432
Advances in Electrical and Electronic Engineering
STRUKTURNÍ ZM NA IZOLA NÍHO KOMPOZITU STRUCTURE CHANGE OF THE INSULATING COMPOSITE V. Mentlík, P. Trnka, O. Tábo ík, J. Pihera Katedra technologií a m ení, Elektrotechnická fakulta Z U v Plzni, Univerzitní 26, 306 14, Plze , tel.: +420 377 634 518, email:
[email protected] Anotace Moderní pohony s m ni em kmito tu p inesly adu výhod v ízení motor . Objevily se však také problémy s vysokofrekven ními nap ovými pulzy produkovanými m ni i kmito tu. Tyto m ni e na svém výstupu produkují nap ové pulzy s vysokou strmostí náb žných hran, které dosahují strmosti až desítky kilovolt za mikrosekundu. Opakovací frekvence se pohybuje v ádu desítek kilohertz. Tato technologie znamená pokrok v ízení pohon , zárove však p ináší zvýšenou možnost degradace izola ních systém motoru a tím snižuje spolehlivost celého pohonu. lánek se zabývá jednou z možných cest jak tento problém ešit. Experimentáln je zde testován materiál s modifikovanou vnit ní strukturou. Summary Modern power electric drives brought advantages in induction motor control. In the same time appeared problems with high frequency square waveform voltage (pulse stress) produced by the voltage converters. Voltage converters produce repetitive pulses with high level of voltage rise fronts (slew rates). Rise fronts attained values of up to tens kilovolts per microsecond and voltage pulse repetition frequency up to some tens of kilohertz. This technology is an advantage for a drive control. Significant is the impact of these voltage waveforms on the motor insulations. Degradation of the main wall insulation can reduce the reliability of the electric motor and whole drive. In this paper is discussed one possible solution. The promising modification in the insulation material structure is presented in the paper.
1. ÚVOD Hlavní izolace to ivých elektrických stroj jsou v praxi vystaveny celé ad degrada ních faktor zp sobujících zhoršování jejich izola ních vlastností a mohou zp sobit následnou poruchu. Izola ní systém jako takový musí spl ovat celou adu náro ných kritérií, které jsou dány provozními stavy, p sobením okolního prost edí a dalšími faktory. Materiály pro hlavní izola ní systémy to ivých stroj jsou b hem let stále inovovány. Jejich vlastnosti sledují trendy a pot eby aktuální poptávky a úrovn sou asného poznání. Jako p íklad m že být uvedena v minulosti požadovaná vyšší t ída teplotní odolnosti. Na základ toho požadavku byly vyvinuty nové vysokoteplotní izola ní materiály používané v sou asné dob . V dnešní dob je kladen d raz na zvýšení odolnosti izola ních materiál a systém p i pulzním namáhání, tj. namáhání zp sobované napájením motor z m ni kmito tu. Negativní d sledky nap tí generovaných m ni i kmito tu na izola ní materiály jsou již známé. Stále je však hledán takový materiál, který by byl vhodný do t chto podmínek. Jednou z možných cest jak u init materiál odoln jším je modifikace jeho struktury. Ve vysokonap ové technice se jedná o t ísložkové kompozitní materiály zejména pro technologie Resin-rich nebo VPI. 2. PULZNÍ NAMÁHÁNÍ Klí ovým faktorem v problematice pulzního namáhání izolant je velikost p iloženého nap tí a rychlost jeho zm ny. Zvýšení hodnoty elektrického nap tí za jednotku asu nazýváme strmost nár stu elektrického nap tí SR (kV. s-1).
