Raport stiintific si tehnic Etapa III IZOCOMTESTwing.ro/cmim/uploads/baza date izolator/rapoarte... · a) Rigiditatea dielectrică a izolatoarelor compozite Incercările de străpungere

Raport stiintific si tehnic – Etapa II I IZOCOMTEST

Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare

IZOCOMTEST Versiunea 1.0 1




Analiza și testarea distribuției câmpului electric la

izolatoare din materiale compozite pentru creșterea

siguranței în funcționare

Raport știintific și tehnic – Etapa 3

Transfer de cunostințe către beneficiarul industrial prin crearea

unei baze de date cu rezultatele analizei. Publicarea rezultatelor.

2018




CUPRINS

1. Introducere Pag.

1.1. Scopul documentului 3

1.2. Rezumatul etapei 3

2. Cercetare industrială A2 3

Act.3.1. Aplicarea metodei de analiză pentru

izolatoare cu defect și obținerea distribuțiilor

neliniare de câmp electric

3

3. Dezvoltare experimentală A3

Act. 3.2. Experimentări pe izolatoare 9

Act. 3.3. Crearea bazei de date cu rezultatele

analizei si transfer la agentul economic

11




1. Introducere

1.1. Scopul documentului

Scopul acestui document este cel de a prezenta rezultatele obținute pentru izolatoarele

compozite folosite de C.N.T.E.E. TRANSELECTRICA S.A. în rețelele de înaltă tensiune, în

conformitate cu obiectivele indicate în programul de lucru 2018. Sunt indicate rezultatele

continuării cercetării industriale bazată pe metoda de analiză numerică a distribuției câmpului

electric la configurațiile geometrice ale izolatoarelor compozite ce prezintă anumite defecte,

definitivarea bazei de date cu introducerea rezultatelor obținute și modul de rezolvare a

celorlalte obiective din program.

1.2. Rezumatul etapei

Scopul general al acestui proiect îl constituie creșterea performanței și competitivității

agentului economic prin utilizarea expertizei existente în universitate în vederea îmbunătățirii

tehnologiilor moderne achiziționate de acesta. Obiectivele proiectului se concretizează în

interconectarea expertizei din universitate cu necesitățile industriale ale beneficiarului prin:

- Realizarea unei metode de diagnosticare a stării izolatorului compozit pe baza

distribuției câmpului electric longitudinal din jurul izolatorului;

- Analiza distribuției câmpului electric la izolatoare fără și cu defect, punerea în

evidență a deformărilor liniilor de câmp la diferite tipuri de defecte;

- Realizarea unei baze de date privitoare la izolatoarele fără și cu defecte.

- Experimentări pe izolatoare cu și fără defecte, pentru validarea soluției tehnice.

Pentru atingerea obiectivelor, în cadrul etapei curente a fost dezvoltată folosirea metodei

numerice de studiu a distribuției câmpului electric longitudinal la izolatoare compozite cu

funcționare normală și la cele ce prezintă defecte provenite din exploatare, în variantele 2D și

3D, s-au realizat experimentări în instalațiile de înaltă tensiune ale laboratoarelor Facultății de

Inginerie Electrică din Universitatea Politehnica din București, s-au introdus rezultatele

obținute în baza de date realizată privitoare la izolatoarele compozite IT și s-a publicat un

articol ce cuprinde rezultate ale cercetărilor.




2. Cercetare industrială A.2

Act.3.1. Aplicarea metodei de analiză pentru

izolatoare cu defect și obținerea distribuțiilor

neliniare de câmp electric

În etapele anterioare ale proiectului s-a realizat la C.N.T.E.E. TRANSELECTRICA S.A o

analiză a situației izolatoarelor compozit instalate în Rețeaua electrică de transport (RET),

rezultatele analizei fiind cuprinse în baza de date realizată de doctoranzii ce fac parte din

echipa de lucru a proiectului.

Pentru analiza distribuției câmpului electric longitudinal prin modelare numerică a fost ales

izolatorul tip CI-400-II-120-TT produs de IPROEB S.A. Bistrița, cu specificații din Zona II

var. A, corespunzătoare pentru izolatoarele de pe LEA 400 kV Porțile de Fier-Slatina, având

elemente constructive prezentate în figura următoare:

Fig.1. Izolator compozit CI 400 kV, 120kN

Fig.2. Caracteristici dimensionale CI 400 kV, 120kN

Analiza câmpului electric la izolatoare compozite s-a realizat în regim electrostatic, conform

următoarelor ipoteze:

medii liniare, izotrope, omogene;

corpuri imobile, v=0;




mărimi constante în timp;

nu există mărimi permanente, Mp=0, Pp=0;

nu există mărimi imprimate, Ei=0, Ji=0;

nu există transfer de putere, p=0 (J=0).

