Konference ANSYS 2009 Simulace elektrostatického pole při experimentálním zjišťování průrazné pevnosti transformátorového oleje Martin Marek, Radoslav Špita VŠB-TU Ostrava, FEI, Katedra elektrických strojů a přístrojů Abstract: The paper contains the experimental analysis results focused on temperature effects determination on values of electrics breakdown strength of type s transformer oil with simulation of electrostatic field of electrode system area by software ANSYS. The paper publishes the results achieved within Diploma Thesis solution. Keywords: Transformer oil, electrical breakdown strength of oil, effect of temperature. 1. Úvod Významnou část transformátorů a tlumivek určených pro vnější prostředí tvoří uzavřená nádoba v níž je uložen vlastní magnetický obvod s vinutím transformátoru nebo tlumivky a dále pak olej jakožto vlastní chladící a izolační médium. Provedení těchto transformátorů se značně liší především podle hladiny napětí, výkonu transformátoru, návrhu a konstrukce výrobce a to především v provedení chladících prvků nádoby. Lze se tak setkat s nádobou s chladícími žebry v podobě vlnovce, trubkovými chladiči, nebo jinými průtočně radiačními prvky. Základní izolačně chladící princip však zůstává stejný. Samotný chladící efekt využívá tepelné roztažnosti oleje. Objemová změna oleje ohřívajícího se vinutím a magnetickým obvodem způsobuje jeho menší specifickou hmotnost a tím vztlakové vytlačovaní teplého oleje vzhůru společně s přetlakováním uzavřeného objemu oleje v nádobě. Olej v blízkosti chladicích elementů je ochlazován odvodem tepla do okolí a takto ochlazený olej opačně proudí ke dnu. Výsledkem tohoto procesu je cirkulace oleje uvnitř nádoby. Výpočtově a návrhově tento proces komplikují především značně se měnící parametry oleje na teplotě, jako například samotná tepelná roztažnost a viskozita. Významný vliv na chladící účinek má rovněž i stav oleje a proces jeho stárnutí. Podstatným parametrem oleje pro správnou činnost takového transformátoru je rovněž elektrická pevnost. Obecně se uvádí že elektrická pevnost transformátorového oleje dosahuje vysokých hodnot cca 10x kv/mm. Tato elektrická pevnost však silně závisí na mnoha parametrech, na stavu oleje, jeho čistotě, množství obsažené vody, rozpuštěných látek, obsahu plynů, teplotě, atd. Podrobnější popis a rozbor všech těchto jevů nelze uvést v tomto příspěvku. Základním parametrem který velmi výrazně ovlivňuje snad všechny podstatné parametry transformátorových olejů je teplota. Tento příspěvek je věnován popisu a výsledkům experimentální práce zaměřené na zjišťovaní vlivu teploty na velikost průrazné pevnosti typového transformátorového oleje. Závislost průrazné pevnosti tr. olejů je totiž poněkud specifická a uvádí se že v oblasti klimatických teplot průrazná pevnost s rostoucí teplotou výrazně narůstá.
TechSoft Engineering & SVS FEM 2. CÍLE A POPIS EXPERIMENTÁLNÍ ANALÝZY Cílem experimentální analýzy bylo posoudit vliv teploty na velikost průrazného napětí typového čistého transformátorového oleje který je dostupný na českém trhu a je rovněž prakticky aplikován a průmyslově využíván. Pro vlastní experiment byl vybrán minerální neinhibovaný transformátorový olej Shell Diala D používaný jednou firmou pro chlazení VN zhášecích tlumivek. Základní fyzikální a chemické vlastnosti tohoto oleje jsou uvedeny v následující tabulce, podrobnější informace lze nalézt například [1]. Shell Diala D: Fyzikální stav : Kapalina za běžných teplot Barva: Světle žlutá Zápach: Charakteristický pro minerální oleje Bod tuhnutí: -60 C Bod vzplanutí: 136 C Bod varu: > 280 C Samozápalná teplota: > 320 C (typická) Kinetická viskozita: 10,2 mm 2 /s při 40 C Tlak par <0,5 Pa při 20 C hustota 887 kg/m 3 při 15 C Rozpustnost ve vodě zanedbatelná Tab. 1. Základní parametry oleje Shell Diala D. Pro vlastní testovaní průrazné pevnosti oleje byla připravena uzavřená skleněná nádoba s elektrodovým systémem jak je patrné z obr.č.1. Elektrody byly vyrobeny z mosazných tyčí průměru 8mm s polokulovým zakončených o poloměru 4mm. Nosná část elektrod umožňující nastavení vzdálenosti elektrod pak byla vyrobena ze sklotextitu a hliníkových dílců. Obr. 1. Provedení testovací nádoby a elektrodového systému Uspořádání napájecího a měřícího systému je patrné z obr.č.2 a následného schématu zapojení. Základní části tohoto obvodu tvoří, VN transformátor s regulačním autotransformátorem, VN sonda AC-25kV s převodem 1000:1 a impedančním přizpůsobením pro multimetry, blok měření proudu v podobě přesný snímací rezistor a multimetr. Jako zdroj VN napětí byl použit VN rozptylový transformátor určený pro napájení neonových trubic 230V/10kV s maximálním výstupním proudem 100mA. Výhodou tohoto transformátoru je vysoká bezpečnost, malý výstupní proud a výkon po zapálení oblouku. Nevýhodou je pak ne zcela harmonický sinusový průběh výstupního napětí.
