Upload
others
View
37
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
1
UNIVERSITATEA ,,TRANSILVANIA” BRASOV
Școala Doctorală Interdisciplinară
Departament de Inginerie Electrică și Fizică Aplicată
Ing. Mariana FĂTU căs. ȘERBAN
STUDII PRIVIND ÎMBUNĂTĂȚIREA CALITĂȚII
ULEIULUI DE TRANSFORMATOR
STUDIES ON IMPROVING THE QUALITY OF
TRANSFORMER OILS
Conducător științific
Prof. univ. dr.ing. Elena HELEREA
2015
MINISTERUL EDUCAȚIEI ȘI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
2
UNIVERSITATEA ”TRANSILVANIA”DIN BRAȘOV
BRAȘOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 5000336, TEL. 0040-268-413,FAX 0040-268-
410525
RECTOTAT
Ing. Mariana FĂTU căs. ȘERBAN
D-lui (D-nei)
COMPONENȚA
COMISIEI DE DOCTORAT:
PREŞEDINTE : Conf..univ.dr.ing. Carmen GERIGAN
DECAN Facultatea de Inginerie Electrică și Știința
Calculatoarelor
Universitatea “Transilvania” din Braşov
COND. ŞTIINŢIFIC Prof.univ.dr.ing. Elena HELEREA
Universitatea “Transilvania” din Braşov
REFERENŢI ŞTIINŢIFICI Prof.univ.dr.ing. Radu MUNTEANU
Universitatea Tehnică din Cluj - Napoca
Prof.univ.dr.ing. Petre NOȚINGHER
Universitatea “Politehnica” din București
Prof.univ.dr.ing. Livia SÂNGEORZAN
Universitatea “Transilvania” din Braşov
Data, ora și locul susținerii publice a tezeii de doctorat: 6 martie 2015, ora 11, sala N I1,
Corpul N, Facultatea IESC, Str. Politehnicii Nr. 2.
Aprecierile sau observaţiile vă rugăm să le trimiteţi în scris pe adresa Universităţii
Transilvania din Braşov, B-dul Eroilor, Nr.29, Tel. 0040 268 413000, Fax 0040 0268 410525
sau, pe adresa [email protected] sau [email protected].
Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat.
Vă mulțumim
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
3
CUPRINS
Listă abrevieri...................................................................................................................... 9
Listă figuri ............................................................................................................................... 11
Listă tabele .............................................................................................................................. 15
INTRODUCERE .................................................................................................................... 19 8
1. TRANSFORMATORUL DE MARE PUTERE ŞI SISTEMELE DE IZOLAŢIE........... 25 14
1.1. Transformatorul - Istoric și evoluție................................................................. 25 14
1.2. Izolaţia în echipamentele electrice................................................................... 27 15
1.2.1. Materiale pentru izolaţii lectrice............................................................ 28 15
1.2.2. Materiale electroizolante pentru transformatoarele de mare putere....... 35 16
1.3. Sisteme de izolaţie în transformatoarele de putere.......................................... 37 18
1.3.1. Sisteme de izolaţie electrică.................................................................... 37 18
1.3.2. Indicatori caracteristici pentru sistemele de izolatie............................... 38 19
1.4. Concluzii ............................................................................................................... 42 20
2. DEGRADAREA ȘI ÎMBĂTRÂNIREA SISTEMELOR DE IZOLAŢIE
ELECTRICA LA TRANSFORMATOARE DE PUTERE............................................. 43 21
2.1. Solicitări asupra sistemelor de izolaţie electrică ………………………...……… 43 21
2.1.1. Solicitările în echipamentele electrice ………………………………... 43
2.1.2. Clase de izolaţie electrică ……………………………….…...……….. 44 21
2.2. Îmbătrânirea sistemelor de izolaţie .......................................................................... 44 22
2.2.1. Îmbătrânirea izolației electrice .............................................................. 44 22
2.2.2. Degradarea celulozei și a uleiului de transformator .............................. 45 23
2.2.3. Rolul antioxidanților în reducerea reacțiilor redox ………….………... 48 25
2.3. Influenţa apei asupra sistemului ulei mineral – hârtie electroizolantă ................. 50 26
2.3.1. Solubilitatea apei în ulei ...................................................................... 50 26
2.3.2. Efectul prezenței apei în uleiul de transformator ……… ..………….. 51 28
2.3.3. Determinări experimentale ……………..……………………………. 54 30
2.4. Extinderea duratei de viață a sistemului ulei – hârtie............................................. 56 31
2.5. Estimarea duratei de viață……………………………………………………… 60 33
2.5.1. Estimarea duratei de viață la transformatoarele din exploatare………. 60 33
2.5.2. Teorii privind durata de viață………………………………………….. 62 34
2.5.3. Studiu de caz…………………………………………………………... 63 35
2.6. Concluzii ............................................................................................................... 64 35
3. INVESTIGAREA PROPRIETĂȚILOR ULEIURILOR ELECTROIZOLANTE...... 66 37
3.1. Uleiuri electroizolante – Istoric, structură, tehnologii de obținere.și recuperare .. 66 37
3.1.1. Istoric ..................................................................................................... 66 37
3.1.2. Clasificări .............................................................................................. 69 37
3.1.3. Producerea uleiurilor electroizolante în Brașov .................................... 71 39
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
4
3.2. Tehnologii de obținere a uleiurilor electroizolante................................................ 73 39
3.2.1. Obținerea uleiului mineral prin cocsificare ........................................... 74 39
3.2.2. Obținera uleiului mineral din țiței .......................................................... 77 40
3.2.3. Obținerea uleiurilor vegetale electroizolante ......................................... 80 41
3.3. Uleiurile minerale și uleiurile vegetale electroizolante-Analiză comparativă ..... 84 41
3.3.1. Structuri moleculare ale componentelor uleiurilor minerale și
vegetale.................................................................................................... 84 41
3.3.2.Aspecte noi - Stabilitatea chimică a uleiurilor minerale.......................... 89 42
3.4. Analiză comparativă ……………………………………………………...……. 92 43
3.4.1. Uleiuri minerale ……..........……………………...….....................…... 92 43
3.4.2. Uleiuri vegetale ..................................................................................... 107 47
3.4.3. Uleiuri sintetice ...................................................................................... 108
3.5. Recuperarea uleiurilor minerale electroizolante................................................... 110 47
3.5.1. Tehnologii de recuperare ....................................................................... 110 47
3.5.2. Evaluarea eficienței tehnologiei de obținere a uleiului mineral ............ 112 48
3.6. Concluzii............................................................................................................... 122 49
4. ÎNCERCĂRI LA ULEIURILE DE TRANSFORMATOR.......................................... 127 50
4.1. Încercări profilactice ale uleiului electroizolant................................................... 127 50
4.2. Analize fizico – chimice ...................................................................................... 128 50
4.2.1. Determinarea densității........................................................................ 131 51
4.2.2. Determinarea conținutului de apă........................................................ 133 52
4.2.3. Determinarea punctului de inflamabilitate.......................................... 138 53
4.2.4. Determinarea indicelui de refracție..................................................... 142 54
4.2.5. Determinarea vâscozităţii..................................................................... 144 55
4.3. Rigiditatea dielectrică a uleiurilor electroizolante ............................................... 149 56
4.2.6. Metode de determinare a rigidităţii dielectrice..................................... 149 56
4.2.7. Determinări experimentale și analize comparative ............................. 152 57
4.4. Analiza spectrofotometrică................................................................................... 157 60
4.2.8. Metode de analiză spectrofotometrică................................................. 157 60
4.2.9. Analiza spectrofotometrică a uleiului TR 30 MOL.............................. 158 61
4.5. Concluzii .............................................................................................................. 162 63
5. METODE STATISTICE ÎN ANALIZA TESTELOR DE STRĂPUNGERE............ 164 64
5.1. Statistica descriptivă și indicatori caracteristici…………………………………. 165 64
5.2. Procedura de determinare a rigidității dielectrice la uleiurile electroizolante cu
aparatul MEGGER OTS 60 AF/2…................................................................ 171 66
5.3. Aplicarea statisticii descriptive în testele de străpungere la uleiurilor
electroizolante………………………………………………………………… 175 68
5.4. Influența factorilor extrinseci asupra tensiunii de străpungere ………………… 178 70
5.4.1. Influența formei geometrice a electrozilor……………………………. 178 71
5.4.2. Influența vitezei de creștere a tensiunii de încercare și a geometriei
electrozilor……..………………………………………….………… 182 72
5.4.3. Influența agitării încercări de străpungere fără agitare ……………….. 184 73
5.5. Programul MedCalc si analiza statistica aplicată in străpungerea uleiurilor 187 74
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
5
electroizolante …………………………………………...………........................
5.6. Concluzii............................................................................................................... 198 80
6. CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII ORIGINALE ........................................... 201 82
6.1. Concluzii finale ................................................................................................... 201 83
6.2. Contribuții originale și perspective ...................................................................... 205 86
BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ ............................................................................................... 207 88
ANEXE (pe CD).......................................................................................................................
Anexa 1. Schema cuvei de ulei a aparatului MEGGER OTS 60 AF/2
Anexa 2. Date spectrofotometrice pentru probe de ulei TR 30 MOL
Anexa 3. Determinări experimentale – tensiuni de străpungere şi rigiditatea
dielectrică la uleiuri electroizolante
TABLES OF CONTENTS
List of abbreviations.................................................................................................................. 9
List of figures .......................................................................................................................... 11
List of tables ........................................................................................................................... 15
INTRODUCTION .................................................................................................................. 8
1. HIGH POWER TRANSFORMER AND INSULATION SYSTEMS ......................... 19 14
1.1. Transformer - History and development ............................................................. 25 14
1.2. Insulation in electrical equipment ....................................................................... 25 15
1.2.1. Electrical insulation materials ................................................................ 27 15
1.2.2. Insulating materials for high power transformers .................................. 28 16
1.3. Insulation systems in power transformers.............................................................. 35 18
1.3.1. Electrical insulation systems .................................................................. 37 18
1.3.2. Indicators characteristics for electroinsulation systems ......................... 37 19
1.4. Conclusions ........................................................................................................... 38 20
2. DEGRADATION AND AGING OF THE ELECTRICAL INSULATION SYSTEMS
OF POWER TRANSFORMERS................................................................................... 42 21
2.1. Requirements on electrical insulation systems …...……………………..…… 43 21
2.1.1. Applications in electrical equipment ..………………………………... 43
2.1.2. Electrical Insulation class .……………………………….…...……….. 43 21
2.2. The aging of insulation systems ............................................................................ 44 22
2.2.1. The aging of electrical insulation ........................................................... 44 22
2.2.2. The degradation of cellulose and transformer oil ................................... 44 23
2.2.3. The role of antioxidants in reducing the redox reactions .….……..…... 45 25
2.3. The influence of water on mineral oil system - electro paper ….…................... 48 26
2.3.1. The solubility of the water in oil............................................................. 50 26
2.3.2. The effect of the presence of water in transformer oil ...…..……..….. 50 28
2.3.3. The experimental determinations ………..……………………………. 51 30
2.4. Extending the life of the oil system – paper .......................................................... 54 31
2.5. The life time estimating ….……………………………………………………… 56 33
2.5.1. The life time estimated operating transformers ………………………. 60 33
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
6
2.5.2. The theories on life time …..………………………………………….. 60 34
2.5.3. Case study ..…………………………………………………………... 62 35
2.6. Conclusions ........................................................................................................... 63 35
3. THE INVESTIGATION OF INSULATING OILS...................................................... 64 37
3.1. The Insulating Oils - History The structure, manufacturing and recovery
technologies .......................................................................................................... 66 37
3.1.1. The historical approach........................................................................... 66 37
3.1.2. The classifications .................................................................................. 66 37
3.1.3. The production of insulating oil in Brasov ............................................. 69 39
3.2. The technologies for obtaining the electrical insulating oils ................................. 71 39
3.2.1. The mineral oil obtaining by coke .......................................................... 73 39
3.2.2. The mineral oil obtaining from oil.......................................................... 74 40
3.2.3. Getting insulating vegetable oils ............................................................ 77 41
3.3. The mineral oils and vegetable oils - Comparative analyses................................. 80 41
3.3.1. Molecular structure of the mineral and vegetable oils............................ 84 41
3.3.2. The new aspects – Stability of mineral oils ............................................ 84 42
3.4. Comparative analysis……………………………………………………...……. 89 43
3.4.1. The mineral oils ……..........……………………...….....................…... 92 43
3.4.2. The vegetable oils ................................................................................... 92 47
3.4.3. The synthetics ......................................................................................... 107
3.5. Recovery of the mineral insulating oils ................................................................ 108 47
3.5.1. Recovery technologies .......................................................................... 110 47
3.5.2. Assessing the effectiveness of technology of the mineral oil ................. 110 48
3.6. Conclusions........................................................................................................... 112 49
4. THE TRANSFORMER OILS TESTING.................................................................... 122 50
4.1. The preventive testing of insulating oil ............................................................ 127 50
4.2. The physico-chemical analyses ........................................................................ 127 50
4.2.1. The determination of density ............................................................... 128 51
4.2.2. The determination of water content ..................................................... 131 52
4.2.3. The determining flashpoint................................................................... 133 53
4.2.4. The determination of refractive index .................................................. 138 54
4.2.5. The determination of viscosity ............................................................. 142 55
4.3. The dielectric strength of insulating oils .......................................................... 144 56
4.3.1. The methods for determining the dielectric strength ........................... 149 56
4.3.2. The experimental determination and benchmarking............................. 149 57
4.4. The spectrophotometric analysis ...................................................................... 152 60
4.4.1. The Spectrophotometric assay methods ............................................... 157 60
4.4.2. The spectrophotometric analysis of oil TR 30 MOL ........................... 157 61
4.5. Conclusions ...................................................................................................... 158 63
5. STATISTICAL ANALYSIS APPLIED TO BREAKDOWN TESTS........................ 162 64
5.1. The descriptive statistics and indicators ………………………………………. 164 64
5.2. The procedure for determining the dielectric insulating oils with device
MEGGER OTS 60 AF/2 ………...….................................................................. 165 66
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
7
5.3. Application of descriptive statistics breakdown tests on electrical insulating
oils ………..…………………………………………………………………. 171 68
5.4. The influence of extrinsic factors on breakdown voltage ...…………………. 175 70
5.4.1. The influence of the geometric shape of the electrodes ...……………. 178 71
5.4.2. The influence of growth rate and blood test electrode geometry ...…… 178 72
5.4.3. The influence of stirring attempts to puncture without agitation ……... 182 73
5.5. The MedCalc software and statistical analysis applied in insulating oils
breakdown………………………………………...………........................ 184 74
5.6. Conclusions ...................................................................................................... 187 80
6. THE CONCLUSIONS AND ORIGINAL CONTRIBUTIONS ................................. 198 82
6.1. Final conclusions............................................................................................... 201 83
6.2. The original contributions and perspectives ..................................................... 201 86
REFERENCES .................................................................................................................... 205 88
ANNEXES (on CD) 207 101
Annex 1. The scheme oil tank of the MEGGER OTS 60 AF/2 aparatus
Annex 2. The spectrophotometric data for oil samples TR 30 MOL
Annex 3. Experimental determinations – Breakdown voltages and electric strengths for
electroinsulating oils
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
8
INTRODUCERE
Necesitatea cercetării
Creșterea demografică a nivelului de trai al populației și exploziei industrializării, au dus
la creșterea necesarului de energie electrică la nivel mondial, cu implicaţii directe asupra
numărului şi puterii transformatoare de mare putere utilizate în sistemele de transport şi
distribuţie a energiei electrice.
În present, principalii producători şi furnizori de energie electrică din România au în
vedere evoluţia resurselor energetice şi modul lor de gestionare, în condițiile în care o tot mai
accentuală globalizare economică face ca strategia energetică să fie dezvoltată în contextul
evoluțiilor și schimbărilor care au loc pe plan mondial.
Una dintre soluţii, direct legată de eficienţa energetică şi de reducerea poluării mediului
ambiant este dată de implementarea pe scară largă a sistemelor de transport şi distribuţie a
energiei electrice cu aplicații directe în optimizarea transformatoarelor de mare putere.
Considerând contextul global al cercetărilor, direcţionate spre dezvoltarea şi optimizarea
transportului energiei electrice şi necesitatea stabilirii unui echilibrul între resuresele energetice,
tehnologia actuală şi mediu, prezenta teză de doctorat este elaborată conform Strategiei
Naţionale de Cercetare, Dezvoltare şi Inovare 2007-2013 și programului European Horizon
2020.
Cererea totală de energie la nivel mondial în 2030 va fi cu circa 50% mai mare decât în
2003, iar pentru petrol va fi cu circa 46% mai mare. Rezervele certe cunoscute de petrol pot
susține un nivel actual de consum doar până în anul 2040, iar cele de gaze naturale până în anul
2070, în timp ce rezervele mondiale de huilă asigură o perioadă de peste 200 de ani chiar la o
creştere a nivelului de exploatare. Previziunile indică o creştere economică, ceea ce va implica
un consum sporit de resurse energetice.
În viitor strategia energetică națională pentru perioada 2007-2020 pune accentul în
principal pe sporirea capacității nucleare, pe creșterea exploatării resurselor hidroenergetice,
introducerea surselor de energii regenerabile şi susţinerea generării distribuite.
Alte priorități sunt legate de eficientizarea capacităților actuale prin modernizarea lor şi
prin introducerea unui management performant.
Problematica transformatoarelor de mare putere rămâne prioritară, având în vedere rolul
pe care îl au în sistemul de producere transport şi distribuţie a energiei electrice.
Conţinutul prezentei lucrări abordează o latură a unui domeniu de referinţă în dezvoltarea
şi modernizarea și eficientizarea producţiei de energie electrică, cel al sistemelor de izolaţie din
transformatoarele de mare putere.
Necesitatea unor cercetări în domeniul sistemelor de izolație transformatoarele de putere
este actuală, având în vedere exigenţele actuale legate de diagnoza şi prognoza defectelor şi
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
9
necesitatea înlocuirii materialelor clasice electroizolante cu noi materiale, mai performante și mai
prietenoase cu mediul.
Creșterea cerințelor legate de calitatea energiei livrate și de disponibilitatea sistemelor de
alimentare impun în present noi abordări legate de monitorizarea stării de funcționare a
transformatoarelor și de predicția parametrilor funcționali. Aceasta presupune cunoașterea în
detaliu a evoluției parametrilor sistemului de izolație a transformatorului – în primul rând a
uleiului de transformator.
Cercetările actuale sunt direcționate spre dezvoltarea de noi materiale utilizate în
construcția sistemelor de izolație electric din transformatoarele de mare putere și stabilirea de
soluţii pentru creșterea performanțelor acestora în exploatare, cu scăderea cheltuielilor de
mentenanță.
O sistematizare a cercetările actuale în domeniul sistemelor de izolaţie şi al principlului
element constituent – uleiul de transformator indică necesitatea continuării cercetărilor actuale şi
introducerea de noi abordări legate de
Monitorizarea caracteristicilor principale ale sistemului de izolație din transformator;
Corelarea procedurilor de monitorizarea cu strategii de mentenanță pentru transformatorul de
putere;
Soluţii pentru diagnoza defectelor şi prognoza duratei de viaţă a sistemelor de izolaţie;
Soluţii pentru monitorizarea impurificării sistemului electroizolant lichid cu apă şi alte
elemente şi eliminarea acestora;
Clarificarea proceselor de străpungere în uleiurile electroizolante clasice şi cele de natură
vegetală, posibil de a fi înlocuitori ai uleiului minerat de transformator;
Influența factorilor intrinseci și extrinseci asupra rigidităţii electrice a sistemului
electroizolant format din hârtie electroizolantă impregnată cu ulei mineral/vegetal
electroizolant;
Procese de electrizare în uleiurile electroiziolante ;
Influența creșterii temperaturii în ansamblul electroizolant și riscurile la care sunt supuse
transformatoarele în ansamblu.
Având în vedere strategia de dezvoltare în domeniul Energie şi stadiul actual al cercetării
în domeniu, au fost stabilite obiectivele cercetării prezentei teze de doctorat.
Obiectivele tezei de doctorat
Teza de doctorat sintetizează preocupările autoarei în domeniul caracterizării uleiurilor
electroizolante din sistemele d eizolaţie ale transformatoarelor d emare putere.
Obiectivele cercetării sunt corelate cu stadiul actual al cercetărilor punând în valoare
provocări în ceea ce privește găsirea de noi materiale electroizolante lichide ecologice,
nepoluante, performante și cu preț de cost cât mai scăzut.
Obiectivul principal al cercetării este de investigare şi optimizarea caracteristicilor
uleiurilor electroizolante utilizate în sistemele de izolație din transformatoarele de mare putere în
vederea îmbunăţăţirii performanţelor acestora.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
10
Teza de doctorat cuprinde cercetări teoretice şi experimentale în domeniul uleiurilor
electroizolante minerale şi vegetale şi în domeniul fiabilităţii operaţionale a sistemelor de izolaţie
din transformatoarele de mare putere.
Obiectivele specifice ale tezei de doctorat sunt:
O1. Studiul performanțelor sistemelor de izolație din tranformatorul de mare putere în vederea
justificării structurii, a proceselor și fenomenelor care au loc în exploatare.
O2. Dezvoltarea de proceduri de testare și tehnici de analize comparative a uleiurilor
electroizolante, în vederea stabilirii performanțelor uleiurilor minerale și vegetale ca
elemente ale sistemului de izolație din transformator.
O3. Conceperea și dezvoltarea de metode și practici de testare la străpungere a uleiurilor
electroizolante în vederea caracterizării performanțelor uleiurilor cu criteriul tensiune de
străpungere. .
În baza acestor considerente, teza prezintă un caracter interdisciplinar, utilizând
informații teoretice și experimentale din domeniile: inginerie electrică, chimie, inginerie
petrochimică și de rafinării, informatică, matematică, statistică matematică.
Metodologia cercetării științifice
Lucrarea elaborată se bazează pe studiul bibliographic al lucrărilor din domeniul tezei de
doctorat, care include: cărți, teze de doctorat, articole științifice din reviste de specialitate și
volume ale conferințelor naționale și internaționale, lucrări prezentate la manifestări științifice,
normative și standard internaționale, cataloage și rapoarte științifice al companiilor de profil.
În scopul caracterizării sistemelor electroizolante lichide din transformatoarele de putere
autoarea a efectuat analize complexe considerând parametrii înregistrați în laborator și din
exploatare prin aplicarea metodelor statistice sprijinite de softurile Statistica și MedCalc.
Au fost realizate cercetări experimentale prin testarea uleiurilor la străpungere în cadrul
laboratorului de cercetare al Departamentului de Inginerie Electrică și Fizică Aplicată.
Cercetarea științifică dezvoltată în vederea elaborării prezentei teze de doctorat s-a bazat
pe utilizarea unor metode diferite de cercetare: metoda documentării teoretice și practice
realizată prin analiza critic a literaturii de specialitate, metoda observației, prin realizarea unor
probe eșantionabile de uleiuri noi și din exploatare.
O altă metodă de cercetare aplicată constă în aplicarea metodelor matematice, statistice și
deductive, precum și a celor informatice bazate pe utilizarea diferitelor platform software de
modelare. În acest sens s-a utilizat platform software Statistica și MedCalc.
Lucrearea cuprinde următoarele capitole:
Capitolul 1. Transformatorul de mare putere şi sistemele de izolaţie
Capitolul tratează un scurt istoric al transformatorului urmărind evoluţia acestuia
dealungul timpului. Se analizează structura izolației din echipamentele electrice şi cercetările în
domeniu. În continuare sunt sistematizate clasele de materiale cu aplicații inginerești, materialele
electroizolante fiind descriese detaliat, cu parametrii tehnici caracteristici, funcție de starea de
agregare. Sunt analizate şi descrise materialele electroizolante utilizate în transformatoarele de
mare putere.
Capitolul 2. Degradare și îmbătrânire a sistemelor de izolaţie electrica la
transformatoare de putere
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
11
In acest capitolul se abordează problema durabilității sistemului de izolație din
transformatorul de putere. Sunt precizate tipurile de solicitări care acționează asupra sistemului
de izolație, în general, dar și cele care apar în în echipamentele electrice, precizându-se regimul
de funcționare al lor. O problemă importanţă care apare în aceste sisteme este îmbătrânirea
izolațiilor, care este analizată prezentându-se fenomenele de degradare ale hârtiei electroizolante
dar și ale uleiului electroizolant din sistem. Este analizat procesul de formare al apei și
mecanismele de degradare care apar. Este analizată posibilitatea de reducere a degradării
sistemului electroizolant prin adăugare de substanțe inhibitoare ale procesului de descompunere
numite antioxidanți. Efectul apei în sistemul electroizolant este pus în evidenţă prin determinări
experimentale pe probe de ulei mineral de tip TR 30 MOL. Probele al căror conținut de apă a
fost determinat au fost supuse fenomenului de străpungere cu electrozi de formă geometrică
diferită (plani, calote și sfere). S-au studiat posibilitățile extinderii duratei de viață ale sistemului
ulei-hârtie, cu estimarea duratei de viață la transformatoarele de putere în exploatare.
Capitolul 3. Investigarea proprietăților uleiurilor electroizolante
In acest capitsunt investighate proprietățile uleiurilor electroizolante, cu un studio
introductive legat de istoria apariției și utilizărilor uleiurilor minerale și vegetale și istoricul
fabricării uleiurilor din țiței în România de la început secolului XVIII. Se prezentă istoria
tehnologiilor de obținere a uleiurilor și la Brașov prin rafinarea petrolului. Sunt analizate şi
sistematizatre datele privind tehnologiile de obținere ale uleiurilor minerale precum și a celor
vegetale cărora azi li se acordă o importanță industrială, alături de cea de consum alimentar,
cosmetic și farmaceutic. Analiza comparativă privind structurile moleculare ale uleiurilor
minerale și vegetale din punct de vedere chimic a permis studiul stabilităţii chimice a uleiurilor
electroizolante, cu rol esenţial în durata de viață ale izolației electrice. Sunt culese şi prelucrate
date privind uleiurile provenite de la mai multe unități energetice alături de probe de uleiuri noi
aditivate și neaditivate. Analiza a considerat drept criteriu comparativ rigiditatea dielectrică și
factorul de pierderi, care alături de celelalte caracteristici fizico-chimice asigură durata de viață a
izolației electrice din echipament. Pe baza rezultatelor testelor de tensiune de străpungere,
autoarea estimează durata de viață a transformatoarelor de putere analizate. Comparativ cu
caracteristicile uleiurilor minerale studiate, autoarea determină și caracteristicile uleiurilor
vegetale din floarea soarelui, din rapiță și din porumb. Rezultă valori ale rigidităţii dielectrice
apropiate de cele ale uleiurilor minerale. Fiind amestecuri complexe de acizi organici, uleiurilor
vegetale trebuie să li se aplice o serie de îmbunătățiri pentru a nu creea problemă de coroziune în
echipamentul electric. În acest capitol sunt analizate tehnologiile de recuperare, regenerare și
recondiționare a uleiurilor minerale pentru a fi reutilizate în transformatoarele de putere. Este
efectuat un calcul estimativ privind dezvoltarea unei linii de obținere a uleiurilor minerale prin
distilarea țițeiului, pentru a se reduce importurile de uleiuri electroizolante foarte costisitoare,
mai ales că există resurse de țiței în România, ceea ce ar duce la scăderea prețului de achiziție al
uleiului.