SR =
du dt
(1)
V sou asné dob jsou vyráb ny výkonové spínací sou ástky, s nimiž je možné dosáhnout strmosti ádov desítky kV. s-1, což samo o sob klade vysoké nároky na kvalitu izola ního systému. V praxi se s „ istými“ pulzy na ízených strojích prakticky nesetkáme. Na nap ové pulzy generované frekven ním m ni em se superponují vysokofrekven ní kmity, na jejichž vznik má krom dalších parametr vliv také tvar a strmost náb žné hrany. Zvyšováním strmosti nár st elektrického nap tí zvyšujeme také transientní jevy v kabelu a samotném stroji. Možná dosahovaná p ep tí jsou dvou- i t ínásobek nap tí ve stejnosm rném obvodu m ni e. Naopak, pokud je náb žná hrana extrémn omezená (nap . p i použití filtru typu DP), jsou p ep tí i kmity na stroji zanedbatelné. 3. MODIFIKACE PROFILU SKLEN NÝCH PROVAZC V KOMPOZITU V oblasti izola ních systém zmi ovaných technologií se krom klasických postup zpracování skelných vláken objevují také zp soby nové, spo ívající v modifikaci profilu provazc skelných vláken a v odlišné skladb ve tkanin samotné (viz. obr. 1). Nová vnit ní struktura materiálu (varianta B) vykazuje p i stejném pr m ru vláken menší tlouš ku vrstvy laminátu. Zm nou rozvrstvení vláken ve sklen né tkanin se zm ní i rozvrstvení impregnantu v materiálu, obr. 1. Dochází tak ke zvýšení
Strukturní zm na izola ního kompozitu
433
homogenity materiálu, což znamená p edpoklad lepších elektrických vlastností. Materiál A
Jeden dílek: 500 V, 500 ns
MICA
bond Materiál B
250 ns
fibers
1000 ns
MICA
fibers
bond
Obr. 1. ez kompozitním materiálem. Materiál A – konven ní zp sob skladby vláken, materiál B – nový zp sob. Fig. 2. Composites material profile. Material A – ordinary roving structure, material B – new structure.
Obr. 2.Tvar nap ového pulzu. Fig. 2. Shape of the high voltage pulse.
Za ú elem realizace stárnutí sinusovým nap tím bylo navrženo a zkonstruováno za ízení umož ující stárnutí vzork izolace, pohled na p ístroj je na obr. 3. Detail chrán ného vysokonap ového prostoru je zachycen na obr. 4.
Díky menšímu obsahu mikrodutin by se m la snížit výbojová innost – jeden z hlavních degrada ních initel vysokonap ových izola ních systém . Tímhle zp sobem vyrobený kompozit zajiš uje stejnou mechanickou pevnost, jako kompozit konven ní. Zda se zlepší i elektrické vlastnosti kompozitu a hlavn jeho odolnost p i namáháním pulzním nap tím je p edm tem výzkumu. 4. EXPERIMENT Ke zkoumání byly vybrány dva druhy skloslídových kompozit (pojivo 40 % modifikované epoxidové prysky ice), lišících se pouze provedením nosné složky, jak je nazna eno na obr. 1. V tab. 1. je popsáno ozna ení vzork . Tab. 1. Ozna ení zkoumaných materiál . Tab. 1. Specification of evaluated materials.
Materiál
Ozna ení
Skloslídový kompozit s konven ním uložením sklen ných vláken
A
Skloslídový kompozit s novou koncepcí uložení sklen ných vláken
B
Obr. 3. Za ízení ur ené pro sinusové namáhání vzork izolací. Fig. 3. Appliance for sinusoidal aging.
Oba materiály byly exponovány jak sinusovým elektrickým namáháním 11 kV.mm-1 sí ové frekvence, tak i pulzním namáháním (sinusov namáhané - etnost 10, pulzn namáhané - etnost 4 vzorky). Na obr. 2 je zachycen oscilogram jednoho pulzu. Parametry pulzní deteriorace: deteriora ní nap tí: doba náb žné hrany: strmost náb žné hrany: doba trvání pulzu: frekvence:
±2 kV 250 ns 16 kV. s-1 1 s 1 kHz
Obr. 4. Detail vysokonap ového chrán ného prostoru. Fig. 4. Detail of high voltage screenroom.
434
Advances in Electrical and Electronic Engineering
Za ízení pro stárnutí vzork vysokonap pulzním nap tím je schematicky znázorn obr. 5. Z d vodu zamezení nežádoucí elektromagnetického rušivého pole byly umíst ny do stín ného prostoru.
ovým no na emise vzorky
na p iloženém nap tí, zapalovací a zhášecí nap tí áste ných výboj , ztrátový initel a izola ní odpor.
R3 nap ová e.
U
12345
zemnící e. 70
U
100
Obr. 5. Blokové schéma laboratorního systému pro pulzní namáhání. Fig. 5. Diagram of pulse voltage aging system.
Stín ný prostor byl opat en nucenou ventilací, s odvád ním vzniklých plynných zplodin. Uvnit byly umíst ny elektrody pro stárnutí testovaných vzork . Elektrody spolu s pohledem do stín ného prostoru jsou zachyceny na obr. 6.
Obr. 7. Elektrodový systém. Fig. 7.The electrode system.
