Analiza mechanizmów procesów degradacji w polimerowych układach izolacyjnych wysokich napięć

mgr inż. Józef Roehrich

Promotor: Prof. dr hab. inż. Barbara Florkowska
Dyscyplina: Elektrotechnika

Diagnostyka urządzeń elektroenergetycznych, odniesiona do oceny stanu ich układów izolacyjnych, jest obszarem badań materiałów dielektrycznych i procesów ich degradacji w warunkach narażeń eksploatacyjnych. Długotrwałą wytrzymałość elektryczną układów izolacyjnych determinują wówczas efekty działania silnych pól elektrycznych, w tym zjawisk wyładowań niezupełnych, występujących zarówno przy częstotliwości sieciowej, jak również w stanach przepięciowych, w polu elektrycznym jednorodnym, i niejednorodnym, w konstrukcjach układów izolacyjnych z dielektrykami stałymi, gazowymi i mieszanymi. Odporność na wyładowania niezupełne jest cechą charakterystyczną różnych grup materiałów dielektrycznych, niezależnie od ich wytrzymałości istotnej i odporności termicznej. Wprowadzanie nowych materiałów i technologii w konstrukcjach układów izolacyjnych urządzeń elektrycznych, w szczególności polimerów syntetycznych, wskazuje kierunki prac badawczych dla oceny ich właściwości i określenia wpływu na niezawodność urządzeń. W pracy doktorskiej przedstawiono wyniki badań oddziaływania impulsowych zjawisk dielektrycznych w dwóch rodzajach polimerów syntetycznych: etyleno-propylenowej izolacji kabli elektroenergetycznych i poliamido-imidowej izolacji maszyn elektrycznych, reprezentujących układy izolacyjne o zasadniczo odmiennych cechach pod względem narażeń eksploatacyjnych i warunków rozwoju wyładowań niezupełnych. Program badań eksperymentalnych odniesiony został do warunków inicjowania wyładowań przy przepięciach szybkozmiennych, powstających w wyniku zasilania maszyn elektrycznych niskiego napięcia z układów falownikowych oraz przy narażeniach sinusoidalnych izolacji kablowej, pochodzących od roboczego i podwyższonego natężenia pola elektrycznego.

Realizowano następujące zadania badawcze: - przeanalizowano problemy narażeń eksploatacyjnych w układach izolacyjnych urządzeń elektrycznych dla rozpoznania stanów przedawaryjnych spowodowanych działaniem silnych pól elektrycznych w materiałach dielektrycznych, - wykonano badania laboratoryjne w cyklach długoterminowych oddziaływania wyładowań niezupełnych na polimerowe układy modelowe reprezentujące elementy uzwojeń maszyn elektrycznych i układy modelowe kabli elektroenergetycznych, - w próbach life time porównano efekty działania narażeń szybkozmiennych i sinusoidalnych w modelach fragmentów uzwojeń, -zastosowano detekcję i rejestracje impulsowych form wyładowań niezupełnych z przetwarzaniem do postaci obrazów fazowo-rozdzielczych, -wykonano symulacje komputerowe wyładowań niezupełnych przy zmiennych parametrach przebiegów impulsowych, w szczególności napięć zapłonu i napięć gaśnięcia, stanowiących o strukturze zbiorów impulsów i ich rozkładach amplitudowych i fazowych. Badania wykazały możliwość rozpoznania wpływu czynników zewnętrznych, w tym rodzajów narażeń eksploatacyjnych, oraz wpływu czynników wewnętrznych, w tym lokalizacji źródeł wyładowań w układzie izolacyjnym na mechanizm ich inicjowania, a zatem warunki rozwoju procesów degradacji. Wykonane serie rejestracji obrazów fazowo-rozdzielczych w próbach długoterminowych, umożliwiły wyodrębnianie form wyładowań i ich korelacji z rozkładem pola elektrycznego. Występowanie i tworzenie się struktur warstwowych w układach izolacyjnych powoduje zjawiska na powierzchniach granicznych, których wpływ na mechanizm inicjowania wyładowań został stwierdzony w badaniach eksperymentalnych. Jest to problem interakcji na powierzchniach granicznych dielektryk/gaz/dielektryk oraz przewodnik/gaz/dielektryk. W badaniach starzeniowych modelowych układów izolacyjnych uzwojeń maszyn elektrycznych niskiego napięcia przy narażeniach sinusoidalnych i szybkozmiennych stwierdzono w drugim przypadku znaczne skrócenie czasu do przebicia. Zanikanie formy impulsowej wyładowań w etapie poprzedzającym przebicie elektryczne wskazuje na przyspieszenie rozwoju procesów erozyjnych. Stwierdzenia powyższe, wynikające z badań eksperymentalnych, w tym z prób długoterminowych, wskazują na potrzebę doboru materiałów do układów izolacyjnych narażonych na przepięcia szybkozmienne z uwzględnieniem ich odporności na działanie wyładowań niezupełnych. Procesy degradacji materiałów w polimerowych układach izolacyjnych są efektem oddziaływań o charakterze energetycznym, związanych z obecnością składowych wysokoczęstotliwościowych prądu i rozwojem wyładowań niezupełnych, prowadzących do zniszczenia układu izolacyjnego. Problem ten dotyczy zarówno stosowanych jak i nowych technologii i materiałów dielektrycznych wprowadzanych w konstrukcjach urządzeń elektrycznych.

