ĆWICZENIE 1 Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Charakterystyka ćwiczenia Materiałoznawstwo elektrotechniczne jest jednym z przedmiotów podstawowych, pozwalających na uzyskanie wiedzy niezbędnej dla zrozumienia konstrukcji i zasad działania urządzeń elektrycznych. Podczas ćwiczenia przedstawiane są (zarówno w formie prezentacji audiowizualnych, jak i rzeczywistych obiektów znajdujących się w laboratorium) różne konstrukcje urządzeń elektrycznych wraz ze wskazaniem poszczególnych ich elementów funkcjonalnych. Omówienie tych elementów prowadzi do wskazania typowych materiałów stosowanych w celu zapewnienia określonych własności technicznych. Szczególny nacisk jest położony na rodzaj i rolę poszczególnych materiałów konstrukcyjnych, przede wszystkim na ich własności elektryczne. Wiedza na ten temat stanowi podstawę dla projektowania, ustalania zasad doboru, badań i diagnostyki stosowanych w praktyce urządzeń elektrycznych. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wprowadzenie do zagadnień związanych z podzia- łem materiałów konstrukcyjnych stosowanych w elektrotechnice oraz omówienie ich wybranych, praktycznych aplikacji. Równocześnie wskazane są rodzaje badań własności materiałowych, które są przedmiotem pozostałych ćwiczeń prowadzonych w ramach Laboratorium. Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych 1. WPROWADZENIE Różnorodność typów urządzeń elektrycznych oraz wielość ich zastosowań sprawiły, że na przestrzeni lat opracowano dużą liczbę ich rozwiązań konstrukcyjnych z zastosowaniem różnych materiałów. Pewne grupy urządzeń można traktować jako podstawowe, a zastosowane w nich materiały pełnią identyczne lub podobne funkcje. Podział funkcjonalny materiałów stosowanych w elektrotechnice obejmuje między innymi materiały: " przewodzące: przewodowe: przeznaczone do wykonywania obwodów prądowych (np. w postaci kabli i przewodów); oporowe: stosowane w przypadku konieczności wykonania obwodów lub elementów o zwiększonej rezystancji (np. elementów grzejnych lub regulacyjnych); stykowe: charakteryzujące się niską rezystywnością i odpo- wiednimi własnościami mechanicznymi " izolacyjne stosowane w celu wzajemnego odseparowania obwodów i elementów czynnych pod napięciem (np. polietylen usieciowany XLPE dla kabli energetycznych najwyższych napięć); " półprzewodzące stosowane do produkcji m.in. elementów elektronicznych (diod, tranzystorów, czujników) oraz układów scalonych: analogowych (np. wzmacniaczy i przetworników) i cyfrowych (np. mikroprocesorów i pamięci); " magnetyczne stosowane do produkcji obwodów magnetycznych (np. rdzeni transformatorów); " transportujące ciepło stosowane dla zapewnienia poprawnej pracy i dotrzymanie parametrów technicznych urządzeń elektrycznych (np. ciecze chłodzące). Laboratorium Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego ma na celu zapoznanie z różnego rodzaju materiałami stosowanymi w konstrukcjach urządzeń elektrycznych, charakteryzującymi je parametrami technicznymi oraz metodami ich pomiarowego wyznaczania. Wiedza ta stanowi podstawę dla innych przedmiotów specjalistycznych obejmujących projektowanie, zasady doboru, badania i diagnostykę tego typu urządzeń. 2 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych 4. PRZEGLD PODSTAWOWYCH KONSTRUKCJI URZDZEC ELEKTRYCZNYCH Urządzenia elektryczne są konstruowane przy wykorzystaniu wielu materia- łów o zróżnicowanych właściwościach elektrycznych i magnetycznych. Przy doborze materiałów uwzględniane są także ich właściwości mechaniczne oraz cieplne. Materiały stosowane do budowy urządzeń elektrycznych mają zwykle postać stałą lub ciekłą. Wykorzystywane są także gazy oraz ich mieszaniny. Właściwości zastosowanych materiałów mają zasadniczy wpływ na parametry oraz niezawodność pracy konstruowanych urządzeń. 