Din formele locale ale câmpului electromagnetic (ecuațiile lui Maxwell):

div D=ρv (1)

rot E=0 (2)

D=εE (3)

rezultă ecuația diferențială de ordinul 2 a câmpului electromagnetic - ecuația Poisson scalară:

ΔV= - ρv/ε (4)

Pentru ρv=0, ecuația Laplace are forma:

ΔV=0 (5)

Pentru modelarea câmpului la izolatoarele compozit de înaltă tensiune s-a folosit metoda

elementelor finite. Pachetul software de analiză a câmpului electromagnetic bazat pe metoda

elementelor finite este format din trei module principale:

• Preprocesarea: datele de intrare precum geometria domeniului problemei (inclusiv

frontiera sa), proprietățile de material, sursele de câmp și condițiile de frontieră, regimul de

lucru. În urma discretizării domeniului și a ecuațiilor diferențiale, se generează sistemul de

ecuații având ca necunoscute potențialele în nodurile rețelei de discretizare;

• Procesarea: se rezolvă pe cale numerică sistemul de ecuații generat în modulul

anterior;

• Postprocesarea: se determină mărimile de câmp locale și globale, se vizualizează

liniile echipotențiale, distribuția câmpului, se trasează grafice sugestive.

Datorită configurației geometrice la izolatoarele compozite, modelarea numerică a

câmpului electric folosind metoda elementelor finite s-a realizat pentru domenii

bidimensionale axisimetrice (rOz). Reţeaua de discretizare pentru calculul câmpului electric

precum şi repartiţia acestuia şi a tensiunii de-a lungul izolatorului are aproximativ 166.000 de

noduri în determinările realizate cu pachetul software FEMM.

În etapa a II-a s-au realizat modelări ale izolatorului ales având configurația fără inele

de protecție, conform figurii:

Fig.2. Caracteristici geometrice izolator compozit modelat




S-a realizat în cadrul etapei a III-a o modelare a izolatorului ales pentru studiu având și

inelele de protecție, configurația fiind cea prezentată în fig.3:

Fig.3. Configurația geometrică cu inele de protecție

Tensiunea aplicată izolatorului este de 230 kV, conform funcționării la parametrii

nominali.

Rezultatul obținut prin modelare numerică pentru întregul izolator este cel indicat în

fig.4. Distribuția potențialului în luingul izolatorului compozit indică zonele de valori mari

(culoare roție) ce există în zona părții conectate la linia de înaltă tensiune.

Fig.4. Distribuția potențialului electric în lungul izolatorului compozit având inele de

protecție.




Pentru a pune în evidență zonele cu potential electric ridicat s-a realizat o modelare

doar pentru primele rile ale izolatorului conectat la ÎT – fig.5. Se poate observa uțor că există

potențiale ridicate la nivelul primelor rile și la inelul de protecție din zona respectivă. Prin

prezența sa acest inel aduce o neliniaritate în distribuția potențialului longitudinal.

Fig.5. Potential electric ridicat în zona inelelor de protecție.

Rezultatul grafic al distribuției potențialului electric longitudinal este prezentat în fig.6

pe baza datelor din figurile anterioare. Se observă neliniaritatea distribuției, variația de

potențial fiind ridicată pe zona de capăt a izolatorului, unde se află și inelul de protecție

conectat la potențialul liniei de ÎT.

Fig.6. Distribuția potențialului electric de-a lungul izolatorului compozit




Viteza de scădere a potențialului electric se poate determina, pentru zona cea mai afectată, din

fig.7. Pe o distanță de cca. 150 mm are loc o scădere a potențialului electric de mai mult de

120 kV

Fig. 7. Distribuția de potențial în zona de capăt

Intensitatea câmpului electric de-a lungul izolatorului compozit este indicată în fig.8.

Se poate observa că zona legată la potențialul liniei de ÎT prezintă cele mai mari valori ale

intensității câmpului electric, în special în zona inelului de protecție.

Fig. 8. Distribuția intensității câmpului electric longitudinal

O mărire a scării de redare – fig.9 – a intensității câmpului electrtic longitudinal arată

clar valoarea cea mai ridicată la nivelul primei rile și a zonei inelului de protecție.

Fig.9.Intensitatea câmpului electric în zona inițială




S-a studiat și influența apariției unor defecte ale izolatorului compozit. Un prim defect

constă în modificarea geometrică a rilelor – fig. 10, ce conduce la neliniaritatea accentuată a

repartiției logitudinale a intensității câmpului electric – fig.11.

Fig. 10 Defect lipsă rilă.

