Zastosowanie czujnika pojemnościowego do pomiaru zawartości wody w cieczach elektroizolacyjnych, Publikacje z Administracja

Pobierz Zastosowanie czujnika pojemnościowego do pomiaru zawartości wody w cieczach elektroizolacyjnych i więcej Publikacje w PDF z Administracja tylko na Docsity! Dr inż. Piotr Przybyłek Dr hab. inż. Krzysztof Siodła, prof. nadzw. Instytut Elektroenergetyki Politechnika Poznańska ul. Piotrowo 3a, 60-965 Poznań, Polska E-mail: [email protected], [email protected] Zastosowanie czujnika pojemnościowego do pomiaru zawartości wody w cieczach elektroizolacyjnych Słowa kluczowe: czujnik pojemnościowy, pomiar zawartości wody, ciecz elektroizolacyjna, transformator Streszczenie: W artykule omówiono problematykę pomiaru zawartości wody w cieczach elektroizolacyjnych przy wykorzystaniu czujników pojemnościowych. Opisano czynniki wpływające na wiarygodność pomiaru zawartości wody. Autorzy pracy omówili zagadnienia związane z granicznym nasyceniem cieczy elektroizolacyjnych wodą. W artykule zaproponowana została metoda umożliwiająca wyznaczenie współczynników, za pomocą których możliwe jest obliczenie granicznego nasycenia cieczy elektroizolacyjnej wodą w funkcji temperatury. Wyznaczenie współczynników umożliwia poprawne obliczenie zawartości wody w ppm wagowo za pomocą zmierzonego sondą pojemnościową względnego nasycenia badanej cieczy wodą. Propozycje zawarte w artykule poprawiają niezawodność metody wyznaczania zawartości wody w cieczach elektroizolacyjnych, a przez to przyczyniają się do bezawaryjnej eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych izolowanych tymi cieczami. 1. Wprowadzenie Obecność wody w układzie izolacyjnym urządzeń elektroenergetycznych stanowi duży problem eksploatacyjny. Problem ten dotycz przede wszystkim urządzeń izolowanych materiałami celulozowymi zaimpregnowanymi cieczą elektroizolacyjną [4, 5]. Przykładami takich urządzeń są transformatory energetyczne oraz przekładniki. Problem ten dotyczy również transformatorowych izolatorów przepustowych. Wraz z upływem lat eksploatacji danego urządzenia rośnie zawilgocenie jego izolacji. Problem ten był wielokrotnie omawiany w różnych publikacjach naukowych [2, 4, 15], głównie w kontekście zawilgocenia izolacji papierowo-olejowej transformatorów energetycznych. Autorzy tych prac zauważają, że woda jest nie tylko produktem rozkładu izolacji celulozowej, ale również do tego rozkładu się przyczynia. W wyniku obecności wody w układzie izolacyjnym oraz oddziaływania wysokiej temperatury dochodzi do procesu depolimeryzacji celulozy, co skutkuje spadkiem jej wytrzymałości mechanicznej [1, 12, 17]. Innymi negatywnymi następstwami obecności wody w układzie izolacyjnym są: spadek wytrzymałości elektrycznej izolacji, obniżenie napięcia zapłonu wyładowań niezupełnych [19] oraz groźba wystąpienia zjawiska bąbelkowania [8, 11], która jest tym większa im bardziej zawilgocona jest izolacja celulozowa. Duże zawilgocenie izolacji wymusza ograniczenia w obciążalności urządzenia. Jednym z pozytywnych aspektów obecności wody w izolacji stałej jest wzrost jej przewodności cieplnej, co w pewnym stopniu poprawia chłodzenie uzwojeń transformatora [7]. Niemniej jednak negatywne skutki obecności wody przeważają i dąży się do tego aby zawilgocenie izolacji urządzeń elektroenergetycznych było jak najmniejsze. Ze względu na długotrwałą eksploatację urządzeń elektroenergetycznych problem zawilgocenia jest poważny i dotyczy nie tylko polskiego systemu elektroenergetycznego, ale również systemów większości krajów. Problem zawilgocenia izolacji jest znany społeczności międzynarodowej już od kilkudziesięciu