6 5 4 3 2 1 Rys. 1. Elementy konstrukcyjne transformatora energetycznego: 1 uzwojenia izolowane papierem i preszpanem nasyconymi olejem, 2 - kadz wypełniona olejem izolacyjnym, 3 - konserwator, 4 - izolatory przepustowe, 5 - rdzeń ferromagnetyczny, 6 - przełącznik zaczepów W urządzeniach elektrycznych wyróżnia się obwód prądowy, układ izolacyjny oraz obwód magnetyczny (rys. 1). W transformatorach, maszynach elektrycznych, przekładnikach prądowych i napięciowych układ prądowy stanową uzwojenia. Transformatory energetyczne zawierają dwa lub trzy uzwojenia w każdej fazie. Rozwiązania konstrukcje uzwojeń są różnorodne i zależą głównie od napięcia znamionowego i mocy transformatora. Najczęściej są stosowane uzwojenia cewkowe i warstwowe. Również budowa uzwojeń stojanów i wirników maszyn elektrycznych jest specyficzna dla danego typu maszyny, a także zależna od napięcia znamionowego i mocy maszyny. Uzwojenia transformatorów i maszyn elektrycznych są wykonywane głównie z miedzi. 3 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Do budowy układów izolacyjnych transformatorów stosowane są głównie materiały wykonane z celulozy oraz ciecze izolacyjne. W układach elektroenergetycznych są stosowane najczęściej transformatory z izolacją papierowo-olejową (rys. 2). Podstawowymi materiałami stałymi są: papier izolacyjny oraz preszpan. Oleje izolacyjne (najczęściej mineralne, będące produktami przerobu ropy naftowej), nasycają izolację stałą i wypełniają przestrzeń w otoczeniu uzwojeń. Transformatory na napięcia średnie (do 110 kV) są wykonywane także jako suche. Ich układ izolacyjny zawiera tylko materiały wykonane z włókna szklanego i tworzyw sztucznych (rys. 3). Rys 2. Widok uzwojeń transformatora z izolacją papierowo-olejową Rys 3. Widok uzwojeń transformatora z izolacją suchą 4 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Obwody magnetyczne transformatorów i maszyn elektrycznych są wykonywane najczęściej ze stali elektrotechnicznej zawierającej niewielki dodatek krzemu w celu zmniejszenia strat energii. Rdzenie magnetyczne zawierają blachy izolowane elektrycznie. Pracują także transformatory z rdzeniami wykonywanymi z materiałów magnetycznych amorficznych. Całkowite straty energii w tych materiałach są około trzykrotnie mniejsze od strat w stali elektrotechnicznej. Rys. 4. Transformator rozdzielczy z izolacja papierowo-olejową i rdzeniem amorficznym o zredukowanych o 50% startach w żelazie (Hitachi) Układy izolacyjne maszyn elektrycznych są narażane podczas pracy na oddziaływanie nie tylko pól elektrycznych i termicznych, ale także dużych naprężeń mechanicznych. Ma to miejsce szczególnie w maszynach wirujących, w których można wyróżnić nieruchomy stojan i ruchomy (obracający się) wirnik (rys. 5). Z tego powodu materiały izolacyjne stosowane w maszynach powinny zachowywać dużą rezystywność i wytrzymałość elektryczną również w podwyższonej temperaturze i przy oddziaływaniu sił mechanicznych. Układy izolacyjne maszyn elektrycznych są wykonywane przy zastosowaniu różnorodnych materiałów izolacyjnych pochodzenia naturalnego - takich jak włókna szklane, preszpan - oraz materiałów syntetycznych lub materiałów kompozytowych. 5 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych a) b) c) Rys. 5. Przekrój i elementy konstrukcyjne generatora: a) przekrój modelu generatora; b) wirnik; c) stojan 6 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Przekładniki prądowe i napięciowe na wysokie napięcia są wykonywane z izolacją papierowo-olejową lub z sześciofluorkiem siarki (SF6). Rdzenie magnetyczne i uzwojenia są umieszczone w osłonach metalowych i izola- torach osłonowych - najczęściej porcelanowych. Przekładniki budowane na napięcia średnie mają kształt zwartego bloku, w którym rdzeń wraz z uzwoje- niami jest zalany żywicą epoksydową (rys. 6). a) b) 1 2 3 4 Rys. 6. Przekładnik napięciowy 20kV/100V (a) oraz przekrój przekładnika prądowego (b): 1 - uzwojenie pierwotne, 2 - uzwojenie wtórne, 