Fig.11. Distibuția intensității câmpului electric în situației lipsei unei rile




Pe lângă modificarea geometică a rilelor s-a studiat influența compoziției materialului

de tip cauciuc siliconic asupra distribuției de câmp electric, în special în zona primelor rile

supuse la potențial electric ridicat. Defectul constă în modificarea permitivității relative a

materialului (2,8 și 30) în zona unor rile ale izolatorului. Rezultatul obținut este prezentat în

fig.10 și indică o influențare puternică a comportării izolatorului de către a calitatea

materialului izolant folosit la izolatorul compozit. Rezultatele se referă la izolatorul compozit

cu inel de protecție.

Fig. 10. Influența peritivității relative a rilei asupra distribuției

câmpului electric longitudinal.

Studiile realizate au avut în vedere simetria axială a izolatorului compozit, fapt pentru

care s-a lucrat în spațiul 2D.

Pentru validarea rezultatelor s-a realizat și un studiu 3D bazat pe utilizarea

programului COMSOL. Rezultatele indicate în fig. 13 arată concordanța cu cele obținute

anterior, dovedind corecta alegere a metodei de modelare matematică.




Fig.13. Modelare 3D

3. Dezvoltare experimentală A3

Act. 3.2. Experimentări pe izolatoare

a) Rigiditatea dielectrică a izolatoarelor compozite

Incercările de străpungere electrică s-au efectuat pe eșantioane prelevate dintr-o rilă a

unui izolator de tipul celui modelat (Fig. 14). Eșantioanele au avut formă de disc cu diametrul

de 40 mm și grosimea medie de 5 mm.

Testele pentru determinarea rigidității dielectrice s-au realizat in Laboratorul de Materiale

Electrotehnice (ELMAT), Facultatea de Inginerie Electrica. Schema de principiu a instalaţiei

utilizate este prezentată în fig.15.

Fig.14. Eșantioane




Fig.15. Schema de principiu a instalației

Montajul conţine un transformator ridicător de tensiune (TIT) care asigură o tensiune Usn

= 60 kV la bornele secundarului. Prin intermediul aplicaţiei software, sistemul de acţionare

poate fi comandat atât pentru străpungerea eşantionului de test şi determinarea rigidităţii

dielectrice, precum şi pentru efectuarea de teste de anduranţă, în care solicitarea eşantionului

are loc la valori ale tensiunii şi pentru intervale de timp precizate de utilizator. Pentru

esantioanele din LSR cresterea tensiunii s-a efectuat automat, cu o viteza de 500 V/s.

Fig. 16. Instalaţie automată de determinare a rigidităţii dielectrice şi de solicitare a

izolatorilor în câmpuri electrice intense




Au fost efectuate câte 5 teste pe fiecare dintre cele două eșantioane – fig.17. In urma

testelor eșantioanele din LSR nu s-au străpuns, toate testele fiind finalizate prin conturnare.

Tensiunile la care s-a realizat conturnarea au fost cuprinse între 40 și 50 kV (fig.18). Având în

vedere grosimea mare a eșantioanelor testate (5 mm) și rigiditatea dielectrică mare (25

kV/mm), conform datelor de catalog pentru cauciucul siloconic SL8601-GREY, rezultatele

obtinute confirmă comportamentul bun al acestui material în campuri electrice intense.

Fig.17. Eșantion Fig.18.Fereastra principală a aplicaţiei software

b) Nivelul de ținere a izolației

Încercarea izolatorului compozit s-a realizat cu instalația de înaltă tensiune din dotarea

laboratorului de specialitate al Departamentului Măsurări, aparate electrice și convertoare

statice din Facultatea de Inginerie Electrică. S-a urmărit a se determina limita nivelului de

ținere a izolației echipamentului. Încercarea s-a realizat în stare uscată. Unda de impuls

normalizată produsă în laborator este 1,2/50µs iar instalația permite realizarea tensiunilor de

încercare până la 400 kV. Toleranțele admise pentru parametrii tensiunii:

- la valoarea de vârf: ±3%;

- la durata frontului: ± 30%;

- la durata semiamplitudinii: ± 20%.

Unda de impuls modelează supratensiunea de origine atmosferică, adică cele care apar

între fază și pământ sau între faze, într-un anumit punct al rețelei , fiind generate de descărcări

electroce atmosferice. Forma poate fi asimilată în ceea ce privește coordonarea izolației cu

cea a undei de impuls normalizate, de relulă 1,2/50 µs, SR CEI 60071. Aceste descărcări apar

sub forma loviturilor directe de trăsnet asupra liniilr și stațiilor, deci și asupra izolatoarelor din

liniile de ÎT. Unda de impuls standard se caracterizează prin:

-polaritate;

- valoare de vârf;

- durata convențională a frontului;




- durata convențională a semiamplitudinii;

- durata convențională până la tăiere;

- durata convențională a căderii de tensiune în cursul tăierii.

