Titlul proiectului: Spectroscopia dielectrica - o tehnologie inovativa pentru diagnosticarea izolatiei echipamentelor energetice

Contract: 22100/01.10.2008
Autoritatea Contractanta: Centrul National de Management Programe
Contractor: ICMET Craiova
Director de proiect: Ing. Dorin Popa
Programul 4 – Parteneriate in domenii prioritare
Directia de cercerate: Energie
Tipul proiectului: PC
Acronimul propunerii: SD

Perioada de derulare a proiectului: 01.10.2008– 29.07.2011
Valoare totala proiect: 1.400.000 lei
De la buget: 1.240.000 lei
Cofinantare: 160.000 lei

Parteneri implicati in proiect:
Conducator de proiect - Institutul National de Cercetare Dezvoltare si Incercari pentru Electrotehnica – ICMET Craiova
Director de proiect: Ing. Dorin Popa
Partener 1 - Universitatea din Craiova
Responsabil de proiect: Conf. Dr. Ing. Florian Stefanescu
Partener 2 - Universitatea din Pitesti
Responsabil de proiect: Conf. Dr. Ing. Dumitru Cazacu

Rezumatul proiectului:
Izolatia electrica a echipamentelor energetice este supusa in conditii normale de functionare la imbatranire si degradare ca urmare a solicitarilor termice si electrice.
Imbatranirea conduce la reducerea duratei de viata si in multe cazuri la defecte care afecteaza functionarea sigura a sistemului de transmisie si distributie a energiei electrice.
Din acest motiv cercetarea si activitatile practice au fost directionate spre o intelegere mai buna a fenomenului de imbatranire si gasirea de noi tehnologii de diagnosticare a izolatiei si de estimare a duratei de viata ramasa. Pe plan mondial sunt aplicate mai multe tipuri de mentenanta a echipamentelor energetice cu scopul de a se asigura securitatea functionarii sistemului de transmisie si distributie a energiei electrice cu costuri cat mai mici. Un prim pas, a fost acela de a se selecta acele metode de investigare a starii izolatiei care aduc informatii obiective si complete. Din multitudinea de metode cunoscute au fost selectate: analiza gazelor dizolvate in ulei pentru etapa de prevenire si masurarea descarcarilor partiale pentru evidentierea defectelor grave.
Proiectul abordeaza o metoda noua, aceea a analizei in domeniul frecventa a raspunsului izolatiei pentru evidentierea, atat a defectelor incipiente, cat si pentru aprecierea duratei de viata ramasa.
In comparatie cu metodele care analizeaza raspunsul izolatiei in domeniul timp aceasta are avantajul ca este mai putin influentata de variatia temperaturii si de geometria echipamenului expertizat.
Prin modelare asistata de calculator si experimentari in laborator pe machete de izolatie cu grade presetate de infestare si imbatranire, se vor determina pierderile dielectrice in functie de frecventa, pentru evaluarea prin comparare a starii functionale a izolatiei unui echipament energetic supus procesului de diagnosticare.
Procedura de diagnosticare va fi validata prin masurari pe transformatoare de putere si masura, cabluri electrice etc. in conditii de laborator si on-site.

Schema de realizare a proiectului:
Etapa de executie nr.1: Studiul tehnicilor de masurare pentru analiza dielectricilor
Perioada de executie a etapei nr.1: 01.10.2008– 27.02.2009
Valoarea totala a etapei nr. 1: 160 500 lei
De la buget: 100 500 lei
Cofinantare: 60 000 lei
Repartitia bugetului a fost dupa cum urmeaza:
CO - ICMET Craiova : 32 500 lei de la buget si 60 000 lei cofinantare
P1 - Universitatea din Craiova: 49 500 lei de la buget
P2 - Universitatea din Pitesti: 18 500 lei de la buget

Etapa de executie nr.2: Elaborarea de modele experimentale de sisteme de izolatie cu grade diferite de infestare si imbatranire termica si/sau electrica
Perioada de executie a etapei nr.2: 01.03.2009 - 30.10.2009
Valoarea totala a etapei nr. 2: 59 930 lei
De la buget: 59 930 lei
Cofinantare: 0 lei
Repartitia bugetului a fost dupa cum urmeaza:
CO - ICMET Craiova : 59 930 lei de la buget.