3 rdzeń ferromagnetyczny, 4 - układ izolacyjny z żywicy epoksydowej 7 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Kable elektroenergetyczne są wykonywane jako trójżyłowe oraz jako jednożyłowe (rys. 7 i 8). W produkcji żył przewodzących kabli są stosowane miedz i aluminium. Budowa układu izolacyjnego kabla jest zależna głównie od napięcia znamionowego kabla oraz zastosowanego materiału izolacyjnego. Rys. 7. Przekrój kabla 3-żyłowego z izolacją polietylenową Rys. 8. Konstrukcje kabli wysokich napięć z izolacją papierową nasycaną olejem 8 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Materiałem izolacyjnym zastosowanym najwcześniej w przemyśle kablowym jest papier kablowy nasycony. Jest on wykonywany z masy celulozowej siarczanowej sosnowej. Syciwo kablowe zwykłe składa się z oleju kablowego i kalafonii sosnowej. Zajmuje ona około 25 % objętości syciwa. W syciwie nieściekającym olej jest zagęszczany dodatkowo przez dodanie wosków syntetycznych (np. polietylenowego). Kable wysokich napięć są nasycane olejem izolacyjnym. Przekrój kabla elektro- energetycznego z izolacją papierową nasycaną przedstawiono na rysunku 9. Układy izolacyjne kabli elektroenergetycznych są wykonywane także z materiałów izolacyjnych syntetycznych. Szeroko jest stosowany w tym celu polietylen XLPE stosowany głównie w kablach wysokich i najwyższych napięć (rys. 10). Do budowy kabli na napięcia nie przekraczające 10 kV jest wykorzystywany także polichlorek winylu. Układy izolacyjne kabli średniego napięcia są wykonywane również z gumy etylenowo-propylenowej EPR, której głównym składnikiem jest kauczuk - przeważnie syntetyczny. 1 2 3 4 5 6 7 Rys. 9. Przekrój 3-fazowego kabla elektroenergetycznego z izolacją papierową nasycaną: 1 - żyła przewodząca, 2 - izolacja elektryczna, 3 - ekran półprzewodzący, 4 - wypełnienie z materiału izolacyjnego, 5 izolacyjna taśma elastyczna, 6 - pancerz ołowiany, 7 - powłoka zewnętrzna ochronna 9 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Rys. 10. Konstrukcja kabla elektroenergetycznego wysokiego napięcia z izolacją polietylenową XLPE Zewnętrzne układy osłaniające zawierają niekiedy wiele warstw wykonanych z różnych materiałów, których celem jest ochrona wnętrz kabli przed wnikaniem wody oraz narażeniami mechanicznymi. Konstrukcja tych układów jest zależna głównie od zastosowanego materiału izolacyjnego. Zawierają one między innymi powłokę ołowianą - w kablach papierowych nasycanych i polietylenowych - powłokę wykonaną z taśm lub drutów stalowych oraz warstwę zewnętrzną polwinitową. Tory prądowe wyłączników są wykonywane głównie ze stopów metali. Do budowy komór gaszeniowych są stosowane materiały izolacyjne o dużej wytrzymałości mechanicznej i odporności na wysokie temperatury, których zródłem jest łuk elektrycznych palący się podczas procesu wyłączania. Są to głównie żywice epoksydowe wzmacniane włóknem szklanym oraz porcelana. Wyłączniki różnią się głównie medium wypełniającym przestrzeń wnętrze komory gaszeniowej. Są nimi: olej izolacyjny, sprężone powietrze, sześciofluorek siarki lub próżnia. W zależności zastosowanego materiału izolacyjnego wyróżnia się więc: " wyłączniki małoolejowe, " pneumatyczne, " z sześciofluorkiem siarki " wyłączniki próżniowe. Wyłączniki na napięcie 110 kV i wyższe są wytwarzane jako wyłączniki z SF6 oraz wyłączniki pneumatyczne. W sieciach średnich napięć są natomiast stosowane wyłączniki małoolejowe, z sześciofluorkiem siarki oraz próżniowe. Przekrój wyłącznika próżniowego przedstawiono na rys. 11. Styki wyłącznika są umieszczone w komorze gaszeniowej próżniowej. 