RAPORT FINAL Perioada de implementare: CU TITLUL: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite p

Transcriere

1 RAPORT FINAL Perioada de implementare: CU TITLUL: Analiza și testarea distribuției câmpului electric la izolatoare din materiale compozite pentru creșterea siguranței în funcționare Contract de finanțare nr. 81 BG 2016 Cod proiect: PN-III-P2-2.1-BG

2 Proiectul se adresează rezolvării unor probleme importante apărute în tehnologia de realizare a liniilor electrice și anume studierea condițiilor de apariție a defectelor la izolatoarele compozite utilizate pe liniile de înaltă tensiune. Existența acestor izolatoare pe scară largă în structura instalațiilor agentului economic C.N.T.E.E. Transelectrica S.A. și problemele ce apar prin defecte de natură electrică și mecanică impun agentului economic modernizarea metodologiei de testare a acestui tip de izolatoare. In acest sens, se face apel la cunoștințele unui colectiv de cercetare din cadrul Universității Politehnica din București, care realizează analiza funcționării izolatoarelor compozite pe baza determinării distribuției liniilor de câmp electric. Pe baza unui pachet software specializat sunt supuse modelării numerice de câmp electric izolatoare compozite indicate de agentul economic, se realizează o bază de date cu structuri de distribuții de linii de câmp electric la izolatoarele funcționale și la cele defecte, iar amprenta liniilor de câmp este folosită pentru analiza și verificarea ulterioară automată a stării funcționale a izolatoarelor compozite. Obiectivele prevăzute/ realizate ale proiectului: 1. Realizarea unei metode de diagnosticare a stării izolatorului compozit și de estimare a duratei sale de viață pe baza distribuției câmpului electric longitudinal din jurul izolatorului. 2. Analiza distribuției câmpului electric la izolatoare fără și cu defect, punerea în evidență a deformărilor liniilor de câmp la diferite tipuri de defecte. 3. Realizarea unei baze de date privitoare la izolatoarele fără și cu defecte. 4. Experimentări pe izolatoare cu și fără defecte pentru validarea soluției tehnice. 5. Cooperarea universității cu mediul economic, transferul de cunoaștere către piață și pregătirea practică a studenților/masteranzilor/doctoranzilor. Gradul de atingere a rezultatelor estimate Izolatoarele realizate din materiale compozite (polimerice) s-au dezvoltat și instalat în rețelele electrice începând cu anii 1970, fiind folosite în număr mare în instalațiile electrice de toate nivelurile de tensiune. Partenerul Transelectrica S.A. include izolatoarele compozite în cadrul liniilor de înaltă tensiune, observând, de-a lungul timpului apariția unor defecte. Prin acest proiect s-a dezvoltat o metodă de analiză numerică a distribuției câmpului electric longitudinal la acest tip de izolatoare compozite și s-a început constituirea unei baze de date care să permită aprecierea rapidă a stării izolatorului compozit și a tipului de defect survenit în funcționare, asigurând astfel creșterea performanței și a competitivității agentului economic prin utilizarea expertizei existente în universitate. Analiza câmpului electric la profilele de izolatoare compozite s-a efectuat în regim electrostatic prin determinarea soluției ecuației Poisson în potențial electrostatic, ecuație diferențială de ordinul 2. Formularea corectă a problemei de câmp se bazează pe cunoașterea geometriei izolatorului, a frontierei domeniului, a surselor de câmp, a proprietăților de material precum și impunerea unor condiții de frontieră pentru câmp: medii liniare, izotrope, omogene; corpuri imobile, v=0; mărimi constante în timp; nu există mărimi permanente, Mp=0, Pp=0; nu există mărimi imprimate, Ei=0, Ji=0; nu există transfer de putere, p=0 (J=0).