Etapa de executie nr.3: Experimentari pe modele experimentale de sisteme de izolatie
Perioada de executie a etapei nr.3: 30.10.2009 - 30.11.2010
Valoarea totala a etapei nr. 3: 191 442 lei
De la buget: 151 442 lei
Cofinantare: 40 000 lei
Repartitia bugetului a fost dupa cum urmeaza:
CO - ICMET Craiova : 32 500 lei de la buget si 60 000 lei cofinantare
P1 - Universitatea din Craiova: 49 500 lei de la buget
P2 - Universitatea din Pitesti: 18 500 lei de la buget

Etapa de executie nr.4: Demonstrarea funcţionalităţii şi utilităţii modelului de tehnologie de  investigare a izolaţiei bazată pe spectroscopia dielectrică
Perioada de executie a etapei nr.4: 30.11.2010 – 30.09.2011
Valoarea totala a etapei nr. 4: 371 052 lei
De la buget: 311 052 lei
Cofinantare: 60 000 lei
Repartitia bugetului a fost dupa cum urmeaza:
CO - ICMET Craiova : 259 193 lei de la buget
P1 - Universitatea din Craiova: 20273 lei de la buget
P2 - Universitatea din Pitesti: 31586 lei de la buget
P3 – Retrasib Sibiu : 30000 lei cofinantare
P4 – Electroputere Craiova: 30000 lei cofinantare

Etapa de executie nr.1: Studiul tehnicilor de masurare pentru analiza dielectricilor

Studiul elaborat a avut urmatoarea structura:

• Introducere
• Tehnici de masurare cunoscute si contributia lor la executarea unei diagnosticari obiective
  Concluzia din acest capitol a fost ca metodele de diagnosticare s-au dezvoltat rapid in ultimii ani si cu ele s-au obtinut rezultate credibile dar ele sunt influentate de urmatorii factori si aspecte:

• Temperatura izolatiei schimba puternic continutul de umezeala calculat
• Produsele de imbatranire dizolvate in ulei si depozitate in pressboard si hartie cresc conductivitatea intregii izolatii si simuleaza rolul apei
• In cazurile in care izolatia are o geometrie neuzuala precizia de calcul a continutului de umiditate scade
• Raspunsul dielectricului este influentat major de barierele si spatiile canalelor de ulei. In consecinta, raspunsul dielectricului indica umiditatea din izolatia principala si nu este la fel de sensibil la continutul de apa din izolatia existenta in jurul conductoarelor.
  
• Bazele teoretice ale raspunsului dielectric si calcularea functiei raspunsului dielectricului sub forma de curent, tensiune si pierderi
  In acest capitol a fost explicitata functia raspunsului dielectricului pentru diferite tipuri de modele propuse si a fost prezentata baza teoretica pentru analiza curentilor de relaxare (PDC), analiza tensiunii recuperate (RVM) si analiza factorului de putere in domeniul frecventa (FDS).
• Rezultate publicate ale aplicarii spectroscopiei dielectrice in domeniul timp si frecventa
  Concluziile acestui capitol sunt:
  • Software-ul de analiza RVM depinde puternic de conductivitatea uleiului. De asemenea, temperatura si geometria izolatiei influenteaza rezultatele desi, continutul de umiditate a hartiei a fost constant in timpul masurarilor
  • Analiza PDC este putin influentata de geometria izolatiei si are o slaba dependenta de temperatura. Continutul de umidate creste cu cresterea conductivitatii uleiului desi in realitate el a ramas constant
  • Analiza in domeniul frecventei (FDS) asigura cea mai buna compensare a geometriei izolatiei.Din analiza FDS rezulta ca celuloza se usuca mai repede cu cresterea temperaturii decat in realitate. Aceasta tendinta releva o compensare imperfecta a temperaturii.
• Consideratii asupra modelarii sistemelor izolate ale transformatoarelor de putere

  Criterii de selectie a programelor software utilizate pentru modelarea fenomenelor proprii spectrografiei dielectricului

Etapa de executie nr.2: Elaborarea de modele experimentale de sisteme de izolatie cu grade diferite de infestare si imbatranire termica si/sau electrica

Perioada de executie a etapei nr.2: 01.03.2009 - 30.10.2009
Valoarea totala a etapei nr. 2: 59 930 lei
De la buget: 59 930 lei
Cofinantare: 0 lei
Repartitia bugetului a fost dupa cum urmeaza:
CO - ICMET Craiova : 59 930 lei de la buget.

