Politechnika Opolska

Politechnika Opolska Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Autoreferat pracy doktorskiej Analiza wpływu fulerenów C 60 na elektryzację mineralnego oleju transformatorowego Autor: mgr inż. Paweł Aksamit Promotor: dr hab. inż. Dariusz Zmarzły prof. PO Opole 2009

Spis treści 1 WPROWADZENIE... 3 2 TEZA I PLAN PRACY... 4 3 UKŁAD POMIAROWY... 4 4 PRZYGOTOWANIE PRÓBEK... 5 5 WYBRANE PARAMETRY BADANYCH PRÓBEK OLEJU... 6 5.1 WYTRZYMAŁOŚĆ ELEKTRYCZNA... 6 5.2 TANGENS KĄTA STRATNOŚCI... 7 5.3 PRZENIKALNOŚĆ ELEKTRYCZNA... 8 5.4 REZYSTYWNOŚĆ... 8 5.5 PODSUMOWANIE WYNIKÓW BADAŃ PARAMETRÓW PRÓBEK OLEJU... 9 6 ELEKTRYZACJA STRUMIENIOWA OLEJU DOMIESZKOWANEGO C 60... 9 6.1 PROCEDURA POMIAROWA... 9 6.2 WPŁYW PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ TARCZY NA PRĄD ELEKTRYZACJI... 9 6.3 WPŁYW STĘŻENIA C 60 NA PRĄD ELEKTRYZACJI OLEJU... 12 6.4 PODSUMOWANIE WYNIKÓW BADAŃ ELEKTRYZACJI STRUMIENIOWEJ OLEJÓW... 14 6.5 WNIOSKI... 15 7 PROBLEMY OTWARTE... 17 8 BIBLIOGRAFIA... 18 2

1 Wprowadzenie W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat, udokumentowano dziesiątki awarii transformatorów związanych z elektrycznością statyczną [2, 5-8, 21, 33]. Wyczerpujący przegląd tego typu przypadków zawarto w pracy [12]. Elektryzacja strumieniowa w transformatorach mocy związana jest z przepływem cieczy izolacyjnej. Podczas pracy transformatora generowana jest duża ilość ciepła, które musi być w sposób ciągły odprowadzane na zewnątrz układu. W większości transformatorów będących obecnie w użyciu, do chłodzenia uzwojeń transformatora wykorzystywany jest mineralny olej elektroizolacyjny. Na granicy cieczy oraz ciała stałego tworzy się podwójna warstwa ładunku [15]. Podczas przepływu cieczy, część jonów akumulowana jest przy granicy faz a część unoszona wraz z cieczą, co prowadzi do zjawiska elektryzacji strumieniowej. Zjawisko to może prowadzić do lokalnego nagromadzenia ładunku oraz powstania potencjału, który może wywołać szkodliwe wyładowania na powierzchni ciała stałego [15-17, 20, 33]. Elektryzacja strumieniowa przez wiele lat badana była przez przemysł petrochemiczny, gdzie stwarza znaczne ryzyko eksplozji podczas transportu ciekłych węglowodorów [3, 4, 9, 16]. W przemyśle elektroenergetycznym, na zjawisko to po raz pierwszy zwrócili uwagę japońscy naukowcy w 1978 roku na konferencji CIGRE [12, 26]. Odnotowali oni występowanie wyładowań niezupełnych w transformatorze z odłączonym napięciem probierczym, podczas wymuszonego przepływu oleju elektroizolacyjnego. Ponieważ każda awaria transformatora mocy pociąga za sobą znaczne straty oraz zagrożenie dla integralności całego systemu energetycznego, prace nad zjawiskiem elektryzacji strumieniowej prowadzi wiele ośrodków badawczych na całym świecie [1, 8, 11, 13, 25, 27, 31, 34, 35, 37]. W Stanach Zjednoczonych, zjawiskiem tym zajmuje się m.in. EPRI (ang. Electrical Power Research Institute). Zakrojony na szeroką skalę, międzynarodowy program badawczy prowadzony jest również pod nadzorem komitetu CIGRE nr 12/15-02 [2, 10, 14, 23, 26]. Rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną na świecie wymusza wzrost mocy oraz napięć pracy transformatorów energetycznych. Rozpraszanie ciepła wytworzonego w takich jednostkach wymaga zastosowania wymuszonego przepływu cieczy. Aby ograniczyć ryzyko związane z elektryzacją strumieniową, w większości układów utrzymuje się przepływ laminarny, nie przekraczając prędkości 1 m/s. Niewielka prędkość przepływu wymaga jednak większych gabarytów układu, aby zapewnić wystarczające warunki chłodzenia. Ograniczenie tendencji do elektryzacji oleju elektroizolacyjnego pozwoliłoby na zwiększenie przepływu, a co za tym idzie polepszenie warunków chłodzenia oraz ograniczenie rozmiarów jednostek transformatorowych, bez narażania ich na awarie związane z elektrycznością statyczną. Do dnia dzisiejszego, najszerzej przebadanym dodatkiem do olejów izolacyjnych, stosowanym w celu redukcji zjawiska elektryzacji oraz jako pasywator miedzi, jest 1,2,3-benzotriazol (BTA) [20, 22, 30, 32]. Przez jakiś czas, BTA stosowane było jako inhibitor zjawiska elektryzacji w Japonii oraz Australii [20, 32]. Pojawiały się jednak sygnały o szybkim starzeniu się tego dodatku oraz jego negatywnym wpływie na wytrzymałość elektryczną oleju [6, 12, 18, 19, 24, 28, 29]. Niejednoznaczne rezultaty otrzymywane przez różnych badaczy były prawdopodobnie przyczyną, dla której BTA nie stało się powszechnie zaadoptowanym rozwiązaniem problemu elektryzacji w transformatorach mocy. Celem niniejszej pracy było przebadanie wpływu, zaproponowanego przez autora, alternatywnego inhibitora elektryzacji statycznej fulerenu C60 - na olej elektroizolacyjny. Zakres pracy obejmuje analizę wpływu C60 na elektryzację strumieniową świeżego oleju elektroizolacyjnego oraz określenie, czy nie wpływa on negatywnie na inne, istotne parametry oleju, ze szczególnym uwzględnieniem wytrzymałości elektrycznej. 3