Capitolul 4. Încercări la uleiurile de transformator
In acest capitol sunt descrise încercările profilactice efectuate de autoare privind asupra
uleiurilor electroizolante. Sunt prezentate metodele de analiză fizico–chimice pentru identificarea
caracteristicilor uleiurilor electroizolante şi sunt efectuate determinări pe probele de ulei
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
12
electroizolant. Sunt analizate şi prelucrate datele privind caracteristicile electroizolante ale
uleiurilor minerale din exploatare care au fost monitorizate în perioada 2008- 2014. Este pusă în
evidenţă influența temperaturii asupra rigidității dielectrice pe mai multe tipuri de uleiuri din
exploatare. Pentru identificarea fenomenelor de descompunere s-a utilizat metoda
spectrofotometria UV-VIS pentru punerea în evidență a compușilor de descompunere. Analiza
spectrofotogramelor obţinute pentru uleiul mineral TR 30 Mol care a fost supus la Nt=0, 6, 10,
18, 54 și 99 teste de străpungere indică dezvoltarea de produși secundari care modifică graficul
spectrofotogramei. .
Capitolul 5. Metode statistice în analiza testelor de străpungere
În acest capitol sunt aplicate metode statistice de analiză a datelor experimentale -
tensiuni de străpungere pentru tipuri de uleiuri din exploatare și uleiuri noi vegetale care ar putea
înlocui uleiurile minerale şi care provin din resurse natural neregenerabile, fiind ecologice,
nepoluante și din surse regenerabile. Metodele statistice au fost aplicate prin utilizarea softurilor
Statistica cu ajutorul căruia au fost obținute histograme și softul MedCalc. Se pot descrie prin
aplicarea acestor metode de analiză statistică tendinţele principale ale evoluţiei grupurilor de
impurități din uleiul electroizolant, din care să se desprindă aspecte privind: fenomenul de
îmbătrânire a uleiului electroizolant; creşterea cantităților de impurități singure sau complexe din
uleiul electroizolant; evaluarea numărului şi structurii grupurilor de impurități din uleiul
electroizolant; structura grupurilor după numărul de impurități existente la începutul procesului
și impuritățile ce se pot forma ulterior; componenţa grupurilor după relaţiile dintre impuritățile
existente sau cele nou formate; fenomenul migraţiei, în special al migraţiei temporare, în mediul
uleiului electroizolant şi alte componente ale sistemului. S-a calculat coeficientul de variabilitate
CV care permite compararea împrăștierii diferitelor eșantioane față de media aritmetică. Acesta
furnizează informaţii dacă şirul de date este sau nu este omogen putând lua valori cuprinse între
0<CV<100%. Când CV tinde spre zero, variabilitatea este redusă, deci populaţia este omogenă,
iar media are un grad de reprezentativitate ridicat. Cu cât nivelul coeficientului de variaţie tinde
spre 100% cu atât variabilitatea este mai mare, populaţia este mai eterogenă, iar media are un
nivel de reprezentativitate mai scăzut. Ca urmare, coeficientul de variaţie poate fi folosit ca test
de semnificaţie a reprezentativităţii mediei.
Capitolul 6. Concluzii finale și contribuții originale.
In acest capitol sunt sistetizate concluziile finale şi contribuţiile autoarei.
Cercetările în domeniu au fost efectuate de autoare în cadrul Departamentului de
Inginerie electrică şi fizică aplicată şi electrotehnică a Facultăţii de Inginerie Electrică şi Ştiinţa
Calculatoarelor de la Universitatea Transilvani din Brasov. Colaborări impostante au fost
realizate cu companii de energie electrica : S.C. Electrica S.A. Braşov, S.C. Electrica S.A.
Râmnicul Vâlcea, Filiala de Distributie a Energiei Electrice "Electrica Distribuţie Muntenia
Nord" S.A.
În activitatea de documentare, concepţie şi elaborare a lucrării am fost îndrumată cu
deosebită competenţă profesională de doamna Prof. univ. dr.ing. Elena HELEREA căreia îi aduc
mulţumirile mele respectuoase şi sincere.
Mulţumesc în mod deosebit cadrelor didactice de la Departamentul de inginerie electric și
fizică aplicată din cadrul facultății de inginerie electric și știința calculatoarelor de la
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
13
Universitatea “Transilvania » din Braşov, și în mod special domnului Conf. dr.ing. Adrian
MUNTEANU, mulțumesc deasemenea doamnei Conf. dr. Livia SÂNGEORZAN de la
Facultatea de Matematică Informatică, mulțumesc doamnei Prof. univ. dr. Florica Silvia Cristina
PAȚACHIA de la Facultatea de Stiinta şi Ingineria Materialelor.
Mulțumesc colegilor de la Colegiul Tehnic Simion Mehedinți Codlea care m-au sprijinit
moral, cu încurajări pentru a putea să realizez obiectivele propuse.
Mulţumesc colaboratorilor din Braşov - SC Electrica SA, Transelectrica SA, Râmnicul
Vâlcea - Electrica SA şi Galaţi - Sucursala de Distribuţie a Energiei Electrice, pentru înţelegerea
de care au dat dovadă şi respectul faţă de cercetarea efectuată în condiţii deosebite de muncă şi
viaţă. Mulţumesc familiei mele pentru înţelegerea arătată în întreaga perioadă de concepţie,
cercetare şi realizare a prezentei lucrări.
Ing. Mariana ŞERBAN
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
14
1. TRANSFORMATORUL DE MARE PUTERE ŞI SISTEMELE DE IZOLAŢIE
1.1. Transformatorul - Istoric și evoluție
Primul transformator industrial propriu-zis, construit ca aparat static, a fost realizat de
Gaulard şi Gibbs, în Anglia, în 1882, pentru a asigura funcţionarea lămpilor cu arc. [9].
După 1900 evoluţia transformatorului electric a mers în primul rând pe linia reducerii
greutăţii lor. Astfel, între 1887 şi 1934, greutatea scade de la 100 de kg la 2,16 kg echivalente.
[24].
După anul 1900, fabricarea de transformatoare electrice tot mai perfecţionate a permis
dezvoltarea rapidă a electroenergeticii şi a transportului de electricitate, stimulentul fiind nevoia
de energie electrică, mai avantajoasă faţă de cea mecanică în acţionările industriale [109].
Constructiv, transformatorul electric, definit ca aparat static care transformă curentul
alternativ la o anumită tensiune în curent alternativ de aceeaşi frecvenţă, însă la altă tensiune, are
ca principale părţi constructive : miezul magnetic; sistemul de înfăşurări, schela şi cuva
transformatorului şi accesoriile, de fabricaţie Electroputere Craiova 2008 (Fig. 1.1).
a) b)
Fig. 1.1. Transformator de 20 MVA: a) miezul şi sistemul de înfăşurări înainte de
introducerea în cuvă; b) transformator asamblat
Astfel, tranformatoarul electric, introdus în anii 1870-1890, ca verigă importantă pentru
transportul și distribuția energiei electrice, a cunoscut o continuă evoluție, în ceea ce priveşte:
Construcţia: de la transformatorul monofazat la transformatorul polifazat;
Fiabilitatea: cu sistem de izolație simplă – solidă; sistem de izolație complexă -
solid, lichid și gaz.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
15
Eficiența energetică: randamentul a crescut de la 0,70 % la 0,98 %.
1.2. Izolaţia în echipamentele electrice
Izolația electrică a echipamentelor, care are ca scop principal izolarea părţilor
conductoare de curent electric între ele și/sau față de pământ, joacă un rol determinant în
asigurarea funcţionalității acestor sisteme tehnice.
După natura materialelor şi a mediilor folosite pentru izolaţii se deosebesc izolaţiile: în
aer, ulei, cu dielectrici solizi sau izolaţii combinate.
Există cercetări legate de stabilirea matricei de proprietăți ale materialelor electroizolante
care să fie în acord cu matricea de cerințe [62].
1.2.1. Materiale pentru izolaţii electrice
Pentru izolarea părţilor conductoare, echipamentele electrice din industria energetică
utilizează materiale cu caracteristici electroizolante speciale. Ştiinţe fundamentale, cum este
chimia, fizica, şi ştiinţe inginereşti, cum este ingineria materialelor, şi-au adus un continuu aport
în cunoşterea şi obţinerea de noi noi materiale, cu compoziții, structuri şi matrici de proprietăţi
specifice pentru a satisface cerinţele impuse de sistemele de izolație electrică [62].
Materialele electroizolante fac parte din clasa materialelor numite dielectrice, care trebuie
să îndeplinească următoarele cerinţe:
Rezistivitate de volum și suprafață mare, pentru a realiza funcţia de izolare a părţilor
conductoare de curent electric; Permitivitate dielectrică scăzută, pentru evitarea cuplajului
capacitiv între piesele izolate, la frecvențe înalte; Rigiditatea dielectrică mare, pentru a rezista
la solicitări electrice ridicate; Temperaturi de funcționare cât mai înalte, pentru a putea obţine o
putere specifică cât mai mare; Rezistență mecanică bună; Durata de viață mare, ceea ce
corespunde cu rezistență și stabilitate mare în timp; Rezistență la agenții chimici din mediul
ambiant cât mai mare; Rezistență la factorii de mediu; Prelucrabilitate bună; Posibilități de
recuperare, reciclare si revalorificare bună; Preț de cost scăzut.
Caracteristicile electroizolante ale unor dielectrici lichizi sunt descrise în Tabelul 1.1.
[29], [109].
Tabel 1.1. Caracteristicile electroizolante ale unor dielectrici lichizi
Lichid
electroizolant
Polaritatea
lichidului
Permitivitatea
relativă la
200C, 50 Hz
Rezistivitatea
la 200C
[Ωm]
tg δ la
200C,
50 Hz
Rigiditatea
dielectrică
la 200C,
50 Hz,
[kV/mm]
Benzen Nepolar 2,218 1013
-1014
- -
Toluen Slab polar 2,294 - - -
Tetraclorură de
carbon Nepolar 2,163 - - -
Ulei mineral Nepolar 2,1-2,4 1012
-1018
10-3
-10-4
15-30
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
16
(după puritate) (purificat )
40-50
(nepurificat)
Ulei de ricin Polar 4,5 1012
- 12-18
Askarel,
Sovol (difenili
clorurați)
Polar 2,5-3
(250C)
1010
-1014
10-2
-10-3
14-20
Ulei siliconic Slab polar 21,200 1014
(250C)
10-4
(250C)
15-20
(250C)
Apă distilată Foarte polar 81 107- 10
10 - -
Se observă (Tabelul 1.1) că permitivitatea relativă crește odată cu creşterea caracterului
polar al lichidului, prezente fiind procesele de polarizare de orientare în dielectricul lichid polar.
Lichidele electroizolante sunt, în mare parte, diverse combinații organice, majoritatea,
inflamabile ceea ce impune precauții speciale pentru evitarea accidentelor sau pagubelor în
sistemele energetice. Stabilitatea lichidelor electroizolante constituie principalul lor dezavantaj,
sub acțiunea solicitărilor, lichidele suferă o serie de transformări cu formare de gaze, apă, acizi,
care duc la modificarea caracteristicilor lor electroizolante şi modificarea conductivităţii
electrică, a permitivităţii relative, a tgδ şi a rigidităţii dielectrice.
Uleiurile sintetice, de tipul hidrocarburilor aromatice sau difenililor clorurați (askareli) şi
floruraţi, sau a uleiurilor siliconice, sunt utilizate ca dielectric de condensator (difenilii cloruraţi),
ca solvenți organici, la impregnarea unor ţesături electroizolante, la fabricarea lacurilor
electroizolante.
Pentru majoritatea materialelor organice macromoleculare electroizolante se caută soluții
de înlocuire atunci când resursele nu sunt suficiente, sau când crește pretul de cost. Soluţii se
caută şi pentru înlocuirea lor cu materiale ecologice, nepoluante, resistente în timp, și neagresive
cu mediul înconjurator.
1.2.2. Materiale electroizolante pentru transformatoarele de mare putere
La transformatoarele de putere punctele critice sunt legate de:
- Înfășurările - scăderea performanțelor izolației sub limitele admisibile duce la străpungerea
electrică;
- Trecerile izolante - depind de calitatea execuției;
- Sistemul de consolidare al înfășurărilor - supraîncălzirea pieselor de fixare duce la
degradarea părților izolante;
- Sistemul de răcire - ineficiența răcirii duce la creșterea temperaturii de funcționare a
transformatorului și degradarea izolației electrice,
astfel că materialele electroizolante se aleg în funcție de nivelul de solicitare și de cerințele de
solicitare a ansamblului.
În construcția transformatoarelor de mare putere se utilizează materiale electroizolante
din diferite clase de izolație, sub variate forme: stratificate, țesături, pelicule, folii și plăci – din
grupa materialelor electroizolante solide - și sub formă de izolanți lichizi.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
17
Conductoarele sunt izolate cu bumbac, hârtie, fibre de sticlă, micabandă sau email
electroizolant. Pentru transformatoarele actuale, izolația de hârtie îmbibată cu ulei este principala
izolație a conductoarelor.
Aerul ca amestec gazos este utilizat ca material electroizolant în transformatoarele
electrice. Gazele inerte, în special azotul, sunt utilizate în transformatoarele electrice cu izolaţie
de ulei cu rol important de realizare a atmosferei inerte în cuva transformatorului.
Prin aceasta se evită contactul direct între uleiul electroizolant cu oxigenul din aerul
atmosferic, care datorită umidităţii, conţinutului de particule şi prezenţei oxigenului poate
modifica proprietăţile electroizolante al uleiului.
Uleiurile electrizolante sunt utilizate în transformatoare de mare putere cu funcții
multiple: izolare electrică și mediu de răcire. Se utilizează în prezent uleiurile naturale minerale,
obținute din produse petroliere sau din gudroanele de cocserii din cărbuni sau și din plante. În
cazul uleiului mineral de transformator temperatura maximă de lucru este de 90°-110°C, pentru
evitarea incendiilor. Difenilii clorurați degajă vapori toxici la temperaturi ridicate, ceea ce
impune utilizarea lor până la 100°C.
Din categoria materialelor organice utilizate în transformatorul de putere, ca material
electroizolant face parte celuloza.
Celuloza este o substanță macromoleculară naturală din clasa glucidelor, fiind
constituentul principal al membranelor celulelor vegetale. Celuloza este o polizaharidă și
împreună cu lignina (un compus macromolecular aromatic) și alte substanțe, formează pereții
celulelor vegetale și conferă plantei rezistență mecanică și elasticitate. Celuloza are aceeași
formulă brută ca și amidonul (C6H10O5)n, unde n poate atinge cifra miilor. La nivel molecular,
celuloza prezintă o structură semicristalină, în care zonele amorfe sunt alternate cu zonele
cristaline. Zonele amorfe, permit pătrunderea apei, în timp ce zonele cristaline sunt rigide, inerte,
ordonate și relativ impermeabile
Hârtia Kraft este o hârtie realizată din pastă de celuloză fibră lungă şi o proportie de
hârtie reciclată. Potrivite pentru rezistenţa lor mecanică şi electrică, hârtiile electroizolante sunt
sortimente tehnice speciale, fabricate din celuloza electrotehnică tip Kraft, cu grad ridicat de
puritate.
Hârtia Manila este produsă în Europa, manual, respectând tehnicile tradiționale
japoneze. Specială prin modalitatea de procesare a materiei prime, prin calitatea superioară a
fibrelor folosite (100% fibra de cânepă Manila), acestei hârtii i se garantează o remarcabilă
rezistență. Diferența dintre acest tip de hârtie și cea produsă în Japonia este sursa fibrei și
calitatea acesteia. Materia primă folosită în Europa este bumbacul și pasta de lemn, iar în
Japonia arborii Kozo, Gampi sau Mitsumata. Fibra obținută din acesti arbori este lungă, subțire
și extrem de rezistentă. Hărtia Manila reușește să se apropie foarte mult de cea originală
japoneză, prin aspect și rezistență. Caracteristicile definitorii ale hârtiilor electroizolante sunt conductivitatea extractului
apos, rigiditatea dielectrică în aer și in ulei, rezistența mecanică și conținutul de cenușă. In
Tabelul 1.2 prezentate principalele caracteristici electrice ale hârtiilor electroizolante[119], [75].
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
18
Tabel 1.2. Caracteristi ale hârtiilor electroizolante
Denumire produs Grosimea
mm tgδ Estr [kV/mm] εr
Hârtie Kraft 0,03….0,05 0,002÷0,003 30÷80 1,5÷6,5
Hârtie cablu 0.08….0,12 0,001÷0,003 30÷80 3,5÷6,5
Hârtie manila 0,03….0,05 0,003÷0,004 30÷80 2,5÷4,5
Hârtie condensator 0,03….0,05 0,002÷0,003 30÷80 4,5÷6,5
Hârtie japoneză 0,03….0,05 0,002÷0,003 30÷80 1,5÷4,5
Hârtie din cârpe 0,08….0,20 0,001÷0,002 30÷80 2,5÷4,5
Hârtie poliamidică
(Nomex) 0,08….0,20 0,015÷0,020 20÷40 3,0÷3,3
Carton electrotehnic
(Peșpanul) 0,50….7,00 0,003÷0,004 30÷80 4,5÷4,5
În transformatoare se utilizează preponderent hârtia Kraft, cartonul electrotehnic și hârtia
poliamidică.
Hârtie și plăci din Nomex - hârtie aramidică (sintetică), sau benzi în toate gama de
grosimi cu lățimi de la 5 mm la 1854 mm. Plăci ștanțate sau presate sub diferite forme, ca și
benzi adezive pe baza de Nomex.
Laminate (Stratificate) - materiale flexibile electroizolante multistrat realizate din foii
lipite, fibre si hârtii.Combinatiile de materilale de baza duc la produse finite care combina
proprietatile materialelor de baza si ofera multiple alte calitati. Pot fi combinate în diferite
moduri. Uzual sunt laminate 2-3 straturi. (Nomex-Kapton-Nomex, Perspan-Polietilena, etc.).
Folii electroizolante - in diverse clase de izolatie( poliamidice – ex. Kapton, folii PEN –
ex. Teonex, poliesterice – ex. Mylar, si alte folii speciale, albe cu tratamente de suprafata sau
folii deconectare.
Preșpan (Plăci presate) – de zeci de ani cel mai utilizat material pentru izolații electrice
în clasa A. Este fabricat din fibre de celuloză, proces asemănător cu cel de producere al hârtiei
fără utilizarea lianților.
Toate foiile și plăcile electroizolante sunt diponibile cu suprafețe speciale, de exemplu
acoperite, perforate, ondulate, etc, și sub forma de benzi, folii, piese ștanțate sau formate.
Benzi adezive electroizolante - Benzi adezive electroizolante - (UL listed) având diferite
materiale ca bază și diferiti adezivi (silicon, cauciuc, acril), adezive pe ambele fețe, pentru toate
aplicațiile și toate clasele de tempertură.
1.3. Sisteme de izolaţie în transformatoarele de putere
1.3.1. Sisteme de izolaţie electrică
Sistemele de izolație electrică sunt părți constructive ale echipamentelor electrice,
realizate dintr-un singur material sau mai multe materiale electroizolante, care izolează căile de
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
19
curent ale echipamentului între faze, între polii aceleiaşi faze şi între faze şi părţile puse la
pământ.
Funcţie de natura echipamentului electric, sistemele de izolaţie au o structura simplă (în
stare lichidă, gazoasă sau solidă), sau o structură complexă. Cele cu structuri complexe pot
include materiale cu stări diferite de agregare, a căror rezistivitate electrică se înscrie în clasa
materialelor electroizolante (ρ=10810
18 Ωm) [37].
Transformatoarele de mare putere în construcţie convenţională, utilizează ca materiale
pentru izolarea electrică a părţilor active materiale solide (hârtia, lemnul, cartonul electroizolant,
etc.) şi lichide electroizolante (uleiul mineral de transformator). Sistemul de izolaţie electrică din
transformatorul de mare putere este complex, fiind alcătuit din ansamblul de materiale
electroizolante aflate în contact direct cu părţile conductoare, care au rol de izolare a căilor de
curent între ele şi faţă de pământ (masa), dar şi cele care sunt în contact indirect, cu rol de izolant
electric, de suport mecanic al căilor de curent electric şi de mediu de răcire.
Realizarea practică a sistemelor de izolaţie este strâns legată de natura şi starea fizică a
materialelor electroizolante utilizate dar şi de formele geometrice ale căilor de curent.
Îmbunătăţirea caracteristicilor de calitate privind sistemele de izolaţie electrică din
echipamentele electrice are in vedere în primul rând caracterizarea comportării materialelor
componente la diverşi factori de stres [40].
Normele actuale prevăd reducerea şi chiar suprimarea poluanţilor generați prin arderea și
dispersia izolatorilor gazoşi, lichizi, solizi în mediul ambiant. Materialele componente sistemului
de izolație trebuie să fie anticorozive [16], [63].
1.3.2. Indicatori caracteristici pentru sistemele de izolatie
Sistemele de izolaţie influenţează direct funcţionarea şi durata de viaţă a echipamentelor
electrice [37]. În descrierea sistematică a performanţelor sistemelor de izolaţie, sunt utilizate
derept idicatori caracteristicile materialelor electroizolante componente [102]. Spre exemplu,
pentru alegerea unei izolaţii lichide se iau în considerare următoarele criterii:
- rigiditatea dielectrică la tensiuni de frecvenţă industrială;
- rigiditatea dielectrică la tensiuni de impuls;
- tensiunea de apariţie a descărcărilor parţiale;
- capacitatea lichidului de absorbţie a bulelor de gaze.[59], [60].
În cazul lichidelor electroizolante, legea Pisarevski – Valden exprimă dependenţa dintre
conductivitatea electrică şi vâscozitatea acestora, precum şi dependenţa acestor parametri de
temperatură. Astfel, legea lui Stokes precizează dependenţa dintre viteza unei particule sferice de
lichid care se deplasează uniform sub acţiunea forţei F , în procesul de curgere vâscoasă astfel:
r
F
6 (1.1)
unde: r este raza particulei, este coeficientul dinamic de vâscozitate într-un proces staţionar de
conducţie electrică, F este forţa cu care câmpul electric de intensitate E acţionează asupra
ionului de sarcină iq este compensată de forţa de frecare:
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
20
0 EqF i (1.2)
Legea Pisarevski-Valden,în ipoteza nemodificării concentraţiei de purtători de sarcină, se
exprimă astfel :
.const (1.6)
Valoarea tensiunii la care se produce străpungerea materialului se numeşte tensiune de
străpungere Ustr iar valoarea corespunzătoare a intensităţii câmpului electric Estr este rigiditatea
dielectrică.
Tensiunea la care are loc descărcarea pe suprafaţa dielectricului solid, dacă această
suprafaţă este uscată şi curată se numeşte tensiunea de conturnare uscată, iar dacă suprafaţa este
umedă, tensiunea de conturnare umedă.
Rigiditatea dielectrică Estr este o mărime dependentă de factori intrinseci (natura
dielectricului, starea de agregare) şi extrinseci (natura, forma şi dimensiunile electrozilor,
frecvenţa câmpului electric, condiţiile de mediu). Prezenţa umidităţii, a prafului, a grăsimilor, dar
şi a ceţii, vântului poate conduce la valori mult diferite pentru rigiditatea dielectrică a unui
dielectric.
Dielectricii gazoşi şi lichizi sunt regenerabili faţă de fenomenul de străpungere, în sensul
că după producerea unei străpungeri o nouă solicitare electrică este posibilă, dielectricul
prezentând din nou o valoare ridicată a rezistivităţii electrice.
Izolaţia internă (a transformatoarelor, a întrerupătoarelor etc.) este prezentată de suprafața
de separaţie între materialele solide (hârtie, carton, textolit etc.) şi uleiul electroizolant. [51].
Proprietăţile hârtiei impregnate cu ulei sunt diferite în funcţie de caracteristicile hârtiei,
ale uleuiului şi ale procesului de impregnare.
Pierderile dielectrice depind de: natura hârtiei, tratamentul ei chimic, densitatea hârtiei,
puritatea apei folosite la fabricarea hârtiei, caracteristicile soluţiei de impregnare, gradul de
umiditate. Influenţa apei asupra rigidităţii hârtiei sau a cartonului impregnate în ulei este
importantă, din acestă cauză s-a analizat posibilitatea reducerii umidităţii reuşindu-se valori în
cazul hârtiei de numai 0,3...0,5%.
Încercările experimentale efectuate arată că pentru temperaturi până la 90°C, valorile
factorului de pierderi practic nedepinzând de umiditate. Între 90 şi 130°C, valoarea tgδ creşte cu
atât mai mult cu cât materia primă este de mai prostă calitate[42],[45].
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
21
2. DURABILITATEA SISTEMELOR DE IZOLAŢIE ELECTRICA
2.1. Solicitări asupra sistemelor de izolaţie electică
În timpul funcționării echipamentului electric, sistemul de izolație este supus unui
complex de solicitări. Astfel, în transformator sistemul de izolație electrică trebuie să suporte şi
să transmită agentului de răcire căldura dezvoltată în diferitele părţi ale acestuia (înfășurări,
circuit magnetic).
Solicitările electrice - de scurtă durată, sau lungă durată, permanente sau de exploatare,
accidentale, constante şi variabile în timp – induc alte tipuri de solicitări. În Tabelul 2.1 sunt
prezentate principalele solicitări şi fenomenele care le însoţesc [25], [74], [75]
Tabel 2.1. Tipuri de solicitări şi efecte asupra sistemelor de izolaţie
Solicitari Fenomene şi acţiuni Solicitări de mediu
Solicitări
electrice
Tensiunea de serviciu Incălziri Aer, oxigen, hidrogen, azot,
gaz inert, hexafluorură de sulf
(SF6), Poluare industriala
(SO2, NaCl), radiaţii
ultraviolet, vid, lubrifianţi,
solvenţi
lichide izolante, apa, acizi,
baze, praf semiconductor, praf
şi nisip, ciuperci
Supratensiuni Descărcări parţiale
Solicitări
mecanice
Vibraţii
electrodinamice Presiune
Şoc electrodinamic Întindere
Vibraţii mecanice Compresiune
Şoc mecanic Răsucire
Solicitări
termice
Temperatura maximă Incălziri
Temperatura minimă
ambiantă
Gradient de
temperatură
Pentru calculul sistemelor de izolație se iau în considerare regimurile de funcționare ale
echipamentelor [15], care sunt:
- regimuri permanente (mod de functionare continuu), care fundamentează dimensionarea
echipamentelor electrice si a izolaţiilor;
- regimuri de suprasarcină (mod de functionare intermitent), care determină, pentru o durată
limitată, o creştere temporară a solicitărilor izolaţiilor (mecanice, termice);
- regimuri anormale (de durate foarte reduse, fracţiuni de secundă), care se manifestă prin
apariţia unor supratensiuni sau scurtcircuite şi exercită solicitări bruşte importante (şocuri
electrice, mecanice şi termice).