4. VÝSLEDKY Vzájemným porovnáváním trend zkoumaných veli in, ale i jejich konkrétních hodnot v ur itých asových intervalech b hem namáhání, byla zjišt na paralela mezi výrazným nár stem relativní permitivity εr (Obr. 7) a zvýšenou aktivitou áste ných výboj . 5,0
A sinus B sinus A pulz
ε r (-)
4,5
B pulz A sinus
4,0
B sinus A pulz B pulz
3,5
Obr. 6. Celkový pohled na vysokonap ový box pro pulzní namáhání. Fig. 6. High voltage box for pulse stress aging.
3,0 0
100
200
300
400
500
t (h)
Elektrické namáhání probíhalo na plošných vzorcích testovaných materiál (o tlouš ce 0,5 mm a ploše 100×100 mm) v elektrodovém systému, který byl použit stejný pro sinusové i pulzní namáhání (nap ová i zemnící elektroda o rozm rech 70×70 mm, na okrajích rádius 3 mm pro potla ení okrajových jev ) je znázorn n na obr. 7. Na základ vstupních test a p edchozích zkušeností byly stanoveny doby expozice jednotlivých soubor vzork na 8 hodin. Vždy po uplynutí tohoto asu bylo provedeno m ení sledovaných elektrických diagnostických veli in (viz. níže) ur ujících okamžitý izola ní stav. Sledované elektrické parametry: absorp ní a resorp ní proudy, pr b hy závislostí ztrátového initele a závislostí velikosti zdánlivého náboje V
Obr. 7. Relativní permitivita ε r v závislosti na ase. Fig. 7. Relative permittivity ε r time dependence.
P i pulzním namáhání dochází ke zvýšené aktivit výbojové innosti v porovnání se sinusovým namáháním. Vyšší frekvence zm ny vektoru intenzity elektrického pole a vyšší strmosti náb žných hran na pulzn zat žovaných vzorcích se projevily v tším nár stem permitivity. To lze vysv tlit zvyšováním kapacity (p ímá úm ra s relativní permitivitou) vlivem vzniku drobných vodivých cest uvnit materiálu, které jsou tvo eny produkty intenzivní výbojové innosti v nehomogenitách. P i m ení polariza ního indexu pi se projevil jeho nár st na vzorcích namáhaných pulzním
Strukturní zm na izola ního kompozitu
435
5,0
A sinus
4,5
B sinus A pulz
pi (-)
4,0
B pulz
3,5
A sinus
3,0
B sinus
q (pC)
nap tím (Obr. 8). Jako nejlepší se v tomto aspektu jevil materiál B.
A pulz
2,5
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
B pulz
2,0
0
144
168
t (h)
1,5 1,0 0
100
200
300
400
500
t (h)
Obr. 8. Polariza ní index pi v závislosti na ase deteriorace. Fig. 8. Polarization index pi time dependence.
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
192
Obr. 10. Zdánlivý náboj q v závislosti na ase deteriorace, pulzn exponované soubory. Fig. 10. Time dependance of apparent charge q, pulse stress.
V souvislosti s tvorbou produkt výbojové innosti m žeme hovo it o tzv. „po áte ním zaho ování“, dochází ke zlepšování vlastností materiálu (výbojová innost), které p edstavuje obdobu vanové k ivky používané p i analýze poruch. Avšak stoupající trendy ztrátového initele tgδ (Obr. 11) již poukazují na probíhající degradaci.
tgδ (-)
R st polariza ního indexu p i pulzním namáhání lze vysv tli vysušováním materiálu (p i pulzním namáhání dochází k zah ívání vzork ). V p ípad pulzního namáhání dochází k rychlejšímu poklesu zdánlivého náboje q (Obr. 9 a 10) než v p ípad sinusového namáhání. Materiál B p i pulzním namáhání projevuje lepší vlastnosti, tj. menší aktivitu výbojové innosti. Menší aktivita výbojové innosti se projevila zejména p i vstupních m ení. P i namáhání sinusovým nap tím se projevil stejný trend.
q (pC)
A B
0,18
A sinus
0,16
B sinus
0,14
A pulz
0,12
B pulz
0,1
A sinus
0,08
B sinus A pulz
0,06
B pulz
0,04 0,02 0 0
100
200
300
400
500
t (h)
A 0
228 t (h )
B 258
300
Obr. 9. Zdánlivý náboj q v závislosti na ase deteriorace, sinusov exponované soubory. Fig. 9. Time dependance of Apparent charge q, sinusoidal stress.
Obr. 11. Ztrátový initel tgδ v závislosti na ase deteriorace. Fig. 11. Dissipation factor tgδ time dependence.