Obiectivele etapei:
- Stabilirea factorilor fizico-chimici care influenteaza starea functionala a izolatiei hartie-ulei
- Proiectarea modelelor experimentale pentru izolatia hartie-ulei
- Realizarea modelelor experimentale
- Elaborarea programului de pregatire a modelelor in scopul executarii masuratorilor de determinare a pierderilor dielectrice in functie de frecventa tensiunii care solicita dielectricul.

Rezumatul etapei de executie nr.2
In capitolul „Introducere” a fost fundamentat motivul care a condus la lansarea proiectului si anume introducerea unei tehnici noi de evaluare a continutului de apa din izolatia hartie-ulei a transformatoarelor. In mod traditional aceasta estimare se face indirect prin analiza uleiului pentru ca mostrele de ulei sunt usor de colectat. Din pacate, relatia dintre continutul de apa din ulei si cel din izolatia solida depinde de temperatura. In consecinta, continutul de umiditate din izolatia solida poate fi estimat prin asa numitele curbe de echilibru. Deoarece starea de echilibru este destul de rara la un transformator in functiune s-a pus problema gasirii de noi metode pentru aprecierea continutului de umiditate din izolatia solida a transformatorului bazate pe analiza raspunsului dielectricului. Importanta dezvoltarii acestor metode de masurare rezulta din faptul ca apa accelereaza procesul de imbatranire a celulozei cu consecinte directe asupra sigurantei in functionare a transformatoarelor.
In capitolul „ Distributia umiditatii in izolatia solida a transformatorului” a fost analizata izolatia hartie-ulei luand drept criteriu capabilitatea de a se umezi.
Au fost identificate urmatoarele tipuri de structuri:
- Structuri groase care reprezinta cca 50% din masa totala a izolatiei celulozice. Desi ele contin o cantitate semnificativa de umiditate au o contributie mica la migratia umiditatii catre sistemul izolant total datorita constantelor mari ale procesului de difuzie; de exemplu cativa ani la temperaturi normale de functionare (70-80°C)
- Structuri subtiri reci sunt considerate componentele izolante care functioneaza la temperatura uleiului cum sunt barierele de pressboard, terminalele de capat etc. Acestea reprezinta 20-30% din masa totala a materialelor celulozice. Aceste componente retin o cantitate mare de apa care este disponibila pentru migratia in timpul ciclurilor diurne de temperatura
- Structuri subtiri calde sunt cele care functioneaza la temperaturi apropiate de temperatura conductoarelor.
Aproximativ 5% din masa de materiale celulozice functioneaza la temperaturi ridicate. Migratia umiditatii este cea mai rapida in aceasta zona. Cu toate acestea, continutul de umiditate al componentelor din acest grup este semnificativ mai mic decat cel din „structurile subtiri reci” si prin urmare contributia la umiditatea totala care migreaza in interiorul si in afara uleiului este mica.

Concluzia extrasa din acest capitol: Mostrele pentru experimente trebuie sa fie realizate din categoria structurilor subtiri reci.

In capitolul „Distributia umiditatii in functie de zonele de temperatura” este clasificata izolatia transformatorului in functie de zonele de temperatura. Aceasta clasificare este importanta deoarece daca conditiile de mediu si de incarcare a transformatorului nu raman constante umiditatea in interiorul transformatorului se repartizeaza in functie de temperatura. Pe baza impartirii interiorului transformatorului in zone de temperatura si apreciind ca repartitia apei in ulei este uniforma se poate determina distributia umiditatii in izolatia transformatorului pe baza valorilor din curbele de echilibru.

Concluzia acestui capitol: Continutul de umiditate are o distributie inversa in comparatie cu temperatura, deoarece capacitatea celulozei de absortie a apei scade cu temperatura. In procesul de tratare termica a mostrelor de izolatie este important de stabilit domeniul de temperaturi.

