 h
81,267 h
26,099 h
55,928 h
velikosti napětí v průběhu experimentu
proražení vzorku 1 vrstva proražení vzorku 2 vrstvy
26,111 h
53,143 h
29,665 h 49,039 h
Obr.3: Diagram průběhu 1. experimentu Druhý experiment byl vyjádřen obdobnou metodou (Obr.4) jen s tím rozdílem, že se oproti prvnímu pokusu odlišoval počet vyrobených vzorků. Z důvodu téměř identického chování vzorků, který měl elektrody na stejné vrstvě, bylo vyrobeno po osmi kusech vzorků s jednou vrstvou a dvěma vrstvami mezi elektrodami. V tomto případě byl experiment zahájen na hodnotě napětí 7 kV, při jaké došlo v experimentu předcházejícím k průrazu ¾ vzorků s jednou vrstvou. Oproti předpokladům došlo k vodivému spojení mezi elektrodami ve významně odlišných časech. Další 3 kusy vzorků s jednou vrstvou byly proraženy až po změně napájecího napětí na hodnotu 10 kV přibližně do 30 minut. Poslední vzorek, který vydržel namáhání po celou dobu experimentu, byl proražen ihned po změně přiváděného
napětí z hodnoty 10 kV na 15 kV. Pro vzorky se dvěma vrstvami takové výrazné diference nenastaly. U všech vzorků bylo jednotné průrazné napětí 10 kV, na základě čehož byla pomocí Weibullova pravděpodobnostního grafu (Obr.5) určena hodnota 63 % času do průrazu, a to 158,91 h.
Diagram průběhu 2. experimentu 0h 228,02 h 15kV
0,071 h
12kV
227,425 h
0,403 h
9kV
178,071 h
0,817 h
6kV 3kV
165,947 h
velikost napětí v průběhu experimentu
2,423 h
proražení vzorku 1 vrstva
0kV 143,232 h
78,923 h
113,453 h
proražení vzorku 2 vrstvy
79,054 h
84,72 h
79,456 h
79,685 h
79,491 h 79,505 h
Obr.4: Diagram průběhu 2. experimentu
Weibullův pravděpodobnostní graf pro 2. experiment - vzorky se dvěma vrtvami 100,00
y = 0,5214x - 19,855
90,00
pravděpodobnost [%]
80,00 70,00
63 %
60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00
158,91 h
0,00 0
25
50
75
100
125
150
175
čas průrazu [h]
Obr.5: Weibullův pravděpodobnostní graf
200
225
250
Zkoumáním vzorků se ukázalo, že nedošlo mezi elektrodami ke tvorbě elektrického stromečku. Průraz vzorků byl způsoben pouze jedním vodivým kanálem, který se mezi elektrodami působením vysokého napětí vytvořil. Během průběhu experimentu došlo ke sledování několika druhů tvorby takového kanálku. Záleželo především na počtu vrstev mezi elektrodami, ale i přesto vykazovaly vodivé kanálky při své tvorbě pro všechny vzorky určité společné znaky. Působení teploty a tlaku na vzorek během jeho přípravy způsobilo zalisování jednotlivých vodičů do vrstev. Nejmarkantněji se to projevovalo ve vrstvách, které byly nejblíže k elektrodám. Z vnějšího pohledu protlačení již nebylo patrné. Na základě toho způsoboval samotný vodivý kanálek narušení nejen v samotné slídové pásce, ale také v nosné složce vrstvy, která byla umístěna nad danou elektrodou. Jak již bylo uvedeno, došlo k proražení pásek vodivým kanálkem několika způsoby, které jsou graficky znázorněné na Obr.6.
Obr.6: Způsoby tvorby vodivých kanálků mezi elektrodami Samotný vznik a šíření kanálku mezi elektrodami lze vysvětlovat tepelným a elektrickým namáháním oblastí s částečně ovlivněnou strukturou v důsledku zalisování elektrod do jednotlivých vrstev. Působením napětí dochází v oblasti kladné elektrody ke tvorbě lokálního „silného“ elektrického pole. Na základě velké odolnosti mezi jednotlivými vrstvami způsobené jejich dobrou kompaktností, může dojít k pozvolnému prorážení vrstvy vlivem lokálního ohřevu způsobeném Jouleovými a dielektrickými ztrátami. Jelikož nestačí povrch
slídové pásky teplo dostatečně rychle odvést, nastává tepelný průraz, který je kolmý ke směru slídové pásky a umožňuje tak růst kanálku mezi slídovými páskami dalších vrstvev. Uplatňování tohoto druhu průrazu lze předpokládat u vzorků, k jejichž proražení došlo v relativně krátké době, řádově jednotky hodin. Pokud je mezi jednotlivými slídovými páskami menší kompaktnost, dochází ke snížení odolnosti proti šíření vodivého kanálku mezi vrstvami směrem k zemnící elektrodě. Tento jev by mohl být způsoben Frankelovými poruchami krystalických struktur, které jsou obsaženy jak ve slídové pásce tak i v její nosné složce reprezentované skleněnou tkaninou. Poruchy mohou nastat částečně vlivem narušení způsobeného zalisováním elektrod do jednotlivých vrstev a také působením lokálního ohřevu vyvolaného v oblasti elektrody, na kterou je přiváděno napětí. Tepelné kmity poté přispívají k uvolnění iontů z uzlu krystalové mřížky do interstacionálních poloh. Na konci elektrody zalisované do pásky, jak již bylo uvedeno, dochází ke vzniku vysoké intenzity elektrického pole. To způsobuje, že ionty získavají dostatečnou energii pro pohyb v interstacionálních polohách, a způsobují vodivost struktur. Pokud je intenzita pole na hrotu elektrody dostatečně vysoká, dochází ještě k vyrážení nových iontů z krystalových mřížek, což se projevuje postupným růstem vodivosti a pozvolnou degradací krystalové mřížky ve směru pole určovaného zemnící elektrodou. Degradace se dále projevuje dělením řetězců ve slídové pásce i skleněné tkanině a dochází tak ke vzniku produktu uhlíku. Ten vytváří ve směru vodivé elektrody uhelný kanálek mezi vrstvami. 6. Závěr Závěrem lze konstatovat, že čtyři vzorky byly proraženy způsobem a (Obr.6:a), pět způsobem b (Obr.6:b), sedm způsobem c (Obr.6:c), šest způsobem d (Obr.6:d), a po třech způsoby e (Obr.6:e) a f (Obr.6:f). Průzkum pásek neprokázal významnější vliv některého způsobu na dobu, kdy došlo k vytvoření vodivého spojení mezi elektrodami. Na základě porovnání s výzkumem [3] lze usuzovat tyto závěry. Nejvýznamnější vliv na tvorbu stromečku ve směru příčném na izolaci, tak i na tvorbu vodivého kanálku ve směru podélném ke směru izolace, má velikost narušení slídové pásky. Experiment rovněž prokázal, že vliv na vznik vodivého kanálku mezi elektrodami má také doba gelace a vytvrzování vzorků, které se významně projevily na rozdílnosti času průrazu u jednotlivých vzorků. 7. Seznam literatury [1] Mentlík V.: Dielektrické prvky a systémy, BEN - Technická literatura ISBN 80-7300189-6, Praha 2006 [2] Katalogový list materiálu Relanex 45.011, přístupný z http://www.cogebi.com, přistoupeno dne 1.2.2009 [3] http://www.eeh.ee.ethz.ch/uploads/tx_ethpublications/tree_propagation_in_mica.pdf přistoupeno dne 6.3.2009
