Πειραματική μελέτη της επίδρασης των διεπιφανειών στη συμπεριφορά στερεών μονώσεων του εξοπλισμού δικτύων υψηλής τάσης

Abstract

It is known that the interfaces have an efficient effect in solid insulations behavior, especially in solid composed insulations inside of which are created macroscopic interfaces between the different dielectric layers and microscopic interfaces between the main insulating materials and additives that are used to optimize the electric and mechanical behavior of the insulations. Many researchers have investigated the effects of various interface parameters on the electric ageing of solid insulations. Such parameters are the applying pressure between the dielectric layers, the roughness of their adjoining surfaces, the electric field strength at the region of the interfaces and the creation of space charge in the vicinity of the interfaces. Other researchers have investigated the effect of dielectric barriers on the electric breakdown strength of solid insulations. In this research, the effect of the following interface parameters on electric characteristics of solid insulations is experimentally investigated, in homogeneous and nonhomogeneous electric field: a) the effect of the parameter ξ=x/y, the ratio of the distance x of the interface from the high voltage electrode to the distance y between the two electrodes, which defines the interface position inside an insulating gap, b) the effect of the parameter ψ=ε1/ε2, which is the ratio of the dielectric permittivity values of the insulating materials, which form the interfaces and c) the effect of the number n of the interfaces that are formed inside an insulating gap. It is also studied the effect of the electric field strength on electric characteristics of solid insulations having internal interfaces, in relation to the above mentioned parameters of the interfaces. The research was completed in three stages. At first, several categories of specimens were designed and constructed with different type of interfaces in various electrodes arrangement, the experiments were set up for measuring the breakdown voltage and electric characteristics of specimens in a range of values of the electric field strength. Then the test cells were designed and constructed and the suitable equipments were installed in the laboratory, the experimental procedure was set up and the experiments were executed on several specimen groups. Finally, the measurements were processed, the diagrams of the variation of the measuring electric characteristics of the specimens in relation to the above interfaces parameters were derived, the experimental results were studied and analyzed, and the conclusions were taken out. Elements concerning the polymer insulating materials structure, the ageing and the breakdown mechanisms of the solid composed insulations, as well as studies of other researchers, were considered for the designing of the specimens and the test cells, and for the determination of the experimental procedures. Inside the specimens was formed one of the following type of interfaces, which are commonly created in solid insulations of high voltage equipment: a) interfaces between two embodied solid dielectrics and b) interfaces between insulating films. The specimens with the first type of interfaces were constructed with a special procedure from low-density polyethylene (LDPE) as main insulating material and inside them was formed a thin barrier constructed from LDPE with the ferroelectric additive lead zirconate titanate (PZT). Specimens were also constructed from LDPE with a barrier from CP (chlorinated paraffin). Various groups of specimens were created with different values of the ξ and ψ parameters of the first interface of the barrier, which was nearest to the HV electrode. All specimens had the same thickness (950 μm) and the thickness of the barrier was 100, 200 or 20 μm. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the surfaces of all specimens. The total number of these specimens was 520. Specimens were also constructed from the transparent material polymethyl methacrylate (PMMA) with a barrier constructed from epoxy resin (ER) with additive PZT. The electrodes in these specimens were in a pin-plane arrangement and the distance between them was y=7,5 mm. The thickness of the barrier was 50 μm. Several groups of specimens were created according to the value of the parameter ξ of the first interface. The total number of PMMA specimens was 100. The specimens with the second type of interfaces were constructed from PET (polyethylene terepthalate) films. Various groups of specimens were created according to the thickness of the films and the total specimen thickness, the number of the films and their interfaces positions inside of the specimens. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the specimen’s surfaces. The total number of these specimens was 760. A third kind of specimens without interfaces was also constructed from LDPE with additive PZT, in order to study the effect of the additive material on electric characteristics of solid polymeric insulations. Various groups of specimens were created according to the concentration of the PZT inside them. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the surfaces of the specimens. The total number of these specimens was 50. The following experiments were executed on the various specimen groups from main insulating material LDPE and PET films: breakdown experiments with ramp increasing AC voltage, experiments for measuring of the tanδ, capacitance and PD in a range of values of AC voltage from 5% up to 85% of the breakdown voltage of the specimens. Experiments were also executed for measuring the treeing inception time in PMMA specimens during electric stressing with a constant value of AC voltage, while simultaneously PD measurements were recorded from these specimens. Electrical trees were detected inside the specimens with a special microscope. Experiments for measuring the breakdown time and for recording PD measurements of PET specimens were also executed during electric stressing of the specimens with a constant value of AC voltage. Last technology equipments of the of the High Voltage laboratory of the Testing Research and Standards Center (TSRC) of PPC SA and of the High Voltage Laboratory of the Electrical Engineering and Computers Technology Department of the University of Patras were used for the execution of the experiments. In a common researching effort of the High Voltage laboratories of the University of Patras and of the University of Tomsk in Russia, corresponding experiments had been performed at the Tomsk University on other specimens constructed from different main insulating material, SR (synthetic rubber) and PVC (polyvinyl chloride) with additive PZT, with emphasis on the polarization effect of the additive material on electric characteristics of solid composed insulations. The mean values and the typical deviations of the measurements of the electric breakdown strength, tanδ, dielectric permittivity and PD apparent charges of the specimens were calculated in each specimens group, in every step of the measuring voltage. The PD maximum charge values and the PD phase distribution, as well as the number of PD in PET specimens were also analyzed. The treeing inception time and the breakdown time with probability P=0,632 were calculated from the corresponding experimental results in each specimens group. The diagrams concerning the variations of the electric breakdown strength, the breakdown time and the treeing inception time of the specimens, in relation to the values of the ξ and ψ parameters were derived of the above processed measuring values. The diagrams of variations of tanδ and PD values of specimens, in relation to the electric field strength, were plotted for several values of ξ and ψ parameters. After processing the experimental results, the effect of the interfaces on solid insulations behavior was studied by investigating the effect of the position of the first interface on the configuration of the electric field inside an insulating gap with a pin-plane electrodes arrangement, and by studying the polarization effect of the PZT on electric characteristics of solid composed insulations. The treeing growth mechanism in solid composed insulations with barrier interfaces was also analyzed, and the effect of the thickness of a composed insulation layer on its electric breakdown strength was discussed. The main conclusions of this research are the following: The tanδ and PD values in solid insulations, measured in a constant AC electric field strength, are affected from the ξ, ψ and n parameters of the interfaces and are rapidly increased when the electric field strength exceeds a critical value, which in the case of solid composed insulations is commonly at a level of 25% of their electric breakdown strength. The detection of this critical value by taking tanδ and PD measurements in step-by-step procedure with increasing voltage assists to compare the electric breakdown strength of solid insulations without being necessary to execute always disruptive tests. The position of the first interface affects the electric characteristics of solid insulation gaps more than the other interfaces since this interface is the boundary of the first layer in the gap, which is in conduct with the HV electrode, and the ageing and breakdown mechanisms in the gap are started in this layer. The thickness of the first layer influences also the growth of these mechanisms. The position of the first interface of a barrier affects the electric field strength at the tip of the pin electrode and the treeing inception time of solid insulation gaps with pin-plane electrodes arrangement. There is an optimum position ξopt of the first interface at which the corresponding gaps get the maximum value Ebmax of their electric breakdown strength comparing to the electric breakdown strength of others insulation gaps with the same thickness and constructed from the same main insulating materials but having the first interface at different position. The position ξopt is depended from the main insulating material and the value Ebmax is depending from the value ψ. These are giving in reasons that treeing is starting in the first layer from the main insulating material and the lengthening of the branches of the trees is affected from the value ψ. There is also an optimum value ψopt for the first interface forming at the ξopt position, at which the corresponding gap get the maximum value Ebmax comparing to the electric breakdown strength of others gaps with different value ψ at ξopt position, and this value of Ebmax may exceed 60% the electric breakdown strength of the gap without interface.