2 Teza i plan pracy Teza pracy brzmi: Możliwe jest zmniejszenie elektryzacji mineralnego oleju transformatorowego poprzez domieszkowanie fulerenami C 60. Plan pracy obejmował m.in.: 1. Studia literaturowe w kierunku fizykochemicznych podstaw procesu elektryzacji, jego modeli, stosowanych układów pomiarowych oraz chemii i fizyki fulerenów. 2. Przygotowanie układów do pomiaru prądu elektryzacji, napięcia przebicia, tangensa kąta stratności, przenikalności elektrycznej oraz rezystywności. 3. Opracowanie oprogramowania w środowisku Matlab do automatycznej kontroli procesu pomiaru prądu elektryzacji, akwizycji danych oraz ich analizy w trybie online i offline. 4. Przygotowanie 20 próbek mineralnego oleju elektroizolacyjnego o różnych stężeniach fulerenu C 60. 5. Pomiary prądu elektryzacji, napięcia przebicia, tangensa kąta stratności, przenikalności elektrycznej oraz rezystywności wszystkich dwudziestu próbek. 6. Analizę danych. 3 Układ pomiarowy Do pomiarów prądu elektryzacji posłużył układ z wirującym elektrometrem. Układ składa się z: Obiektu pomiarowego zbiornika z cieczą izolacyjną wraz z zanurzoną w niej metalową tarczą, Wirującego elektrometru kontrolowanego cyfrowo, precyzyjnego układu do pomiaru prądu z interfejsem Bluetooth o małym poborze mocy, Komputera z oprogramowanie do kontroli procesu pomiaru. Wszystkie wymienione elementy służą do generacji prądu elektryzacji, pomiaru, akwizycji oraz przetwarzania zarejestrowanego sygnału. Zdjęcie systemu przedstawiono na rysunku 3.1. Rys. 3.1. Zdjęcie systemu pomiarowego 4

Źródłem prądu elektryzacji jest metalowy zbiornik z cieczą wraz z obracającą się w niej tarczą. Podczas obrotów tarczy, generowany jest ładunek elektrostatyczny, który mierzony jest przy pomocy elektrometru. Przetwornik analogowo-cyfrowy, będący częścią układu elektrometru, konwertuje mierzony sygnał na postać cyfrową, w jakiej bezprzewodową drogą trafia do komputera, gdzie podlega dalszej obróbce przy pomocy autorskiego oprogramowania, zaimplementowanego w środowisku MATLAB. 4 Przygotowanie próbek Badania prowadzone były przy użyciu mineralnego, nieinhibitowanego oleju elektroizolacyjnego TRAFO, wyprodukowanego przez Orlen Oil Sp. z o.o.. Parametry katalogowe oleju, zebrano w tabeli 4.1. Tabela 4.1 Parametry katalogowe oleju elektroizolacyjnego TRAFO Parametr Jednostka Wartość typowa Lepkość kinematyczna w 40 o C mm 2 /s 9,48 Lepkość kinematyczna w -30 o C mm 2 /s 1028 Temperatura zapłonu o C 144 Temperatura płynięcia o C -41 Gęstość w 20 o C g/ml 0,885 Pozostałość po spopieleniu %(m/m) 0,0015 Całkowita liczba kwasowa mg KOH/g 0,022 Siarka aktywna - brak Napięcie przebicia w stanie dostawy kv 67,5 Współczynnik strat dielektrycznych przy 59Hz w temperaturze 90 o C - 0,0008 Stabilność gazowa w polu elektrycznym mm 3 /min 1,88 Fulereny C 60 o czystości >99%, które zostały wykorzystane w badaniach, zamówiono w firmie Term-USA z Kalifornii w USA. Na potrzeby badania, przygotowano 20 próbek oleju, jedną czystą oraz 19 z różną zawartością fulerenów C 60. Stężenia fulerenów w poszczególnych próbkach przedstawiono w tabeli 4.2. Pojemność każdej próbki wynosiła 1 litr. Przygotowanie próbek polegało na odważeniu przy pomocy wagi analitycznej określonej ilości fulerenów C 60 i dodaniu ich do butelek z olejem. Domieszkowanie opierało się na naturalnej rozpuszczalności fulerenów w oleju. Próbki przechowywane były w temperaturze pokojowej ok. 22 C. Każda próbka, raz dziennie mieszana była ręcznie przy pomocy szklanego mieszadła, aby wyrównać stężenie domieszki w objętości próbki. Rys. 4.1. Próbki mineralnego oleju elektroizolacyjnego domieszkowanego C 60 5