Solicitările se apreciază pornind de la condiţiile reale de funcţionare ale echipamentelor
electronice sau electrotehnice [37], [59], [60].
2.1.2. Clase de izolaţie electrică
Performanţele sistemelor de izolaţie electrică depind de natura şi structura materialelor
componente. Este şi cazul transformatoarele de mare putere care utilizează, în principal, ca
materiale pentru izolarea electrică a părţilor active uleiul mineral de transformator şi materiale
solide: hârtia, lemnul, cartonul electroizolant, pentru care durabilitatea la acţiunea solicitărilor
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
22
electrice, termice, mecanice şi de mediu depind de parametrii intrinseci ai materialelor
constituente [37].
Pentru caracterizarea tuturor tipurilor de solicitări care acționează asupra izolațiilor în
timpul funcționării echipamentelor electrice sunt introduşi factori de influență [108], [109].
Performanţele sistemelor de izolaţie sunt direct legate de calitatea materialelor
componente. Materialele utilizate la construcția sistemelor de izolație sunt împărțite în trei grupe
principale [56], [59], [108], [109]: - materiale organice; - materiale anorganice; - materiale
siliconice (sau de trecere).
Alături de aceste tipuri de materiale, în urma dezvoltării tehnologiei, s-au creat și
materialele electroizolante nanocompozite. Denumirea de nanocompozit s-a încetăţănit pentru
materialul solid multifazic (avand numărul de faze ≥ 2), în care una din faze are minim o
dimensiune mai mică decât 100 nanometri (nm), sau un material având distanțe nanometrice
între diferitele faze ce îl compun [16].
2.2. Îmbătrânirea sistemelor de izolaţiei
2.2.1.Îmbătrânirea izolațiilor electrice
Izolaţiile electrice nu se degradează dintr-o dată. Sub acţiunea diverselor solicitări izolaţia suferă
transformări structurale ireversibile, care provoacă înrăutăţirea modificarea caracteristicilor electrice ale
acestora [37], [60], [61], [62].
Gradul de îmbătrânire este determinat de variaţia valorilor parametrilor de material ai
dielectricului la un moment dat, de solicitarea către un ansamblu de factori de îmbătrânire faţă de
valorile iniţiale ale acestor parametrii. Viteza de îmbătrânire va fi diferită dacă acţionează toţi
factorii de solicitare (electrică, termică, mecanică) simultan, separat sau într-o anumită
succesiune [34], [37], [59], [60], [61], [63], [70], [144], [145].
Îmbătrânirea termică, contaminarea, deformarea mecanică și solicitările excesive la înaltă
tensiune duc la apariția fenomenelor de străpungere și pot avea efecte importante în durata de
viață a transformatorului.
În izolațiile impregnate cu lichide (sistemul de izolatie hârtie-ulei al transformatoarelor de
putere), sub efectul câmpului electric pot apare bule cu gaz în care se produc, de asemenea,
descărcări parțiale [39].
Sistemele de izolație ale transformatoarelor de putere conțin materiale organice, în
special polimeri (celuloza). Acestea determină reducerea progresivă a proprietăților mecanice,
depolimerizarea rapidă a izolației celulozice (asociată cu o reducere a rigidității dielectrice), o
creștere a factorului de pierderi și o reducere a rezistivității electrice, inițierea reacțiilor de
oxidare a uleiului mineral etc. [54].
Într-un transformator de putere aflat în exploatare, sursele de căldură sunt localizate în
zonele în care se produc pierderi de energie, respectiv în: conductoare (pierderi prin efect Joule);
circuite magnetice (pierderi prin histerezis magnetic și curenți Foucault); sistemul de izolație
(pierderi prin polarizare și prin conducție electrică). Căldura dezvoltată este evacuată spre
sistemul de răcire prin sistemul de izolație hârtiei-ulei [89].
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
23
În Fig. 2.1 sunt sistematizate procesele de străpungere, degradare şi îmbătrânire din
izolaţiile electrice, în funcţie de intensitatea solicitarii electrice [1], [8], [34], [38].
Fig. 2.1. Procese de străpungere, degradare şi îmbătrânire din izolaţia electrică,
în funcţie de intensitatea solicitării electrice
La intensități mari ale solicitării electrice se produce străpungerea electrică. La durate
mari de solicitare apar procese de degradare respectiv îmbătrânire a componentelor sistemului de
izolație.
2.2.2. Degradarea celulozei și a uleiului de transformator
Degradarea celulozei din hârtia electroizolantă are loc prin mecanisme fizico-chimice în
care reacțiile de piroliză, oxidare și hidroliză au rol esențial. [38], [30].
A. Degradarea hârtiei Kraft
Hârtia Kraft electroizolantă conține celuloză, hemiceluloză și lignină a cărei caracteristici
sunt prezentate în Tabelul 1.6. Hemiceluloza are o formula complexă formată din xylosă, β(1,4)
mannosă, β(1,4) glucosă și α-galactoză. Lignina sau lignen este un polimer complex de alcooli
aromatici cunoscuți ca monolignols [137].
O
OO
O
OO
CH2
HO
HO
OH
CH2O
H
O
O
O
O
O
H
CH2
O
H
OH
CH2
OH
HO
OO
H
OH
H2C
OH
H
O
CH2O
O HH
OH
O
*
*
n
OH
HH
OHH
OH
CH2OHOH O
HH
OHH
OHO
CH2OH
*
n
O
a) b)
Fig. 2.2. Structura chimică a celulozei: a) Macromoleculă de celuloză; b) Dimer de celuloză
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
24
Prin expunerea hârtiei la factorii de stres din transformator, celuloza se descompune
prin depolimerizare. Se obțin inele de glucoză.
Glucoza, în procesul de oxidare, se transformă în CO2 și H2O, apa fiind compusul care
scade performanțele sistemului electroizolant din transformatorul de putere.
OHCOOOHCCT
2226126
0
Reacția de descompunere a hârtiei electroizolante este prezentată în Fig. 2.3.
O
OO
O
OO
CH2
HO
HO
OH
CH2O
H
O
O
O
O
O
H
CH2
O
H
OH
CH2
OH
HO
OO
H
OH
H2C
OH
H
O
CH2O
O HH
OH
O
*
*
+ O2OH
HH
OHH
OH
CH2OHOH O
HH
OHH
OHO
CH2OH
*
n
O
HC
HCCH
CH
O
+ CO + CO2 + H2O
OH
OH
H
OH
H
OHH
OH
H2C
H
OH
Fig. 2.3. Reacția de descompunere a hârtiei electroizolante
Descompunerea continuă ducând la formarea de compuși furanici și alți componenți: 2
furaldehidă, 5 hidroximetil 2 furaldehidă, 5 metil 2 furaldehidă, furfuralcool. Acești compuși,
trec în uleiul de transformator și îi schimbă proprietățile fizico-chimice și dielectrice ale acestuia:
culoarea, tensiunea interfacială, formarea de particule de apă [45], [47], [48], [53], [76], [87],
[89], [102][137].
B. Degradarea uleiului de transformator
În procesul de îmbătrânire uleiul de transformator suferă modificări de structură
datorită descompunerii hidrocarburilor alifatice, naftenice şi aromatice constituente.
În procesul de îmbătrânire uleiul de transformator suferă modificări de structură
datorită descompunerii hidrocarburilor alifatice, naftenice şi aromatice constituente. Contactul
direct al uleiului de transformator cu oxigenul dizolvat duce la reacții redox, care duc la formarea
de compuşi secundari de descompunere sau de oxido-reducere (Fig. 2.4).
a) Inițierea reacției
O2
2RH R· +·R' + H2O unde R, R’· - sunt radicali liberi
R-H R- + H+
b) Propagarea reacției
R· +·R'+ O2 ·RO2 +·R'O2
3C + 2O2 2CO + CO2
2[H·] + 1/2O2 H2Ov
2[H·] + O2 H2Ov + O
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
25
c) Întreruperea reacției / terminarea reacției
·RO2 + ·R'O2 ROH + RCOOR' + O2
·RO2 + ·R'O2 + H2 ROH + RCOOH + O2
·RO2 + ·R'O2 + H2 ROH + RCHO + O2
R + R R- R
H + H H2
C + 2H2 CH4
Fig. 2.4. Mecanismul de degradare a uleiului de transformator prin reacții redox
În Fig. 2.4, R şi R’sunt radicali organici de hidrocarbură identici sau diferiți. Reacţiile
redox duc la formarea de radicali liberi, radicali hidroperoxidici, la propagarea reacţiilor
secundare, ceea ce duce la scăderea performaţelor uleiului izolator din transformatorul de putere
[126].
Produșii secundari de descompunere și de degradare sunt gazoși: CO2 (dioxid de carbon),
CO (monoxid de carbon), H2 (hidrogen) CH4 (metan), C2H6 (etan), C2H4 (etenă), C2H2
(acetilenă), C3H8 (propan), C3H6 (propenă), C3H4 (propină), C4H10 (butan), C4H8 (butenă), C4H6
(butină), H2O (apă vapori).
2.2.3. Rolul antioxidanților în reducerea reacțiilor redox
Pentru reducerea reacțiilor de oxido-reducere în lanț se adaugă un inhibitor de reacție ca
antioxidant (0,2-4%). [80]. În lucrarea [137] autoarea prezentei teze a utilizat ca antioxidant alfa
– metil - naftalină. Probele de ulei în care s-au adăugat cantități de antioxidant în procent 0,1-0,5
au fost analizate prin măsurarea tangentei unghiului de pierderi și a indicelui de aciditate.
Efectul antioxidantului este de reducere a numărului de radicali liberi dezvoltați ca
urmare a descompunerii termice a uleiului de transformator. Dacă uleiul se încălzește, crește
numărul de radicali liberi formați şi eliberați din moleculă și deci utilitatea antioxidanților, care
reduc numărul de radicali liberi din sistemul electroizolant [80].
În Fig. 2.5 este prezentat efectul prezenței antioxidantului în mecanismul de degradare a
uleiului de transformator prin reacții redox, unde R, R’ sunt radicalii organici de hidrocarbură
identici sau diferiţi, iar A este radicalul de antioxidant.
R +AH RH + A
RO +AH ROH + A
R-O-O +AH R-O-OH + A
OH +AH H2O + A
Fig. 2.5. Mecanismul de degradare a uleiului de transformator prin reacții redox în
prezența antioxidantului
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
26
Prin adăugarea antioxidanților se vor reduce cantitativ și reacțiile de formare a
moleculelor de apă în sistemul electroizolant, astfel mărindu-se durata de viață a
transformatorului de putere și implicit a izolației acestuia.
Concluzii
Capacitatea de izolare a uleiului mineral electroizolant este o problemă reală de cercetare
ca urmare a noilor cerințe restrictive impuse de fabricație și exploatare.
Monitorizarea strictă a caracteristicilor de ulei mineral din țiței impune monitorizarea
proceselor de îmbătrânire dezvoltate în sistemul de izolare: studierea conținutului de gaze care
apar și a altor componente cum ar fi conținutul de apă, existența mai multor produse solide care
pot apărea ca urmare a reacțiilor de descompunere a sistemului electroizolant.
În exploatare, conținutul de apă, nu este doar rezultatul descompunerii uleiului
electroizolant, ci și daorită degradării altor părți ale izolației, cum este hârtia de celuloză
impregnată cu ulei mineral. Conținutul de apă poate crește datorită umidității mediului, atâta
timp cât transformatorul nu este perfect sigilat, iar izolația vine în contact cu umiditatea din aer.
Cantitatea de umiditate care se formează ca rezultat al reacțiilor care au loc în sistemul de
electroizolant transformatorului de putere și cantitatea de umiditate din mediu poate conduce la
reacții secundare de descompunere, reducând drastic calitatea izolației sistemului electroizolant.
Din anumite produse secundare care apar ca urmare a procesului de descompunere și de
îmbătrânire, apa creează mari probleme privind capacitatea de izolare și de coroziune în
transformatorul de putere.
Dezintegrarea moleculară duce la îmbătrânirea izolației transformatorului de putere, de
aceea regenerarea uleiului mineral și revitalizarea trebuie să fie efectuate pentru a reduce
pierderile și costurile.
2.3. . Influenţa apei asupra sistemului ulei mineral – hârtie electroizolantă
2.3.1. Solubilitatea apei în uleiul electroizolant
În lucrarea [137] autoarea a efectuat cercetări experimentale privind efectul apei asupra
performanțelor uleiului de transformator.
Apa este unul dintre factorii cei mai importanți, care afectează durata de viață a
sistemului de izolatie electrică a transformatorului de putere. Apa poate exista în transformator în
mai multe forme [5],[7],, [134]:
apă liberă la fundul tancului;
gheață la fundul tancului transformatorului;
apa sub formă de emulsie, pusă în evidență prin determinarea tg δ.
apa dizolvată, care este determinată prin metoda Karl Fischer.
apa liberă, în situaţia când se depăşeste saturația uleiului şi începe formarea de
mici picături de apă.
Măsurarea conținutului de apă poate fi determinată cu metoda coulometrică Karl Fisher,
metodă larg răspândită în laboratoarele din USA. De obicei situația din laborator nu corespunde
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
27
cu cea din teren având uneori rezultate neconcludente, [6], [7], [10], [28], [31], [32], [36], [45],
[50], [55], [66], 83], [88], [91], [156], [157].
Solubilitatea apei în ulei de transformator creşte în funcţie de temperatură şi de indicele
de neutralizare al uleiului.
Capacitatea de absorbţie a apei de către uleiul mineral electroizolant creşte rapid cu
cresterea temperaturii (de circa 4-5 ori mai mare la o temperatură de 80°C decât la o temperatura
de 20°C).
Exista mărimi specifice pentru definirea umidității aerului și a conținutului de apă.
Conținutul de umiditate sau raportul de amestec reprezintă greutatea în grame a
vaporilor de apă din uleiul electroizolant sau în hârtie raportată la 1 kg de ulei sau hârtie uscată:
][kg
g
m
mx
u
v (2.2)
unde mv - masa vaporilor de apă; mu – masa de ulei analizat când vaporii de apă saturează uleiul
sau hârtia conținutul de umezeală devine maxim și se notează cu xs.
Umiditatea absolută sau concentrația vaporilor (în grame) ce sunt conținuți
într-un volum V de ulei electroizolant umed:
][3m
g
V
ma
u
v (2.3)
Umiditatea absolută se poate măsura prin greutatea specifică a vaporilor de apă din uleiul
de analizat umed. Dacă vaporii de apă saturează proba de ulei electroizolant, umiditatea absolută
devine maximă și se notează cu as.
Umiditatea relativă este raportul dintre umiditatea absolută a a uleiului
electroizolant umed și umiditatea absolută maximă la saturație as, la aceeași temperatură și la
aceeași presiune barometrică:
[%]100a
a
s
(2.4)
Umiditatea relativă a aerului caracterizează cantitatea maximă de vapori de apă care poate
fi conținută în aerul atmosferic. Temperatura aerului joacă un rol important: cu cât e mai cald
aerul, cu atât mai multă apă poate absorbi.
Conținutul de apă în ulei:
100)(
2
2
sample
OH
OHm
Vm
(2.5)
unde este densitatea apei și V este volumul de apă extrasă din proba de ulei de masă
moil.
Apa care apare în urma descompunerilor, se solubilizează parțial în uleiul electroizolant,
restul degajându-se ca vapori în atmosferă. Conţinut de apă în ulei crud (proaspăt), la 20oC,
conform SR EN 60814 este de max. 30 ppm .
2.3.2. Efectul prezenței apei în uleiul de transformator
Uleiul de transformator este foarte higroscopic şi absoarbe apa care poate exista în ulei
atât sub forma dizolvată cât şi sub formă de apă liberă. Dacă conţinutul de apă în ulei este mai
mare de 20 ppm factorul de pierderi al uleiului creşte brusc, iar în aceeaşi măsură creşte pericolul
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
28
de străpungere termică și electrică. Rigiditatea dielectrica este calculată în ipoteza câmpului
electric omogen, cu relatia:
d
UE str
str (2.6)
unde Ustr este tensiunea de strapungere a uleiului, iar d este distanța între electrozii de
testare. [137].
În Fig. 2.6 este prezentată influența prezenței oxigenului și a apei asupra degradării
sistemului ulei mineral-hârtie electroizolantă, o dată cu creșterea temperaturii.
Fig. 2.6. Legătura dintre reacția de oxidare a uleiului și degradarea hârtiei celulozice
În Fig. 2.7 este prezentat procesul de degradare a celulozei, accelerată de prezența apei.
Cellulose
O2
H2O
Glucosa
C6H12O6
O2
H2O
Furan
C4H4O
Furan
C4H4O
O2
H2O
Furfural
C5H4O2
O2
H2O
Acid
furoic
C5H4O3
O2
H2O
2-Furoyl
SCOA
C5H3O2SCOA
Fig. 2.7. Reacțiile de descompunere ale hârtiei electroizolante în prezența apei
Ca derivați furanici care apar din descompunere sunt: 5-hidroximetil 2furfurol (5HMF),
2-furfurol alcool (2FOL), 2-furfural (2FAL), 2-acetil furfurn (2ACF), 5-metil 2 furfural (5MEF).
O creștere a umidității în sistemul electroizolant duce la degradarea hârtiei ceea ce scade
durata de viață a sistemului electroizolant din transformatorul de putere [90].
În Fig. 2.8 sunt analizate reacțiile de descompunere a uleiului mineral electroizolant
accelerate de prezența apei.
C2H6 CH4 + C + H2 3C + 2O2 2CO + CO2 4C2H6 2·CH3 + 2C2H2 + 2C+2[H·]
2[H·] + O2 H2Ov [H·]+[H·] H2
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
29
C3H8 CH4 + C2H4 C3H8 ·CH3 + C2H4 + H2 C3H8 C + C2H4 + 4H2
RCH CHR'
+
RCH CHR'
CH2R'
CH2R'
R
R Fig. 2.8. Mecanism de degradare a uleiului de transformator prin reactii redox cu
formare de gaze în prezența apei
Sub efectul temperaturii și a câmpului electric, apa, ce compune umiditatea din sistemul
electroizolant al transformatorului de putere, se descompune în radicali liberi (Fig. 2.9).
H2O H+ + HO-
H2O + H+ H+ + HO-
2H2O H3O+ + HO-
Fig. 2.9. Efectul temperaturii și câmpului electric în mecanismul de descompunere apei
și formarea de ioni
Ionii liberi cresc conductivitatea electrică și scad rigiditatea dielectrică a sistemului
electroizolant în asamblu - caracteristică importantă a uleiurilor electroizolante Sub efectul
temperaturii și a câmpului electric, apa, ce compune umiditatea din sistemul electroizolant al
transformatorului de putere, se descompune în radicali liberi (Fig. 2.9).
H2O H+ + HO-
H2O + H+ H+ + HO-
2H2O H3O+ + HO-
Fig. 2.9. Efectul temperaturii și câmpului electric în mecanismul de descompunere apei
și formarea de ioni
Ionii liberi cresc conductivitatea electrică și scad rigiditatea dielectrică a sistemului
electroizolant în asamblu - caracteristică importantă a uleiurilor electroizolante [137].
Continutul de umiditate datorata descompunerii sistemului de izolatie hartie-ulei mineral
sub influenta strapungerilor electrice din transformatorul de putere, are un efect defavorabil al
prezentei acesteia în uleiul de transformator care nu se limitează numai la micşorarea rigidităţii
dielectrice. S-a stabilit că în prezenţa umiditatii, procesele de oxidare a uleiului au loc mult mai
rapid [5], [6].
Autoarea prezentei teze a realizat un studiu privind îmbătrânirea uleiului mineral de
transformator în prezența umidității prin încercări de străpungere repetate, pe eșantioane de ulei
TR 30 Mol [137].
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
30
2.3.3. Determinări experimentale
Uleiul de transformator TR 30 MOL a fost supus la teste de străpungere electrică: s-a
calculat rigiditatea dielectrică corespunzătoare numărului de teste cu relația (2.1). S-a utilizat
aparatul MEGGER OTS 60 AF/2. Testările au fost efectuate cu electozi de tip calotă, sferă și
cilindru, cu viteza de creștere a tensiunii de străpungere v=2,5 kV/s. Distanța între electrozi este
de d=2,5 mm. Pentru determinarea rigidității s-au utilizat standardele: EN 60156-96, ASTM D
1816 84a. După efectuarea încercărilor electrice s-a determinat conținutul de apă din probele supuse
testărilor. Metoda utilizată pentru determinarea conținutului de apă este Dean Stark, s-au avut în
vedere următoarele reglementări: SR EN 60814 / 2002; ASTM D95.
În urma testărilor nu apar diferențe prea mari de valori ceea ce arată că apa în sistemul
nostru experimental nu crește atât de mult cât să ne alarmeze [137].
În Tabelul 2.10 sunt prezentate rezultele determinărilor experimentale obținute pentru
tensiunea medie de străpungere a probelor de ulei TR 30 MOL, conținutul de apă și rigiditatea
dielectrică.
Tabel 2.10. Tensiunea medie de străpungere, rigiditatea dielectrică și conținutul de apă a
probelor de ulei TR 30 MOL
Nr.
probă
Număr
de teste
Ulei mineral TR 30 MOL Viteza de creștere a tensiunii de străpungere v=2,5 kV/s
electrod plan electrod calota electrod sfera
strU
[kV] d
UE str
str
[kV/cm]
% Apa în
ulei
T=25,6°C
strU
[kV] d
UE str
str
[kV/cm]
% Apa în
ulei
T=21,7°C
strU
[kV] d
UE str
str
[kV/cm]
% Apa în
ulei
T=29,8°C
1. 1 test 60,0 24.0 0,0010 59,9 24.0 0,0015 59,5 23.8 0,002
2. 6 teste 58,9 23.6 0,0015 59,4 23.8 0,0025 58,3 23.3 0,003
3. 10 teste 49,0 19.6 0,0020 52,5 21.0 0,0030 51,4 20.6 0,005
4. 18 teste 45,0 18.0 0,0025 49,3 19.7 0,0045 48,5 19.4 0,008
5. 54 teste 35,0 14.0 0,0030 36,1 14.4 0,0100 34,2 13.7 0,020
6. 99 teste 23,0 9.2 0,0100 24,1 9.6 0,0500 21,2 8.5 0,050
Prelucrari de date și concluzii
În Fig. 2.10 este prezentat conținutul de apă în funcție de numărul de teste de străpungere
a probelor de ulei mineral de tip TR 30 MOL, pentru testări cu electrozi de tip calotă, sferă și
cilindru. În Fig. 2.11 este reprezentată rigiditatea dielectrică medie în funcție numărul de teste de
străpungere și de tipul de electrozi utilizați. În Fig 2.12 se arată conținutul de apă în procente
funcție de valoarea medie a tensiunii de străpungere și de tipul de electrozi. În Fig.2.13 se
prezintă variația tensiunii de străpungere în în funcție numărul de teste de străpungere și de tipul
de electrozi utilizați.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
31
Fig. 2.10. Conținutul de apă din uleiul mineral
TR 30 MOL în funcție de numărul de teste de
străpungere
Fig. 2.11. Variația rigidității dielectrice a
probelor de TR 30 MOL în funcție de numărul
de teste de străpungere
Fig. 2.12. Conținutul de apă % din probele de
ulei în funcție de tensiunea medie de
străpungere
Fig. 2.13. Variația tensiunii de străpungere în
funcție de numărul de teste de străpungere
Din datele experimentale, rezultă că uleiul cu peste 18 teste de străpungere prezintă o
îmbătrânire accelerată și deci uleiul conține produși secundari de descompunere, în primul rând
apa. Graficele din Fig. 2.10, Fig. 2.12 indică o creștere majoră a cantității de apă în cazul
îmbătrânirii accelerate a uleiului mineral. Cantitatea de apă dezvoltată în cazul electrozilor de tip
calotă și sferă este mai mare decât în cazul electrodului plan este mult mai mică decât în cazurile
anterioare.
Fig. 2.11 și Fig.2.13 indică scăderea tensiunii de străpungere respectiv a rigidității
dielectrică, odată cu creșterea numărului de teste de străpungere.
2.4. Extinderea duratei de viață a sistemului ulei – hârtie
Durabilitatea sistemului de izolație ulei-hârtie este direct legată de procesele de degradare
sau îmbătrânire a dielectricilor, care constau în continuă înrăutăţire sub acţiunea factorilor
exteriori (solicitări termice, electrice, mecanice, radiaţii, reactivi chimici etc.) a matricei de
parametri de material ce caracterizează funcţionalitatea sistemului în care intră dielectricul
considerat. Procesele de îmbătrânire depind de factori intrinseci (tăria legăturilor chimice,
chimice, prezenţa neregularităţilor moleculare, particularităţi fizice ca densitate, grad de
cristalinitate, raport volum-suprafaţă, conţinut de impurităţi) şi de factori extrinseci (natura,
forma şi amplitudinea exterioare). Extinderea duratei de viaţă la uleiurile electroizolante
presupune cunoaşterea efectelor factorilor de influenţă: prezenţa aerului, a apei, a suspensiilor şi
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
32
supratemperaturii, şi a sinergiei acestora. Măsuratorile profilactice rămân indicatori sintetici ai
proceselor de îmbătrânire [1], [35], [42], [43], [53], [70].
Autoarea tezei propune posibilitatea de înlocuire a uleiurilor minerale izolante din
transformatoarele de mare putere, cu altele vegetale, mai ieftine, regenerabile, din resurse
ecologice. Tehnologia de obţinere a uleiurilor vegetale nu ar fi prea costisitoare, deci preţul de
cost nu este mai mare decât al uleiului mineral.
În Tabelul 2.11 sunt date valorile maxime ale tangentei unghiului de pierderi ale
uleiurilor electroizolante pentru transformatoarele de putere, măsurate la temperatura de 90ºC.
Tabel 2.11. Valorile maxime ale factorului de pierderi pentru uleiurile electroizolante.
Momentul efectuării măsurătorii
Tensiunea înaltă [kV
Ulei
porumb
Ulei
rapiță
Ulei
Floarea
soarelui
Ulei TR
30 MOL
400 400 400 400
Înainte de umplere 0,005 0,005 0,005 0,005
La 72 de ore după umplere 0,02 0,02 0,015 0,015
La punerea in funcţiune şi după reparaţii 0,03 0,025 0,02 0,02
În exploatare 0,20 0,15 0,10 0,07
Valorile factorului de pierderi pentru un ulei nou trebuie să fie mai mici decât cele pentru
un ulei în exploatare.
