WYTRZYMAŁOŚĆ ELEKTRYCZNA OLEJU IZOLACYJNEGO

Zastosowanie olejów izolacyjnych

W elektrotechnice znajdują szerokie zastosowanie oleje mineralne, które są jednym z produktów destylacji ropy naftowej. Izolacyjne oleje mineralne zawieraj głównie węglowodory nasycone i należą do ciekłych dielektryków niepolarnych. Temperatura ich pracy nie przekracza 95°C, a stała dielektryczna wynosi niewiele ponad 2. Powyżej temperatury 140°C oleje mineralne obficie wydzielają palne gazy.

Coraz szerzej stosuje się również izolacyjne oleje syntetyczne, do których należą węglowodory chlorowane i fluorowane oraz silikony. Są to ciecze polarne, charakteryzują się większą stałą dielektryczną (ok. 5) oraz są bardziej odporne na wysokie temperatury niż oleje mineralne.

Dobre właściwości fizykochemiczne i dielektryczne olejów izolacyjnych pozwalają na szerokie ich stosowanie w urządzeniach wysokonapięciowych, w których mogą pełnić następujące funkcje :

1. elementu izolacyjnego, ze względu na znaczną wytrzymałość elektryczną,

2. czynnika poprawiającego wytrzymałość izolacji stałej uwarstwionej poprzez nasycenie jej olejem,

3. czynnika chroniącego izolację stałą przed dostępem wilgoci i powietrza,

4. czynnika chłodzącego,

5. czynnika ułatwiającego gaszenie łuku elektrycznego.

Ze wzglądu na tak szeroki zakres zadań produkuje się oleje różniące się znacznie swoimi właściwościami i przeznaczone do pracy w konkretnych urządzeniach, takich jak transformatory, kable, kondensatory, wyłączniki. I tak np. oleje przeznaczone do kabli masowych muszą charakteryzować się dużą lepkością ograniczającą ściekanie oleju. W przypadku kondensatorów pożądana jest z kolei wysoka stała dielektryczna.

Badania techniczne olejów izolacyjnych

Olej przeznaczony do pracy w urządzeniach wysokonapięciowych musi odznaczać się właściwościami fizykochemicznymi odpowiednimi do roli, którą spełnia. Do najczęściej spotykanych zastosowań należy olej do transformatorów i aparatury łączeniowej. W celu wszechstronnego sprawdzenia nowego oleju transformatorowego wykonuje się badania następujących jego właściwości:

1. wygląd i zawartość stałych ciał obcych,

2. zawartość wody ,

3. napięcie przebicia,

4. rezystywność skrośna,

5. współczynnik strat dielektrycznych ,

6. lepkość kinetyczna ,

7. temperatura zapłonu ,

8. temperatura płynięcia,

9. gęstość w temperaturze 20^oC ,

10. pozostałość po spopieleniu (< 0,005%) ,

11. całkowita liczba kwasowa (mg KOH/g < 0,03) ,

12. zawartość siarki aktywnej (brak)

13. stabilność gazowa w polu elektrycznym (mm³/mm < 5) n) odporność na utlenianie .

Zakres analizy oleju określają normy przedmiotowe dla poszczególnych urządzeń np. dla transformatorów o mocy do 1,6 MVA wykonuje próbę skróconą polegającą na sprawdzeniu parametrów podanych wyżej w punktach: a, b, c, d. Natomiast w przypadku oleju pobranego z transformatorów o mocy do 100 MVA i napięciu znamionowym do 220 kV wykonuje się badania według punktów: a, b, c, d, e, g, k.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

Badania oleju

Naszym zadaniem było przeprowadzenie skróconej wersji badań charakterystycznej dla olejów używanych w transformatorach o mocy 1,6 MVA.

Pomiar wytrzymałości elektrycznej oleju

Badanie wytrzymałości elektrycznej olejów izolacyjnych przeprowadza się w układzie elektrod kulowych przy odstępie międzyelektrodowym równym 2,5 ± 0,05 mm. Elektrody są fragmentami kul (czaszami) o średnicy 50 mm umieszczonymi w naczyniu porcelanowym. Przed badaniem iskiernik oraz naczynie powinno być umyte benzenem i wysuszone. Po napełnieniu naczynia olejem należy je odstawić na 10 min i dopiero przystąpić do pomiarów.

Pomiar napięcia przebicia oleju przeprowadza się w układzie wg rys. 5.4. Układ regulacyjny TR powinien zapewnić ciągłą regulację napięcia z prędkością 2 kV/s ± 20% i mieć moc większą niż 75% mocy transformatora probierczego TP. Transformator TP pracuje w układzie symetrycznym i daje napięcie ok. 60 - 80 kV. Pomiar napięcia odbywa się za pomocą woltomierza V z dokładnością 5%. Wyłącznik samoczynny WZ wyłącza układ w czasie t ≤ 0,01 s od chwili przebicia oleju. Prąd zwarcia na zaciskach wysokonapięciowych transformatora TP jest zawarty w granicach 20-50 mA dla napięć powyżej 15 kV. Współczynnik szczytu napięcia probierczego doprowadzonego do

badanej próbki OB powinien wynosić V2±5%.