10 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych 1 2 3 4 5 Rys. 11. Przekrój wyłącznika próżniowego: 1- komora próżniowa, 2 - styki przewodzące, 3 -osłona porcelanowa, 4 - izolatory wsporcze z tworzyw sztucznych, 5 - napęd mechaniczny 1 2 3 Rys. 12. Uproszczony widok odłącznika: 1- tor prądowy, 2- izolatory wsporcze porcelanowe, 3-napęd styków odłącznika 11 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Oprócz wyłączników w układach elektroenergetycznych i instalacjach elektrycznych są stosowane także inne łączniki takie jak bezpieczniki, zwierniki, uziemniki, rozłączniki i odłączniki. Ich przeznaczenie jest różnorodne. Na przykład odłączniki wysokiego napięcia są łącznikami umożliwiającymi zamykanie i otwieranie obwodów w stanie bezprądowym. Uproszczony widok odłącznika wysokiego napięcia przedstawiono na rysunku 12. Konstrukcję wsporczą, zapewniającą jednocześnie odpowiednią izolację elektryczną toru prądowego odłącznika od ziemi, stanowią izolatory porcelanowe. Izolatory pełnią ważne funkcje konstrukcyjne w układach elektroenerge- tycznych, stanowiąc elementy separujące obwody pod napięciem i zapew- niając odpowiednie własności mechaniczne. Rysunek 13 przedstawia trzy rodzaje izolatorów ceramicznych. Ważnym materiałem izolacyjnym, stoso- wanym od wielu dziesięcioleci jest szkło na rysunku 14 pokazano dwa izolatory szklane stosowane na liniach niskiego napięcia. a) b) c) Rys. 13. Przykłady konstrukcji izolatorów ceramicznych: a) izolator wiszący długopniowy; b) izolator stojący pniowy; c) izolator trakcyjny 12 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Rys. 14. Izolatory szklane: N-80 (po lewej) i N-95 (po prawej) Do przeprowadzania szyn prądowych wysokiego napięcia przez obudowy metalowe urządzeń elektrycznych oraz przez ściany rozdzielni wnętrzowych są stosowane izolatory przepustowe (rys. 15). Szyna prądowa, najczęściej miedziana, jest umieszczona w izolacji porcelanowej lub wykonanej z tworzywa sztucznego. Układ izolacyjny izolatorów prze- pustowych pracujących przy wysokich napięciach jest jednak bardziej złożony. Zawiera on warstwę izolacji papierowo-olejowej umieszczoną w izolatorze osłonowym, wykonanym zwykle z porcelany. a) b) 1 2 3 Rys. 15. Konstrukcje izolatorów przepustowych: a) izolator przepustowy generatorowy; b) przekrój izolatora przepustowego: 1 - szyna przewodząca, 2 - izolacja elektryczna papierowo-olejowa, 3 - osłona porcelanowa 13 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Ograniczniki przepięć, stosowane do ochrony przepięciowej urządzeń elektrycznych, składają się zwykle z jednej kolumny warystorów umieszczonych wewnątrz osłony izolacyjnej (rys. 16). Warystory są wykonane z tlenków metali. Największą część objętości warystorów stanowi tlenek cynku. Takie warystory wyróżniają się silnie nieliniową charakterystyką napięciowo-prądową zapewnia- jącą skuteczną ochronę przeciwprzepięciową urządzeń. Osłony ograniczników są wykonywane z porcelany lub z materiałów izolacyjnych sztucznych. 1 2 Rys. 16. Beziskiernikowe ograniczniki przepięć: a) ogranicznik w obudowie z tworzyw sztucznych; b) przekrój ogranicznika przepięć (1- stos warystorów z tlenków metali, 2 osłona izolacyjna) Urządzeniami elektrycznymi o interesującej konstrukcji są rozdzielnie osłonięte z izolacją gazową GIS (Gas Insulated Substation). Zawierają one bowiem wiele urządzeń umieszczonych w hermetycznych zbiornikach o zło- żonej konstrukcji, mających postać rur (rys. 17). Wnętrza zbiorników, zawierające m.in. szyny prądowe instalowane na izolatorach odstępni- kowych, wypełnia sześciofluorek siarki o podwyższonym ciśnieniu (rys. 18). Zbiorniki, wykonywane ze stali lub stopów aluminium, są wykorzystywane również jako konstrukcja wsporcza rozdzielni. 14 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Rys. 17. Fragment rozdzielni wnętrzowej z izolacją gazową GIS (wyłącznik 350kV-2,5kA/50kA) Rys. 18. Przekrój rozdzielni z izolacją z sześciofluorkiem siarki (SF6 ) Osłony rozdzielni gazowych są dzielone na szczelne komory zawierające jedno lub kilka urządzeń. Konstrukcje aparatury łączeniowej oraz innych urządzeń w rozdzielniach z SF6 różnią się od konstrukcji urządzeń montowanych w rozdzielniach napowietrznych i wnętrzowych. Wymiary urządzeń do rozdzielni gazowych są mniejsze od wymiarów urządzeń tradycyjnych i są one przystosowane tylko do rozdzielni gazowej jednego typu. Układy izolacyjne tych urządzeń zawierają oprócz sześciofluorku siarki również materiały izolacyjne z tworzyw sztucznych. 