3 Regimul electrostatic în medii imobile, liniare, omogene este caracterizat de următorul sistem de ecuații diferențiale de ordinul I, care reprezintă formele locale ale câmpului electromagnetic (ecuațiile lui Maxwell): div D=ρv (1) rot E=0 (2) D=εE (3) Se obține ecuația diferențială de ordinul 2 a câmpului electromagnetic - ecuația Poisson scalară: ΔV= - ρv/ε (4) Pentru ρv=0, ecuația Laplace are forma: ΔV=0. (5) Metoda numerică adoptată pentru rezolvarea problemei de câmp este metoda elementelor finite. Pachetul software de analiză a câmpului electromagnetic bazat pe metoda elementelor finite este format din trei module principale: Preprocesarea: datele de intrare precum geometria domeniului problemei (inclusiv frontiera sa), proprietățile de material, sursele de câmp și condițiile de frontieră, regimul de lucru. În urma discretizării domeniului și a ecuațiilor diferențiale, se generează sistemul de ecuații având ca necunoscute potențialele în nodurile rețelei de discretizare; Procesarea: se rezolvă pe cale numerică sistemul de ecuații generat în modulul anterior; Postprocesarea: se determină mărimile de câmp locale și globale, se vizualizează liniile echipotențiale, distribuția câmpului, se trasează grafice sugestive. Datorită configurației geometrice la izolatoarele compozite, modelarea numerică a câmpului electric folosind metoda elementelor finite s-a realizat pentru domenii bidimensionale axisimetrice (roz). (a) Realizare rețea de discretizare rilă izolator

4 (b) Detaliu Pentru analiză prin modelare numerică a fost ales izolatorul CI-400-II-120-TT produs de IPROEB S.A. Bistrița, cu specificații din Zona II var. A, corespunzătoare pentru izolatoarele de pe LEA 400 kv Porțile de Fier-Slatina. Figura 1. Izolator compozit CI 400 kv, 120 kn, conform catalog IPROEB Tabel caracteristici dimensionale CI 400 kv, 120 kn, conform catalog IPROEB Deoarece datele din catalog s-au dovedit insuficiente pentru o modelare corectă a izolatorului compozit s-a luat legătura cu fabricantul IPROEB Bistrița, care s-a dovedit extrem de interesat de

5 studiul din proiectul de față și a pus la dispoziția echipei de cercetare elementele tehnice necesare și mostre din materialul folosit. Deoarece s-a considerat că datele tehnice necesare modelării trebuie cunoscute mai aprofundat, în special comportarea materialului izolatorului la variația temperaturii, s-a realizat în cadrul Laboratorului de Materiale Electrotehnice din Facultatea de Inginerie electrică din UPB analiza prin spectroscopie dielectrică a influenței temperaturii asupra proprietăților electrice ale izolatoarelor din LSR. Probele au fost extrase din materialul pus la dispoziție de fabricantul IPROEB Bistrița. Eșantioane prelevate din rila izolatorului compozit Instalație experimentală (a) (b) (a) Spectrometrul dielectric NOVOCONTROL: 1-calculator; 2-sistem MICTROTRONIC de control al temperaturii; 3-unitatea centrală Alpha-A; 4-celula de măsură ZGS; 5-celula de temperatură NOVOTHERM; (b) Eșantion LSR în celula activă ZGS a spectrometrului. r ' Frecventa [Hz] (a) 30 o C 40 o C 50 o C 60 o C 70 o C 80 o C (b) Variația cu frecvența a părții reale a permitivității ε r' (a) și a tangentei unghiului de pierderi tg δ (b), la temperaturi între 30 C și 80 C. tg o C o C 50 o C 60 o C o C 80 o C Frecventa [Hz]

6 Rezultatele privitoare la materialul compozit și configurația geometrică a izolatorului au permis aplicarea metodei numerice dezvoltate de echipa de cercetare pentru tipul de izolator indicat. Tensiunea aplicată izolatorului este de 230 kv, conform funcționării la parametrii nominali. Distribuția potențialului în lungul izolatorului compozit indică zonele de valori mari (culoare roșie) ce există în zona părții conectate la linia de înaltă tensiune. Distribuția potențialului electric în lungul izolatorului compozit având inele de protecție. Pentru a pune în evidență zonele cu potențial electric ridicat s-a realizat o modelare doar pentru primele rile ale izolatorului conectat la ÎT. Se poate observa că există potențiale ridicate la nivelul primelor rile și la inelul de protecție din zona respectivă. Potențial electric în zona inelelor de protecție Distribuția potențialului electric Se poate observa că zona legată la potențialul liniei de ÎT prezintă cele mai mari valori ale intensității câmpului electric, în special în zona inelului de protecție.