Rezultaty uzyskane w badaniach eksperymentalnych i przeprowadzonych analizach potwierdzają tezę rozprawy iż: Badania impulsowych zjawisk dielektrycznych w polimerowych układach izolacyjnych, odniesione do warunków ich inicjowania przy narażeniach szybkozmiennych, w zdefiniowanych defektach struktury układu izolacyjnego, wnoszą nowe elementy poznawcze do opisu mechanizmów wyładowań niezupełnych i inicjowanych przez nie procesów degradacji materiałów polimerowych.

Florkowska B., Florkowski M., Furgał J., Roehrich J., Zydroń P.: Impact of fast transient phenomena on electrical insulation systems, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo – Dydaktyczne, Kraków 2012, ISBN 978-83-7464-480-8

Florkowska B., Florkowski M., Roehrich J., Zydroń P.: Partial discharge mechanism in a non-uniform electric field at higher pressure, IET Science, Measurement & Technology, Vol. 5, No.2, 2011, s. 59 – 66

Florkowska B., Florkowski M., Roehrich J., Zydroń P.: The influence of PWM stresses on degradation processes in electrical insulation systems, 2010 Annual Report IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, West Lafayette, USA, s. 1 – 4

Florkowska B., Florkowski M., Furgał J., Pająk P., Roehrich J., Zydroń P.: Influence of fast switching phenomena on electrical insulation systems, Przegląd Elektrotechniczny, 2010, R. 86, Nr 4, s. 158 – 161

Włodek R., Roehrich J., Zydroń P.: Analysis of overvoltage on motor winding insulation fed by PWM pulses, 2010 International Conference on High Voltage Engineering and Application, New Orleans, USA, s. 584 – 587

Florkowska B., Roehrich J. Zydroń P., Florkowski M.: Partial discharge characteristics of enameled wire of electric machine winding under exploitation stresses, 2010 10th IEEE International Conference on Solid Dielectrics, Potsdam, Germany, s. 1 – 4

Florkowska B., Florkowski M., Furgał J., Roehrich J. Zydroń P.: Impact of high frequency switching phenomena on low voltage motor insulation, CWIEME 2009 : Coil Winding, Insulations & Electrical Manufacturing, International Conference and Exhibition, Berlin, Germany, 2009, s. 6 – 13

Zydroń P., Roehrich J.: Skalowanie toru pomiarowego w badaniach układów izolacyjnych wysokiego napięcia metodami detekcji wyładowań niezupełnych, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, 2008, Nr 25, s. 163 – 166

Zydroń P. Roehrich J.: Wytwarzanie i numeryczne modelowanie udarów napięciowych piorunowych, Elektrotechnika i Elektronika : Półrocznik Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie, 2007, Tom. 26 Zeszyt. 1–2 s. 79–85

Pędzisz K., Roehrich J.: Kable średnich napięć o izolacji etylenowo-propylenowej (EPR), Przegląd Elektrotechniczny, 2007, R. 5 Nr 3 s. 184 – 187.