15 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Efektem intensywnie prowadzonych prac badawczych są nowe konstrukcje urządzeń wykorzystujących zjawisko nadprzewodnictwa. Są to konstrukcje bardzo złożone, zawierające szereg nowych materiałów i rozwiązań, łączących w sobie różne cechy i własności. Ich budowa oraz praktyczne wykorzystanie na szerszą skalę, będą możliwe dzięki opanowaniu technologii produkcji materiałów nadprzewodzących wysokotemperaturo- wych oraz układów izolacyjnych pracujących w bardzo niskich tempera- turach. ciekły azot ciekły azot 1 2 3 4 3 5 6 Rys. 17. Konstrukcja tzw. zimnego kabla HTS: 1 rura stanowiąca rdzeń z chłodzący ciekłym azotem (LN); 2 przewód fazowy z taśm nadprzewodzących; 3 niskotemperaturowa izolacja polimerowa; 4 ekran z taśm nadprzewodzących; 5 dwuścienna rura ze stali nierdzewnej (kriostat); 6 zewnętrzny płaszcz ochronny ciekły azot ciekły azot 1 2 3 4 5 Rys. 18. Konstrukcja tzw. ciepłego kabla HTS: 1 rura stanowiąca rdzeń z chłodzącym ciekłym azotem (LN); 2 przewód fazowy z taśm nadprzewodzących; 3 dwuścienna rura ze stali nierdzewnej (kriostat); 4 izolacja polimerowa; 5 zewnętrzny płaszcz ochronny 16 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Rysunki 17 i 18 przedstawiają dwie konstrukcje nadprzewodzących kabli energetycznych typu HTS (High Temperature Superconductor): tzw. zimnego z niskotemperaturową izolacją wysokonapięciową i tzw. ciepłego z izolacją pracującą w temperaturze otoczenia. Duże znaczenie w elektrotechnice mają elementy półprzewodnikowe. W odróżnieniu od elektroniki czy telekomunikacji zastosowanie mają przede wszystkim diody, prostowniki sterowane (tyrystory i triaki) oraz tranzystory bardzo dużych mocy o prądach przewodzenia sięgających tysięcy amperów i napięciach wstecznych rzędu kilowoltów. Są one elementami konstrukcyj- nymi układów sterowania napędami, prostowników i falowników, tworzących często układy o bardzo dużej mocy (rys. 19). Specjalna konstruk- cja pozwala na ich szeregowe łączenie dla zwiększenia możliwości (rys. 20). Rys. 19. Widok zaworów tyrystorowych stacji przekształtnikowej prądu stałego 300MW 125kV/2500A 17 Ćwiczenie 1: Materiały w konstrukcjach urządzeń elektrycznych Rys. 20. Tyrystor dużej mocy 4,0kA/4,5kV wykonany w technologii GCT (Gate-Commutated Thyristor) 2. WYKONANIE ĆWICZENIA W czasie ćwiczenia należy zapoznać się z obiektami technicznymi zgromadzonymi w Laboratorium, zwracając uwagę na ich budowę oraz zastosowane materiały. 3. SPRAWOZDANIE W sprawozdaniu należy opisać budowę dwóch spośród obiektów, z którymi zapoznano się w trakcie ćwiczenia. Prowadzący ćwiczenie określa szczegółowy zakres sprawozdania dla każdej z grup. W opisie należy zwrócić uwagę na rodzaj i rolę poszczególnych materiałów. LITERATURA 1. Transformatory rozdzielcze olejowe trójfazowe. Katalog firmowy ABB Elta Sp. z.o.o. Edycja:04/98 2. Trójfazowe silniki indukcyjne. Jednofazowe silniki indukcyjne, wykonania specjalne. Fabryka silników elektrycznych Tamel S.A. Katalog firmowy 3. Markiewicz H.: Urządzenia elektroenergetyczne. WNT, Warszawa, 2001 4. Praca zbiorowa: Inżynieria wysokich napięć (tom I), Wydawnictwa Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1996 5. Bełdowski T., Markiewicz H.: Stacje i urządzenia elektroenergetyczne. WNT, Warszawa, 1992 6. Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. WNT, Warszawa, 1998 7. Materiały informacyjne ze stron internetowych producentów: www.abb.com., www.alstom.com, www.hitachi.com, www.meppi.com, www.siemens.com, www.tmt-d.com, www.ultera.net , www.zapel.com.pl 18