lat i jest zagadnieniem wciąż aktualnym o czym świadczą najnowsze publikacje o zasięgu światowym dotyczące między innymi metod pomiaru zawilgocenia izolacji transformatora [6, 13, 20], a także zagadnień związanych z formami występowania wody [3, 13, 21] i jej migracji w układzie celuloza − ciecz elektroizolacyjna [2, 15]. Obecnie trwają prace międzynarodowej grupy roboczej CIGRE D1.52 Moisture measurement in insulating fluids and transformer insulation mające na celu między innymi poprawę wiarygodności metod pomiaru zawartości wody w cieczach elektroizolacyjnych. 2. Sonda pojemnościowa do pomiaru zawartości wody w cieczy elektroizolacyjnej Najczęściej wykorzystywaną metodą pomiaru zawartości wody w cieczach elektroizolacyjnych jest miareczkowanie wykorzystujące reakcję Karla Fischera (KFT – Karl Fischer Titration). Jest to metoda znormalizowana [10], którą cechuje duża dokładność pomiaru zawartości wody. Zawartość wody zmierzona za pomocą metody KFT wyrażana jest w ppm wagowo. Do pomiaru zawartości wody wymagane jest pobranie próbki cieczy z badanego urządzenia. W ostatnich latach duży nacisk kładzie się na monitoring wielkości pozwalających ocenić stan urządzeń, szczególnie transformatorów energetycznych o strategicznym znaczeniu. Dostępne na rynku urządzenia (rys. 1) wyposażone w czujniki pojemnościowe pozwalają na prowadzenie monitoringu zawilgocenia cieczy elektroizolacyjnej, co z pewnością jest ich dużą zaletą. Rys. 1. Urządzenia wykorzystywane do monitorowania zawilgocenia oraz temperatury cieczy elektroizolacyjnej – trzy urządzenia z prawej strony rysunku mają również możliwość pomiaru wybranych gazów rozpuszczonych w cieczy Na rysunku 2 przedstawiono przykład monitoringu zawilgocenia oleju mineralnego w autotransformatorze o mocy 160 MVA. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, iż nieprawidłowa eksploatacja sond pojemnościowych może prowadzić do stawiania błędnych diagnoz co do stanu urządzenia. Omawiane sondy, oprócz czujników pojemnościowych, wyposażone są również w czujniki temperatury. Za pomocą czujnika pojemnościowego wyznaczane jest względne nasycenie (RS) badanej cieczy wodą, które można wyrazić za pomocą wzoru ,100 S WCL RS (1) gdzie WCL oznacza zawartość wody w cieczy wyrażoną w ppm wagowo, natomiast S oznacza graniczne nasycenie cieczy wodą, które również wyrażone jest w ppm wagowo. i PTFE do budowy układu mogą być wykorzystane inne materiały, które charakteryzują się małą higroskopijnością i nie wchodzą w reakcję chemiczną z badaną cieczą. Rys. 4. Układ pomiarowy służący do wyznaczania współczynników A i B [14] W pokrywie przygotowane są dwa otwory. Pierwszy z nich umożliwia montaż sondy z czujnikami pojemnościowym i temperatury. Natomiast drugi otwór służy do montażu igły z zaworem. Za pomocą igły pobierana jest próbka cieczy do pomiaru zawartości wody za pomocą metody Karla Fischera. Podczas kondycjonowania badana ciecz jest mieszana za pomocą mieszadła magnetycznego. Czujniki pojemnościowy i temperatury umieszczone są bezpośrednio nad mieszadłem magnetycznym. 3.3. Procedura pomiarowa Kondycjonowanie oleju przeprowadza się dla trzech poziomów temperatury wybranych z zakresu od 20 do 60C, przy czym różnica pomiędzy kolejnymi poziomami temperatury powinna wynosić co najmniej 10C. Natomiast względne nasycenie cieczy wodą, w wyżej wskazanym zakresie temperatury, powinno mieścić się w zakresie od 15% (dla wysokiej wartości temperatury cieczy) do 75% (dla niskiej wartości temperatury cieczy). Z tego względu konieczne jest wstępne zawilgocenie cieczy do poziomu około 70% wilgotności względnej przy temperaturze 20C. Kondycjonowanie