In capitolul „Echilibrul continutului de umiditate” sunt tratate trei aspecte:
- Echilibrul termodinamic
- Utilizarea diagramelor de echilibru
- Migratia umiditatii in izolatia principala a transformatorului.

In functionarea dinamica a unui transformator distributia umiditatii tinde catre echilibru pentru realizarea unui regim stationar. Starea de echilibru depinde de temperatura, geometria si continutul de umiditate ale izolatiei. Transformatorul va fi privit ca fiind format din mai multe structuri va fi privit ca fiind format din mai multe structuri izolante cu diferite grosimi si temperaturi care tind catre echilibru avand uleiul ca mediu de schimb intre ele.
Avand in vedere ca solubilitatea apei in ulei si capacitatea de absortie a apei a materialelor celulozice sunt dependente de temperatura o schimbare a temperaturii are drept rezultat modificarea starii de umiditate a hartiei si uleiului. Odata cu cresterea temperaturii creste si solubilitatea apei in ulei in timp ce capacitatea de absortie a celulozei scade, astfel procesul de echilibru forteaza moleculele de apa sa migreze din celuloza in ulei.
La scaderea temperaturii materialele din celuloza absorb moleculele de apa din ulei. Apa este retinuta in ulei de catre componentele sale aromatice sau de impuritati. Ea poate de asemenea sa fie absorbita pentru hidratarea produselor polare rezultate din imbatranire.
In bobinele transformatorului distributia temperaturii pe directiile axiala si orizontala genereaza distributia umiditatii. Acest fenomen are drept rezultat un continut scazut de umiditate in zonele unde temperatura este ridicata. Umiditatea se echilibreaza mai repede intre straturile exterioare ale suprafetei izolatiei celulozice si uleiul inconjurator decat in volumul total al materialelor cu grosime mare. La temperaturi joase procesul migrarii umiditatii este concentrat catre starturile cu grosime mica.
In consecinta, umiditatea uleiului nu da informatii asupra umiditatii sistemului de izolatie solida. Pe de alta parte, aceasta nu variaza in timpul functionarii transformatorului cu o sarcina constanta. In acest context se poate concluziona ca masurarea umiditatii intregului sistem de izolatie solida poate fi considerata corecta chiar daca nu se obtine un echilibrul termodinamic total.
Procedeul utilizarii diagramelor de echilibru pentru obtinerea umiditatii din celuloza este afectat de urmatoarele tipuri de erori:
- Infestarea cu umiditate a uleiului prelevat
- Diagramele de echilibru sunt valabile numai in conditii de echilibru termodinamic
- Diferentele de temperatura mai mici de 30°C rezultate din distributia temperaturii in interiorul transformatorului nu sunt luate in considerare
- Curbele de echilibru sunt personalizate pentru materialul celulozic cu proprietati fizico-chimice cunoscute
- Celuloza imbatranita absoarbe mai greu umiditatea decat una noua.

In lucrare este prezentat un model matematic pentru difuzia umiditatii in materialele celulozice bazat pe ecuatiile celei de-a doua legi a lui Fick folosind pentru coeficientul de difuzie o valoare independenta de temperatura. Modelul matematic propus este util pentru lucrari de instalare a bobinelor in cuva transformatorului sau in lucrarile de reparatie la locul de functionare a transformatorului pentru estimarea contaminarii cu apa a unei izolatii uscate, impregnate cu ulei, in contact cu aerul.
In capitolele „Proiectarea si realizarea modelelor experimentale” au fost explicitate cerintele standardelor referitoare la imbatranirea prin mentinerea la temperatura ridicata (IEEE C57-100) precum si dimensiunile si natura mostrelor. Au fost elaborate procedurile de pregatire a fiecarui tip de mostra bazate pe experienta obtinuta prin experimentari. Luand in considerare ca abaterile de la tehnica de prelevare si pregatire a mostrelor au condus la rezultate neutilizabile au fost optimizate procedurile de lucru pana la obtinerea pe cale experimentala a reproductibilitatii rezultatelor. Au fost executate masurari comparative pe diverse tipuri de aparate pentru a aprecia ecartul erorilor pentru fiecare marime care urmeaza a fi masurata.

Concluzia etapei 2: Sunt indeplinite conditiile pentru inceperea experimentelor.