Se observă, din Tabelul 2.11, că în exploatare este necesar ca uleiul utilizat la
transformatoare cu tensiunea înaltă de 400 kV să aibă un factor de pierderi mai redus decât uleiul
utilizat la transformatoare cu tensiunea înaltă de tipul ulei de porumb si de rapita. Criteriile de
sfârşit de viaţă pentru indicele de neutralizare sunt prezentate în tabelul 2.12.
S-a stabilit că în prezenţa apei procesele de oxidare a uleiului au loc mult mai rapid
În tabelul 2.13 sunt prezentate caracteristicile uleiurilor minerale de transformator în
paralel cu cele vegetale potențiale electroizolante cum ar fi: indicele de neutralizare, factorul de
pierderi, punctul de inflamabilitate, punctul de congelare, vâscozitatea și rigiditatea dielectrică.
Tabel.2.13. Caracteristici ale uleiului mineral în paralel cu cele vegetale la tensiunea de
400kV
Momentul
efectuării
măsurătorii
Tensiunea [kV
Indicele de
neutralizare
Factorul
de
pierdere
Punctul de
inflamabilitate
Punctul
de
congelare
Vâscozitatea
Rigiditatea
d
UE s
s
400kV 400kV 400kV 400kV 400kV 400kV
Ulei porumb 0,005 0,0030 345
-25 25 22
Ulei rapita 0,020 0,0020 330 -28 26 21
Ulei Floarea
soarelui
0,030 0,0025 335 -20 24 23
Ulei TR 30
MOL
0,020 0,0015 165 -45 30 25
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
33
Una din preocupările cercetărilor actuale are în vedere stabilirea soluţiilor de îmbunătăţire
a caracteristicilor uleiurilor ajunse la întreprinderile de exploatare şi de prelungire a duratei de
viaţă a acestor uleiuri.
2.5. Estimarea duratei de viață
2.5.1. Estimarea duratei de viață la transformatoarele din exploatare
Estimarea duratei de viață la uleiul mineral a făcut obiectul a numeroase cercetări [27].
Standardul IEC 60216-1/2001 propune pentru estimarea duratei de viață metoda
îmbătrânirii termice accelerate, bazată pe determinări experimentale a indicilor de îmbătrânire la
trei temperaturi constante în timp.
Aceasta metodă standardizată permite calculul duratei de viață termică pe baza ecuației
TbaT
1)(ln (2.7)
unde:
T este temperatura de îmbătrânire termică accelerată măsurată în grade Kelvin, a este intersecția
cu abscisa, iar b este panta curbei duratei de viață termică reprezentată în coordonate [lnτ(T),
1/T], iar τ (T) este intervalul de timp în care un parametru de material p (numit indicator de
durată de viață termică) atinge o valoare limită pcr (numită criteriu de sfârșit de viață termică).
Dumitran și colaboratorii, în [27], obțin durata de viață la un ulei mineral la temperatura
de 80oC egala cu τ1=1,53.10
5 ore, obținută prin extrapolarea datelor obținute din teste de
îmbătrânire termică accelerată la temperaturile de (115oC, 135
oC și 155
oC), utilizând drept
criteriu de îmbătrânire rezistivitatea probelor de ulei mineral.
Semnificația fizică a parametrului b din ecuația (2.7) este legată de energia de activare
WT a reacțiilor de degradare termică. În condițiile de experimentare efectuate, valoarea energiei
termice de activare este WT1 = 101.8 kJ/mol.
Dezavantajul principal este că durata de experimentare este mare. De aceea, sunt propuse
noi metode de îmbătrânire accelerată și noi indicatori sunt introduși. Astfel, în [Dumitran-2014]
este propusă metoda testării la o singură temperatură de îmbătrânire accelerată din care, prin
metoda calorimetriei Diferențiale să se deducă energia de activare termică WT.
Energia de activare este dată de dependența de temperatură a ratei unei reacții chimice și
constanta de viteză
RT
E
R
A
Aek
(2.8)
Energia de activare este energia care trebuie învinsă pentru ca o reacție chimică să apară,
sau este energia minimă necesară pentru a începe o reacție chimică.
Ecuația lui Arrhenius este o formulă a dependenței temperaturii de rata constantei și deci
de rata unei reacții chimice, deci dă dependența ratei constantei K a unei reacții chimice la
temperatura și energia de activare.
unde:
kR – constanta de viteză
A – factorul preexponențial
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
34
EA – energia de activare
Dacă logaritmăm putem scoate din ultima formulă care este formula pentru EA (energia
de activare).
R – constanta gazelor T – temperatura în grade Kelvin
2
ln
RT
E
dT
kd AR (2.9)
RT
EAk A
R lnln (2.10)
Rky ln (2.11)
Tx
1 (2.12)
Conform teoriei complexului activat, pentru a avea loc o reacție chimică, particulele
reactante trebuie să se ciocnească, dar nu toate ciocnirile sunt eficace, ci numai acelea care
satisfac condiția geometrică și cea energetică.
Avantajul metodei este că timpul de experimentare este redus de 12-14 ori față de metoda
standardizată.
2.5.2. Teorii privind durata de viață
Durata de viaţă a materialului este intervalul de timp în care o mărime fizică de material
P numită indicator de degradare variază sub acţiunea solicitării de intensitate S, pornind de la o
valoare iniţială P0, corespunzătoare stării nedegradate până la o valoare numită criteriu de sfârşit
de viaţă Pcr, pentru care se consideră că materialul nu mai satisface cerinţele funcţionale. Curba
duratei de viaţă este curba de durabilitate pentru cazul limită
crPP (2.13)
0),( crPPSF (2.14)
Procesele privind durata de viață a sistemului de izolație depind de factorii intrinseci cum
ar fi: tăria legăturilor chimice, prezenţa neregularităţilor molecular, particularităţile structurii
fizice ca densitate, gradul de cristalinitate, raportul volum-suprafaţă, conţinut de impurităţi şi
factorii extrinseci cum ar fi: natura dielectricului, forma, amplitudinea solicitărilor exterioare.
Reacţiile care au loc în sistem sunt cele de degradare termică în condiţii de vid sau în
atmosferă inertă, electrică, mecanică, sub acțiunea factorilor de mediu și sub influența radiațiilor
solare. În cazul reacţiilor termooxidative în prezenţa oxigenului se formează radicali liberi de tip
peroxizi, hidroperoxizi care se pot stabiliza printr-o reacţie terminală.
Degradarea uleiurilor izolante este influenţată de factorii de mediu climatici asupra
proprietăţilor unor dielectrici astfel: variaţie de temperatură, variaţie de umiditate, variaţie de
presiune atmosferică, deşert, păduri tropicale, apa de mare, vânt, etc.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
35
Durata de viață a oricărui dispozitiv este limitată de îmbătrânirea a materialului izolant
din cauza temperaturii
2.5.3. Studiu de caz
Pentru studiu s-au utilizat eșantioane de ulei mineral tip Mol To 30.01R (produs de Mol
Lub Hungary) care este un ulei mineral fără aditivi antioxidanți, destinat izolației electrice
pentru transformatoare.
Acest produs conține 53.1 % hidrocarburi parafinice, 39 % hidrocarburi naftenice şi 7.1
% hidrocarburi aromatice, conținutul de 2-furfural fiind mai mic dec 0.1 mg/kg.
Predicția sfârșitului duratei de viață la sistemul de izolație al transformatoarelor de putere
este un element esențial în managementul asses deoarece permite estimarea riscului de defectare
pe termen lung a transformatorului cu efecte economice considerabile [98], [101], [107].
Pentru transformatoarele cu izolație de ulei, factorul principal care afectează durata de
viață a izolației solide este solicitarea termică, accelerarea sau decelerarea îmbătrânirii în condiții
diferite de încărcare fiind legată de punctele de temperaturi înalte (HST – hot spot temperatures)
din izolație [STAS 1703/1/80].
Relația dintre HST și consumul de viață termică este dată de teoria vitezei de reacție a lui
Arrhenius de forma:
273
0
HST
B
eA
(2.13)
Unde A și B sunt constante empirice, cu valori uzuale A=9.810-18
iar B= 15000, iar HST
se consideră în grade Celsius (°C).
Modalitățile de obținere a HST și a capabilității transformatoarelor de putere sunt
prezentate în lieratura de specialitate. [154].
2.6. Concluzii
Sistemul de izolație component al transformatorului de putere dar și al celorlalte
aparate electrice este supus unor solicitări care modifică structura și caracteristicile materialelor
componente. Solicitările determină modificările performanțelor sistemului de izolație prin
procese de degradare sau îmbătrânire. Gradul de îmbătrânire fiind determinat de variaţia
valorilor parametrilor de material ai dielectricului la un moment dat, de solicitarea către un
ansamblu de factori de îmbătrânire faţă de valorile iniţiale ale acestor parametrii.
Performanţele sistemelor de izolaţie electrică depind de natura şi structura
materialelor componente. Este şi cazul transformatoarelor de mare putere care utilizează, în
principal, ca materiale pentru izolarea electrică a părţilor active uleiul mineral de transformator şi
materiale solide ca hârtia, lemnul, cartonul electroizolant, pentru care durabilitatea la acţiunea
solicitărilor externe depind de parametrii intrinseci ai materialelor constituente.
Sub acţiunea diverselor solicitări izolaţia suferă transformări structurale ireversibile,
care provoacă înrăutăţirea modificarea caracteristicilor electrice ale acestora. Gradul de
îmbătrânire este determinat de variaţia valorilor parametrilor de material ai dielectricului la un
moment dat, de solicitarea către un ansamblu de factori de îmbătrânire faţă de valorile iniţiale ale
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
36
acestor parametrii. Viteza de îmbătrânire va fi diferită dacă acţionează toţi factorii de solicitare
(electrică, termică, mecanică) simultan, separat sau într-o anumită succesiune.
Efectul antioxidantului este de reducere a numărului de radicali liberi dezvoltați ca
urmare a descompunerii termice a uleiului de transformator. Dacă uleiul se încălzește crește nr.
de radicali liberi formați si eliberați din moleculă și deci așa se vede utilitatea antioxidanților,
care reduc numărul de radicali liberi din sistem ce deranjeaza sistemul electroizolant. Prin
adaugarea antioxidanților se vor reduce cantitativ și reacțiile de formare a moleculelor de apă în
sistemul electroizolant, astfel mărindu-se durata de viață a transformatorului de putere și implicit
a izolației acestuia.
Uleiul de transformator este foarte higroscopic şi absoarbe apa care poate exista în
ulei atât sub forma dizolvată cât şi sub formă de apă liberă. Pentru un conţinut de apă relativ
redus, apa continuă să rămână în soluţie şi nu modifică aspectul uleiului, acest conţinut de apă
poate fi detectat prin metode fizice sau chimice. Prezența apei afectează proprietăţile dielectrice
ale uleiului mineral electroizolant. Un conţinut de apă în ulei mai mic de 20 ppm asigură o
rigiditate dielectrică bună a uleiului. Dacă conţinutul de apă în ulei este mai mare de 20 ppm
factorul de pierderi al uleiului creşte brusc, iar în aceeaşi măsură creşte pericolul de străpungere
termică si electrica.
Cantitatea de apă, modifică proprietățile materialelor electroizolante din sistemul de
izolație al transformatorului, apă ce se formează în urma reacțiilor ce au loc în transformator și a
cantității de umiditate din mediul înconjurător, care duce la reacții secundare și micșorarea
calității de izolare a sistemului electroizolant. Apariția produșilor de descompunere duce la
îmbătrânirea izolației din transformatorul de putere, motiv pentru care trebuie uleiul mineral
trebuie supus regenerării și revitalizării pentru a reduce pierderile și costurile.
Procesele privind durata de viață a sistemului de izolație depind de factorii intrinseci
și factori extrinseci.
În urma reacţiilor de degradare termică sunt foarte numeroşi produșii de
descompunere şi apar şi radicali liberi care au capacitatea de a se combina şi a produce alţi
produşi secundari. La temperaturi ridicate compuşii din uleiul electroizolant și celuloză se
descompun nu numai la nivel de vapori ci şi cu formarea de compuși secundari până la nivel de
monomeri. În cazul reacţiilor termooxidative în prezenţa oxigenului se formează radicali liberi
de tip peroxizi, hidroperoxizi care se pot stabiliza printr-o reacţie terminală.
Pentru transformatoarele cu izolație de ulei, factorul principal care afectează durata
de viață a izolației solide este solicitarea termică, accelerarea sau decelerarea îmbătrânirii în
condiții diferite de încărcare fiind legată de punctele de temperaturi înalte (HST-hot spot
temperatures)
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
37
3. INVESTIGAREA PROPRIETĂȚILOR ULEIURILOR ELECTROIZOLANTE
3.1. Uleiuri naturale – Istoric.și clasificări
3.1.1. Istoric
A. Istoric - uleiuri vegetale
Uleiurile vegetale au fost unele din primele produse utilizate de om. În baza multor
dovezi, omul modern dar şi cel preistoric a folosit produse din domeniul parfumeriei şi
cosmeticii. Obținerea uleiurilor vegetale , din plante oleaginoase, reprezintă un proces cu tradiție
în România, izvoarele istorice mentionând existența acestora în Bucuresti, încă din prima
jumatate a secolului al XVIII-lea.
Obținerea uleiurilor vegetale la scară industrială prin prelucrarea semințelor oleaginoase,
s-a realizat în România , la mijlocul secolului al XIX-lea. Astfel la sfârșitul perioadei interbelice,
industria uleiurilor vegetale din România cuprindea 138 fabrici, din care 80% erau fabrici mici,
care nu utilizau în total decât ceva mai mult de jumatate din capacitatea de producție , [4], [25],
[102], [119].
B. Istoric - uleiuri minerale în România
Exploatarea petrolului, datează din perioada romană, rafinarea începe mult mai târziu,
odată cu apariția necesității produselor distilate. Primele distilerii din România au apărut în 1840,
în județul Bacău, la Lucăcești.
Între 1860 si 1895 s-au pus bazele celor dintâi intreprinderi de exploatare și prelucrare a
petrolului de către români sau străini. Randamentul mediu obținut prin prelucrarea țițeiurilor
românești în perioada interbelică a fost aproximativ: 25% – benzine; 18% – lampant; 8% –
motorina si uleiuri minerale; 49% – păcură sau mazut. Produsele inferioare (păcura și
reziduurile) dețineau încă o pondere mare între derivatele obținute, în vreme ce benzina –
principalul și cel mai apreciat dintre produsele superioare – se obținea în cantități reduse.
Modernizarea și extinderea industriei petroliere, de la rafinare la exploatare, a cunoscut o
adevărată dezvoltare, după al doilea Război mondial. Cea mai mare rafinărie rămasă în funcțiune
în România este Petromidia, cu o capacitate totală de 5 milioane de tone de produse petroliere pe
an, deținută de Grupul Rompetrol.
Uleiurile minerale cunoscute de aproximativ două sute de ani au avut utilități multiple
printre care și aplicaţii ca electroizolanţi. Studiul caracteristicilor uleiurilor minerale începe în
perioada 1830-1834, când F.F. Runge analizează pentru prima oară compoziţia uleiurilor
minerale şi reuşeşte izolarea din gudronul de cocserie din huile a anilinei (cianolul) şi a acidului
carbolic (fenolul) [102], [104], [113], [119], [143].
3.1.2. Clasificări
O clasificare utilă în studiul proprietăţilor uleiurilor are drept criteriu originea uleiurilor
(Fig. 3.1).
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
38
Fig. 3.1. Clasificarea uleiurilor după origine
Din schema din Fig. 3.1 se observă că uleiurile minerale sunt uleiuri naturale, obţinute fie
din ţiţei, fie din gudroane de cocserie.
În ceea ce priveşte clasa uleiurilor minerale naturale (care fac parte din clasa uleiurilor
industriale), acestea sunt de mai multe tipuri (Fig. 3.2).
Fig. 3.2. Tipuri de uleiuri minerale
Uleiurile industriale sunt codificate după domeniul de aplicaţii (Tabelul 3.1).
Tabel 3.1. Tipuri de uleiuri minerale și codificarea lor [176 ]
Nr. Crt. Tipul uleiurilor Codificare
1 Uleiuri de motoare cu carburator M
2 Uleiuri de motoare Diesel D
3 Uleiuri de motoare de avion AVI
4 Uleiuri de transmisie prin angrenaje auto T
5 Uleiuri de transmisie industriale TIN
6 Uleiuri hidraulice H
7 Uleiuri de cilindru C
8 Uleiuri de turbină Tb
9 Uleiuri de compresoare K
10 Uleiuri de lagăre L
11 Uleiuri electroizolante E
După modul de uscare, există uleiuri sicative, semisicative şi nesicative.
Clasificarea
uleiurilor
Uleiuri
naturale
Uleiuri
sintetice
Uleiuri
minerale
Uleiuri
vegetale
Uleiuri
clorurate
Uleiuri
Fluorurate
Uleiuri
sintetice
Uleiuri de
origine
animală
Uleiuri din
țiței
Uleiuri din
gudroane de
cocserie
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
39
Uleiurile minerale sunt nesicative, caracteristică importantă pentru sistemul de izolație
din transformatoarele de putere cu ulei.
3.1.3. Producerea uleiurilor electroizolante în Brașov
Uleiurile minerale sunt produse de peste un secol și jumătate. Brașovul este un oraș cu
istoric în ce privește fabricarea produselor petroliere. În anul 1851, la Brașov se înființează prima
rafinărie, deținută de un om de afaceri al vremii, Nicolae D. Constantin în cartierul Bartolomeu.
În anul 1922, în Brașov funcționau 3 rafinării: Photogen, cu cea mai mare capacitate de
prelucrare a țițeiului (capacitatea estimată era de aprox. 200 de vagoane pe lună), „C.G. Ioanides
– Fabrică de petrol Brașov”, înființată în 1878 și „Uzina de Gaz Orășenească”, care producea gaz
lampant. Miliardarul Rockefeller însuşi a colaborat cu Rafinăria Braşov. În această perioadă
rafinaria fabrica uleiuri minerale, parafina, unsori albe, unsori consistente, carton asfaltat, având
capacitatea de a prelucra 300 de cisterne.
În timpul bombardamentelor, din 1944, fabricarea uleiurilor pe bază de parafină a fost
complet sistată, iar instalaţiile evacuate. În iarna lui 1944-1945, s-a reconstruit instalaţia de
unsori consistente, iar peste cîteva luni, instalaţia de rafinare discontinuă a uleiurilor. În 2001,
normele de limitare a poluării în oraşe au determinat mutarea Fabricii de Uleiuri Lubrifin,
moştenitoare a fostei rafinării, în afara oraşului Braşov, la Cristian. În 2005, terenul Rafinăriei
Lubrifin şi al întregii platforme industriale a fost vîndut unor investitori privaţi .
Se observă că efectele eliminării rafinăriei ploieştene de pe piaţă sunt devastatoare pentru
ansamblul economiei naţionale [70].
În laboratoarele de cercetare ale Universităților din România, -Universitatea Politehnica
București, Universitatea Tehnică din Cluj, Universitatea Tehnică din Brasov, Universitatea din
Craiova, Universitatea din Oradea se investighează performanțele uleiurilor minerale și
posibilitatea introducerii uleiurilor vegetale în sistemul de izolație al transformatorului electric.
3.2. Tehnologii de obținere a uleiurilor electroizolante
Uleiurile electroizolante sunt obținute prin tehnologii complexe din resurse naturale ca
țiței și cărbuni.
Din gudroane prin procese de distilare se obțin o serie de produse petroliere dintre care
cele mai importante sunt uleiurile minerale.
Din țiței se pot obține uleiurile minerale prin procesul de distilare sub vid. Până în prezent
tehnologia de fabricare a uleiurilor electroizolante din țiței se dovedește ca fiind cea mai ieftină.
3.2.1. Obținerea uleiului mineral prin cocsificare
În Fig.3.3 este prezentată schema de prelucrare a gudroanelor de cocserie în vederea
obținerii uleiurilor minerale de cocserie.
Separarea prin distilarea gudroanelor de cocserie duce la obținerea uleiurilor cu mase
moleculare diferențiate funcție și de temperaturile de distilare și presiune diferită.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
40
Fig. 3.3. Schema de prelucrarea gudroanelor de cocserie din huile
3.2.2. Obținera uleiului din țiței
Uleiurile minerale se obţin în instalații speciale de separare, în rafinării, prin care după
separarea produselor ușoare - gaze cu C1-C4 (metan, etan, propan, butan), benzine ușoare, white-
spirit, a petrolurilor şi motorinelor se obţin uleiurile minerale.
Uleiurile conțin două sau mai multe inele macromoleculare de cicloalcani cu o catenă
alifatică și nuclee aromatice. Masa lor moleculară este cuprinsă între 300 și 700 u.a.m., cu 20
până la 50 atomi de carbon (C20-C50), cu structură complexă [102].
Cicloalcanii din moleculele de ulei sunt de preferat deoarece acestea prezintă o stabilitate
mai mare la oxidare față de cele aromatice. Uleiurile cu nuclee aromatice au catene alifatice
scurte, iar vâscozitatea acestora variază cu temperatura, și densitatea lor este mare, modificând
calitatea uleiului respectiv.
Uleiurile care conțin hidrocarburi aromatice în porporţie mărită sunt tratate cu solvenţi
selectivi (fenol, furfurol, metil-eti-cetonă) care dizolvă aceste hidrocarburi îmbogățind uleiul cu
hidrocarburi alifato-naftenice mult mai stabile la oxidare[35], [60], [63], [110], [119].
Uleiurile minerale utilizate ca izolant electric conţin hidrocarburi parafinice, aromatice și
naftenice în proporţii bine-definite [63] :
hidrocarburi naftenice (>60%), acestea fiind foarte stabile și cu punct de congelare
scăzut,
hidrocarburi aromatice (<30%), deoarece conțin un număr mare de atomi de carbon care
se eliberează sub acțiunea arcului electric, reducând proprietățile uleiului,
hidrocarburi parafinice (<30%), deoarece au punct de congelare ridicat și determină o
creștere a vâscozității uleiului), proprietățile sale depinzând de compoziția chimică, cât și de
condițiile de exploatare [60], [62], [65], [69], [107], [108], [110], [111], [119], deoarece
produsele de distilare obţinute din produse petroliere au proprietăţi adecvate pentru izolaţii şi
anume:vâscozitate optimă, punct de curgere şi punct de inflamabilitate adecvate.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
41
În Fig. 3.5 este prezentată schema de obținere a uleiurilor minerale prin distilarea sub vid
a țițeiului pornind de la țițeiul parafinos (cu conținut ridicat de parafine) care în primă etapă
trebuie separate pentru a nu îngreuna procesul tehnologic de obținere a uleiurilor minerale de
înaltă calitate.
Fig. 3.5. Schema
unei rafinării
pentru obținerea
uleiurilor
electroizolante
3.2.3. Obținerea uleiurilor vegetale electroizolante
Uleiurile vegetale se obţin prin procedee specifice, în funcţie de materia primă folosită,
cum ar fi cele de in, mac, floarea soarelui, soia, măsline, rapiţă, arahide, ricin, unt de cocos,
porumb, etc.care sunt de obicei materii grase în stare lichidă. Deoarece au în structura
moleculară acizi carboxilici, aceștia trebuie neutralizați astfel încât să se anihileze caracterul
coroziv al acizilor care să nu afecteze sistemul electroizolant și celelalte părți ale
transformatorului de putere.
3.3. Uleiurile minerale și uleiurile vegetale electroizolante-Analiză comparativă
3.3.1. Structuri moleculare ale componentelor uleiurilor minerale și vegetale
Este important să se cunoască structura moleculară a componentelor din uleiurile naturale
(minerale, animale și vegetale), acesta fiind punctul de plecare în investigarea proprietăților
uleiurilor în vederea utilizării lor adecvate în industria energetică.
Uleiurile minerale electroizolante sunt alcătuite atomi de carbon și hidrogen, care
alcătuiesc componentele alifatice, naftenice și aromatice. Se preferă naftenele care la același
număr de atomi de carbon cu parafinele sunt în stare lichidă, stare conferită structural de dubla
legătură din moleculă.
Uleiurile vegetale sunt esteri ai alcoolului trihidroxilic (glicerină). În grăsimile lichide
sunt prezenţi acizi nesaturaţi ca:
- acid oleic CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
42
- acid linolic CH3(CH2)4CH=CH-CH2 –CH=CH-( CH2)7-COOH
În grăsimi s-au mai identificat acizi graşi nesaturaţi cu o importanţă redusă. [65], [102].
Dacă gradul de nesaturare este mai mare, atunci grăsimea sau uleiul este mai fluid.
În uleiurile lichide predomină acizi nesaturaţi cum sunt:
- acidul oleic 69-84%, acid palmitic 7-10% şi acid linolic 4-12% (în uleiul de măsline),
- acid linolenic 25-40%, acidul linolic 20-60% şi acid oleic 5-20% (în uleiul de in).
[25], [65], [100], [102].
3.3.2. Aspecte noi - Stabilitatea chimică a uleiurilor minerale
Dielectricii lichizi, cum sunt uleiurile, utilizate în contact cu izolațiile înfășurărilor
electrice nu trebuie să nu aibă caracter acid, deoarece acțiunea acizilor se resimte asupra
majorității materialelor
În transformator, uleiul electroizolant se utilizează şi pentru impregnarea hârtiei şi
cartonului electroizolant și ca agent electroizolant și mediu de răcire, iar în întreruptoare de înaltă
tensiune ca agent electroizolant și mediu de stingere a arcului electric.
În Tabelul 3.2 sunt prezentate condiții de calitate ale uleiului ET 10, care era utilizat în
transformatoarele din România, până când rafinăriile producătoare de uleiuri electroizolante au
fost desființate. [STAS 10130-75]
Tabel 3.2. Condiții de calitate ale uleiului ET 10
Proprietăți Valorice caracteristice
Aspect Limpede
Culoare Roșie
Densitate relativă la 20°C, max. kg/m3
0,870
Aciditate organică [mg KOH/g], max. 0,05
Rigiditatea dielectrică la proba uscată [ kV/cm], min. 140
Tangenta unghiului de pierderi dielectrice la 70°C, max 12x10-3
Stabilitatea la oxidare, la 100°C, timp de 168 ore:
- Pierderi prin coroziune pe cupru și pe oțel, [mg/cm2], max.
- Vâscozitate cinematic [ cSt]:
La 50°C, min.
La -40°C, max.
- Aciditate organică, [mgKOH/g], max.
0,1
9,5
700
0,5
Rezistivitatea de volum la 20°C [Ωcm], min. 1,5x10-12
Alte uleiuri comparative cu cele descrise mai sus sunt uleiul mineral TR MOL 30.01 R
(Tabelul 3.3),
Tabel 3.3. Caracteristicile uleiului TR MOL TO 30.01 R
Caracteristici Valori tipice
Culoare ASTM 0,500
Greutatea specifică, 0,880
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
43
Densitatea la 20°C, g/cm3 0,869
Permitivitatea relativă εr , la 20°C şi 50 Hz 2,1-2,3
Rezistivitatea de volum ρr la 20°C Min. 4x1012
Rigiditatea dielectrică pentru ulei netratat la 20°C şi 50 Hz 270-300
Vâscozitatea convenţională la 20°C, °E 4,000
Indicele de aciditate 0,100
Temperatura de inflamabilitate, °C 140,000
Temperatura de ardere, °C 148,000
Temperatura1.de congelare, °C -45,000
Stațiile de transformatoare utilizează uleiuri de tip TR 25 aditivate și TR 30 neaditivate
din surse diferite de furnizare, care garantează o durată de utilizare de peste 30 de ani.