7 Distribuția intensității câmpului electric longitudinal S-a studiat și influența apariției unor defecte ale izolatorului compozit. Un prim defect constă în modificarea geometrică a rilelor ce conduce la neliniaritatea accentuată a repartiției longitudinale a intensității câmpului electric. Distribuția intensității câmpului electric în situației lipsei unei rile Pe lângă modificarea geometrică a rilelor s-a studiat influența compoziției materialului de tip cauciuc siliconic asupra distribuției de câmp electric, în special în zona primelor rile supuse la potențial electric ridicat. Defectul constă în modificarea permitivității relative a materialului (2,8 și 30) în zona unor rile ale izolatorului. Rezultatul obținut indică o influențare puternică a comportării izolatorului de către a calitatea materialului izolant folosit la izolatorul compozit. Influența permitivității relative a rilei asupra distribuției câmpului electric longitudinal.

8 S-au realizat determinări experimentale pe materialul compozit. Testele pentru determinarea rigidității dielectrice s-au realizat in Laboratorul de Materiale Electrotehnice (ELMAT), Facultatea de Inginerie Electrica. Eșantion Fereastra principală a aplicației software Pentru determinarea nivelului de ținere a izolației încercarea izolatorului compozit s-a realizat cu instalația de înaltă tensiune din dotarea laboratorului de specialitate al Departamentului Măsurări, aparate electrice și convertoare statice din Facultatea de Inginerie Electrică. S-a urmărit a se determina limita nivelului de ținere a izolației echipamentului. Unda de impuls normalizată produsă în laborator este 1,2/50µs iar instalația permite realizarea tensiunilor de încercare până la 400 kv. Încercări nivel izolație Baza de date realizată conține elementele tehnice ale izolatoarelor compozite folosite în rețelele de IT ale C.N.T.E.E. TRANSELECTRICA S.A. obținute din datele de catalog și din cele indicate de Companie. Precum și normele tehnice de referință pentru aceste izolatoare. Rezultatele studiului privitoare la modelarea izolatoarelor compozite fără și cu defect sunt incluse în baza de date în cadrul rapoartelor anuale. Această bază de date se va dezvolta prin cuprinderea mai multor tipuri de izolatoare, pe măsură ce TRANSELECTRICA S.A. va introduce alte izolatoare și tipul de defect constatat. Existența unor doctoranzi care continuă cercetarea în cadrul tezelor de doctorat este o garanție a dezvoltării și perfecționării metodelor de studiu și a cuprinderii rezultatelor în baza de date.

9 Modul de atribuire și exploatare de către parteneri a drepturilor de proprietate (intelectuală, de producție, difuzare etc.) asupra rezultatelor proiectului: Partenerii au respectat modul de atribuire și exploatare a drepturilor de proprietate indicat în Acordul ferm de colaborare și în Contractul de finanțare. Rezultatele tehnice implementate în soluția bazei de date la beneficiar aparțin acestuia. Echipei de cercetare îi aparține metoda de analiză. Impactul rezultatelor obținute Cercetările au condus la realizarea unei metode numerice de modelare a câmpului electric la izolatoarele de ÎT de tip compozit. Se pot obține rezultate concordante cu realitatea pentru izolatoare compozite, inclusiv cu diferite tipuri de defecte: geometrice și de material. Metoda abordată este originală, fiind implementată în premieră pentru izolatoare compozite folosite în liniile de înaltă tensiune 400kV. S-a realizat o bază de date la Partener cu rezultatele obținute și s-au publicat elemente obținute prin modelare numerică a câmpului electric și experimentare obținute în cadrul proiectului. Ca un rezultat de impact considerăm și legătura stabilită între colectivul de cercetare, ce include tineri cercetători doctoranzi, cu necesități importante ale unui agent economic de importanță națională și posibilitatea implementării directe a rezultatelor cercetărilor.