Mai multe statistici au fost publicate de-a face cu
insuficien
Mecanismele deteriorrii izolaiei Generatoarelor Electrice de
nalt tensiuneMai multe statistici au fost elaborate i publicate ce
prezint cauzele defectrii mainilor rotative de nalt tensiune, n
general, iar n mod special, generatoarelor electrice. ns, n unele
dintre aceste statistici se specific partea mainii care s-a
defectat, fr a da alte detalii mai profunde asupra mecanismul care
s-a produs. Alte publicaii fac deosebire ntre deteriorarea care a
cauzat ieirea din uz a mainii electrice i cauza principal care a
dus la deteriorare. Sondajul a 1199 de hidrogeneratoare efectuate
de comisia de studiu a CIGRE SC11, EG 11.02 ofer un exemplu de
astfel de investigaie. Ea d rezultate detaliate a 69 de incidente.
Un procent de 56% din mainile ieite din uz au artat deteriorri ale
izolaiei, alte probleme majore fiind de factur mecanic, termic i n
zona lagrelor, (fig.1,a). Cauzele principale care au condus la
aceste daune sunt mprite n 7 grupe diferite (fig.1,b). De aceea se
poate deduce c problemele de izolaie reprezint cauza principal
pentru ieirea din uz a mainilor electrice de nalt tensiune.
Mai muli autori au analizat mecanismele de defectare a izolaiei
de mic n laborator, folosind bare de prob pentru testare.
Concluziile lor principale sunt:
1. Dei strpungerea izolaiei electrice reprezint eecul final al
acesteia, solicitarea electric nu este factorul de mbtrnire
predominant. Mai degrab se crede c mecanismul de mbtrnire este
dominat de degradarea termic a rinii (liantului), de stresul
mecanic cauzat de vibraii, i de stresul cauzat de diferii
coeficieni de dilatare termic ai materialelor implicate.
2. mbtrnirea sub solicitarea termic, mecanic i electric arat o
cretere a duratei de via la temperaturi moderate, pn la aproximativ
130 C i o scdere rapid a acesteia, dac temperatura este crescut pn
la 180 C (fig. 2). Aceste constatri sunt explicate pe de o parte
prin creterea degradrii termice materiei organice, iar pe de alt
parte printr-o scdere a tensiunilor sau solicitrilor interne i
formarea de fisuri n liantul rin liant la temperaturi mai
ridicate.
Pe baza acestor fapte, un proiect comun de cercetare a fost
lansat, care a inclus mai muli parteneri industriali, companii de
energie electric, precum i Institutul Federal Elvetian de
Tehnologie din Zurich. Scopul acestui studiu a fost de a dezvolta
un model de deteriorare a izolaiei electrice a generatoarelor de
putere funcie de condiiile de funcionare a generatorului.
Cercetarea a acoperit mbtrnirea electric, termic, precum i mecanic
a eantioanelor standard special realizate i bare de generator
originale. Analiz i rezultate
A. Arborescena electric la testul ac-plan. Testul ac-plan n
cuburi epoxidice permite observarea direct a fenomenului de formare
a arborescenelor electrice. S-au pregtit modele de test (fig.3), cu
lungimea laturii cubului din rin epoxidic de aproximativ 4 cm.
Dimensiunea benzii de mic a fost de 2x4 cm. Fenomenul de propagare
a arborescenelor electrice ctre electrodul pus la mas a fost reinut
de ctre banda de mic. Arborescena a continuat s se propage la
suprafaa acesteia. Cand arborescena a ajuns aproape de marginea
benzii, aceasta a continuat rapid ctre electrodul pus la mas.
Strpungerea nu a avut loc imediat ce primele ramuri au atins masa.
Mai multe ramuri au fost generate iar diametrul canalelor de arbore
a crescut pn la 50-200 m. n aceast etap, conductivitatea i
continuitatea canalelor de arbore au fost suficiente pentru a
provoca strpungerea (fig.4). Timpii medii de strpungere au fost de
n jurul a 50-100 de ore. n toate experimentele, arborescena putea
ptrunde n banda de mic doar daca aceasta a fost deteriorat, de
exemplu, prin ndoire sau pliere.
B. Arborescena electric n izolaia de mic a barelor de
generatorS-a folosit un model de bare de 1 m lungime cu o grosime a
izolaiei de 2 mm, pregatite cu tehnologie VPI (vacuum ) i mbogite
cu rin, ce au fost utilizate la testele de anduran electric 3Un
(fig. 5). Tensiunea aplicat a fost de 32 kV curent alternativ.
Pentru a verifica dac au loc arborescene electrice n izolaia de
mic, au fost examinate seciuni ale barelor prin metode cu raze X.