Napięcie przebicia U_p próbki oleju przyjmuje się jako średnią arytmetyczną z 6 pomiarów. Po każdym przebiciu olej należy zamieszać i odczekać 5 min. przed następnym pomiarem. Należy również obliczyć względne odchylenie standardowe v jako

w którym s oznacza średnie odchylenie standardowe równe

a n jest liczbą pomiarów.

Jeżeli względne odchylenie standardowe v przekracza 20%, należy powtórzyć pomiary. W przypadku kolejnego uzyskania wartości v > 20%, wynik badania oleju należy uznać za negatywny. Badania wytrzymałości oleju winny odbywać się przy temperaturze 15÷35oC i wilgotności względnej powietrza 45÷75%.

Pomiar rezystywności skrośnej

Pomiary rezystywności oleju przeprowadza się w kondensatorach dwu, a najlepiej trójelektrodowych. Zaleca się wykonanie elektrod ze stali kwasoodpornej, a przekładek izolacyjnych - z kwarcu lub szkła boro-krzemowego. Kondensator pomiarowy powinien być łatwo rozbieralny, dawać możliwości dokładnego umycia wszystkich elementów oraz zapewniać kontrolę temperatury elektrody wewnętrznej. Jest wymagany 1 lub 2 mm odstęp między elektrodami, a rezystancja przekładki izolacyjnej powinna być, co najmniej stokrotnie większa od rezystancji badanej cieczy.

Przed pomiarami kondensator powinien być rozłożony i dokładnie umyty. Używane rozpuszczalniki muszą usuwać resztki dielektryku z poprzednich pomiarów, nie mogą zawierać rozkładających się składników i powinny należeć da grupy oznaczonej, jako czyste do analizy. W celu usunięcia rozpuszczalników poszczególne części kondensatora należy umyć w wodzie destylowanej i wysuszyć. Jeżeli kondensator służy do powtarzających się pomiarów cieczy tego samego rodzaju, można go, począwszy od drugiego pomiaru, wymyć przez dwu- lub trzykrotne płukanie badaną cieczą.

Temperatura pomiaru rezystywności jest określona przez normy przedmiotowe i np. dla oleju transformatorowego wynosi 50 i 90°C. Pomiar należy wykonać w chwili, gdy temperatura elektrody wewnętrznej różni się od wymaganej nie więcej niż o 1°C.

Przed napełnieniem kondensator należy nagrzać w termostacie do temperatury o 5°C wyższej od temperatury pomiarowej. Następnie należy kondensator wypłukać nagrzanym do tej samej temperatury badanym olejem, po czym napełnić i umieścić w termostacie. Pomiar rezystancji powinien być wykonany w czasie 10-20 min po napełnieniu.

Do pomiarów mogą być stosowane dowolne metody, jeżeli zostaną spełnione wymagania dotyczące dokładności pomiaru zestawione w tablicy 5.1.

Tab1ica 5.1 Dopuszczalny uchyb graniczny pomiaru rezystancji oleju izolacyjnego

Wartość mierzonej rezystancji Uchyb graniczny [%]

do 10^9 Ω od 10^9 Ω do 10^13 Ω 10^13 Ω do 10^15 Ω powyżej 10^15 Ω

Jeżeli na wynik pomiaru rezystancji materiału mogą mieć wpływ zjawiska polaryzacji i elektryzacji (tak może być w przypadku oleju), należy stosować wyłącznie metodę techniczną pomiaru.

Przepisy normalizacyjne zalecają w zależności od zakresu mierzonej rezystancji następujące metody pomiarowe:

• przy rezystancji poniżej 10¹³ Ω metodę techniczną z użyciem galwanometru,

• przy rezystancji powyżej 10¹³ Ω metodę techniczną z wykorzystaniem elektrometru.

Do pomiaru należy stosować źródło napięcia stałego o niestabilności nie większej niż 1% przy prądzie 1 mA. Prąd pojemnościowy wskutek pulsacji nie może przekraczać 5% prądu całkowitego. Natężenie pola w badanym dielektryku podczas pomiaru powinno wynosić 0,25 kV/mm, a odczyt należy wykonać po 1 min od chwili przyłożenia napięcia.

W każdej temperaturze należy wykonać 2 oznaczenia. Wyniki obu pomiarów nie mogą się różnić między sobą więcej niż 35% większej wartości. W przeciwnym przypadku należy wykonać dwa następne pomiary w dwóch kondensatorach pomiarowych. Za wynik pomiarów należy przyjąć średnią geometryczną otrzymanych wyników.