Είναι γνωστό ότι οι διεπιφάνειες παίζουν σηµαντικό ρόλο στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων, ιδιαίτερα των στερεών συνθετικών µονώσεων µέσα στις οποίες δηµιουργούνται µακροσκοπικές διεπιφάνειες µεταξύ των µονωτικών στρωµάτων και µικροσκοπικές διεπιφάνειες µεταξύ των κυρίων µονωτικών υλικών και του πλήσµατος, που προστίθεται στις µονώσεις για τη βελτίωση της ηλεκτρικής και της µηχανικής τους αντοχής. Αρκετοί ερευνητές έχουν ασχοληθεί πειραµατικά µε τις επιδράσεις διαφόρων παραµέτρων των διεπιφανειών στην ηλεκτρική γήρανση των µονώσεων. Τέτοιες παράµετροι είναι η ασκούµενη πίεση µεταξύ των στρώσεων των µονωτικών υλικών, η τραχύτητα των εφαπτόµενων επιφανειών, η τιµή της πεδιακής έντασης στις διεπιφάνειες και η δηµιουργία φορτίων χώρου στις διεπιφάνειες. Άλλοι ερευνητές έχουν ασχοληθεί µε την επίδραση των διαφραγµάτων στην ηλεκτρική αντοχή των µονώσεων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή ερευνάται πειραµατικά η επίδραση των παρακάτω παραµέτρων των διεπιφανειών στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των στερεών µονώσεων, σε οµογενές και ανοµοιογενές ηλεκτρικό πεδίο: α) της παραµέτρου ξ, που καθορίζει τη θέση µιας διεπιφάνειας µέσα στο µονωτικό διάκενο και ορίζεται ως ξ=x/y, ο λόγος της απόστασης x της διεπιφάνειας από το ηλεκτρόδιο ΥΤ προς την απόσταση y µεταξύ των ηλεκτροδίων, β) της παραµέτρου ψ=ε1/ε2, που ορίζεται ως ο λόγος των τιµών της διηλεκτρικής διαπερατότητας των υλικών που σχηµατίζουν την διεπιφάνεια και γ) του αριθµού n των διεπιφανειών µέσα στο µονωτικό διάκενο. ∆ιερευνάται επίσης, η µεταβολή ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των µονώσεων µε διεπιφάνειες, σε σχέση µε την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου καταπόνησης και σε συνδυασµό µε τις παραπάνω παραµέτρους. Η έρευνα υλοποιήθηκε σε τρία στάδια. Πρώτα σχεδιάσθηκαν και κατασκευάσθηκαν διάφορες κατηγορίες δοκιµίων ανάλογα µε τον τύπο των διεπιφανειών τους και τη διάταξη των ηλεκτροδίων, καθορίσθηκαν τα πειράµατα για τη µέτρηση της ηλεκτρικής αντοχής των δοκιµίων και τη µέτρηση ηλεκτρικών χαρακτηριστικών τους σε διάφορες πεδιακές εντάσεις. Ύστερα, σχεδιάσθηκαν και κατασκευάσθηκαν ειδικές πειραµατικές κυψέλες, καθορίσθηκε η διαδικασία εκτέλεσης των πειραµάτων και εκτελέσθηκαν τα πειράµατα. Τέλος, έγινε η επεξεργασία των µετρήσεων, η µελέτη και η ανάλυση των πειραµατικών αποτελεσµάτων και εξήχθησαν τα συµπεράσµατα. i Για τον σχεδιασµό των δοκιµίων και των πειραµατικών κυψελών και για τον καθορισµό των πειραµάτων ελήφθησαν υπόψη στοιχεία που αφορούν στη δοµή των στερεών πολυµερών µονωτικών υλικών και στους µηχανισµούς διάσπασης και γήρανσης των στερεών συνθετικών µονώσεων, καθώς και επιστηµονικές εργασίες άλλων ερευνητών που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Στα δοκίµια δηµιουργήθηκε ένας από τους δυο τύπους διεπιφανειών, που εµφανίζονται συχνά στις στερεές µονώσεις του εξοπλισµού υψηλής τάσης: α) διεπιφάνειες µεταξύ ενσωµατωµένων στερεών µονωτικών υλικών και β) διεπιφάνειες µεταξύ µονωτικών φύλλων. Στην κατηγορία των δοκιµίων µε τον πρώτο τύπο διεπιφανειών κατασκευάσθηκαν δοκίµια από κύριο µονωτικό υλικό LDPE (low density polyethylene, πολυαιθυλένιο χαµηλής πυκνότητας), µε ένα διάφραγµα στο εσωτερικό τους κατασκευασµένο από LDPE µε φεροηλεκτρικό πλήσµα PZT (lead zirconate titanate, πρόσθετο µολύβδου-ζιρκονίου-τιτανίου), καθώς και δοκίµια από LDPE µε διάφραγµα από CP (chlorinated paraffin, χλωρική παραφίνη). ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε διάφορες τιµές των παραµέτρων ξ και ψ της πρώτης τους διεπιφάνειας. Όλα τα δοκίµια είχαν ίδιο πάχος (950µm) και τα πάχη των διαφραγµάτων τους ήταν 100, 200 ή 20 µm, κατά περίπτωση. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 520 δοκίµια, στα οποία είχαν ενσωµατωθεί ηλεκτρόδια χαλκού µε εξάχνωση, σε διάταξη πλάκας-πλάκας. Επίσης, κατασκευάσθηκαν δοκίµια από διαφανές µονωτικό υλικό ΡΜΜΑ (polymethyl methacrylate, πολυµεθακρυλικό µεθυλεστέρα) µε διάφραγµα από ER (epoxy resin, εποξειδική ρητίνη) και πλήσµα ΡΖΤ. Η διάταξη των ηλεκτροδίων στα δοκίµια ΡΜΜΑ ήταν ακίδα-πλάκα, η απόσταση των ηλεκτροδίων ήταν 7,5 mm και το πάχος του διαφράγµατος ήταν 50 µm. ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε διαφορετικές τιµές της παραµέτρου ξ της πρώτης τους διεπιφάνειας. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 100 δοκίµια ΡΜΜΑ. Στην κατηγορία των δοκιµίων µε το δεύτερο τύπο διεπιφανειών κατασκευάσθηκαν δοκίµια από στρώσεις µονωτικών φύλλων, από κύριο υλικό ΡΕΤ (polyethylene terepthalate, τερεφθαλικός πολυεστέρας του πολυαιθυλενίου). ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε παραµέτρους τα πάχη των επιµέρους φύλλων και το συνολικό πάχος των δοκιµίων, τη θέση και τον αριθµό των διεπιφανειών µέσα στα δοκίµια. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 760 δοκίµια, στις εξωτερικές επιφάνειες των οποίων είχαν ενσωµατωθεί ηλεκτρόδια χαλκού µε εξάχνωση, δε διάταξη πλάκας-πλάκας. Επίσης, κατασκευάσθηκε µια τρίτη κατηγορία δοκιµίων χωρίς διάφραγµα, από LDPE µε πλήσµα ΡΖΤ, για να διερευνηθεί η επίδραση του πλήσµατος στα ηλεκτρικά ii χαρακτηριστικά των δοκιµίων, σε σχέση µε την πεδιακή ένταση καταπόνησης. Κατασκευάσθηκαν 50 δοκίµια πάχους 200 µm, µε ενσωµατωµένα ηλεκτρόδια χαλκού σε διάταξη πλάκας-πλάκας, µε διάφορες τιµές περιεκτικότητας ΡΖΤ. Στα δοκίµια εκτελέσθηκαν πειράµατα διάσπασης µε γραµµικά αυξανόµενη τάση AC και πειράµατα µέτρησης χωρητικότητας, εφδ και ΜΕ µε τάση AC σε διάφορες τιµές από 5% έως 85% της τάσης διάσπασης των δοκιµίων. Στα δοκίµια ΡΜΜΑ έγιναν πειράµατα µέτρησης του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών µε ταυτόχρονη µέτρηση ΜΕ κατά τη διάρκεια της ηλεκτρικής τους καταπόνησης µε σταθερή τάση AC, και ακολούθησαν µικροσκοπικοί έλεγχοι για τη διερεύνηση των δενδριτών. Επίσης, στα δοκίµια από µονωτικά φύλλα εκτελέσθηκαν πειράµατα µέτρησης του χρόνου διάσπασης µε ταυτόχρονη καταγραφή ΜΕ κατά την ηλεκτρική τους καταπόνηση µε σταθερή τάση AC. Στις πειραµατικές διατάξεις χρησιµοποιήθηκε εξοπλισµός του Εργαστηρίου Υψηλής Τάσης του Κέντρου ∆οκιµών Ερευνών και Προτύπων της ∆ΕΗ ΑΕ και του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Σε µια συνδυασµένη ερευνητική προσπάθεια των Εργαστηρίων ΥΤ των Πανεπιστηµίων Πατρών και Tomsk της Ρωσίας, εκτελέσθηκαν στο Εργαστήριο του Tomsk αντίστοιχα πειράµατα σε διαφορετικά δοκίµια από κύριο µονωτικό SR (synthetic rubber, συνθετικό καουτσούκ) και PVC (polyvinyl chloride, χλωριούχο πολυβινύλιο) µε πλήσµα ΡΖΤ, µε έµφαση όµως στην επίδραση της πόλωσης του πλήσµατος σε ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των δοκιµίων. Σε κάθε οµάδα δοκιµίων, ανάλογα µε τα πειράµατα που εκτελέσθηκαν σε αυτήν, υπολογίσθηκαν οι τιµές των µέσων όρων και των τυπικών αποκλίσεων των µετρήσεων της ηλεκτρικής αντοχής, της εφδ, της διηλεκτρικής διαπερατότητας και των µέγιστων φορτίων ΜΕ των δοκιµίων, σε διάφορες τιµές της πεδιακής έντασης