Figura 6 prezint un exemplu de seciune printr-o bar. Arborescena
electric ar putea fi urmrit prin arderea rinii liant a izolaiei de
mic ntr-un cuptor i ndeprtarea strat cu strat a benzii de mic cu
atenie. Prin aplicarea ambelor metode, s-a constatat c arborescena
a nceput mai ales la marginea conductorului de cupru, care poate fi
uor de explicat prin creterea intensitii cmpului electric n acest
loc. Propagarea arborescenei nu s-a produs direct ctre electrodul
pus la mas, ci aceasta a urmrit muchiile benzii de mic ntr-o anumit
msur.
Se presupune c arborescena electric a fost capabil "s o ia pe
scurttur", acolo unde izolaia de mic a avut imperfeciuni sau
defecte, cum ar fi golurile, fisuri, delaminri, acumulri de rin de
la suprapunerile de band i de la straturi de mic ncreite sau
deteriorate. Astfel de defecte predispun izolaia electric la
formarea i propagarea de arborescene electrice n izolaia de mic i
reduce astfel durata de via a acesteia. Aceste ipoteze au putut fi
confirmate prin micrografuri ale izolaiei de mic ce arat multe
defecte (fig.7). Aceste constatri sunt n concordan cu rezultatele
experimentelor de tip ac-plan, n care s-a observat c arborescena
electric nu este capabil s penetreze banda de mic n cazul n care
aceasta este nedeteriorat, dar poate trece cu uurin prin banda de
mic dac aceasta ar fi fost ndoit sau rsucit nainte de nglobarea n
epruveta (cubul) ac-plan.
Prin urmare, este evident c, calitatea de fabricaie a izolaiei
de mic are o influen asupra duratei de via a bobinei sau barei. Mai
multe ncercri de anduran electric au fost efectuate pentru a
demonstra acest lucru, utiliznd diferite tipuri de bare (fig.8).
Diagramele rezultate de tip Weibull sunt date n figurile 9-11.
Figura 9 compar duratele de via a barelor fabricate n condiii
industriale i cu a barelor efectuate n laborator. Aplicarea atent i
corect a izolaiei de mic pe barele de model din laborator a dus la
o uoar cretere a curbei duratei de via. Figura 10 prezint durata de
via a barelor care au fost fabricate prin aplicarea unui proces
slab de impregnare VPI i unul corect. Slaba impregnare a dat o
izolaie de mic cu multe goluri, iar durata de via caracteristic a
barelor de prob investigate a fost redus cu un factor de 10. Figura
11 prezint diferena dintre barele cu i fr ncreituri n izolaia de
mic. Din nou, diferena de durat a vieii este semnificativ.
Defectele de fabricaie i cile arborescente n izolaia de mic a
diferitelor bare au fost analizate. Concluzia este c aceste defecte
pot spori formarea i propagarea de arborescene electrice i, astfel,
pot reduce durata de via a izolaiei.
C. mbtrnirea termic i mecanicn introducere, s-a afirmat c
solicitrile termice i mecanice sunt principalii factori de mbtrnire
ai izolaiei mainilor electrice de nalt tensiune. Prin urmare, un
numr mare de teste de anduran electric fost realizat pentru a
investiga cei doi factori de stres. Figura 12 arat influena
temperaturii de mbtrnire asupra anduranei electrice analizat ntr-un
test combinat de mbtrnire termic-electric. Rezultatele arat c
durata de via a izolaiei este mai mare la 160 C dect la20 C, ceea
ce este n acord cu precizrile sau concluziile menionate mai sus.
Acesta poate fi explicat printr-o flexibilitate mai mare a rinii
liant la o temperatur ridicat, care s minimizeze riscul de formare
a fisurilor, ct i prin reducerea tensiunilor interne provenite din
reacia de ntrire care are loc de obicei, la temperaturi n jurul a
160 C. Sau poate nsemna de asemenea, c durata de via mai mare la
160 C, se datoreaz, n parte, unui efect de postntrire ce are loc la
o temperatur mai mare. Cu toate acestea, la 180 C degradarea termic
a rinii liant este factorul de mbtrnire dominant iar durata de via
a barelor model a fost redus n mod considerabil. Potrivit lui
Weiers, temperatura optim de mbtrnire pentru o durat de via maxim a
izolatiilor bazate pe mic i rini epoxidice este de aproximativ 90
C, care se afl n domeniul uzual de funcionare al generatoarelor de
mare putere.Solicitrile mecanice sunt exercitate asupra izolaiilor
masinilor rotative de nalt tensiune din cauza vibraiilor,
coeficienilor diferii de dilatare termic a materialelor implicate,
precum i din cauza forele tranzitorii i centrifuge. Au fost
efectuate teste de vibraii pe bare de 1 m lungime cu ajutorul
echipamentelor de generat vibraii acordate la o frcven de 100 Hz,
cu o amplitudine de 0,5 mm. Durata de via a izolaiei a fost
apreciat prin aplicarea de vibraii i solicitri electrice simultan i
comparnd cu barele expuse doar la solicitri electrice. Tensiunea a
fost aplicat pe bare prin intermediul unor electrozi ncorporai. Ei
au fost potrivii direct n izolaia electric, n scopul de a evita
orice descrcare suprafa. Marginile ascuite ale electrozilor au
iniiat arborescene electrice imediat dup aplicarea de tensiunii.