Konference ANSYS 2009 Obr. 2. Uspořádání a schéma zapojení napájecího a měřícího systému 3. POPIS PROVEDENÝCH EXPERIMENTÁLNÍCH MĚŘENÍ Vlastní měření průrazné pevnosti uvedeného transformátorového oleje bylo rozděleno do dvou částí: část A) Měření při pokojové teplotě pro různé vzdálenosti elektrod část B) Měření pro různé teploty oleje při konstantní vzdálenosti elektrod Popis a výsledky části A) Průrazná pevnost oleje pro různou vzdálenost elektrod První část měření průrazné pevnosti byla tedy provedena za standartních laboratorních klimatických podmínek při teplotě oleje a okolí 20 C. Cílem této části bylo pomocí opakovaných měření stanovit velikost průrazného napětí a elektrické pevnosti oleje při nastavených různých vzdálenostech elektrod d= 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 mm. Uspořádání měřícího pracoviště odpovídá obr.č2. Měření průrazné pevnosti bylo na každé vzdálenosti elektrod 5x opakováno. Při každém testu bylo zatěžovací napětí postupně pozvolna zvyšováno v krocích 500V. Každý krok při tomto zvyšovaní napětí byl ponechán po dobu 15s a byl při něm odečten efektivní proud procházející dielektrikem. Výsledky hodnot průrazného napětí zjištěné při těchto testech jsou uvedeny v tabulce č.2 v následujícím grafu na obr.č.3 jsou tyto údaje vyneseny graficky. vzdálenost elektrod (mm) Test1 Test2 Test3 Test4 Test5 Up-ave [kv] 0,2mm 2,5 3,5 4,5 4 5,5 4 0,3mm 8 7,5 7 8 9 8 0,4mm 11 11 11 10 9 10,4 0,5mm No No No No No No Tab. 2. Hodnoty průrazných napětí pro jednotlivé testy (efektivní hodnoty).
TechSoft Engineering & SVS FEM Obr. 3. Velikost změřeného průrazného napětí při jednotlivých testech Obr. 4. Ukázka velikosti proudu před průrazem pro měření d=0,4mm Popis a výsledky části B) Průrazná pevnost oleje v závislosti na teplotě Druhá a hlavní experimentální část měření průrazné pevnosti byla zaměřena na zjišťování vlivu teploty na velikost průrazného napětí a elektrické pevnosti oleje. Měření bylo provedeno za pomocí klimatické komory za účelem přesného nastavení a stabilizace teploty oleje. Použita byla klimatická komora Vötsch VC 4018 umožňující nastavit a stabilizovat teplotu v komoře v rozsahu -40 až 180 C. Provedení klimatické komory a upořádání pracoviště je uvedeno na obr.č.5. Vlastní měření průrazné pevnosti oleje bylo provedeno pro teploty v rozsahu -35 až 100 C. Jednotlivé nastavené teploty byly -35, -20, 0, 20, 40, 60, 80, 100 C. Po dosažení požadované teploty v komoře byla vždy ponechána stabilizační doba minimálně 60min. Vzdálenost elektrod při tomto měření byla konstantní d=0.4mm. Měření při každé teplotě bylo rovněž 5x opakováno. Postup napěťového zatěžovaní byl stejný jako v předešlém případě, postupným zvyšováním napětí s krokem 500V a měřením proudu dielektrika. Dosažené výsledky průrazné pevnosti zjištěné v jednotlivých testech v závislosti na teplotě jsou uvedeny v tabulce a grafu na následující straně.
Konference ANSYS 2009 Obr. 5. Uspořádání pro měření teplotní závislosti Up s klimatickou komoru Teplota T [ C] Up-ave [kv] 100 11 No 12 12 12 11,75 80 11,5 11,5 11,5 11 11 11,3 60 6 11 8 6,5 10,5 8,4 40 No 8,5 No 8 6,5 7, 7 20 7 7,5 7 6 7 6,9 0 5,5 4 7 6 6,5 5,8-20 5 4 4 3,5 4 4,1-35 5,5 3 2,5 2,5 3 3,3 Tab. 3. Hodnoty průrazného napětí pro jednotlivé testy a teploty Obr. 6. Velikost změřeného průrazného napětí a pevnosti pro jednotlivé testy a teploty oleje Z uvedených výsledků je patrné, že pro určité teploty a opakování testů se velikost průrazného napětí v některých případech značně mění. Toto je způsobeno procesy a změnami složení oleje po provedení zápalu a hoření oblouku v oleji. Olej je hořením oblouku rozkládán a zplyňován, rovněž dochází k lokálnímu ohřátí oleje a opalovaní elektrod. Vzniklé nečistoty a další vlivy tak ovlivňují výsledky dalšího testu. Hlavním závěrem uvedených experimentů je potvrzení faktu že průrazná pevnost oleje v daném teplotním rozsahu s rostoucí teplotou stoupá. Prověření tohoto jevu bylo základním cílem práce.