naczynia z olejem powinno odbywać się w komorze klimatycznej, której zadaniem jest wymuszenie odpowiedniej temperatury cieczy. Ponadto wskazane jest aby, po ustaleniu się zadanej wartości temperatury oleju, ustawić wartość wilgotności względnej powietrza w komorze na tym samym poziomie, co względne nasycenie badanej cieczy wodą. W ten sposób zapobiegnie się migracji wody w sytuacji wystąpienia nieszczelności w układzie pomiarowym. Po ustaleniu się temperatury należy również, na bardzo krótki czas, otworzyć zawór igły w celu wyrównania ciśnienia powietrza w naczyniu do ciśnienia atmosferycznego. Czas kondycjonowania cieczy, dla każdego poziomu temperatury, powinien być na tyle długi, aby układ osiągnął stan równowagi zawilgocenia i temperatury. Dla każdego poziomu n temperatury, po osiągnięciu stanu równowagi, wartość względnego nasycenia wodą RSn i temperatury Tn badanej cieczy powinna być zapisana. Ponadto, należy pobrać próbkę cieczy i zmierzyć zawartość wody WCLn metodą Karla Fischera. Wykorzystując wyznaczone zestawy danych (RSn, Tn, WCLn) oraz wzór (3) powstały z przekształcenia wzoru (1) oraz (2) możliwe jest wyznaczenie współczynników A i B. nn n T B A RS WCL  )100log( (3) 3.4. Wyniki badań – przykład zastosowania metody Na rysunku 5 przedstawiono zastosowanie powyżej opisanej procedury do wyznaczania współczynników A i B dla nowego oleju mineralnego. Czas kondycjonowania w tym przypadku wynosił 24 h dla każdego poziomu temperatury. Rys. 5. Procedura wyznaczania współczynników A i B; wyniki uzyskane dla nowego oleju mineralnego: T1=20,47C, RS1=70,21%, WCL1=33,6 ppm; T2=35,54C, RS2=38,17%, WCL2=34,2 ppm; T3=50,59C, RS3=22,25%, WCL3=35,4 ppm Na podstawie wyników badań przedstawionych na rysunku 5 oraz wykorzystując wzór (3) wyznaczono współczynniki A=7,288 i B=1646,897 dla nowego oleju mineralnego. Badanie to powtórzono dwukrotnie, a otrzymane wyniki zestawiono w tablicy 1 oraz na rysunku 6. Tablica 1. Porównanie współczynników A i B oraz obliczonego na ich podstawie granicznego nasycenia oleju mineralnego wodą − S Temperatura [C] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pomiar 1 – A=7,288,B=1646,897 S±U(S) [ppm] 18±2 30±3 47±4 72±7 107±10 155±15 221±21 308±30 421±42 566±57 749±76 Pomiar 2 – A=7,246,B=1635,942 S±U(S) [ppm] 18±2 29±3 46±4 71±7 105±10 153±15 216±21 301±30 411±42 551±57 727±76 Pomiar 3 – A=7,342,B=1662,676 S±U(S) [ppm] 18±2 30±3 47±4 72±7 108±10 157±15 224±22 314±31 430±43 580±58 769±78 U(S) - rozszerzona niepewność pomiarowa Na podstawie wyników badań przedstawionych w tablicy 1 oraz na rysunku 6 można stwierdzić dużą powtarzalność wyników uzyskiwanych za pomocą proponowanej metody. Rys. 6. Porównanie wyników granicznego nasycenia nowego oleju mineralnym wodą w funkcji temperatury Dla wyników granicznego nasycenia cieczy wodą S przedstawionych w tablicy 1 wyznaczono niepewność rozszerzoną U(S) dla współczynnika rozszerzenia k=2. Do obliczeń zastosowano wzór .)( )100( )( )100( )()( 22                                 RSu RS RS WCL WCLu WCL RS WCL kSukSU n n n n n n ncn (4) Dla wyznaczenia niepewności pomiaru granicznego nasycenia oleju mineralnego wodą przyjęto niepewność standardową pomiaru zawartości wody metodą KFT równą u(WCL)=1,5 ppm oraz niepewność standardową pomiaru względnego nasycenia oleju wodą równą u(RS)=0,5%. Zakres niepewności dla pomiaru 1 granicznego nasycenia oleju mineralnego wodą przedstawiono na rysunku 7. Rys. 7. Zakres niepewności granicznego nasycenia oleju mineralnego wodą; S=f(T) – wynik granicznego nasycenia oleju wodą uzyskany dla pomiaru 1 (tablica 1), U(S) – rozszerzona niepewność pomiarowa