καταπόνησης. Επίσης, αναλύθηκαν µετρήσεις ΜΕ, των φορτίων, του αριθµού και της φασικής γωνίας εµφάνισης τους. Από τις µετρήσεις του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών και του χρόνου διάσπασης των δοκιµίων υπολογίσθηκαν οι αντίστοιχοι χρόνοι µε πιθανότητα Ρ=0,632 για τα δοκίµια κάθε οµάδας. Από τις επεξεργασµένες τιµές προέκυψαν τα διαγράµµατα µεταβολής της ηλεκτρικής αντοχής, του χρόνου διάσπασης και του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών των δοκιµίων, σε σχέση µε τις τιµές ξ, ψ και n των διεπιφανειών, και τα διαγράµµατα µεταβολής της εφδ, της διηλεκτρικής διαπερατότητας και των ΜΕ, σε σχέση µε την πεδιακή ένταση καταπόνησης, για διάφορες τιµές των παραµέτρων ξ και ψ. iii Με βάση τα πειραµατικά αποτελέσµατα µελετήθηκε η επίδραση των διεπιφανειών στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων, εξετάζοντας την επίδραση της θέσης της πρώτης διεπιφάνειας στη διαµόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου µέσα σε µονωτικό διάκενο µε διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας και µελετώντας την επίδραση της πόλωσης του φεροηλεκτρικού πλήσµατος σε ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των συνθετικών µονώσεων. Επίσης, µελετήθηκε η ανάπτυξη δενδριτών στο εσωτερικό των στερεών µονώσεων µε διεπιφάνειες διαφράγµατος, καθώς και η επίδραση του πάχους των στερεών συνθετικών µονωτικών υλικών στη διηλεκτρική τους αντοχή. Τα συµπεράσµατα που προέκυψαν συνοψίζονται στα εξής: Οι τιµές της εφδ και των ΜΕ στις στερεές µονώσεις εξαρτώνται από τις παραµέτρους ξ, ψ και n των διεπιφανειών και αυξάνονται απότοµα όταν η πεδιακή ένταση καταπόνησης υπερβεί µια κρίσιµη τιµή, η οποία στις συνθετικές µονώσεις κυµαίνεται συνήθως στο 25% της ηλεκτρικής τους αντοχής. Η ανίχνευση των κρίσιµων τιµών της πεδιακής έντασης µε τη διαδικασία λήψης µετρήσεων εφδ και ΜΕ σε διαδοχικά αυξανόµενα βήµατα τάσης, δίνει τη δυνατότητα σύγκρισης της ηλεκτρικής αντοχής των µονώσεων χωρίς να απαιτούνται πάντοτε καταστροφικές δοκιµές. Η θέση της πρώτης διεπιφάνειας παίζει σηµαντικά σπουδαιότερο ρόλο στην ηλεκτρική αντοχή των στερεών µονωτικών διακένων απ΄ ότι οι άλλες διεπιφάνειες, επειδή οριοθετεί το πρώτο στρώµα του µονωτικού που εφάπτεται στο ηλεκτρόδιο ΥΤ, µέσα στο οποίο ξεκινούν οι µηχανισµοί γήρανσης και διάσπασης των διακένων. Το πάχος του πρώτου στρώµατος επηρεάζει την εξέλιξη των µηχανισµών αυτών. Η θέση της πρώτης διεπιφάνειας διαφράγµατος επηρεάζει την τιµή της πεδιακής έντασης στην κορυφή της ακίδας και την ανάπτυξη δενδριτών στα διάκενα µε διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας. Υπάρχει µια βέλτιστη θέση ξopt της πρώτης διεπιφάνειας, στην οποία τα αντίστοιχα διάκενα αποκτούν τη µεγαλύτερη τιµή της ηλεκτρικής τους αντοχής Εbmax σε σχέση µε την ηλεκτρική αντοχή των διακένων του ιδίου πάχους και από ίδια κύρια υλικά, που έχουν την πρώτη διεπιφάνεια σε άλλες θέσεις. Η θέση ξopt εξαρτάται από το κύριο µονωτικό υλικό των διακένων, ενώ η τιµή Εbmax εξαρτάται από την τιµή ψ. Αυτό αποδίδεται στο γεγονός ότι οι δενδρίτες αναπτύσσονται αρχικά στο πρώτο στρώµα του κύριου µονωτικού, ενώ η αύξηση του µήκους τους επηρεάζεται από τις τιµές ψ. Υπάρχει µια βέλτιστη τιµή ψopt που όταν η πρώτη διεπιφάνεια σχηµατίζεται στη θέση ξopt το αντίστοιχο διάκενο αποκτά τη µέγιστη τιµή Εbmax σε σχέση µε τα διάκενα µε άλλες τιµές ψ στη θέση ξopt, η τιµή αυτή µπορεί να υπερβεί το 60% της ηλεκτρικής αντοχής του διακένου χωρίς διεπιφάνειες. iv.