Wartość rezystywności ρ, w Ωm, należy obliczyć ze wzoru:

ρ =0.113 C_xpR

w którym R - wartość zmierzonej rezystancji [Ω], C_xp – pojemność kondensatora pomiarowego z powietrzem, jako dielektrykiem [pF].

Sposób wyznaczania zawartości stałych ciał obcych w oleju

W celu stwierdzenia obecności zawieszonych lub osadzonych na dnie cząstek obserwuje się warstwę oleju o grubości 10 cm w następujących warunkach:

• na tle białej powierzchni

• na tle czarnej matowej powierzchni

• w świetle przechodzącym słonecznym lub silnym sztucznym.

W przypadkach wątpliwych rozcieńcza się 100 ml badanego oleju w szklanej kolbie taką samą ilością benzyny wzorcowej, a następnie mieszaninę przesącza się przez sączek z bibuły i przemywa benzenem. Wizualnie stwierdzony brak osadu na sączku świadczy o nieobecności stałych ciał obcych w badanej próbce oleju.

Oznaczenie zawartości wody w oleju

Oznaczenie zawartości wody w badanej próbce oleju polega na stwierdzeniu braku wody metodą jakościową lub oznaczeniu ilościowym zawartości wody w oleju.

Metodę pierwszą - wykazania braku wody stosuje się przy badaniu oleju z transformatorów o mocy do 1,6 MVA. Metoda ta polega na stwierdzeniu, czy badany olej ogrzewany do określonej temperatury nie pieni się i nie wydaje charakterystycznych trzasków. Zgodnie z normą przy jakościowym oznaczaniu wody w oleju niezbędne są następujące przyrządy i materiały:

1. łaźnia olejowa z przykrywką z otworem do umieszczania próbówki,

2. próbówka o średnicy 15 mm i długości 150 mm, z korkiem, w którym znajduje się otwór do umieszczenia termometru, korek powinien mieć rowek wzdłuż tworzącej stożka,

3. termometr o skali do 200^oC,

4. trójnóg z siatką azbestową,

5. palnik,

6. olej mineralny do łaźni, o temperaturze zapłonu nie niższej niż 240^oC.

Procedurę oznaczania zawartość wody metodą jakościową przeprowadza się następująco:

• czystą i suchą próbówkę napełnia się do wysokości 80-90 mm badanym olejem, a następnie zamyka korkiem, w którym umieszczono współosiowo termometr, zbiornik termometru powinien znajdować się w odległości 20-30 mm od dna próbówki,

• próbówkę z olejem wstawia się do łaźni olejowej, napełnionej do wysokości 80 mm olejem ogrzanym do temperatury 175±5^oC. Próbówkę z badanym olejem należy tak umieścić w łaźni, aby poziom oleju w próbówce był o 10-20 mm wyższy od poziomu oleju w łaźni,

• obserwuje się zachowanie oleju w próbówce, gdy temperatura badanego oleju wzrasta w zakresie od 100^oC do 150^oC.

Należy uznać, że olej zawiera wodę, jeżeli w czasie próby badana próbka pieniła się i były słyszalne co najmniej dwa trzaski. Jeżeli badany olej tylko się pienił lub jeżeli nastąpił tylko jeden trzask, oznaczanie należy powtórzyć. Przy powtórnym oznaczaniu wystąpienie pienienia się oleju i jednego trzasku świadczy o obecności wody.

Protokół przeprowadzonych badań:

Badanie wytrzymałości elektrycznej:

W badaniach ograniczyliśmy się jedynie do trzech pomiarów.

Nr pomiaru	Wytrzymałość
1	22.9 [kV]
2	27.7 [kV]
3	23.1 [kV]

Średnia z trzech pomiarów: 24.6 [kV]

Zgodnie z przyjęta norma, iż do stosowania w transformatorze nadaje się olej o odporności na przebicie wyższej niż 30 kV. Testowany prze nas olej niestety, choć minimalnie, ale jednak nie spełnia tej normy.

Badanie rezystywności skrośnej:

Temperatura badania = 50^oC Rezystywność obliczamy ze wzoru: ρ =R*S/l

średnica=7,4 cm odległość =3mm

R=1,2*10⁵ Ω ρ=7,1*10⁵ Ωm

Temperatura badania = 20^oC Rezystywność obliczamy ze wzoru: ρ =R*S/l

średnica=7,4 cm odległość =3mm

R=3,3*10⁵ Ω ρ=1,9*10⁶ Ωm

Badanie zawartości obcych ciał stał:

Nie wykryto obcych ciał stałych

Badanie zawartości wody:

Nie wykryto

Wniosek

Olej nie spełnia wymagań technicznych