3.4. Analiză comparativă
3.4.1. Uleiuri minerale
În Tabelul 3.4 sunt prezentate date comparative privind caracteristicile unor uleiuri
provenite de la diverse surse de transformare cum ar fi Brașov, Râmnicul Vâlcea, Galați
Smârdan.
Tabel 3. 6. Date comparative ale unor uleiuri de transformator din Romania
Date despre ulei
/ caracteristici
Ulei
nou
Taurus
(TR 30)
Ulei nou
LYRA
X
(TR 25
A)
Ulei TR
24 A
aditivat/
Trafo 1
Ulei TR
30
neaditivat/
Trafo 2
Ulei
Technol
aditivat/
Bobina
condens
are
Ulei
T neaditivat/
Trafo 1
Ulei
T neaditivat/
Trafo 2
Stația electrică Galați Galați Galați
Smârdan
Galați
Smârdan
Galați
Smârdan
Râmnicul
Vâlcea
Răcădau
Brașov
Echipament - -
Trafo 1/
250MVA/
400/121/2
0kV
Trafo 2/
250MVA/
400/121/2
0kV
Bobina
condens
are/
250MV
AR/
Trafo 1/
250MVA/
400/121/20kV
Trafo 2/
250MVA/
400/121/20kV
An fabricatie - - 1980 1999 1998 2000 1991
Nivel de
prelevare ulei - - Superior Superior Superior Superior Superior
Temperatura
uleiului la
prelevare °C
- - 50 58 64 55 59
Densitatea
[kg/m3]
879 863 865 872 862 883 869
Conținutul de
apă [%] 0.01 0.01 0.015 0.017 0.019 0.02 0.025
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
44
Indice de
neutralizare
[mgKOH/g]
< 0,01 0.01 0.02 0.015 0.012 0.017 0.02
În Fig. 3.4 este prezentată variația unghiului de pierderi a uleiului de transformator de la
Transelectrica în perioada 2011-2014, acesta crescând ușor dar nealarmant, arătându-ne faptul că
uleiul a suferit o serie de modificări structurale.
Fig. 3.4. Variația unghiului de pierderi între anii 2011-2014 la un transformator de la
Transelectrica S.A. Brașov
În tabelul 3.5 sunt prezentate ecuațiile de extrapolare pentru tangenta unghiului de
pierderi măsurate la probe de ulei prelevate din transformatorul de putere de la Transelectrica SA
în perioada 2011-2014 pentru a se putea determina durata de viață a sistemului de izolație utilizat
în transformatorul monitorizat, la nivele de prelevare diferite.
Tabel 3. 5. Ecuațiile de extrapolare funcție de nivelul de prelevare a uleiului din
transformator
Nivelul de prelevare probe Ecuația de extrapolare
Nivel inferior 9246,03428,10007,0 2
1 Rxy
Nivel mediu 9973,08865,10009,0 2
2 Rxy
Nivel superior 98,0309,20012,0 2
3 Rxy
În Fig 3.5 autoarea tezei a reprezentat grafic variația rigidității dielectrice în kV/mm la
diferite nivele de prelevarea probelor de ulei din transformatorul de mare putere.
Fig. 3. 5. Curbele de îmbătrânire a rigidității dielectrice a uleiului de transformator pentru
monitorizare la nivelele cuvei pe perioada 2007-2014
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
45
Îngraficul din Fig. 3.23 se observă că în transformatorul monitorizat, rigiditatea
dielectrică scade ușor pe parcursul anilor, dar se menține în limite normale de funcționare,
păstrându-se astfel proprietățile dielectrice la parametrii care nu pun în pericol buna funcționare
a sistemului de izolație.
Proba s-a prelevat de la Stația Codlea TRAFO 1
Transformatorul electric analizat, este un transformator trifazat de mare putere, în ulei cu
reglaj sub sarcină, destinat pentru interconexiunea reţelelor de 400 kV şi 110 kV.
Transformatorul, cu putere nominală aparenta de 250 MVA, realizează conversia energiei
electrice de la treapta de tensiune de 400 kV la o treapta de 110 kV.
Fig. 3.6. Curba de îmbătrânire a tangentei unghiului de pierderi a uleiului de transformator pentru
monitorizare la nivelele cuvei în perioada 2007-2014
Rezultatele obţinute evoluează ca ordin de mărime crescător de la nivel superior spre
nivel mediu, respectiv nivel inferior deoarece impurităţile mecanice, produsele de descompunere
se depun în partea inferioară a cuvei transformatorului.
Dacă ritmul de îmbătrânire ar crește constant conform graficului din Fig.3.6, graficul ar fi
de forma Fig. 3.7, și atunci am deduce că uleiul mineral electroizolant s-ar considera îmbătrânit
când valoarea tangentei unghiului de pierderi ar depăși valoarea 2,4%.
Fig. 3.7. Variația unghiului de pierderi între 2007-2045 pentru îmbătrânirea treptată a
uleiului electroizolant din transformatorul de putere
Astfel ecuația liniară pentru tg δ este de forma:
btatg (3.1)
btatg crtcrt (3.2)
unde tgδ crt este 20 kV/mm, în cazul uleiului de transfoemator.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
46
Rezerva de viață se obţine calculând timpul critic şi scăzând cei 7 ani pentru care s-a
făcut iniţial analiza, respectiv:
a
btgt crtcr
(3.3)
Rezerva de viaţă este:
7 crttRV (3.4)
Variația rigidității dielectrice ca și cea a unghiului de pierderi ne arată gradul de
îmbătrânire a uleiului izolant. În figura 3.8 este prezentată scăderea rigidității dielectrice ceea ce
ne arată că durata de viață a transformatorului este mai scurtă decât 2040.
Fig. 3.8. Variația rigidității dielectrice între 2007-2040 pentru îmbătrânirea treptată a uleiului
electroizolant din transformatorul de putere
Temperatura ridicată pe care o atinge uleiul în timpul funcționării transformatorului de
putere produce, treptat, o oxidare a acestuia. O aciditate accentuată a uleiului produce coroziunea
pieselor metalice şi distrugerea izolaţiilor de celuloză ale înfăşurărilor.
Rezultatele rigidității dielectrice obţinute evoluează ca ordin de mărime descrescător de la
nivel superior spre nivel mediu, respectiv nivel inferior deoarece impurităţile mecanice,
produsele de descompunere se depun în partea inferioară a cuvei transformatorului.
Fig.3.9. Curba de îmbătrânire a rigidității dielectrice a uleiului de transformator pentru
monitorizare la nivelele cuvei pe perioada 2007-2014
Valorile lui a şi b s-au obţinut în excel și sunt sumarizate în Tabelul 3.6.
Tabel nr. 3.6. Parametrii dreptei de regresie, timpul critic şi rezerva de viaţă
Loc de măsurare Parametrii dreptei de regresie btaEstr
a b R2
tcr RV
Nivel Superior -0.545 30.2 0.963 18.71 11.71
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
47
Nivel Mediu -0.586 29.7 0.933 16.55 9.55
Nivel Inferior -0.527 28.6 0.901 16.31 9.31
3.4.2. Uleiuri vegetale
Alegerea uleiurilor vegetale în scopuri de izolație electrică în aparatele electrice de putere
trebuie efectuată pe principii bine stabilite funcție și de caracteristicile fizice și electrice ale
acestora [21], [112].
Ultimele cercetări relevă posibilitatea de a înlocui uleiurile minerale cu cele vegetale, în
izolaţia transformatoarelor de putere, pentru care se caută soluţii pentru a obţine caracteristici
similare și chiar mai bune ale uleiurilor vegetale, în comparație cu cele minerale.
În Tabelul 3.7 sunt prezentate comparativ caracteristicile fizice și electrice ale uleiului din
floarea soarelui, porumb, rapiță și soia.
Tabel 3.7. Caracteristicile fizice și electrice ale uleiului din floarea soarelui, porumb,
rapiță și soia
Caracteristici Ulei floarea
soarelui
Ulei
porumb
Ulei rapiță Ulei
soia
Aspect Limpede Limpede Limpede Limpede
Culoare Gălbui Gălbui Gălbui Gălbui
Punct de inflamabilitate, [°C] 350 330 380 340
Aciditate organică, [mg/g] 0,0534 0,0545 0,0525 0,0564
Conţinut de apă, [ppm] 15 16 14 13
Indice de refracţie 1,4589 1,4784 1,4689 1,4798
densitatea [kg/m3]la 20°C 920 912 916 915
Rigiditatea dielectrică, [kV/cm] 19 24 25 21
Tangenta unghiului de pierderi, tgδ, [%] 2,6 2,8 2,5 2,9
Rezistivitatea, [cm] >1012
>1012
>1012
>1012
3.5. Recuperarea uleiurilor minerale electroizolante
Uleiurile minerale din sistemele eletroizolante se uzează în timpul funcționării
echipamentelor electrice. Observarea la timp a modificărilor survenite în uleiul transformatorului
este importantă, pentru a preîntâmpina deteriorarea acestuia iar remedierea este mai uşoară în
cazul unei degradări incipiente a uleiului.
3.5.1. Tehnologii de recuperare
În funcţie de nivelul de degradare al parametrilor izolaţiei în practică se aplică progresiv
următoarele procedee:
1) Recondiţionarea, ca procedeu de eliminare a apei şi particulelor solide prin mijloace chimice
şi de reducere a cantitatea acestora la un nivel acceptabil;
2) Regenerarea, care, conform standardului internaţional CEI 60422, este procedeul care
elimină acceleratorii şi produsele de îmbătrânire prin agenţi chimici sau absorbanţi;
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
48
3) Revitalizarea sistemului de izolaţie, care este procedeul tehnologic care elimină acceleratorii
de îmbătrânire (apa, oxigenul) şi produsele de îmbătrânire (acizii, gazele, sedimentele,
particulele coloidale etc.).
În Tabelul 3.8 sunt prezentate rezultatele analizelor efectuate asupra unui ulei prelevat
din exploatare şi comparativ, datele obținute după regenerarea uleiului [163]. [165].
Tabel 3.8. Analize şi încercări ale uleiului regenerat
Parametrii măsurați Inițial După regenerare
Tensiunea de strapungere [kV] 46 >60
Rigiditatea dielectrica [kV/cm] 184 >240
Coeficientul de pierderi dielectrice (tan δ la 900C) 9,8x10
-3 5x10
-3
Tensiunea interfacială apă-ulei la 200C [dyne/cm] 16,52 47
Indicele de neutralizare a acidităţii apă-ulei [mgKOH/g] 0,081 0,010
Conţinutul de apă din ulei, la temperatura de 200C [ppm] 36,3 2,7
Conţinutul de particule cu Φ > 5μm/100 ml 17920 14020
Analiza cromatografică a gazului dizolvat în ulei
H2
CH4
C2H6
CO
CO2
Conţinutul de gaze combustibile [ppm]
Conţinutul de gaze combustibile [%]
14
40
27
167
1522
596
0,2
3
2
4
7
153
25
0,01
Conţinutul de compuşi furanici [ppm] 2FAL 0,39 0,0045
Uleiuri vegetale au fost, de asemenea sugerate, dar acestea nu sunt adecvate pentru
utilizare în zonele cu climă rece sau pentru tensiuni de peste 230kV. Unele tipuri de hârtie de
asemenea și uleiul de nucă de cocos este sugerat ca un potențial înlocuitor pentru utilizare în
transformatoarele de putere.
3.5.2. Evaluarea eficienței tehnologiei de obținere a uleiului mineral
Pentru evaluarea eficienței tehnologiei de obținere a uleiului mineral electroizolant este
realizat un calcul economic prezentat de autoare în lucrarea [142].
Calculul economic urmăreşte stabilirea principalilor indicatori de eficienţă pentru
tehnologia de obținere și de aditivare a uleiurilor de transformator. Se prezintă metodologia
obţinerii indicatorilor de eficiență.
În Fig. 3.10 este prezentat fluxul de obținere a uleiului de transformator. Schema este
mult simplificată pentru a se putea înțelege procesul de obținere a uleiului electroizolant.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
49
Fig. 3.10. Schema de flux pentru obținerea uleiului electroizolant
Elaborarea unui plan de producție - la stabilirea cantității de materii prime supuse
prelucrării și cantitățile de produse obținute din procesării.
Tabel 3. 9. Pregătirea planului anual
Nr.crt. Numele fluxului Cantitatea, [t/an] Randamentul, [%] masice
1 Ulei rafinat 132.390 73.55
2 Ulei extras 47.610 26,45
Total 180.000 100,00
Procesul este rentabil pentru producţia de uleiuri de transformator, ce s-ar putea produce
în România, într-o intreprindere cu profil în uleiuri având randament de utilizare de 91,32%.
În final, prețul unei tone de ulei mineral astfel obținut în Romania, este de 7000lei/t +
TVA, în instalația proiectată mai sus, iar în cadrul altor firme de producere a uleiurilor
electroizolante prețurile variază după cum urmează, în lei, dolari sau euro:
3.6. Concluzii
O problemă pe care o ridică azi sistemele de izolație este de recuperare, regenerare și
reciclare a uleiului electroizolant care în timpul sarcinii din transformatorul de putere se
încarcă cu impurități care-i modifică calitățile electroizolante inițiale. Tehnologiile de
recuperare și regenerare a uleiului electroizolant trebuie să fie evaluate cu eficiență
maximă pentru scăderea costurilor de întreținere a transformatorului de putere.
Indicele de utilizare extensivă a instalaţiei dă indicații importante în evaluarea eficienței
unei instalați de obținere a unui ulei mineral electroizolant. În situația analizată indicele
de utilizare al uleiului electroizolant din transformatoarele de putere este de 91,32% și
acesta ar putea crește ușor dacă prețurile s-ar menține la nivelul scăzut pe care l-am
calculat pentru instalația prezentată.
Dacă s-ar produse suficientă cantitate de uleiuri electroizolante în producția internă s-ar
putea realiza exporturi din aceste produse, căci din punct de vedere calitativ am avut
numai uleiuri de calitate care au fost apreciate pe piața internă și externă totodată.
Utilizarea unui astfel de ulei electroizolant ar putea scădea costurile cu întreținerea
transformatoarelor de putere din România, iar acest lucru ar duce la final și la scăderea
costurilor medii ale energiei electrice necesară consumatorilor industriali sau casnici.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
50
4. ÎNCERCĂRI LA ULEIURILE DE TRANSFORMATOR
4.1. Încercări profilactice ale uleiului electroizolant
Uleiul conţine informaţii despre procesele de dezvoltare a defectelor în interiorul
transformatorului (locurile unde au loc încălziri, descărcări electrice). Prezența gazelor în ulei
indică existența unor procese de degradare a izolației solide și/sau descompunerea uleiului. De
aceea uleiul utilizat ca material electroizolante în sistemul de izolaţie al transformatorului de
putere este supus periodic la încercări electrice şi fizico-chimice [142] .
În funcţie de starea lor, uleiurile de transformator sunt de următoarele categorii:
ulei nou (crud) - uleiul livrat de furnizor, neutilizat, care deține buletin de încercare și
corespunde normelor de calitate în vigoare;
ulei nou recondiționat fizic - uleiul reconditionat, uscat, filtrat și degazat;
ulei în serviciu - uleiul din echipamente aflate în funcțiune;
ulei în serviciu recondiționat fizic - uleiul care, în urma aplicării operațiilor de recondiționare
fizică corespunde parametrilor prescriși pentru uleiul în serviciu;
ulei regenerat - uleiul folosit pentru efectuarea unor operații chimice de regenerare, care
corespunde cel puțin parametrilor care au fost prescriși pentru uleiul în serviciu;
ulei uzat - uleiul întrebuințat care are valorile unor caracteristici în afara limitelor de
admisibilitate respective și care nu mai pot fi aduse în limitele admise prin recondiționarea
fizică sau prin regenerare.
În [172] este precizat conţinutul încercărilor profilactice pentru uleiuri electroizolante de
utilizate în sistemul de izolaţie al transformatoarelor de putere (Tabelul 4.1).
4.2. Analize fizico-chimice
Analizele fizico-chimice pentru uleiuri sunt necesare, deoarece furnizează informaţii
esenţiale despre starea uleiului [19], [22], [34], [50].
Densitatea uleiurilor indică gradul de contaminare cu particule solide şi cu apă.
Culoarea uleiurilor, în funcţie de starea sistemului de izolaţie, este cuprinsă în gama de la
galben-incolor până la brun şi se intensifică prin utilizare când uleiurile se opacizează prin uzarea
din timpul funcționării transformatoarelor de putere.
Aciditatea se apreciază prin indicele de aciditate, Ia, definit ca numărul de mg de KOH
care neutralizează acizii conţinuţi într-un gram de ulei. Aciditatea se datorează prezenţei în ulei
a acidului sulfuric utilizat în procesul rafinării şi care nu a fost neutralizat, precum şi a altor
substanţe cu caracter acid din păcură; ea creşte în timpul utilizării datorită formării produşilor de
oxidare cu caracter acid. Valoarea maximă admisă este 0,35 mg KOH. Uleiurile cu valori mari
ale Ia, corodează suprafeţele metalice cu care vin în contact.
Gradul de nesaturare, exprimat prin indicele de iod Ii, indică numărul de grame de iod
care se adiţionează la compuşii nesaturaţi din l00 g ulei. Pentru uleiuri valoarea maximă admisă
este cuprinsă între şi 4. Indicele de iod este o măsură a stabilităţii termice a uleiului. Uleiurile cu
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
51
grad mare de nesaturare se oxidează uşor formând produşi de oxidare corozivi, transformându-se
din izolatori electrici în conductori, produse impurificatoare care contribuie la scăderea rigidității
dielectrice.
Cifra de cocs (CC) reflectă comportamentul la încălzire a uleiului; ea este exprimată prin
conţinutul de reziduuri solide (cocs) rezultate la încălzirea uleiului în absenţa aerului. Valoarea
maximă admisă este 1,2%. Uleiurile cu valori mari ale cifrei de cocs depun, în timpul
funcţionării, impurități solide care scad tensiunea de străpungere a uleiului ducând la scurtarea
durate de viață a sislemului electroizolant.
Spumarea uleiurilor este determinată de prezenţa aerului sau a altor gaze dizolvate,
prezenţă care atrage după sine o serie de inconveniente ca oxidarea uleiului sau formarea
dopurilor de gaz.
Vâscozitatea şi gradul de inflamabilitate sunt caracaterstici care determină calitatea
intrinsecă a uleiului, fiind dependente puterniv de temperatură şi presiune. În tabelul 4.2 sunt
prezentate cerințele tehnice pentru uleiul mineral electroizolant utilizat în transformatoarele de
mare putere.
4.2.1. Determinarea densității
Densitatea uleiurilor poate fi determinată prin metoda directă cu areometrul sau se mai poate
determina cu ajutorul picnometrului (Fig. 4.1), [61], [62]. Se utilizează truse de densimetre numite și
termodensimetre (termoareometre) gradate diferit pentru a se putea face corecţia de temperatură.
Densimetrele sau areometrele sunt instrumente ce utilizează principul lui Arhimede.
Fig. 4.1. Areometru și picnometru pentru determinarea
densității
În Tabelul 4.3 sunt prezentate valorile densităţii unor lichide determinate cu densimetrul de
laborator. Tipurile de uleiuri minerale examinate sunt cele descrise în Tabelul 3.6. Medierea este efectuată
pentru 3 determinări succesive.
Tabel 4.3. Densitatea unor sorturi de uleiuri electroizolante determinate cu densimetru
Nr.
crt. Lichid
Temperatura
[oC]
Densitatea măsurată
[kg/m3]
Densitatea medie
[kg/m3]
1. Ulei de rapiță 20 914 913 912 913
2. Ulei de porumb 20 920 920 920 920
3. Ulei de floarea soarelui 20 916 916 916 916
4. Ulei de ricin 20 912 912 912 912
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
52
5. Ulei Tr 30 MOL (neaditivat) 20 869 868 870 869
6. Ulei ET 10 (neaditivat) 20 870 869 871 870
7. Ulei Taurus (neaditivat TR 30) 20 868 867 869 868
8. Ulei Lira X (aditivat TR 25 A) 20 863 863 863 863
9. Ulei Trafo 1 20 872 872 872 872
10. Ulei Trafo 2 20 870 869 871 870
Se observă că toate tipurile de ulei examinate au densitatea sub 1000,0 kg/m3, cu valori cuprinse
între 863 ÷ 997 kg/m3 la temperatura de 20,0°C.
4.2.2. Determinarea conținutului de apă
Conţinutul de apă se determină conform SR CEI 814 şi SR ISO 760. Pentru determinarea
prezenţei apei în ulei există mai multe metode.
a) Determinarea conţinutului de apă cu aparatul Dean Stark
Una din metode constă în umplerea cu ulei până la jumătate a unei eprubete şi punerea ei
într-o baie de ulei încălzită la o temperatură de 175°C. Se urmăreşte eprubeta până când uleiul
din ea a atins temperatura de 150°C. Dacă uleiul conţine apă eprubeta spumează, se aud pocnituri
iar stratul de ulei de pe pereţii eprubetei devine tulbure, [137].
a b
Fig. 4.2. Aparatul
Dean-Stark pentru
determinarea
densităţii
a) Instalația
propriu-zisă
b) Schiță instalație
În cap. 2.3.2 sunt prezentate rezultatele măsurării conţinutului de apă în ulei , cu metoda
Dean Stark.
b) Metoda Karl-Fischer
Metoda Karl-Fischer pentru determinarea conţinutului de apă în ulei a fost descrisă de M.
Malherbe. [90]. Principiul metodei se bazează pe reacţiile chimice care se produc în ulei atunci
când în ulei, în prezenţa apei, se introduce reactiv Fischer, compus din anhidridă sulfuroasă, din
iod în soluţie de piridină şi metanol.
Metoda se bazează pe reducerea iodului I2 de către dioxidului de sulf SO2 în prezenţa apei
în produsul de analizat în soluţie metanol-piridină CH3OH - C6H4SO2O (Fig. 4.3).
I2+SO2+3C6H4N+H2O 2C6H4NHI+C6H4NSO2O
C6H4SO2O+CH3OH C6H4NHSO4CH3
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
53
sau
I2+SO2+3 N +H2O 2 N
H
I
+ N
SO2
O
N
SO2
O
+CH3OH N
SO4 CH3
H Fig. 4.3. Reacţiile pentru determinarea conţinutului de apă din uleiuri electroizolante
Apa din produs este extrasă de metanol prin crearea de legături de hidrogen. Titrarea cu
soluţie Karl-Fischer se efectuează cu ajutorul unui aparat de titrare conductometrică.
Cantitatea de apă se determină cu relaţiile :
100% 3
V
TVapa [% volum] (4.7)
100% 3
mapa dV
TV [% masă] (4.8)
în care:
V3 –volumul soluţiei Karl-Fischer folosit la titrare, în ml ;
T- titrul soluţiei Karl-Fischer;
V- volumul probei supusă analizei, în ml ;
dm – densitatea masică a probei la temperatura de lucru.
Determinările experimentale efectuate de autoare cu metoda Dean Stark sunt centralizate
în Tabelul 4.4 pe sotimente de uleiuri noi [137].
Tabelul 4.4. Conţinutul de apă în sorturi de uleiuri minerale şi vegetale [137]
Tipuri de uleiuri
Ulei
mineral
TR 30
Ulei
mineral
TR 30
MOL
Ulei
mineral
TR 25A Ulei rapita
Ulei
porumb
Ulei
floarea
soarelui
Conținut de apă [ppm] 6,0 5,75 1.0
10,96;
11,0
10,87;
11,0
11,83;
12,0
4.2.3. Determinarea punctului de inflamabilitate
Punctul de inflamabilitate este o măsură a volatilităţii uleiului. Valorile punctului de
inflamabilitate pentru uleiul mineral de transformator sunt cuprinse între (200…250)oC, [183].
Punctul de inflamabilitate se determină experimental cu aparatul Abel-Pensky, cu
aparatul Marcuson, cu aparatul Pensky-Martens sau cu creuzetul Cleveland.
b). Determinarea inflamabilităţii cu aparatul Marcusson
Un alt aparat folosit pentru acest tip de analiză este aparatul Marcusson (Fig. 4.3).
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
54
a) b)
Fig. 4.3. Aparatul Marcusson: a) vedere; b) parţi componente
În Tabelul 4.5 sunt prezentate valorile temperaturilor de inflamabilitate determinate de
autoare cu metoda Marcusson.
Tabel 4.5. Punctul de inflamabilitate la unele sorturi de uleiuri electroizolante
Tipuri de uleiuri Temperatura de inflamabilitate [ºC]
Ulei de transformator TR 30 MOL 165,00
Ulei de transformator TR 25 aditivat 135,00
Ulei de rapiță 380,00
Ulei de porumb 330,00
Ulei de floarea soarelui 350,00
4.2.4. Determinarea indicelui de refracție
Indicele de refractie este o caracteristică a lichidelor prin care se apreciază puritatea și
concentrația acestor lichide, deoarece în majoritatea cazurilor se înregistrează o variație liniară a
indicelui de refracție cu concentrația. Indicele de refracție este dependent de lungimea de undă a
radiației incidente și, de aceea, această valoare trebuie cunoscută și atent controlată.
Aparatul ABBÉ servește la măsurarea concomitentă a indicelui de refracție și a
concentrației uleiului analizat. (Fig. 4.4).
a)
b)
c)
Fig. 4. 4. Refractometru ABBÉ a), b) Vedere și c) Direcția razei de lumină într-un refractometru
ABBÉ - schiță prismă
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
55
În Tabelul 4.6 sunt prezentate rezultatele obţinute pentru indicele de refracție, conform
standardului SR ISO 5661, pe probe de uleiuri minerale şi vegetale noi. Aparatul utilizat pentru
analize este Refactometrul ABBÉ, marca OPTIMA, existent în Laboratorul de Analize Fizico
- Chimice al Colegiului Tehnic Simion Mehedinți Codlea. Temperatura la care s-au efectuat
determinările a fost de 23,9°C.