Tensiunea de impuls se produce cu un circuit, generator Marx, în care mai multe

condensatoare se încarcă de la o sursă de curent continuu și se descarcă în serie într-un circuit

care conține obiectul de încercat. Schema de principiu este prezentată în fig.14.

Forma undei se ajustează cu rezistențele și condensatoarele din circuit, în urma examinări

oscilogramelor obținute

Fig. 14. Schema de principiu a stației de încercări ÎT 400 kV

Imagini ale stației de încercări sunt prezentate în fig. 15.




Fig.15. Stația de încercări.

Izolatorul supus încercărilor a fost testat în condiții normale și în condiții de umiditate -

fig.16, caz în care primele rile au fost acoperite cu apă. Înregistrări filmate:

VID_20180917_101251.mp4

VID_20180917_101258.mp4

Izolatorul este realizat dintr-un material similar cu cel studiat iar alegerea sa s-a facut în

corelaţie cu nivelul de tensiune al staţiei de încercări. Aplicarea nivelului nominal de tensiune

nu a condus la stăpungere, în conformitate şi cu rezultatele modelărilor pentru izolator fără

defect. A fost simulat un defect ce constă în acoperirea cu apă a unei zone a izolatorului, fapt

ce conduce la modificarea rigidității dielectrice a zonei și la apariția descărcării în zona

izolatorului.




Încercările au indicat faptul că la un izolator fără defect și aflat în condiții normale de mediu

posibilitatea conturnării este scăzută. Doar defectele care modifică distribuția repartiției

potențialului electric în jurul izolatorului pot conduce la defecte în rețea.

a) Condiții normale b) Umiditate

Fig.16. Încercări izolator compozit

Act. 3.3. Crearea bazei de date cu rezultatele analizei si transfer la agentul

economic

Baza de date realizată in cadrul proiectului este disponibilă la adresa:

http://cmim.pub.ro

Baza de date conține elementele tehnice ale izolatoarelor compozite folosite în rețelele de IT

ale C.N.T.E.E. TRANSELECTRICA S.A. obținute din datele de catalog și din cele indicate

de Companie. De asemenea, sunt cuprinse și normele tehnice de referință pentru aceste

izolatoare.

Rezultatele studiului privitoare la modelarea izolatoarelor compozite fără și cu defect sunt

incluse în baza de date în cadrul rapoartelor anuale.

Această bază de date se va dezvolta prin cuprinderea mai multor tipuri de izolatoare, pe

măsură ce TRANSELECTRICA S.A. va introduce aceste izolatoare și tipul de defect

constatat. Existența unor doctoranzi care continuă cercetarea în cadrul tezelor de doctorat este

o garanție a dezvoltării și perfecționării metodelor de studiu și a cuprinderii rezultatelor în

baza de date.

http://cmim.pub.ro/




Baza de date

Concluzii

Obiectivele proiectului s-au concretizat în interconectarea expertizei din universitate

cu necesitățile industriale ale beneficiarului prin:

- Realizarea unei metode numerice de diagnosticare a stării izolatorului compozit pe baza

distribuției câmpului electric longitudinal;

- Analiza distribuției câmpului electric la izolatoare fără și cu defect, punerea în evidență a

deformărilor liniilor de cîmp datorate diferitelor tipuri de defecte;

- Realizarea unei baze de date privitoare la izolatoarele fără și cu defecte;

- Experimentări pe izolatoare cu și fără defecte.

- Se asigură cooperarea universității cu mediul economic, transferul de cunoaștere către piață

și pregătirea practică a studenților/masteranzilor/doctoranzilor.

Impactul estimat ca urmare a derulării proiectului se referă la:

- O nouă metodă nedistructivă pentru aprecierea calității izolatoarelor compozite;

- Crearea unei baze de date la beneficiar ce permite aprecierea tipului de defect funcție de

distribuția câmpului electric;

- Posibilitatea de realizare în viitor a unei instalații automate de testare ce indică, pe baza

spectrului de câmp electric, corectitudinea sau defectul izolatorului compozit;

- Legătura stabilită între colectivul de cercetare, ce include tineri cercetători doctoranzi, cu

necesități importante ale unui agent economic de importanță națională și posibilitatea

implementării directe a rezultatelor cercetărilor.




Considerăm că se atinge astfel scopul general al acestui tip de proiect, de creștere a

performanței și competitivității agentului economic prin utilizarea expertizei existente în

universitate în vederea îmbunătățirii tehnologiilor moderne ale acestuia.




Documents

Raport stiintific si tehnic Etapa III IZOCOMTESTwing.ro/cmim/uploads/baza date izolator/rapoarte... · a) Rigiditatea dielectrică a izolatoarelor compozite Incercările de străpungere