TechSoft Engineering & SVS FEM Následující graf znázorňuje střední velikosti změřených proudů dielektrikem před průrazem, zjištěných z jednotlivých testů provedených na daných teplotách oleje. Obr. 7. Velikost proudu před průrazem pro jednotlivé testované teploty 4. KONTROLNÍ SIMULACE ELEKTROSTATICKÉHO POLE Další část práce byla zaměřena na posouzení velikosti a rozložení elektrostatického pole elektrodového systému použitého pro experimentální testování průrazné pevnosti oleje. Za tímto účelem byl připraven 2D axisymetrický model rozměry odpovídající skutečné konfiguraci elektrod. Provedení modelu je ukázáno na obr.č.8. Uvedený model byl vytvořen a počítán v FEM software ANSYS-Emag. Vlastní výpočet rozložení elektrostatického pole byl proveden statickou analýzou s respektováním kapacitní sítě. Zátěžné napětí bylo aplikováno v rozsahu 1-15 kv s krokem 1kV. Modelové zátěžné napětí tak odpovídá maximálním hodnotám z efektivních hodnot získaných při měření. Uvedený model odpovídá vzdálenosti elektrod d=0,4mm. Obr. 8. Ukázky provedení výpočtového modelu Ukázky vypočteného rozložení elektrostatického pole pro zvolené hodnoty napětí jsou uvedeny v následující tabulce. Z uvedených výsledků je dobře patrná velikost a rozložení intenzity elektrostatického pole namáhající olej v oblasti elektrodové testovací mezery.
Konference ANSYS 2009 Elektrický potenciál U(kV) (celí model, stupnice 0-15kV) Intenzita el. pole (V/m) (detail mezery, stupnice 0-40 kv/mm) Umax = 15.000 V Umax = 10.000 V Umax = 5.000 V Tab. 4. Ukázky vypočteného rozložení el.stat. pole pro zátěžné napětí 5,10,15 kv
TechSoft Engineering & SVS FEM Uvedených výsledků simulace elektrostatického pole lze vhodně využít pro kontrolu případně korekci určení průrazné elektrické pevnosti zjištěné při měřené. Pro porovnání je v následující tabulce uveden příklad porovnání lineárně určené průrazné pevnosti určené pro měření průrazného napětí na vzdálenosti elektrod 0,4mm a základní teplotu s výsledky vypočtené intenzity elektrostatického pole modelově pro odpovídající zatěžovací napětí. Up-ef (kv) Hodnoty z měření Up-max (kv) Ep-lin (kv/mm) Umod-max (kv) Hodnoty z modelové simulace Ep-max In gap (kv/mm) Ep-avg In gap (kv/mm) 10,4 14,7 36,7 15 38 37 Tab. 5. Porovnání typové elektrické pevnosti oleje určené z měření a FEM simulace Jak je patrné z uvedené tabulky je shoda určení elektrické pevnosti lineárním dělením v tomto případě velmi vysoká, jak potvrzují výsledky dosažené pomocí FEM simulace. 5. ZÁVĚR Příspěvek publikuje výsledky analýzy zaměřené na experimentální zjišťovaní průrazné pevnosti typového transformátorového oleje a především zjišťování vlivu teploty na průraznou pevnost tohoto oleje. Uvedené výsledky prezentují časově náročnou experimentální práci. Experimentálně zjištěná teplotní závislost průrazné pevnosti oleje potvrzuje teoreticky publikovaný jev nárůstu průrazné pevnosti s rostoucí teplotou v teplotním rozsahu -35 až 100 C. Číselné vyjádření teplotní změny je patrné z uvedených tabulek a grafů. Jednoduše lze konstatovat že průrazná pevnost u testovaného oleje se při teplotě 100 C oproti teplotě -35 C zvýší 3,5x. Nutno poznamenat že uvedené experimentální měření nebylo koncipováno pro přesné měření elektrické pevnosti dle normovaných standardů, ale za účelem prověření vlivu teploty na průraznou pevnost typového transformátorového oleje. Podrobnější informace lze nalézt ve vlastní diplomové práci nebo uvedených odkazech. 6. Reference 1. Špita, R: Experimentální zjišťování průrazné pevnosti - Kapalné izolanty. Diplomová práce, VŠB-TU Ostrava, FEI, Kat-453, 2009 2. Veverka, A.: Technika vysokých napětí, SNTL, Praha, 1966 3. Mentlík, V.: Dielektrické prvky a systémy, BEN, Praha, 2006