Tabel 4.6. Valori ale indicelui de refracție pentru diverse sortimente de uleiuri
Tipuri de uleiuri Indice de refracție Indice de refracție
mediu
Ulei de transformator TR 30 MOL 1,4873 1,4873 1,4872 1,487267
Ulei de transformator TR 25A 1,4783 1,4783 1,4781 1,478233
Ulei de rapiță 1,4734 1,465 1,467 1,468467
Ulei de porumb 1,4639 1,465 1,468 1,465633
Ulei de floarea soarelui 1,4723 1,46 1,469 1,46710
Ulei de ricin 1,461 1,463 1,468 1,46400
Ulei de soia 1,466 1,466 1,47 1,467333
4.2.5. Determinarea vâscozităţii
Vâscozitatea reprezintă una din cele mai importante caracteristici ale uleiului
electroizolant [90].
a) coeficientul de vâscozitatea dinamică, definit cu relaţia :
dud
[P] (4.9)
unde :
τ - este tensiunea tangenţială care apare între straturile de fluid la curgerea laminară,
dv/du - este variaţia de viteză pe elementul de lungine du.
Coeficientul de vâscozitate cinematică este definit ca raport între vâscozitatea dinamică şi
densitatea dm a fluidului respectiv:
md
[m
2/s] (4.10)
c). Măsurarea vâscozităţii cu vâscozimetrul Höppler
Construcţia şi modul de funcţionare al vâscozimetrulului Höppler [78] sunt prezentate în
Fig. 4.5.
Coeficientul de vâscozitatea dinamică se calculează cu relaţia:
Kddt cbc )( (4.13)
unde:
η - coeficientul de vâscozitate dinamică, în Ns/m2,
tc – timpul de cădere a bilei, în s,
db – densitatea relativă a bilei,
dc – densitatea relativă a lichidului,
K – constanta bilei.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
56
a) b)
Fig. 4.5. Vâscozimetrul Höppler: a) Vedere; b) Părţi componente
Rezultatele determinărilor experimentale realizate de autoare cu vâscozimetrul Höppler
referitoare la vâscozitatea cinematică a unor sorturi de uleiuri electroizolante minerale
neaditivate și aditivate şi a unor uleiuri vegetale posibil de utilizat ca electroizolante sunt
prezentate în Tabelul 4.7.
Tabel 4.7. Vâscozitatea cinematică a unor sorturi de uleiuri electroizolante
Tipuri de uleiuri
Vâscozitatea
cinematică medie
[1mm2/s = 1cSt]
Dispersia
[%]
Ulei de transformator TR 30 MOL 2,6 3,90
Ulei de transformator TR 25 aditivat 2,5 0,92
Ulei de rapiță 4,3 2,74
Ulei de porumb 4,4 4,78
Ulei de floarea soarelui 4,3 3,98
Ulei de ricin 4,2 6,78
Ulei de soia 4,1 5,34
Se observă faptul că uleiurile minerale au vâscozitatea cinematică de ordinul 2,5 cSt, iar
uleiurile vegetale au valoarea cuprinsă între 4,1și 4,4 cSt. Dispersia determiărilor este relativ
redusă (0.92-6,78).
4.3. Rigiditatea dielectrică a uleiurilor electroizolante
4.3.1. Metode de determinare a rigidităţii dielectrice
Rigiditatea dielectrică este o mărime convenţională, care depinde de factori intrinseci
(natura și structura uleiului) și de factori extrinseci (grosimea stratului de ulei ce se încearcă,
natura și geometria electrozilor, umiditatea mediului ambiant, temperatura probei, respectiv,
condiţiile încercării). [179].
În conformitate cu prevederile SR EN 60156/CEI 156 rigiditatea dielectrică a uleiului de
transformator este dată de raportul dintre tensiunea electrică de străpungere în timp scurt şi
distanţa dintre electrozi.
Metodele de determinare a rigidităţii dielectrice sunt diverse:
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
57
- încercări în curent continuu,
- încercări în curent alternativ,
- încercări în impuls.
Metodele diferă şi după modul de aplicare a tensiunii eletrice:
- cu aplicare bruscă a tensiunii, în trepte,
- cu aplicare a tensiunii continuu crescător, cu anumite viteze de creştere a solicitării,
până la străpungerea probei.
4.3.2. Determinări experimentale și analize comparative
În cadrul colaborării cu laboratorul de testare a uleiurilor electroizolante de la S.C.
Electrica S.A. Brașov s-au efectuat determinări experimentale ale caracteristicilor unor uleiuri
electroizolante prelevate de la transformatoarele din exploatare, conform SR EN 60156/CEI 156.
Studii de caz
A). Determinări experimentale la ulei din exploatare de la SC Electrica SA (2010-2013);
B). Determinări experimentale la ulei din exploatare la Trafo 1 – Staţia Codlea (2008-2014);
C). Determinări experimentale la ulei din exploatare la 4 Stații trafo de la SC Electrica SA (ulei
nou+alte uleiuri), cu stabilirea dependenţei de temperatură a rigidităţii dielectrice Estr=f(T);
Studiu de caz A - Ulei din exploatare
S-au prelevat probe de ulei de la transformatorul pus în funcțiune în 1969. Măsurătorile
sunt efectuate în perioada 2010-2013. Uleiul este prelevat din partea de jos a transformatorului.
Rezultatele sunt prezentate în Tabelul 4.8.
Tabel 4.8. Caracteristici determinate în perioada 2010 – 2013 pentru ulei ET10 din
exploatare (transformator pus în funcţiune în 1969)
Anul efectuării testelor 2010 2011 2012 2013
Aspect
Culoare
Impurităţi
Limpede
Galben
Lipsă
Limpede
Galben
Lipsă
Limpede
Galben
Lipsă
Limpede
Galben -
Portocaliu
Lipsă
Densitate la 20 °C [kg/m3] 893 892 891 880
Rigiditate dielectrică [kV/cm] 380 370 329,2 335,6
Tangenta unghiului de
pierderi [%] 2,112 2,14 2,142 2,15
Punct de inflamabilitate [°C] 145 145 143 145
Conţinut de apă [ppm] 6,89 7,1 10 11.735
Indice de aciditate
[mg KOH/g] lipsă lipsă lipsă lipsă
Concluzii
Pentru transformatorul analizat, uleiul mineral ET10 a fost completat cu ulei TR 30 MOL;
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
58
Rigiditatea dielectrică a scăvut de la 380 kV/cm la 329,2 kV/cm, în perioada analizată. Se
constată o înrăutăţire a caracteristicii de izolare electică;
Tangenta unghiului de pierderi se încadrează în valoarea standardizată de 2.4 %;
Conţinutul de apă a crescut de la 6,89 ppm la 11,735 ppm, ceea ce confirm faptul că în
perioada de exploatare s-au iniţiat procese de descompunere care afectează calitatea izolaţiei
electrice.
Studiu de caz B – Ulei din exploatare
Caracteristicile uleiului mineral ET 10, completat cu ulei TR 30 MOL prelevare de la
nivelul inferior al transformatorului.din Stația Trafo 1 de la Codlea au fost monitorizate în
perioada 2008-2014 (Tabelul 4.9).
Tabel 4.9. Caracteristici determinate în perioada 2008 – 2014 pentru ulei ET10 cu adaus
de ulei TR 30 MOL din exploatare (Stația Trafo 1 Codlea)
Anul
efectuării
testelor
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Aspect
Culoare
Impurităţi
Limpede
Galben -
citron
Lipsă
Limpede
Galben -
citron
Lipsă
Limpede
Galben -
citron
Lipsă
Limpede
Galben -
citron
Lipsă
Limpede
Galben -
citron
Lipsă
Limpede
Galben -
citron
Lipsă
Limpede
Galben -
citron
Lipsă
Densitate la
20 0C [kg/m
3]
883 881 878 879 875 870 863
Rigiditate
dielectrică
[kV/cm]
345,60 332,5 331,0 327,7 324,6 319,8 307,6
tgδ [%]
Permitivitate
Rezistivitate
[Ω cm].
0,001
1,988
-
0,0015
2,001
-
0,0023
2,006
-
0,034
2,101
-
0,10
2,103
1,90x1013
0,60
2,110
1,23x1013
0,52
2,111
1,24x1013
Punct de
inflamabilitate
[oC]
165 163 161 158 149 145 146
Conţinut de
apă [ppm]
5 5,68 5,98 6,98 8 14,815 14,989
Indice de
aciditate
[mg KOH/g]
0,001 0,002 0,0012 0,0012 0,0014 0,0012 0,0015
Alte date
Tempera
tură ulei
31,1 0C
Tempera
tură ulei
34,2 0C
Tempera
tură ulei
35,1 0C
Tempera
tură ulei
31,2 0C
Temperatu
ră ulei
35,7 0C
Temperatu
ră ulei
36,5 0C
Temperatu
ră ulei
32,3 0C
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
59
Concluzii
Rigiditatea dielectrică a scăzut de la 345,6 kV/cm la 307, 6 kV/cm, în perioada analizată.
Se constată o înrăutăţire a caracteristicii de izolare electică;
Tangenta unghiului de pierderi a crescut de la 0.001 % la 0.060 %, dar se încadrează în
valoarea standardizată de 2.4 %;
Conţinutul de apă a crescut de la 5,0 ppm la 14,989 ppm, ceea ce confirmă că în perioada
de exploatare au apărut procese de degradare a sistemului de izolaţie.
Studiu de caz C - Ulei din exploatare
Autoarea a efectuat determinări experimentale asupra unor probe la ulei din exploatare,
pentru care s-a stabilit dependenţa de temperatură a rigidităţii dielectrice Estr=f(T). Determinările
s-au efectuat în Laboratorul de la SC Electrica SA, conform STAS EN 60156/96. In în Fig. 4.6
sunt prezentate valorile rigidităţii dielectrice în funcţie de temperatura uleiului prelevat de la
două Stații trafo de 110 kV de la SC Electrica SA (ulei din exploatare + adaus de ulei nou).
Fig. 4.6. Variaţia cu temperatura a rigidității dielectrice pentru ulei din exploatare
(Staţia Ghimbav şi Staţia Predeal)
În Fig. 4.7 sunt prezentate valorile rigidităţii dielectrice în funcţie de temperatura uleiului
prelevat de la două transformatoare de 110 kV de la Staţia Smârdan şi două transformatoare de
400 kV de la Staţia Râmnicul Vâlcea şi Staţia Codlea (ulei din exploatare + adaus de ulei nou).
Fig. 4.7. Variația rigidității dielectrice funcție de temperatură pentru ulei mineral din
exploatare (staţii de 110 kV şi de formatoare de 400 kV)
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
60
Concluzii
Determinările indică o variaţie tipică a rigidităţii dielectrice a uleiurilor minerale utilizate
în sistemul de izolaţie al transformatoarelor de mare putere în domeniul tde temperatură
(20 – 130)0C;
Există un domeniu de temperatură Tmax (60-80)0C în care rigiditatea uleiului atinge valori
maxime, dupa care rigiditatea dielectrică scade ;
Dependenţa cu temperatura se poate justifica prin :
dezvoltarea unor procesele de evaporare a apei din sistem şi eliminarea de gaze (până la
Tmax) care determină creşterea rigidităţii dielectrice cu temperatura,
dezvoltarea proceselor de descompunere prin ruperea legăturilor C-C şi C-H cu apariţia
de radicali liberi din moleculele organice de ulei.
4.4. Analiza spectrofotometrică
4.4.1. Metoda de analizăspectrofotometrică
Analiza asupra structurii și compoziției uleiurilor se realizează cu metode
spectrofotometrice moderne [7], [10], [18], [20], [31], [32], 83], [99], [137].
Spectrul vizibil precum și refracția luminii albe prin prisma monocromatorului sunt
prezentate în Fig. 4.8.
Fig. 4.8. Spectrul cu lungimea de undă 400-750 nm și refracția luminii albe
prin prisma din monocromator
Iar în Fig. 4.9 este prezentată schema de principiu a spectrofotometrului UV – Vis 1650.
Fig. 4.9. Schema de principiu a spectrofotometrului UV – Vis 1650
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
61
4.4.2. Analiza spectrofotometrică a uleiului mineral TR 30 MOL
Cu spectrofotometrul UV –VIS 1650 s-au efectuat analize pe probe de ulei mineral TR 30
MOL care au fost supuse regimului de testare la străpungere electrică cu aparatul MEGGER
descris în capitolul 5. Electrozii utilizaţi au fost de tip calotă sferică, cu distanţa interelectrozi de
1 mm iar viteza de creştere a tensiunii a fost de 2,5 kV/s.
Probe examinate:
- Proba T0 - de referinţă de ulei nou TR 30 MOL,
- Proba T6 - ulei nou TR 30 MOL după testare la stăpungeri repetate (Nt=6);
- Proba T10 - ulei nou TR 30 MOL după testare la stăpungeri repetate (Nt=10);
- Proba T99 - ulei nou TR 30 MOL după testare la stăpungeri repetate (Nt=99);
In Fig. 4.22 – Fig. 4.27 sunt prezentate spectrofotogramele obţinute pentru probele de ulei
mineral tip TR 30 MOL. In Anexa 2 sunt prezentate inregistrările analizelor spectrometrice
efectuate.
Fig. 4.10. Spectrofotograma - Proba T 0 de referinţă de ulei nou TR 30 MOL
Spectrofotograma indică faptul că uleiul mineral de tip TR 30 MOL nou are în
compoziția lui doar grupări ce conțin carbon și hidrogen de tipul CH, CH2, CH3, grupări legate
între ele cu legături simple și duble, formându-se astfel hidrocarburi de tip alcani, arene și
aromatice.
Fig. 4.11. Spectrofotograma – Proba T6 de ulei mineral TR 30 MOL
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
62
Se observă o modificare a spectrogramei ceea ce arată că apare o modificare a structurii
moleculare a uleiului supus la 6 teste de străpungeri.
Fig. 4.12. Spectrofotograma – Proba T10 de ulei mineral TR 30 MOL
În spectrograma probei de ulei mineral supus la 10 teste de străpungeri apar modificări
mai accentuate în sensul că apar produsi cu structură nouă care nu au fost în proba inițială.
Fig. 4.13. Spectrofotograma – Proba T99 de ulei mineral TR 30 MOL
La 99 de teste de străpungere apar mai mulți compuși secundari, inclusivradicali OH,
radicali H, sub formă de molecule de apă, precum și gaze de CO, CO2, CH4, etc. conform
Tabelului 3.22.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
63
Concluzii
Analiza spectrofotometrică indică schimbări de compoziţie şi structură moleculară la
probele supuse străpungerii electrice, care se amplifică odată cu creştrea numărului de teste de
străpungere;
Analiza spectrofotometrică pune în evidență prezenţa impurităților datorate proceselor de
degradare a uleiului electroizolant sub efectul străpungerii electrice.
Descărcările partiale care se dezvoltă în sistemul de izolaţie ale transformatoarelor de
putere determină procese de degradare a uleiului din exploatare similare celor care au loc în
probele analizate. Impuritățile formate în uleiul din exploatare se elimină prin procedee
specifice: regenerare sau recondiţionare şi reutilizare. Crește astfel durata de viață a sistemului de
izolaţie şi scad costurile de mentenanţă.
4.5. Concluzii
O caracteristică importantă pentru uleiurile electroizolante este densitatea care poate fi
determinată direct cu areometrul și indirect cu picnometrul sau cu alte aparate.
Conținutul de apă din uleiurile electroizolante poate fi determinat prin metoda DEAN-Stark
sau Karl Fischer. Existența apei în sistemul electroizolant determină gradul de îmbătrânire al
uleiului din exploatare alături de produșii de descompunere ce se pot determina prin alte
metode performante ca spectrofotometria.
Punctul de inflamabilitate este o caracteristică importantă care arată riscul de incendiu al
sistemului electroizolant. Metodele prin care se determină inflamabilitatea uleiului sunt :
Abel Pensky, Creuzetul Cleveland, Marcusson, Pensky Martens.
Indicele de refracție este utilizat la determinarea concentrația uleiului electroizolant. Aparatul
utilizat pentru determinarea indicelui de refracție al uleiului mineral sau vegetal este
refractrometrul ABBE.
Modificarea vâscozității pune în evidență modificarea compoziției uleiului. Când apare
această modificare de structură atrage după sine aplicarea altor metode mai complexe pentru
determinarea structurii uleiului cum ar fi metodele spectrofotometrice.
Rigiditatea dielectrică este o caracteristică importantă pentru uleiul electroizolant variația
acestei proprietăți arată o posibilă modificare a structurii. Dacă la temperaturi normale
rigiditatea dielectrică crește, la temperaturi de 69-80oC aceasta ajungând la valori maxime în
sistemul electroizolant analizat, iar aceasta scade la temperaturi mai mari, confirmând
apariția produșilor secundari de descompunere.
Prin metoda spectrofometrică se poate determina structura uleiului electroizolant și eventualii
produși secundari de descompunere ce apar în exploatare o dată cu creșterea temperaturii din
sistem. Analiza spectrofotometrică este importantă deoarece se pot determina ușor toate
tipurile de impurități de la gaze, vapori de apă, impurități metalice, precum și alte tipuri de
impurități care modifică puternic proprietățile electroizolante ale sistemului electroizolant dar
mai ales al uleiului mineral electroizolant. De asemenea se pot lua măsuri rapide privind
regenerarea și purificarea uleiului electroizolant din transformatorul de putere, ceea ce reduce
prețul de cost cu întreținerea transformatorului de putere.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
64
5. METODE STATISTICE DE ANALIZĂ A TESTELOR DE STRĂPUNGERE
ELECTRICĂ
Statistica studiază latura cantitativă a fenomenelor de masă, în vederea caracterizării lor
numerice (prin indicatori) și fenomene materiale existente în natură și societate făcând parte din
acele ramuri ale științei care sunt scindate în două discipline: una privind studiul fenomenelor
fizico chimice și proceselor din natură și alta studiind fenomenele sociale ceea ce corespunde
statisticii social - economice.
În acest capitol sunt prezentate cercetările teoretice și experimentale care au ca scop:
- Perfectionarea procedurii de testare la strapungere a uleiurilor electroizolante.
- Stabilirea unui criteriu rapid si eficient de comparare a caracteristicilor diferitelor tipuri de
uleiuri electroizolante care ar putea sa candideze la categoria de uleiuri utilizate in sistemele de
izolatie electric.
5.1. Statistică descriptivă și indicatori caracteristici
Statistica descriptivă, descrisă în lucrările [93] si [94], este un instrument eficient de
caracterizare a unei populaţii X de elemente aleatoare din care este extras un eşantion de forma
unui şir de date rezultate din măsurători xi, unde i=1, 2, 3, ...n.
Populația, în această lucrare, este alcătuită din tensiunile de străpungere ale uleiurilor
electroizolante obținute din încercările efectuate cu aparatul MEGGER OTS 60 AF/2.
Analiza statistică permite reducerea datelor prin împărţirea datelor în clase reprezentarea
datelor sub formă de diagrame, calculul unor mărimi speciale, precum şi studierea
caracteristicilor statistice.
Reprezentarea grafică a datelor
Un instrument util în statistica descriptivă este histograma care reprezintă o secvență de k
dreptunghiuri cu baza egală cu intervalul de clasă [gi-1, gi) și înălțimea frecvenței relative hi unde
i=1...k (poligonul frecvenţelor absolute relative). Histogramele permit extragerea de noi
informaţii din datele experimentale [91]. Histogramele permit estimarea caracterului distribuţiei
statistice a datelor(unități statistice ale eșantionului)
Mărimi specifice pentru șirul de date
Mărimile specifice care pot caracteriza şirurile de date sunt:
Media aritmetică, este dată de relaţia:
n
i
ixn
x1
1 (5.10)
unde : n este numărul de unităţi statistice (date);
Abaterea standard (Abaterea medie pătratică) s, obţinută din rădăcina pătrată a dispersiei
Ds:
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
65
n
i
is xxn
Ds1
2
1
1 (5.11)
Mediana xme este termenul din mijlocul şirului ordonat crescător. Dacă şirul are număr par
de elemente, mediana este media aritmetică a celor doi termeni din mijlocul şirului.Mediana
prezintă unele avantaje faţă de media aritmetica şi anume: nu este afectată de fluctuaţiile
selecţiei; se poate determină grafic prin construirea curbei frecvenţelor cumulate.
Modulul xmod este valoarea din şir cu frecvenţa cea mai mare.
Coeficientul de variabilitate CV se calculează ca raport procentual între abaterea medie
pătratică şi media aritmetică:
%,100% x
sCV (5.12)
Coeficientul de formă kf , dependent de coeficientul de variaţie CV, este exprimat prin
relaţia:
21 CVk f (5.13)
Eroarea standard SE se calculează cu următoarea relaţie:
n
sSE (5.14)
unde: s - abaterea medie pătratică cunoscând valoarea mediei aritmetice.
n – numărul de unități statistice ale eșantionului (mărimea eșantionului)
Media x şi abaterea standard s reprezintă principalii descriptori pentru un şir de date
obținute prin măsurători (xi), unde i=1, 2, 3, ....n.
Abaterea standard caracterizează împrăştierea datelor, față de media aritmetică:
Aprox. 68% dintre date trebuie să se găsească în intervalul sxsx , ;
Aprox. 95% dintre date trebuie să se găsească în intervalul sxsx 2,2 ; (5.15)
Aprox. 99% dintre date trebuie să se găsească în intervalul sxsx 3,3 .
Coeficientul de variabilitate CV permite compararea împrăștierii diferitelor eșantioane
față de media aritmetică. Ca urmare, coeficientul de variaţie poate fi folosit ca test de
semnificaţie a reprezentativităţii mediei, considerându-se următoarele praguri de semnificaţie:
0<CV<17 % - media este strict reprezentativă;
17<CV<35 % - media este moderat reprezentativă;
35<CV<50 % - media este reprezentativă în sens larg;
CV> 50% - media este nereprezentativă.
Eroarea standard SE se foloseşte pentru a determina intervalul de încredere a mediei
aritmetice [37], [140].
Pentru distribuţia normalӑ, funcția de densitate de repartiţie are expresia:
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
66
2
2
2
)(
2
1),,(
x
exf (5.19)
unde:
μ - valoarea medie a variabilei aleatoare X
σ - abaterea standard a variabilei aleatoare X.
In Fig. 5.2 este reprezentată funcția de densitate de repartiţie de densitate normală.
Fig. 5.2. Funcția de densitate de repartiţie de densitate normală
Pentru distribuţia Weibull, funcţia de densitate de repartiţie are expresia:
xe
xxf
1
),,( (5.21)
unde
α-parametru de formă (α>0),
β-parametru de scalare (β>0),
γ-parametru de poziție,
Parametrul α determinӑ forma funcţiei f(x), ilustrată în Fig. 5.3.
Fig. 5.3. Funcția de densitate de repartiţie de densitate Weibull
Testele de concordanţă indicӑ modul în care o anumită distribuţie statistică se potriveşte
cu mulţimea de date analizate.
Aceste teste pun în evidenţă concordanţa dintre modelul empiric, furnizat de histogramă,
şi modelul teoretic considerat adecvat pentru populaţia din care provin datele statistice observate.
5.2. Procedura de determinarea rigidității dielectrice cu aparatul MEGGER OTS 60
AF/2
Determinarea experimentală a rigidităţii dielectrice se face cu aparatul MEGGER OTS 60
AF-2 care permite efectuarea de testări de tensiune de străpungere în curent alternativ cu
aplicarea continuu crescătoare a tensiunii, cu anumite viteze de creştere a tensiunii, până la
străpungerea probei.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
67
În Fig. 5.4 este prezentat aparatul Megger OTS 60 A/2 testarea la atrăpungere a uleiurilor
electroizolante
Fig. 5.4. Aparatul MEGGER OTS 60 AF/2 pentru testarea la atrăpungere a uleiurilor
electroizolante
Vasul de testare, cu o capacitate de 300 ml, conţine sistemul de electrozi de testare din
alamă. Distanţa dintre electrozi este de reglabilă ( 1,00; 1,20; 2,50 și 4,00 ± 0,05 ) mm.
În Fig. 5.5 sunt prezentate cele trei sisteme de electrozi de testare:
a) electrozi plan-plan,
b) cu electrozi sferă-sferă,
c) cu electrozi calotă-calotă.
a) b) c)
Fig. 5.5. Vas de testare al aparatului Megger cu sistemele de electrozi : a) plan-plan, b) sfera-sfera;
c) calota – calota
Valoarea medie a tensiunii de străpungere se calculează cu realația:
t
N
i
istr
str
N
U
U
t
1
(5.22)
Rigiditatea dielectrică medie se calculează, în ipoteza existenței uniformității câmpului
electric, cu relația:
d
UE str
str
(5.23)
unde:
strE este rigiditatea dielectrică,
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
68
strU este valoarea medie a tensiunii de străpungere,
d este distanţa dintre electrozi.
Se pune condiţia ca valorile obţinute din cele Nt testări să nu difere cu mai mult de 15%
faţă de valoarea medie.
Fig. 5.6. Specificarea duratelor regimului de testare a aparatului Megger OTS 60 AF/2
În Fig. 5.6 sunt specificate duratele regimului de testare a aparatului Megger astfel :
ti –timpul inițial, tt1- durata pentru testul 1, tt2- durata pentru testul 2, tt3- durata pentru testul 3,
ttn- durata pentru testul n, D- durata totală între două încercări consecutive.
Utilizând apartul MEGGER OTS 60 AF/2, cu procedura descrisă în capitolul 5.2 s-au
făcut determinări experimentale pe probe de ulei mineral nou tip TR 30 MOL (neaditivat) și
uleiuri vegetale din porumb, rapiță și floarea soarelui. De asemenea, au fost preparate şi testate
probe de ulei TR 30 MOL în care s-a adăugat aditiv tip alfa metil naftalină (5%). CH3
sau C10H7-CH3 sau C11H10
α-metil naftalină (formulă structural, formulă condensată, formulă brută)
Testele s-au făcut la temperatura ambiantă cu respectarea condițiilor de lucru ale
aparatului MEGGER OTS 60 AF/2.
5.3. Aplicarea statisticii descriptive în testele de străpungere la uleiurilor
electroizolante
Se consideră populația statistică Ustri, unde i=1….Nt., formată din valorile tensiunilor
de străpungere obținute la testarea cu aparatul Megger, pentru următoarele probe:
- Ulei mineral TR 30 MOL;
- Ulei vegetal din porumb;
- Ulei vegetal din rapiță;
- Ulei vegetal din floarea soarelui.
Utilizând programul Statistica au fost calculați parametrii caracteristici pentru șirul de
valori ale tensiunilor de străpungere corespunzătoare fiecărei probe de ulei;
media aritmetică Ustr me;
mediana Ustr md,
valori minimă și maximă Ustr min, Ustr max,
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
69
abaterea standard su,
coeficientul de variație CV.
În Tabelul 5.3 sunt prezentate rezultatele obținute pentru parametrii statistici ai
tensiunilor de străpungere cu considerarea distribuției statistice normale Gauss.
