Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
TERMIKUS ÉS FESZÜLTSÉG ALATTI ÖREGÍTÉS HATÁSA A DIAGNOSZTIKAI PARAMÉTEREKRE Tamus Zoltán Ádám, Cselkó Richárd, Németh Bálint, Berta István
[email protected] BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
TARTALOM • Szigetelőanyagok öregedése • Kábelek öregedése • Szigetelésdiagnosztika – Kémiai vizsgálatok – Mechanikai vizsgálatok – Villamos vizsgálatok
• Laboratóriumi vizsgálatok – Termikus öregítés – Feszültség alatti öregítés
• Összefoglalás BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
SZIGETELŐANYAGOK ÖREGEDÉSE • A szigetelések legfontosabb tulajdonsága a villamos szilárdság. • A szigeteléseknek (pl. kábelszigeteléseknek) további követelményeket (mechanikai, kémiai) is ki kell elégíteniük az élettartamuk során. • Az üzem közben fellépő igénybevételek miatt a villamos szilárdság folyamatosan csökken, amíg eléri a biztonságos üzemelés határát. • A villamos szilárdsághoz hasonlóan, a szigetelőanyag egyéb paraméterei is változnak. • A szigetelések öregedését kémiai folyamatok okozzák. • Az öregedési folyamatok hátterében az anyagszerkezeti változások állnak. • Az anyagszerkezeti változások a kémiai-, a mechanikai- és a villamos tulajdonságok változásában nyilvánulnak meg. BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
KÁBELEK ÖREGEDÉSE • A kábelek szigetelése általában valamilyen szerves anyag, melyet hosszú láncmolekulák (polimerek) alkotnak. A polimerek egyforma elsődleges molekulákból (monomerek) állnak. • Minden szigetelőanyagnak megvan a rá jellemző kémiai öregedési folyamata: – olaj-papír: • papír: oxidáció és depolimerizáció • olaj: oxidáció, üledékképződés és a szennyezőmolekulák disszociációja
– PVC: cipzár hatás, vagyis sósavlehasadás – PE: oxidáció BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
SZIGETELÉSDIAGNOSZTIKA I. • Az anyagszerkezeti változások kémiai vizsgálatokkal követhetőek: – Olaj-papír: • Polimerizációs fok • Olaj bomlástermékek megjelenése
– PVC • Hőstabilitás • Dynamic Mechanic Thermal Analysis (DMTA)
– PE • Oxidation Induction Time (OIT) • Infrared Spectroscopy • Differential Scanning Calorimetry (DSC)
• A kémiai vizsgálatokhoz mintát kell venni a szigetelésből, ezért a kémiai vizsgálatok roncsolásos vizsgálatok. BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
SZIGETELÉSDIAGNOSZTIKA II. • Mechanikai vizsgálatok: – Sűrűségmérés – Szakítóvizsgálatok • Piskóta formájú szabványosított mintákon, vagy • Csőkeresztmetszetűeken, mint termékjellemző
– Hajlítóvizsgálatok • rugóállandó, mint termékjellemző
– Keménységmérés és indenteres mérés • Shore A, Shore D keménység és indenter modulus mérés
• A legtöbb mechanikai módszer roncsolásos vizsgálat, de vannak roncsolásmenetes eljárások is. BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
SZIGETELÉSDIAGNOSZTIKA III. • A villamos módszerek alapja Romlási folyamatok Anyagszerkezet változása
Villamos szilárdság
Ed
Dielektromos folyamatok Vezetés
Polarizáció
γ
α(T)
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
SZIGETELÉSDIAGNOSZTIKA IV. • Villamos módszerek összehasonlítása Polarizációs Vezetési Áram IP
IC
Kisülési Visszatérő Feszültség Ud
Veszteségi tényező és permittivitás
Ur
tanδ
Vezetőképesség
Polarizáció
γ
α(T)
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
ε
LABORATÓRIUMI VIZSGÁLATOK
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
VIZSGÁLT KÁBELMINTÁK • 0,5 m hosszú PVC szigetelésű kisfeszültségű jelzőkábelek
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