Lepších výsledk p i sledování degradace pomocí áste ných výboj získáme, sledujeme-li fázové rozložení áste ných výboj na sinusovce p ivád ného testovacího nap tí. Degradace se zde projeví tak, že se p i záporné period testovacího nap tí p eruší jinak „spojitá“ výbojová innost p i nár stu nap tí na záporné maximum (Obr. 12).
436
0°
Advances in Electrical and Electronic Engineering
90°
180°
270°
360°
Jeden dílek: 0,5 mV, 36°
Obr. 12: Fázové rozložení výskytu áste ných výboj mírn degradovaný vzorek. Fig. 12: Phase dependence of partial discharges appearance – slightly aged sample.
5. ZÁV R Výsledky experimentu p inesly zajímavé pr b hy sledovaných elektrických parametr . P edpokládané vývoje se potvrdily u namáhání sinusovým nap tím, kde jsou již asové závislosti t chto parametr dob e známé. V grafech nam ených na vzorcích stárnutých pulzním nap tím se dle p edpokladu za ala prokazovat vyšší rychlost degradace. Jak je patrné z graf , lepší elektrické vlastnosti p i sinusovém namáhání vykazuje modifikovaný materiál B. Prokázala se tedy vyšší kvalita nové koncepce uložení vláken v kompozitním izolantu. P i pulzním namáhání zatím nebylo dosaženo výrazn jšího stupn degradace vzork , proto se výrazn ji rozdíl mezi koncepcí A a B neprojevil. Zajímavé bude podrobit v budoucnu materiály tohoto typu rozsáhlejšímu zkoumání, tj. zahrnout do oblasti diagnostikování i metody termické analýzy [9], a p isp t tak výsledky do oblasti izolant využívaných v technice pohon ízených pulzní modulací. Pod kování Tato práce vznikla za podpory výzkumného zám ru Ministerstva školství, mládeže a t lovýchovy eské Republiky, MSM 4977751310 – Diagnostika interaktivních d j v elektrotechnice. LITERATURA [1] Mentlík V., Pihera J., Tábo ík O., Trnka P.: Sledování zm n výbojové innosti namáhaných variant izola ního systému, In Diagnostika ’07, Z U, Plze , 2007, ISBN 978-80-7043-557-1
[2] Trnka P.: Interakce izolant s pulzním namáháním, [diserta ní práce], Z U, FEL, Plze , 2005. [3] Espino-Cortes F. P., Jayaram S. H.: Effectiveness of Stress Grading Coatings on Form Wound Stator Coil Groundwall Insulation Under Fast Rise Time Pulse Voltages, IEEE Transaction on Energy Conversion, 2005. [4] Fabiani D., Montanari G. C., Cavalini A., Mazzanti G.: Relation Between Space Charge Accumulation and Partial Discharge Activity in Enameled Wires Under PWM-like Voltage Waveforms, IEEE Transaction on Dielectric and Electrical Insulation, Vol. 11, No. 3, June 2004. [5] Grzybowski, S.; Trnka, P.; Fulper, J.: Aging of High Voltage Cables by Switching Impulse, In Electric Ship Technologies Symposium, 2007, ESTS ' 07, IEEE, Arlington, VA, 2007. s.165168, ISBN 1-4244-0947-0. [6] Jankovský,V., Michalík,J.: K otázke kvality a spo ahlivosti vozidlových trak ných transformátorov, Práce a štúdie VŠDS, .9/1981, str. 43-50. [7] Gutten, M., Zahoranský, R., Michalík, J., Be ová, M.: Automatizácia skúšobných meraní transformátorov s využitím meracieho systému, Odborný asopis pre elektrotechniku Elektro, . 5, kv ten 2005. [8] Vojen iak, M., Beran, J.: Izola ný systém elektrotechnických zariadení pri nízkych teplotách, zborník medzinárodnej konferencie „DISEE 2006“, astá - Píla 2006, str. 186-189, ISBN 80-227-2470-X. [9] Polanský, R.: The optimalization of TMA temperature program for diagnostic of insulation materials based on mica (In Czech), In DISEE 2004, Bratislava, Slovak University of Technology, 2004, s. 154-157, ISBN 80227-2110-7. [10] Polanský, R.: Correlation between Electric and Structural Methods of Diagnostics, (In Czech) In Elektrotechnika a informatika 2004, Plze , Západo eská univerzita, 2004, s. 71-74. ISBN 80-7043-300-0.