Histogramele obținute cu programul Statistica sunt prezentate Fig. 5.7-Fig. 5.10. Histogram (99 teste plan TR 30 MOL 3v*100c)
Var1 = 99*1,95*normal(x; 15,7818; 3,7127)
4%
6%
9%
11%
18%
20% 20%
11%
6,40 8,35 10,30 12,25 14,20 16,15 18,10 20,05 22,00
nr. de c lase
0
5
10
15
20
25
30
Te
ns
iun
ea
de
str
ap
un
ge
re [k
V]
Var1: SW-W = 0,9635; p = 0,0076; N = 99; Mean = 15,7818; StdDv = 3,7127; Max = 22;
Min = 6,4; D = 0,0932; p < n.s.; Lilliefors-p < 0,05
Histogram (99 teste plan TR 30 MOL 3v*100c)
Var1 = 99*1,95*weibull(x ; 18,6444; 1,6885; 0)
4%
6%
9%
11%
18%
20% 20%
11%
6,40 8,35 10,30 12,25 14,20 16,15 18,10 20,05 22,00
nr. de c lase
0
5
10
15
20
25
30
Te
ns
iun
ea
de
str
ap
un
ge
re [k
V]
Var1: N = 99; Mean = 15,7818; StdDv = 3,7127; Max = 22; Min = 6,4
a) b)
Fig. 5.7. Histograma pentru ulei TR 30 MOL
a) distribuție normală, b) distribuție Weibul Histogram (99 teste plan rapita 4v*100c)
Var1 = 99*2*normal(x; 16,7364; 3,5958)
1%
4%5%
13%
17%
21%
19%
13%
6%
0%
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
nr. de clase
0
5
10
15
20
25
30
Te
ns
iun
ea
de
str
ap
un
ge
re [k
V]
Var1: SW-W = 0,983; p = 0,2337; N = 99; Mean = 16,7364; StdDv = 3,5958; Max = 23,4;
Min = 7,9; D = 0,0554; p < n.s.; Lilliefors-p < 1
Histogram (99 teste plan rapita 4v*100c)
Var1 = 99*1,9375*weibull(x; 18,1541; 5,4634; 0)
5%
3%
12%
17%
20%
17%
14%
11%
7,9000 9,8375 11,7750 13,7125 15,6500 17,5875 19,5250 21,4625 23,4000
nr. de clase
0
5
10
15
20
25
30
35N
o o
f ob
s
Var1: N = 99; Mean = 16,7364; StdDv = 3,5958; Max = 23,4; Min = 7,9
a) b)
Fig. 5.8. Histograma pentru ulei de rapiță
a) distribuție normală, b) distribuție Weibull Histogram (porumb plan 3v*100c)
Var1 = 99*2*normal(x; 15,501; 3,041)
3%
11%
21% 21%20%
16%
5%
2%
0%
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
nr. de clase
0
5
10
15
20
25
30
35
Tensiu
nea d
e s
trapungere
[kV
]
Var1: SW-W = 0,9874; p = 0,4720; N = 99; Mean = 15,501; StdDv = 3,041; Max = 22,8; Min = 9,4
Histogram (porumb plan 3v*100c)
Var1 = 99*1,675*weibull(x; 16,7516; 5,6124; 0)
7%
10%
23%
21%
10%
19%
6%
3%
9,400 11,075 12,750 14,425 16,100 17,775 19,450 21,125 22,800
Var1
0
5
10
15
20
25
30
35
Te
ns
iun
ea
de
str
ap
un
ge
re [k
V]
Var1: N = 99; Mean = 15,501; StdDv = 3,041; Max = 22,8; Min = 9,4
a) b)
Fig. 5.9. Histograma pentru ulei de porumb
a) distribuție normală, b) distribuție Weibull
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
70
Histogram (99 teste plan floarea soarelui 3v*100c)
Var1 = 99*3,2786*normal(x; 14,6388; 7,7821)
33%
26%
6%7% 7%
6%7% 7%
6,2000 9,4786 12,7571 16,0357 19,3143 22,5929 25,8714 29,1500 32,4286
nr. de clase
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Te
ns
iun
ea
de
str
ap
un
ge
re [k
V]
Var1: SW-W = 0,8522; p = 0,00000002; N = 99; Mean = 14,6388; StdDv = 7,7821;
Max = 32,4286; Min = 6,2; D = 0,2133; p < 0,0100; Lilliefors-p < 0,01
Histogram (99 teste plan floarea soarelui 3v*100c)
Var1 = 99*3,2786*weibull(x; 16,6467; 2,0456; 0)
33%
26%
6%7% 7%
6%7% 7%
6,2000 9,4786 12,7571 16,0357 19,3143 22,5929 25,8714 29,1500 32,4286
nr. de clase
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Te
ns
iun
ea
de
str
ap
un
ge
re [k
V]
Var1: N = 99; Mean = 14,6388; StdDv = 7,7821; Max = 32,4286; Min = 6,2
a) b)
Fig. 5.10. Histograma pentru ulei de floarea soarelui
a) distribuție normală, b) distribuție Weibull
Interpretări
1. Valoarea medianei Umd este apropiată de valoarea mediei aritmetice Ume a tensiunii de
străpungere, dar ca şi valoare valoarea medianei este mai mare decât media
aritmeticӑ ce arată că valorile din stânga medianei au pondere mai mare influențând
valorile mediei aritmetice Ustr me.
2. Abaterea mediei pătratice su are ordin de mărime de 3,2-5,56 kV. Procesele de
străpungere și condițiile de testare determină abaterii standard relativ ridicate. Putem
concluziona cӑ fiecare probӑ s-a abӑtut de la valoarea medie a eşantionului cu o
valoare cuprinsӑ în intervalul 3,2 – 5,56 .
3. Eroarea standard SEu, care caracterizează intervalul de încredere a mediei, este de
ordinal de mărime 0,3-0,56 kV.
4. Coeficientul de variație CV pentru testele efectuate la probele de ulei mineral TR 30
MOL, ulei de porumb, și ulei de floarea soarelui are valor în intervalul 18,91%-
25,77%, ceea ce arată că media aritmetică este moderat reprezentativă. Pentru uleiul
de rapiță pentru care CV=15,36%, media pentru Ustr este strict reprezentativă.
5. Analiza șirurilor valorilor Ustr me pentru uleiurile analizate arată superioritatea probei
de ulei mineral TR 30 MOL față de probele de ulei vegetal. Pentru a putea introduce
uleiurile vegetale ca uleiuri electroizolante sunt necesare tehnologii de neutralizare a
acizilor grași componenți în uleiurile vegetale și adăugarea de stabilizatori/inhibitori
ai proceselor de străpungere și îmbătrânire.
6. Analiza distribuției statistice Weibull pentru șirurile dinte Ustr indică existența unor
procese de îmbătrânire în cazul uleiurilor vegetale de tip rapiță, porumb și floarea
soarelui.
7. Probele de ulei mineral, după 99 teste consecutive de străpungere, indică modificări
ale valorii tensiunii de străpungere cu tendinţă opusă fată de uleiurile vegetale.
Creşterea tensiunii de stăpungere poate fi interpretată de iniţierea unor porcese d
epolimerizare care au loc la străpungere. Precizia determinărilor este cu atât mai mare
cu cât sunt considerate cicluri de 6, 10, 18, 54 și 99 testări.
5.4. Influența factorilor extrinseci asupra tensiunii de străpungere la uleiuri
electroizolante
Influența factorilor extrinseci asupra tensiunii de străpungere la uleiuri electroizolante
este investigată utilizând probe de ulei mineral TR 30 MOL.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
71
Încercările au fost efectuate cu aparatu MEGGER, cu următoarele regimuri de testare:
Regim de străpungere cu viteza diferită cu același tip de electrozi şi timpi de pauză;
Regim de străpungere cu aceeași viteză, cu variația timpilor de pauză dintre teste;
Regim de străpungere cu aceeași viteză, cu electrozi diferiți, cu aceeași distanță între
electrozi;
Regim de străpungere cu aceeași viteză, aceiaşi timpi de pauză, aceeași electrozi, cu distanță
diferită între electrozi.
5.4.1. Influența formei geometrice a electrozilor
Pe probe de ulei TR 30 MOL s-au efectuat teste de străpungere cu aparatul MEGGER
utilizând electrozi plani/sferă/calotă și viteza de creștere a tensiunii alternative de încercare v=2,5
kV/s.
În Tabelul 5.5 sunt prezentate rezultatele testelor de străpungere în cazul modificării
duratelor pauzelor dintre două încercări succesive (Fig. 5.6), încercarea fiind cu electrozi plani,
la distanța d=1 mm.
În Fig. 5.11 este prezentată variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere pentru
uleiul TR 30 MOL cu durata pauzei dintre două încercări succesive, în cazul utilizării de
electrozi plani.
Fig. 5.11. Variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu durata pauzei
dintre două încercări succesive cu electrozi plani
În Fig. 5.12 este prezentată variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere pentru
uleiul TR 30 MOL cu durata pauzei dintre două încercări succesive, în cazul utilizării de
electrozi sferă.
Fig. 5.12. Variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu timpii de testare
pentru electrodul sferă
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
72
În Fig. 5.13 este prezentată variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere pentru
uleiul TR 30 MOL cu durata pauzei dintre două încercări succesive, în cazul utilizării de
electrozi calotă.
Fig. 5.13. Variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu timpii de testare pentru
electrodul calotă
Datele indică o influenţa semnificativă a duratei pauzei între două încecări succesive de
stăpungere : cu creşterea duratoi pauzei între doyuă încercări succesive de străpundere valoarea
mediei aritmetice a tensiunii de străpungere creşte. Pentru electrozi plani s-au obţinut valori ale
tensiunii de străpungere mult mai mici.
5.4.2. Influența vitezei de creștere a tensiunii de încercare și a geometriei electrozilor
În Fig. 5.14 este prezentată variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere pentru
uleiul TR 30 MOL cu viteza de creştere a tensiunii de încercare în cazul utilizării de electrozi
plani.
Fig. 5.14. Variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu viteza de creștere a
tensiunii de încercare cu electrozi plani
În Fig. 5.15 este prezentată variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere pentru
uleiul TR 30 MOL cu cu viteza de creştere a tensiunii de înercare în cazul utilizării de electrozi
calotă.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
73
Fig. 5.15. Variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu viteza de creștere a
tensiunii de medii cu considerarea variației vitezei de creștere a tensiunii de încercare cu
electrozi calotă
Datele indică o creştere a mediei aritmetice a tensiunii de străpungere la viteze mărite de
creștere a tensiunii aplicate probelor de ulei electroizolant. Pentru încercarea cu electrozi sferă,
dispersia măsurătorilor este mai redusă decât în cazul electrozilor plani şi calotă.
5.4.3. Influența agitării – încercări de străpungere fără agitare
În Fig. 5.17 este prezentată variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere pentru
uleiul TR 30 MOL cu agitarea , în cazul utilizării de electrozi plani.
Fig. 5.17. Distributia mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu agitare, cu electrozi
plani
În Fig. 5.18 este prezentată variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere pentru
uleiul TR 30 MOL cu agitarea, în cazul utilizării de electrozi calotă.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
74
Fig. 5.18. Distributia mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu agitare, cu electrozi
calotă
În Fig. 5.19 este prezentată variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere pentru
uleiul TR 30 MOL cu agitarea , în cazul utilizării de electrozi sferă.
Fig. 5.19. Distributia mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu agitare, cu electrozi sferă
5.5. Programul MedCalc si analiza statistica aplicată in străpungerea uleiurilor
electroizolante
MedCalc este realizat de MedCalc Software din Belgia şi este un program statistic uşor
de utilizat şi care oferӑ pentru orice şir de date o fişa statisticӑ numitӑ “ Summmary
statistics”. Fişerele realizate cu acest produs au extensia *.mc1.
În Fig. 5.20 este prezentat ecranul de deschidere al produsului MedCalc.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
75
Fig. 5.20. Ecranul MedCalc, fişa statisticӑ “Summary statistics”, fereastra de alegere a testului
de normalitate
Ecranul este împӑrţiti în douӑ zone şi anume:
1. Bara de meniu împreunӑ cu instrumentele de lucru în partea de superioarӑ a ecranului;
2. Zona de lucru, asemӑnӑtoare cu un sheet din Excel ;
Datele sunt încӑrcate în foaia de calcul deschisӑ în ecranul de lucru, aşa cum se poate
vedea din Fig. 5.20, care are aspectul unei foi de calcul din Excel.
Din Bara de meniu se acceseazӑ meniul Statistics din care se acceseazӑ fişa de Statisticӑ
sumarӑ (Summary statistics) şi de unde se poate accesa şi unul din testele de verificare a
normalitӑţii datelor.
Din meniul Graphs de unde se alege Multiple variables Graph care afişeazӑ reprezentarea
graficӑ a eşantioanelor studiate de exemplu sub formӑ de box-plot (Fig. 5.21).
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
76
Fig. 5.21 Reprezentarea box-plot a eşantioanelor
Pe axa Ox a graficului din Fig. 5.21 se trec numele lotului de date analizat. Reprezentarea box-
plot este specificӑ pentru prelucrӑrile statistice a datelor. In Fig.5.22 se prezintӑ elementele ce se
regӑsesc în reprezentarea box-plot.
Fig. 5.22. Elemente ce se regӑsesc în reprezentarea box-plot
Pe verticalӑ Oy (Fig. 5.22) se reprezintӑ un box (dreptunghi) în care pentru şirul de date
se indicӑ valoarea maximӑ şi minimӑ, cvartila superioarӑ şi inferioarӑ precum şi cvartila 50%,
care este mediana şirului de date în studiu. Tot în aceastӑ reprezentare box-plot se indicӑ şi
valorile aşa zise aberante (outlier).
În continuare, sunt prezentate rezultatele aplicării analizei statistice pentru probe de ulei
testat cu regimuri specifice de încercare.
În Fig. 5.23 este reprezentătă distribuţia valorilor tensiunii de străpungere în functie de
forma electrozilor pentru uleiul mineral electroizolant din exploatare TR 30 MOL cu Nt =10
încercări succesive.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
77
Ten
siun
ea d
e st
răpunger
e [k
V]
Fig. 5. 23. Distribuţia tensiunii de străpungere în functie de forma electrozilor pentru ulei
mineral TR 30 MOL (Nt=10)
În Fig. 5.24 este reprezentată distribuţia valorilor tensiunii de străpungere în functie de
forma electrozilor pentru uleiul mineral electroizolant din exploatare TR 30 MOL cu Nt =18
încercări succesive.
Ten
siun
ea d
e st
răpunger
e [k
V]
Fig. 5.24. Distribuţia tensiunii de străpungere în functie de forma electrozilor pentru ulei
mineral TR 30 MOL (Nt=18)
În Fig. 5.25 este reprezentătă distribuţia valorilor tensiunii de străpungere în functie de
forma electrozilor pentru uleiul mineral electroizolant din exploatare TR 30 MOL cu Nt =54
încercări succesive.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
78
Ten
siun
ea d
e st
răpunger
e [k
V]
Fig. 5. 25. Distribuţia tensiunii de străpungere în functie de forma electrozilor pentru ulei
mineral TR 30 MOL (Nt=54)
În Fig. 5.26 este reprezentătă distribuţia valorilor tensiunii de străpungere în functie de
forma electrozilor pentru uleiul mineral electroizolant din exploatare TR 30 MOL cu Nt =99
încercări succesive.
Ten
siun
ea d
e st
răpunger
e [k
V]
Fig. 5. 26. Distribuţia tensiunii de străpungere în functie de forma electrozilor pentru ulei
mineral TR 30 MOL (Nt=99)
În Fig. 5.27 este reprezentă distribuţia valorilor tensiunii de străpungere pentru încercări cu
aparatul Megger cu electrozi plani la uleiul mineral electroizolant exploatare TR 30 MOL şi
uleiurile vegetale de floarea soarelui, rapiță și porumb (Nt =99).
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
79
Ten
siun
ea d
e st
răp
unger
e [k
V]
a) Reprezentare grafică tensiunilor medii de străpungere
Fig. 5.27.a). Distribuţia tensiunii de străpungere la uleiul mineral TR 30 MOL, uleiuri de floarea
soarelui, porumb, rapiță supuse la Nt=99 teste de străpungere cu electrozi plan
Ten
siun
ea d
e st
răpunger
e [k
V]
b) Distribuția punctelor reprezentative ale tensiunii de străpungere pentru uleiuri
electroizolante
Fig. 5. 27. b). Distribuţia tensiunii de străpungere la uleiul mineral TR 30 MOL, uleiuri de
floarea soarelui, porumb, rapiță supuse la Nt=99 teste de străpungere cu electrozi plan
În Fig. 5.28 s-a reprezentat distribuţia tensiunii de străpungere în funcţie de numărul de
străpungeri succesive (Nt = 6, 10, 18, 54, 99) cu electrozi sferă pentru uleiul mineral TR 30
MOL.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
80
Ten
siun
ea d
e st
răpunger
e [k
V]
Fig. 5.28. Distribuţia tensiunii de străpungere în funcţie de numărul de străpungeri
succesive (Nt = 6, 10, 18, 54, 99) cu electrozi sferă pentru uleiul mineral TR 30 MOL.
În Fig. 5.29 s-a reprezentat distribuţia tensiunii de străpungere în funcţie de numărul de
străpungeri succesive (Nt = 10, 18, 54, 99) cu electrozi plani pentru uleiul mineral TR 30 MOL.
Ten
siun
ea d
e st
răpunger
e [k
V]
Fig. 5.29. Distribuţia tensiunii de străpungere în funcţie de numărul de străpungeri
succesive (Nt = 10, 18, 54, 99) cu electrozi plani pentru uleiul mineral TR 30 MOL.
5.6. Concluzii
Autoarea a studiat în lucrare metode de aplicare a statisticii descriptive pe teste de
străpungere la uleiuri electroizolante.
S-au studiat latura cantitativă a fenomenelor de masă pentru a le putea caracteriza numeric
prin indicatori. Legea statistică apare ca rezultantă medie a numeroase acțiuni individuale.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
81
Utilizând apartul MEGGER OTS 60 AF/2, cu procedura descrisă în capitolul 5.2 s-au făcut
determinări experimentale pe probe de ulei mineral nou tip TR 30 MOL (neaditivat) și uleiuri
vegetale din porumb, rapiță și floarea soarelui. De asemenea, au fost preparate şi testate
probe de ulei TR 30 MOL în care s-a adăugat aditiv tip alfa metil naftalină (5%).
Pentru a se putea aplica metodele statistice s-au calculat valorile medii ale tensiunilor de
străpungere, mediana precum și coeficienții de variabilitate pentru fiecare ulei electroizolant
analizat prin aplicarea procedurii de străpungere cu aparatul MEGGER. S-a încercat aplicare
distribuției WEIBULL pentru șirurile Ustr care indică existența unui proces de îmbătrânire.
Probele de ulei mineral, după 99 teste consecutive de străpungere, indică modificări ale
valorii tensiunii de străpungere cu tendinţă opusă fată de uleiurile vegetale. Creşterea
tensiunii de stăpungere poate fi interpretată de iniţierea unor porcese de polimerizare care au
loc la străpungere.
S-au studiat acțiunile unor factori extrinseci asupra uleiului electroizolant, cum ar fii: variația
temperaturii, forma electrozilor (plani, calote, sfere), agitarea, distanța între electrozi, viteza
de creștere a tensiunii de străpungere, durata dintre testele de străpungere. O mai mare
influență o are viteza de creștere a tensiunii de străpungere când se utilizeaeză electrizii sfere.
La ceilați electrozi calote și plani variația mediei aritmetice a tensiunilor de străpungere este
relative constantă.
În paralel s-a aplicat si metoda statistic asigurată de softul MedCalc. În cadrul programului
au fost luați în considerare indicatorii statistici ca media aritmetică, mediana, dispersia și alți
indicatori întâlniți în fișa “Summary Statics” al softului de statistcă MedCalc, utilizat în
prelucrarea eșantioanelor de uleiuri utilizate. Analiza statistică demonstrează faptul că
uleiurile minerale se pot compara cu cele vegetale, din punct de vedere al proprietăților de
izolație.
Prin metoda statistică asigurată de softul MedCalc s-au efectuat distribuții ale mediilor
tensiunilor de străpungere pentru uleiul mineral din exploatare TR 30 MOL funcție de forma
electrozilor (plani, calote, și sfere) cu Nt=10, 18, 54, 99. Grafic se observă că tensiunea
medie de străpungere pentru electrozii plani au valorile cele mai mici, iar pentru electrozii
sferă cele mai mari. Explicația constă în existența câmpului electric dintre electrozi care se
formează în timpul funcționării aparatului. S-a mai studiat și cazul influenței electrozilor
plani și sferă asupra aplicării tensiunilor de străpungere pentru uleiul TR 30 Mol. Dispersia
valorilor medii este diferită funcție de Nt=6, 10, 18, 54, 99. În cazul Nt=6, 10 se observă o
distribuție mare a valorilor iar la Nt=mari dispersia scade.
În Anexa 3 mai sunt descrise prelucrările statistice ale datelor obţinute la testele de
străpungere pe urmatoarele sorturi de uleiuri: uleiuri minerale TR 30 MOL, Trafo 2 Smărdan,
uleiuri vegetale din Floarea Soarelui, din Rapiță, din Porumb.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
82
6. CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII ORIGINALE
6.1. Concluzii finale
Evoluția demografică a populației, creșterea nivelului de trai al populației și exploziei
industrializării, au dus la creșterea necesarului de energie electrică la nivel mondial, cu implicaţii
directe asupra numărului şi puterii transformatoare de mare putere utilizate în sistemele de
transport şi distribuţie a energiei electrice. Creșterea cerințelor legate de calitatea energiei livrate
și de disponibilitatea sistemelor de alimentare impun în present noi abordări legate de
monitorizarea stării de funcționare a transformatoarelor și de predicția parametrilor funcționali.
Aceasta presupune cunoașterea în detaliu a evoluției parametrilor sistemului de izolație a
transformatorului – în primul rând a uleiului de transformator.
Cercetările actuale sunt direcționate spre dezvoltarea de noi materiale utilizate în
construcția sistemelor de izolație electric din transformatoarele de mare putere și stabilirea de
soluţii pentru creșterea performanțelor acestora în exploatare, cu scăderea cheltuielilor de
mentenanță.
In prezenta teză de doctorat este abordată problematica uleiurilor electroizolante – cu rol
esenţial în Indeplinirea funcţiilor sistemului de izolaţie al transformatorului de mare putere.
Obiectivul principal de investigare şi optmizare a caracteristicilor uleiurilor electroizolante
minerale si vegetale destinate sistemelor de izolație din transformatoarele de mare putere este
atins.
Teza răspunde astfel la necesitatea actuală de creștere a performanțelor sistemelor
electroizolante din transformatoarele de putere prin dezvoltarea de noi materiale performante
posibile să înlocuiască uleiurile minerale electroizolante cu materiale noi ecologice, nepoluante,
prietenoase cu mediul și nepericuloase pentru sănătatea omului.
In continuare sunt sistematizate principalele rezultate ale cercetărilor teoretice şi
experimentale ale tezei de doctorat.
Capitolul 1
Sistemul actual de izolație din transformatorul de mare putere include ca elemente principale
constituente uleiul mineral și hârtia electroizolantă. De modul cum aceste elemente se
comportă la solicitările electrice, termice, mecanice și de mediu depnde durata de viaţa a
ansamblului şi chiar a transformatorului.
Cercetările privind procesele de degradare/îmbătrânire certifică existenţa reacțiilor de
descompunere a componentelor organice din structura hârtiei și în special a ligninei – pentru
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
83
hartia Kraft – celuloza, şi reacții de oxido – reducere, cu degajare de gaze și formare de
vapori de apă în cazul uleiului mineral electroizolant. În urma reacţiilor de degradare termică
sunt foarte numeroşi produșii de descompunere şi apar şi radicali liberi care au capacitatea de
a se combina şi a produce alţi produşi secundari. La temperaturi ridicate compuşii din uleiul
electroizolant și celuloză se descompun nu numai la nivel de vapori ci şi cu formarea de
compuși secundari până la nivel de monomeri. În cazul reacţiilor termooxidative în prezenţa
oxigenului se formează radicali liberi de tip peroxizi, hidroperoxizi care se pot stabiliza
printr-o reacţie terminală.
Principalii indicatori ai stării de degradare/îmbătrânire, care sunt în acelaşi timp şi indicatori
ai sistemelor de monitorizare, diagnoză şi prognoză a stării de funcţionare a
transformatorului, sunt legaţi de parametrii fizico-chimici ai uleiului de transformator:
tensiune de străpungere, rezistivitatea, factorul de pierderi, conţinutul de apă, indice de
aciditate, conţinutul de gaze în ulei, vâscozitate, temperatura de inflamabilitate, indicele de
refrație, conținut de impurități determinat spectrofotometric, culoarea, densitatea.
Capitolul 2
Sistemele de izolaţie pentru transformatoarele de mare putere au deveni din ce în ce mai
complexe și mai performante, cu materiale de calitate din ce în ce mai înaltă. Lichidele
electroizolante sunt încă acceptate ca o variantă necesată în sturctura sistemului de izolaţie,
deşi există unele deficienţe: majoritatea sunt inflamabile ceea ce impune precauții speciale
pentru evitarea accidentelor sau pagubelor în sistemele energetice iar stabilitatea termică
scăzută a lichidelor electroizolante constituie principalul lor dezavantaj, temperatura maximă
de lucru este de 90-110oC. Hârtiile electroizolante utilizate în transformatoarele de putere
sunt sortimente tehnice speciale, fabricate din celuloza electrotehnică, cu grad ridicat de
puritate, potrivite pentru rezistența lor mecanică și electrică. Uleiul de transformator este
foarte higroscopic şi absoarbe apa care poate exista în ulei atât sub forma dizolvată cât şi sub
formă de apă liberă. Pentru un conţinut de apă relativ redus, apa continuă să rămână în
soluţie şi nu modifică aspectul uleiului, acest conţinut de apă poate fi detectat prin metode
fizice sau chimice.
Cantitatea de apă, modifică proprietățile materialelor electroizolante din sistemul de izolație
al transformatorului, apă ce se formează în urma reacțiilor ce au loc în transformator și a
cantității de umiditate din mediul înconjurător, care duce la reacții secundare și micșorarea
calității de izolare a sistemului electroizolant. Apariția produșilor de descompunere duce la
îmbătrânirea izolației din transformatorul de putere, motiv pentru care trebuie uleiul mineral
trebuie supus regenerării și revitalizării pentru a reduce pierderile și costurile.
Procesele privind durata de viață a sistemului de izolație depind de factorii intrinseci și
factori extrinseci. În urma reacţiilor de degradare termică sunt foarte numeroşi produșii de
descompunere şi apar şi radicali liberi care au capacitatea de a se combina şi a produce alţi
produşi secundari. La temperaturi ridicate compuşii din uleiul electroizolant și celuloză se
descompun nu numai la nivel de vapori ci şi cu formarea de compuși secundari până la nivel
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
84
de monomeri. În cazul reacţiilor termooxidative în prezenţa oxigenului se formează radicali
liberi de tip peroxizi, hidroperoxizi care se pot stabiliza printr-o reacţie terminală.