TERMIKUS ÖREGÍTÉS • 9 egyenként 4 hetes (672 órás) öregítési ciklus • Minden ciklus végén vizsgálatok: – Kémiai (stabilizációs idő) – Mechanikai (Indenter modulus, Shore D keménység) – Villamos (Kisülési és visszatérő feszültség, tan δ @ 50 Hz) BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
KÉMIAI EREDMÉNYEK R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9
Hőstabilitási idő (perc)
80
60
40
20
0
K öpeny
K -P iro s
B -K é k
K- F4
K -F 7
S z ig e te lé s BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
MECHANIKAI EREDMÉNYEK I. Indenter modulus
12
10 0 1
N/mm
8
2 3 4
6
5 6 7
4
8 9
2
0 Kö
KP
BK
KF4
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
KF7
MECHANIKAI EREDMÉNYEK II. Shore D
60
50 0 1
40
2 3 4
30
5 6 7
20
8 9
10
0 Kö
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
VILLAMOS EREDMÉNYEK I. Kisülési feszültség kezdeti meredeksége Mk
35
30
25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
V/s
20
15
10
5
0 KP
BK
KF4
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
KF7
VILLAMOS EREDMÉNYEK II. Visszatérő feszültség kezdeti meredeksége Mv
35
30
25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
V/s
20
15
10
5
0 KP
BK
KF4
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
KF7
VILLAMOS EREDMÉNYEK III. tg δ (500 V)
800 700
1e-4 tg δ @500V
600 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
500 400 300
200 100 0 KP
BK
KF4
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
KF7
FESZÜLTSÉG ALATTI ÖREGÍTÉS • 9 egyenként 1 órás 25 kV AC alatti öregítési ciklus • Minden ciklus végén villamos vizsgálatok: – Kisülési és visszatérő feszültség – tan δ @ 50 Hz
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
KIINDULÁS
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
KISÜLÉSI FESZÜLTSÉG MEREDKSÉGE 20 18 16 14
Sd
12 10 8 6 4 2 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Aging periods BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
8
9
VISSZATÉRŐ FESZÜLTSÉG MEREDEKSÉGE 20 18 16 14
Sr
12 10 8 6 4 2 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Aging periods BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
8
9
VESZTESÉGI TÉNYEZŐ 1400
1000 800 600
4
10 tan δ @ 500 V
1200
400 200 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Aging periods BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
8
9
ÖSSZEFOGLALÁS • Az öregedés hatása komplex vizsgálattal (kémiai, mechanikai és villamos) jól nyomon követhető. • A komplex vizsgálatok segítségével kiválasztható a legérzékenyebb diagnosztikai módszer (roncsolásmentes). • A kisfeszültségű kábelek szigetelése villamos szempontból túlméretezett. • A villamos öregítés hatására változnak a diagnosztikai paraméterek. • A feszültségigénybevétel anyagszerkezetre gyakorolt hatásának tisztázására további vizsgálat szükséges. • A vizsgálatok kiterjesztése PE és XLPE szigetelésekre is.
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
Készült • az ISH 2007 konferencián (2007. aug. 27-31. Ljubljana, Szlovénia) elhangzott Tamus Zoltán Ádám és Németh Endre: Mesurement of Dielectric, Mechanical and Chemical Properties of the Insulation in Cable Diagnostics, valamint • az ISEI 08 konferencián (2008. jún. 8-11. Vancouver, Kanada) megjelenő Tamus Zoltán Ádám, Németh Bálint és Berta István: Effect of Voltage Stress on Diagnostic Parameters of Low Voltage Cables előadások alapján.
BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
Köszönöm a figyelmet!
Folytatás a szaunában… BME Villamos Energetika Tanszék Nagyfeszültségű Technika és Berendezések Csoport