Grosimea stratului de izolaie i tensiunea aplicat a fost aceeai ca
i pentru barele de model 3Un (2 mm, 32 kV AC). Avantajul acestei
metode de testare este c se pot efectua mai multe msurtori
simultane de strpungere cu o bar.
S-a demonstrat c rezultatele de anduranta electric obinute cu
metoda electrozilo integrai corespunde msurtorile duratelor devia
conforme cu standardul IEEE 1043.Au fost utilizate dou materiale
izolante diferite pentru testele de vibraii: izolaia A, o combinaie
de estur de sticl cu mic i rin epoxidic realizat prin metod VPI,
care este folosit n principal la generatoarele electrice mari, i
izolaia B, o combinaie de band de poliester - ln cu mic i o rin ce
are la baz poliester, realizat de asemenea prin procedeu VPI.
Rezultatele arat c durata de via a izolaiei B a fost redus din
cauza vibraiilor cu un factor de aproximativ 10, n timp ce durata
de via a izolaiei A nu a fost modificat (fig.13). Micrografuriale
izolaiei B arat delaminri paralele cu straturile de mic, care se
presupune c pot declana i accelera arborescene electrice; dar
formarea nu au fost observate fisuri perpendiculare pe straturile
de mic. Este cunoscut faptul c rinile poliesterice au o adeziune
mai mic i o contractare mai mare n timpul ntririi, comparativ cu
produse pe baz de rini epoxidice. Acest efect este sporit de banda
de mic folosit n izolaia B; banda de poliester ca material suport
se caracterizeaz printr-o rezisten mecanic inferioar izolaiei din
estur de sticl.Experimentele cu vibraii nu au inclus abraziunile
mecanice din sloturi provocate de protecia la activiti corona
pentru c barele testate nu au fost plasate ntr-un slot model.
Abraziunea stratului conductor n slot din cauza marginilor ascuite
ale miezului statoric laminat este un factor suplimentar de
deteriorare a izolaiei electrice i de reducere a duratei sale de
via, mai ales n cazul n care mpnare barei n slot are joc. n
consecin, au loc descrcri pariale prin adugirea unei degradri
chimice a materialelor organice din care este realizat izolaia
mpreun cu eroziunea mecanic provocat de vibraii. n literatura de
specialitate, acest cerc vicios este considerat unul dintre
principalele cauze ale scoaterii din uz prematur a masinilor
rotative de nalt tensiune.
ConcluziiDac se exclud condiiile de operare anormale sau
defecte, atunci deteriorrile premature ale izolaiei generatoarelor
electrice de putere pot fi clasificate astfel:
greeli de proiectare
defectarea materialelor
defecte de fabricaie ntreinere defectuoas
Cedarea n final a izolaiei electrice este cauzat de obicei de
strpungerea electric printr-o arborescen electric. Prin urmare,
formarea i propagarea de arborescene n izolaie reflect procesul de
imbtrnire a izolaiei. S-a constatat c arborescena este accelerat de
defecte n izolaia de mic, cum ar fi delaminri, fisuri, goluri i
straturi de mic ncreite sau chiar deteriorate. Astfel de defecte
sunt fie defecte de fabricaie sau rezult din mbtrnire. mbtrnirea nu
este dominat de solicitrile electrice, ci mai degrab de o combinare
de diferii factori de stres, dintre care uzura termic i mecanic
sunt cele mai importante. Stresul termic al sistemelor de izolaie
bazate pe rini epoxidice este relevant dac acesta depete substanial
gama de temperatur optim, adic mai mult de 135-140 C. Stresul
mecanic al izolaiei se datoreaz vibraiilor, coeficienilor diferii
de dilatare termic ai materialelor implicate, precum i schimbrilor
rapide a sarcinii elelctrice i a forele centrifuge. Sistemele de
izolaie cele mai utilizate pentru generatoarele de mare putere sunt
compuse din benzi de mic pe suport estur de sticl i liant rini
epoxidice. Surprinztor, s-a constatat c vibraiile singure nu au
avut niciun efect negativ asupra anduranei electrice la acest tip
de sistem de izolaie, n timp ce alte sisteme de izolaie au artat o
reducere considerabil a duratei de via. Dar dac mpnarea barelor
devine slab, vibraiile vor provoca abraziuni asupra proteciei
corona n sloturi din cauza marginilor ascuite ale miezului statoric
laminat i vor apare descrcri pariale, indiferent de sistemul de
izolaie utilizat. Alte deteriorri ale sistemului de izolaie la
hidrogeneratoare sunt reprezentate de scurgerile de lubrifiant din
lagre sau de ap din sistemul de rcire.