Capitolul 3
Pentru transformatoarele cu izolație de ulei, factorul principal care afectează durata de
viață a izolației solide este solicitarea termică, accelerarea sau decelerarea îmbătrânirii în
condiții diferite de încărcare fiind legată de punctele de temperaturi înalte (HST-hot spot
temperatures). În anumite condiții, sistemele de izolație ale aparatelor electrice și
transformatoarelor de putere își pierd calitatea fundamentală de izolare din punct de vedere
electric şi astfel are loc străpungerea izolației. De aceea, unul din criteriile importante în
alegerea unui material electroizolant este rigiditatea dielectrică a materialului respectiv.
În anumite condiții, sistemele de izolație ale aparatelor electrice și transformatoarelor de
putere își pierd calitatea fundamentală de izolare din punct de vedere electric şi astfel are loc
străpungerea izolației. De aceea, unul din criteriile importante în alegerea unui material
electroizolant este rigiditatea dielectrică a materialului respectiv. Studiile efectuate pe
dielectricii lichizi arată că fenomenul de străpungere apare când impuritățile solide sau
gazoase sunt prezente în masa de material electroizolant. Rigiditatea dielectrică a izolanților
lichizi depinde de cantitatea de impurități prezente în masa de material, fiind mai scăzută în
această situație. Rigiditatea dielectrică este influențată în cazul dielectricilor lichizi și de
natura și forma electrozilor precum și distanța dintrei ei.
Uleiurile sunt produse prin tehnologii simple de distilare sau prin extracție cu solvenți, pentru
obținerea uleiurilor minerale, vegetale și mai nou uleiurile sintetice care suferă o serie de
modificări structurale pentru îmbunătățirea proprietăților dielectrice ale acestora și pentru
utilizarea lor în condiții speciale. Prin studierea structurii uleiurilor minerale sau vegetale se
pot face observații privind calitate uleiurilor și ce condiții ar trebui să îndeplinească pentru a
putea fi utilizate ca dielectrici perfecți.
O problemă pe care o ridică azi sistemele de izolație este de recuperare, regenerare și
reciclare a uleiului electroizolant care în timpul sarcinii din transformatorul de putere se
încarcă cu impurități care-i modifică calitățile electroizolante inițiale.
Cunoașterea cantităților de impurități precum și tipul acestora sugerează utilizarea
tehnologiilor de recuperare și regenerare a uleiului electroizolant ce trebuie să fie aplicate cu
eficiență maximă pentru scăderea costurilor de mentenanță a transformatorului de putere.
Indicele de utilizare al uleiului electroizolant din transformatoarele de putere este de 91,32%,
conform calculelor economice efectuate de autoare în lucrarea de față și acesta ar putea
crește ușor dacă prețurile s-ar menține la nivelul scăzut.
Capitolul 4
Autoare a efectuat încercări profilactice ale uleiului electroizolant. Verificarea uleiurilor
electroizolante utilizate în sistemele de izolație se realizează pe baza normativelor aprobate
pentru transformatoarele de putere. Analizele profilactice efectuate sunt: densitatea uleiului,
conținutul de apă determinat prin metode specifice, punctul de inflamabiritate care pe măsură
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
85
ce scade indic riscul de incendiu al sistemului izolant, determinarea indicelui de refracție care
este un indicator al concentrației componentelor din ulei, variația vâscozității ca indicator de
modificare structurale ceea ce determină necesitatea unor alte metode de investigare mai
performante care dau indicații privind structura uleiului izolant dar și a hârtiei asociate în
sistem.
Prin metode spectrofotometrice se pot identifica toate impuritățile ce apar în uleiul
electroizolant în timpul exploatării lui în Trafo. Acestea apar în timpul străpungerilor
succesive, care generează o serie de procese de descompunere redox care au loc în condițiile
existenței factorilor intrinseci și extrinseci ce acționează asupra uleiului. Un alt indicator de
de mare importanță pentru uleiurile electroizolante este rigiditatea dielectrică dar și tangenta
unghiului de pierderi care prin valorile lord au indicații privind gradul de îmbătrânire al
izolației din transformatorul de putere.
Pentru efectuarea analizelor complexe privind structura uleiului electroizolant pentru
identificarea impurităților din sistem sunt utilizate metodele moderne de analiză structurală
sunt cromatografia și spectrofotometria performantă de tip UV-Vis, IR, FUZZY, etc. Prin
metoda spectrofometrică se poate determina structura uleiului electroizolant și eventualii
produși secundari de descompunere ce apar în exploatare o dată cu creșterea temperaturii din
sistem dar și acțiunii factorilor intrinseci și extrinseci ce acționează asupra izolației din
transformatorul de putere. O dată identificate impuritățile și cantitățile lor din izolație se pot
lua măsuri de regenerarea și purificarea uleiului electroizolant din transformatorul de putere,
ceea ce reduce prețul de cost cu întreținerea transformatorului de putere.
Capitolul 5
În completarea studiilor asupra uleiurilor electroizolante se pot aplica studii statistice ale
laturei cantitative a fenomenelor de masă, în vederea caracterizării lor numerice (prin
indicatori) și fenomene materiale existente în natură și societate făcând parte din acele ramuri
ale științei care sunt scindate în două discipline: una privind studiul fenomenelor și
proceselor din natură și alta studiind fenomenele sociale ceea ce corespunde statisticii social -
economice. Din datele experimentale se poate calcula coeficientul de variabilitate CV care
permite compararea împrăștierii diferitelor eșantioane față de media aritmetică furnizând
informaţii dacă şirul de date este sau nu este omogen, el putând lua valori cuprinse între
0<CV<100%.
La monitorizarea datelor statistice se pot aplica metode de distribuție normal, sau Gaussiană,
distribușie Weibull, sau altele. Distribuția Weibull are caracterul cel mai general, fiind
considerată ipoteză la analiza de încadrare a rezultatelor încercărilor de fiabilitate într-o
funcție teoretică. Analiza statistică demonstrează faptul că uleiurile minerale se pot compara
cu cele vegetale, din punct de vedere al proprietăților de izolație. Astfel uleiurile vegetale ar
putea înlocui în sistemele electroizolante din transformatoarele de putere cu succes izolațiile
lichide de tip uleiuri minerale
Indicatorii statistici luați în considerare sunt media aritmetică, mediana, dispersia și alți
indicatori întâlniți în fișa “Summary Statics” al softului de statistică MedCalc, sau Statistica
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
86
utilizate în prelucrarea eșantioanelor de uleiuri utilizate. Deoarece în timpul funcționării
transformatorului de putere au loc o serie de procese fizico chimice, acestea duc la alterearea
îndeplinirii funcției stabilite a sistemului electroizolant. Astfel nu se pot identifica aceste
modificări, motiv pentru care trebuie stabilit cu o anumită certitudine momentul apariției unei
defecțiuni, aplicând metode statistice pentru mărimile urmărite (cum ar fi durata de viață,
momendul apariției defectului, etc.) cum ar fi teoria probabilităților și statisticii matematice.
Autoarea a studiat metode de aplicare a statisticii descriptive pe teste de străpungere la uleiuri
electroizolante. Este investigată influența factorilor extrinseci asupra tensiunilor de
străpungere, şi anume: forma electrozilor, viteza de creștere a tensiunii de încercare, influența
agitării și distanței dintre electrozii aparatului de măsurare a rigidității dielectrice. S-au
obţinut parametrii statistici: media aritmetică, modulul, mediana, abaterea standard,
coeficientul de variabilitate pentru eşantioane de uleiuri minerale şi vegetale şi s-au
interpretat valorile cu considerarea distribuţiei normale şi Weibull. Prelucrările statistice pe
polulaţia de valori ale tensiunilor de străpungere susţin posibilittatea înlocuirii uleiurilor
minerale de către uleiurile vegetale ecologice, nepoluante și regenerabile.
Costurile pentru obținerea uleiurilor minerale sunt mari, iar costuri uleiurilor de import sunt
semnificativ mai mari,având în vedere că uleiurile meinerale nu se mai produc în România,
motivul fiind desființarea în totalitate a rafinăriilor de profil. Acest fapt ridică prețul final al
mentenanței transformatoarelor de putere. Este fundamentată o tehnico-economică de
introducere din nou a fabricării uleiurilor electroizilante în România, cu posibilităti de
extindere şi producere a uleiurilor vegetale electroiziolante în țară.
Creșterea siguranței în fucționare a transformatoarelor de putere este strâns legată de
utilizarea unor materiale electroizolante de calitate superioară, de asigurarea condițiilor
necesare pentru întreținerea și exploatarea rațională a acestora. Politicile de mediu actuale
pun accent pe reducerea poluării la nivel global prin utilizarea materialelor nepoluante dar și
regenerabile care să înlocuiască resursele naturale minerale epuizabile și neregenerabile.
6.2. Contribuții originale și perspective
a). Contribuții personale
Provocările actuale sunt legate de strategiile de punere în aplicare și înlocuire a
materialelor clasice de izolație cu altele noi mai performante, ecologice, nepoluante, prietenoase
cu mediul înconjurător și care nu pun în pericol sănătatea și viața omul pentru au incurajat
direcţionarea cercetăriilor efectuate în acestă teză de doctorat. Prin cunoaşterea matricei d
eproprietăţi a izolației utilizate, în special a uleiului de transformator, se poate optimiza buna
functionare a transformatorului de mare putere.
In teza de doctorat autoarea a adus contribuţii personale care sunt menţionate în
continuare:
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
87
Stabilirea unui set de uleiuri vegetale ca posibili candidaţi pentru sistemele de izolaţie din
transformatoarele de mare putere şi elaborarea unui plan de investigare pentru analize
comparative faţă de uleiurile minerale convenţionale;
Sistematizarea cunoştinţelor legate de mecanismele de degradare/îmbătrânire din uleiurile
minerale electroizolante
Analiza comparativă a diferitelor metode, tehnici şi reglementări privind caracterizarea şi
testarea uleiurilor electroizolante;
Obţinerea de noi date privind procesele de străpungere electrică a uleiurilor electroizolante,
cu punerea în evidenţă a factorilor intrinseci și extrinseci de influenţă asupra tensiunii de
străpungere;
Aplicarea metodele de prelucrare statistică a datelor experimentale pentru populaţia de
valori a tensiunii de străpungere, cu utilizarea softurilor Statistica şi MedCalc.
Optimizarea procedurii de testare la străpungere a uleiurilor electroizolante cu tensiune
alternativă continuă crescătoare.
Dezvoltarea unui program de calcul pentru stabilirea parametrilor statistici pentru tensiunea
de străpungere, paramertru utilizat ca indicator de degradare/îmbătrânire a sistemului d
eizolaţie în transformatoarele de mare putere.
b). Perspective
In perspectivă, se va continua cercetarea pentru compararea caracteristicilor electrice ale
diferitelor tipuri de uleiuri, candidate pentru clase de uleiuri utilizate în sistemele de izolare
electrică.
Se vor analiza noi seturi de date de uleiuri din exploatare pentru corelarea caracteristicilor lor
cu condițiile de funcționare/încărcare a transformatorului de putere.
Se vor avea în vedere studiile legate de uleiurile vegetale, pentru a răspunde provocărilor
actuale, legate de punerea în aplicare a strategiilor de dezvoltare durabilă a societății umane,
pentru creșterea eficienței energetice şi reducerea consumului de materii prime și materiale.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
88
BIBLIOGRAFIE
[1]. Arakelian, V.G. ; Fofana, I., Water in Oil-Filled, High-Voltage Equipment, Part I: States, Solubility,
and Equilibrium in Insulating Materials, IEEE Electrical Insulation Magazine, pp. 15 - 27 , 2007.
[2]. Bălan, Șt.; Mihăilescu, N. Șt., Istoria știin ței și tehnicii în România, date cronologice, Editura
Academiei RSR, București, 1985.
[3]. Bidian D., Electrotehnicã, Editura Lux Libris Brasov, 1994.
[4]. Burnete N., SA Rapita O Provocare pentru fermieri si energeticieni , Editura Sincron , Cluj -
Napoca, ISBN 973-9234-57-7 , 2004
[5]. Bușoi Șt. Al., Monitorizarea şi diagnosticarea maşinilor electrice de medie şi mare putere, Teză de
doctorat, Universitatea Politehnica București, 2013.
[6]. Buzatu Gh., O istorie a petrolului românesc, Casa Editorială Demiurg, Iaşi, 2009.
[7]. Cofaru C., Helerea E.,s.a., Materials and sustainable development, Transilvania University House
Press, Braşov, 2002.
[8]. Dominelli N., Rao A., Kundur P., Life extension and condition assessment, IEEE, Power&Energy
Magazine, May-June, pp.25-35, 2006.
[9]. Dumitran L.M., Sisteme de izolaţie electrică, Editura Printech, Bucureşti 2008.
[10]. Fofana, I., Wasserberg, V., Borsi, H., Gockenbach, E., Challenge of mixed insulating liquids for use in
high-voltage transformers. Investigation of mixed liquids, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol.
18, Issue: 3, pp.18 – 31, 2001.
[11]. Fofana I., Arakelian V., On the states of water and its quantification in oil impregnated power
equipments, IEEE International Conference on Dielectric Liquids, 2008. ICDL 2008, pp. 1-4, 2008.
[12]. Glomm Ese M. H., Liland K. B., and Lundgaard L. E., “Oxidation of Paper Insulation in
Transformers”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 17, no. 3, pp. 939-
946, 2010
[13]. Helerea E., Materiale electrotehnice – Dielectrici, Editura Universităţii Transilvania, Braşov, 1998.
[14]. Helerea E., Munteanu A., Serban M., Kalmutchi F. I., Bruja F., Electroinsulating oils characterisation
and life extention, Proceeding of the BRAMAT International Conference, February, Braşov, pp.265-
271, 2007.
[15]. Helerea E., Ţică R., Dumitrescu L., Materiale electroconductoare - Materiale electroizolante:
Interferenţe cu mediul, Editura Universităţii Transilvania din Braşov, 2002.
[16]. Helerea, E., Munteanu, A., Serban, M., s.a.: Aspects regarding the monitoring and the life extension
of electroinsulating oils used in high voltage systems, Proceeding of the BRAMAT International
Conference, February, Braşov, pp.134-138, 2007.
[17]. Koreh O., Torkos K., Mahara M. B., Borossay J., Study of Water Clusters in Insulating Oils by
Fourier Transform Infrared Spectroscopy, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation
Vol. 5 No. 6, pp. 896-902, December 1998.
[18]. Malik H., Singh S., Mantosh Kr, Jarial R.K., UV/VIS response based fuzzy logic for health
assessment of transformer oil, International Conference on Communication Technology and System
Design, Procedia Engineering, pp. 905 – 912, 2011.
[19]. Martin D., Wang Z.D., Statistical analysis of the ac breakdown voltages of esterbased transformer
oils, IEEE Transactions on Dielectrics Electrical Insulation, Vol. 15, Issue 4, pp.1044 – 1050, 2008.
[20]. Mihai C., Helerea E., Sângerzan L., Characterization of voltage variations through the application of
experimental statistics, The 14-th OPTIM International Conference, pp. 198-203. 2014.
[21]. Mihai C., Îmbunătăţirea calităţii energiei electrice și a eficienţei energetice în sisteme electrice de
distribuţie, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania din Brașov, 2013.
[22]. Munteanu, A., Prognoza duratei de viață a izolațiilor transformatoarelor electrice, Teza de doctorat,
Universitatea Politehnica București, 2001.
[23]. Nedelcuţ S.D., Tănăsescu G., Sacerdoţianu D., Monitorizarea şi diagnosticarea stării izolaţiei la
transformatoarele de putere de 110 kV, Simpozionul Internaţional” Sisteme de izolaţie ale
echipamentelor electrice”, ediţia I, Calimăneşti, 18-20 septembrie, 2007.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
89
[24]. Notingher P. V., Sisteme de izolatie, Editura Printech, Bucuresti, 2002.
[25]. Notingher P.V., F. Ciuprina şi L.M. Dumitran, Materiale pentru electrotehnică. Culegere de probleme,
Editura MatrixRom, Bucureşti, 2005.
[26]. Notingher P.V., Materiale pentru electrotehnică, Editura Politehnica Press, Bucureşti, 2005.
[27]. Noţingher P.V., Dumitran L.M., Stancu C., Maropoulos Stergios, Selected topics in applied
electrotechnics, Edited by: Mircea Covrig and Stergios Ganatsios, Cap. 2, New materials for electrical
equipments, Editura IWN , Atena, pp. 73 – 144, 2012.
[28]. Oommen T.V., Vegetable oils for liquid-filled transformers, IEEE Electrical Insulation Magazine,
Vol.18, No.2, 2002.
[29]. Palmer J.A., Wang X., Mander A., s.a. Effect of aging on the spectral response of transformer oil,
Conference Record of the 2000 IEEE Intemational Symposium on Electrical Insulation, pp. 460 – 464,
2000.
[30]. Șerban M., Helerea E., Sângeorzan L., Statistica modul program for assesment of transformer oil
electrical strength, Transilvania University Scientific Bulletin (în curs de publicare), 2015.
[31]. Șerban M., Helerea E, Munteanu, A., The water impact on the aging of power transformer oil,
Procedings of 11-th International Conference on Applied and Theoretical Electricity-University of
Craiova (ICATE), Craiova, pp.1-6, 2014.
[32]. Şerban M., Sângeorzan L., Helerea E., On the mineral & vegetal oils used as electroinsulation in
transformers, First IFIP WG 5.5/SOCOLNET Doctoral Conference on Computing, Electrical and
Industrial Systems, DoCEIS 2010, Costa de Caparica, Portugal, February 22-24, 2010. Proceedings
DoCEIS’10 Portugalia, pp 435-442, 2010.
[33]. Șerban M., Helerea E., Munteanu A., Ecological vegetal oils and their competition with mineral
electroinsulating oils, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials – Symposia, Vol. 1, No. 6,
pp. 1027 – 1031, 2009.
[34]. Şerban M., Helerea E., Munteanu A., Ecological vegetal oils and their competition with mineral
electroinsulating oils, Proceeding of the BRAMAT International Conference, February, Braşov,
p.6.21, 2009.
[35]. Şerban, M., Sângeorzan, L., Helerea, E., Comparative analysis upon electrical breakdown voltage of
vegetal and mineral transformer oils, Abstracts of the Fifth International PhD&DLA Symposium,
University of Pecs, Oct., pp. 40, 2009.
[36]. Şerban, M., Helerea, E., The use of vegetal ecological insulating oils of transformer hight power
which regenerations resources, International Conference Environmental Pollution and its Impact on
Public Health - B.E.N.A, Braşov, pp. 641-648, 2008.
[37]. Șerban, M., The extension of the activities of producing high voltage transformer oils in specific
industrial in Romanian enterprise, Proceedings of the 31-th Annual Congress of the American
Romanian Academy of Arts and Sciences (ARA)-July, Brasov, pp.214-218, 2007.
[38]. Şerban M., Monitorizarea on-line a parametrilor uleiurilor electroizolante, Proceedings of the 30-th
Annual Congress of the American Romanian Academy of Arts and Sciences (ARA)-July, Chisinau,
Republica Moldova, , pp.635-638, 2005.
[39]. Şerban, M., Munteanu, A., Antal, A.M., Helerea, E., Challenge of oil using in electroinsulating
systems, Proceeding of the BRAMAT International Conference, February, Braşov, pp.132-134, 2005.
[40]. Trâmbiţaş R., Metode statistice, Ed. Presa Universitară Clujeană, 2000.
[41]. Treanor, E.D., Raab E.L., Transformer oil American Institute of Electrical Engineers, Transactions of
the , Vol. 69 , Issue, 1060 – 1070, 1950.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
90
STUDII PRIVIND ÎMBUNĂTĂȚIREA CALITĂȚII
ULEIULUI DE TRANSFORMATOR
Conducător științific Doctorand
Prof. Univ. Dr. Ing. Elena HRLEREA Ing. Mariana ȘERBAN
Prezenta teză de doctorat are ca scop investigarea şi optimizarea caracteristicilor uleiurilor
electroizolante minerale si vegetale destinate sistemelor de izolație din transformatoarele de mare putere.
Sunt efectuate studii şi analize comparative privind influenţa conținutului de apă, a densității, vâscozității,
indicelui de refracție, a punctului de inflamabilitate și a rigidității dielectrice pe sorturi de uleiuri minerale
şi vegetale din porumb, rapiţă şi floaraea soarelui. Pentru uleiuri noi şi din exploatare sunt efectuate
determinări experimentale cu metoda testarii în curent alternativ cu creşterea continuă a tensiunii şi
aplicarea de străpungeri succesive, utilizând aparatul Megger OTS 60 AF/2. Sunt puşi in evidenţă factorii
de influenţă intrinseci si extrinseci asupra tensiunii de străpungere a uleiurlor electroizlante. În evaluarea
tensiunii de străpungere şi a rigidităţii dielectrice la uleiurile minerale, comparativ cu cele vegetale, sunt
utilizate metode statistice aplicate în mediul de programare Statisticaşi MedCalc. Calculul economic
pentru proiectarea unei instalații de obținere a uleiurilor minerale electroizolante susţine posibilitatea
producerii în România a uleiurilor minerale electroizolante care ar permite scăderea costurilor de
mentenanță la transformatoarelede mare putere. Rezultatele cercetării sunt concretizate în stabilirea
matricei de proprietăţi fizico-chimice pentru sorturi de uleiuri electroizolante minerale şi pentru unele
uleiuri vegetale posibil de a fi utilizate ca inlocuitori în sistemulde izolaţie al transformatoarelor de mare
putere.
STUDIES ON IMPROVING THE QUALITY OF TRANSFORMER OILS
Scientific Coordinator PhD Student
Prof. Univ. Dr.Ing. Elena HELEREA Ing. Mariana ȘERBAN
The thesis diels with the investigation and optimization of the characteristics of mineral and
vegetal electroinsulating oils used in the insulation systems of high-power transformers. Studies and
comparative analyzes are performed on the influence of water content, density, viscosity, refractive index,
the flash point and dielectric strength at the sorts of mineral and vegetable oils from corn, rapeseed and
sun flower. For new oil exploitation experimental determinations are made by the method of breakdown
testing with the continue growth of AC voltage and successive breakdowns using Megger OTS 60 AF / 2
device. They put in evidence the internal and external factors which influence the breakdown voltage in
electroinsulating oils. In assessing the breakdown voltage and mineral oil dielectric strength compared to
the vegetal oils, are used statistical methods applied in the Statisticaşi MedCalc Software. Economic
calculation for the design of a plant for producing mineral insulating oils in Romania supports the
possibility of mineral insulating oils which allows lower maintenance costs for high- power transformers.
The research results are materialized in establishing the matrix of the physical and chemical properties for
types of mineral insulating oils and vegetable oils likely to be used as substitutes in the insulatimng
system of high-power power transformers.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
91
Curriculum
vitae
Europass
Nume / Prenume MARIANA FĂTU căs. ȘERBAN
E-mail(uri) [email protected], [email protected]
Naţionalitate română
Data naşterii 13.04.1957
Sex feminin
Locul de
muncă
Combinatul Petrochimic Borzești (1985-1988)
Colegiul Tehnic „Simion Mehedinţi” Codlea (1988- prezent)
Experienţa
profesională
- Inginer-profesor,1988-prezent
- Inginer sef tura1985-1988
- Sef catedra, (1990-1991)
- Lider sindicat, (1998-2006) si (2010-prezent.)
- Responsabil formarea continua, Membru comisia de protectia
muncii2000-2008
- Responsabil substanţe chimice si preparate chimice periculoase (2010-
prezent)
- Doctorand 2004-2015
Educaţie
şi formare
- Universitate Politehnica din București, Facultatea de Tehnologie
Chimică, Secția Petrochimie, 1985
- Curs postuniversitar de perfecţionare în Managementul mediului
industrial şi urban, 2003-2004
- Curs postuniversitar de master in Managementul proiectelor industriale
industriale, Domeniul inginerie - economică) - 2005-2007 (limba
franceză)
- Management educational pentru cadre de conducere si personalul din
invatamant- 2007-2008
Limba străină Franceză, engleză
Competenţe şi
aptitudini
organizatorice
- Diriginte, şef catedră 1990-1991
- Lider de sindicat 1996- prezent, şef comisia formare continuă 2008-2013
- Colaborări cu SC Electrica SA, Colaborări cu Centrul de cercetare
Sisteme electrice avansate - Proiectul din programul naţional,,Tinerii şi turismul într-un mediu curat”
- Colaborator Centrul Zonal pentru educaţia adulţilor - ,,Reduta” Braşov
- Coordonator proiect „RO REC” 2012- 2015
- Coordonator proiect „Patrula de Reciclare” 2012 – 2014
- Coordonator proiecte „Ziua Mondiala a Apelor 22 Martie” 2010-2014
- Participare proiecte „Let’s Do It Romania” 2010- 2013 (acțiuni de
voluntariat)
Competenţe şi
aptitudini tehnice
Utilizare PC si programe Microsoft Office, Internet, NC, proiectare CAD.,
proiectare CATIA, statistica, MedCalc, Access, Statistica, Origin, Chem
Ofice, etc.
Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator
92
Curriculum
vitae
Europass
Name / Surname MARIANA FĂTU - ȘERBAN
E-mail [email protected], [email protected]
Nationality Romanian
Date of birth 13.04.1957
Sex Female
Employment Petrochemical Company Borzeşti (1985-1988)
Technical College "Simion Mehedinţi" Codlea (1988- prezent)
Professional
experience
- Engineer Professor, 1988-present
- Engineer, production manager, 1985-1988
- Chief of school department, 1990-1991)
- Union leader, 1998 to 2006, and 2010-present
- Responsible for continuous training,
- Protection committee member, 2000-2008
- Responsible for chemicals and hazardous chemicals, 2010-present
Education and
Training
- University Politehnica of Bucharest, Faculty of Chemical Technology,
Department of Petrochemistry,1985
- Post-university course in Industrial and urban environmental management,
2003-2004
- Master type postgraduate retraining course in economic engineering in Project
Management of industrial engineering (in French), 2005 2007
- Course in Educational management for managers and staff in the educational
system, 2007-2008
- PhD candidate, 2004-2015
Foreign Language French, English
Organisational
skills and
competences
- Head, Department Head 1990-1991
- union leader- 1996-present, head of the training committee 2008-2013
- Collaboration with SC Electrica SA, Collaboration with Advanced Electrical
Systems Research Centerthe
- National program project ,,Youth and tourism in a clean environment"
- Contributor to the activities of the Regional Centre for Adult Education
attached to the „Reduta” Cultural Center , Braşov
- Cooperation for the promotion of education in Brasov Your Chances Festival
- Proiect Coordinator „RO REC” 2012- 2015
- Proiect Coordinator „Recycling Patrol” 2012 – 2014
- Proiect Coordinator „The National Water Saving Day- 22 March” 2010-2014
- Participation at the project „Let’s Do It Romania” 2010- 2013 (volunteer
activity)
Technical skills and
competences
Use of PC and Microsoft Office, Internet, NC, CAD., CATIA design, statistics,
MedCalc, Access, statistics, Origin, Chem Office, etc.