Olej z rozpuszczonym fulerenem C 60 nabiera rubinowego koloru i ciemnieje. Czym większa koncentracja domieszki, tym ciemniejszy kolor oleju. Rozpuszczenie największej dodanej ilości fulerenów 512 mg/l trwało łącznie 16 dni. Zdjęcie próbek z rozpuszczonymi fulerenami przedstawia rysunek 4.1. Po rozpuszczeniu, każda próbka rozdzielona została na dwie części o objętości 600 ml i 400 ml. Mniejsza część każdej próbki posłużyła do pomiaru napięcia przebicia i nie była wykorzystywana w pozostałych pomiarach. Pozostałe 600 ml każdej próbki posłużyło do pomiarów elektryzacji, tangensa kąta stratności, przenikalności elektrycznej oraz rezystywności. Tabela 4.2 Stężenia C 60 w poszczególnych próbkach Nr próbki Stężenie C 60 [mg/l] Udział masowy C 60 [ppm] 1 0 0,0 2 1 1,1 3 2 2,3 4 4 4,5 5 8 9,0 6 10 11,3 7 12 13,6 8 16 18,1 9 20 22,6 10 24 27,1 11 32 36,2 12 48 54,2 13 64 72,3 14 80 90,4 15 96 108,5 16 128 144,6 17 192 216,9 18 256 289,3 19 384 433,9 20 512 578,5 5 Wybrane parametry badanych próbek oleju Aby stwierdzić, czy domieszkowanie oleju fulerenami C 60 nie wpływa negatywnie na jego właściwości dielektryczne inne niż elektryzacja, przeprowadzono pomiary napięcia przebicia, tangensa kąta stratności, przenikalności elektrycznej względnej oraz rezystywności wszystkich 20 próbek. Wyniki przeprowadzonych pomiarów przedstawiono w niniejszym rozdziale. 5.1 Wytrzymałość elektryczna W większości zastosowań elektroenergetycznych wytrzymałość elektryczna jest najważniejszym parametrem oleju. Aby stwierdzić, czy domieszkowanie oleju fulerenami C 60 nie obniża wytrzymałości elektrycznej oleju, przeprowadzono pomiary każdej z 20 próbek. Pomiary przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN60156. Każda próbka przebijana była 6 razy. Wynik pierwszego pomiaru nie był brany pod uwagę. Z pozostałych 5 pomiarów obliczono średnią oraz odchylenie standardowe. Przebite próbki nie uczestniczyły w pozostałych pomiarach. Wyniki przedstawiono na rysunku 5.1. 6

5.2 Tangens kąta stratności Rys. 5.1. Napięcie przebicia badanych próbek oleju Użyty do badań olej, charakteryzuje się katalogowym tangensem kąta stratności na poziomie 0,0008, przy 59 Hz i 90 C. Tangens kąta stratności mierzony był w temperaturze 22 C, przy częstotliwości 60 Hz, w układzie trójelektrodowym, z wykorzystaniem kondensatora pomiarowego o pojemności znamionowej 150 pf oraz cyfrowego miernika. Wyniki uzyskane dla poszczególnych próbek przedstawiono na rysunku 5.2. Ponieważ wynik wskazywany przez miernik charakteryzował się znaczną niestabilnością, odczytywany był 30 razy w 5 sekundowych odstępach czasu dla każdej badanej próbki, co pozwoliło określić rozkład gęstości prawdopodobieństwa uzyskanych wyników. Rys. 5.2. Tangens kąta stratności badanych próbek oleju 7

5.3 Przenikalność elektryczna Pomiary przenikalności elektrycznej wykonano przy częstotliwości 60 Hz, w temperaturze 22 C, w trójelektrodowym układzie, wykorzystując kondensator pomiarowy o pojemności znamionowej 150 pf oraz cyfrowy przyrząd pomiarowy. Wyniki uzyskane dla poszczególnych próbek przedstawiono na rysunku 5.3. 5.4 Rezystywność Rys. 5.3. Względna przenikalność elektryczna poszczególnych próbek oleju Rezystywność mierzona była w trójelektrodowym układzie, z wykorzystaniem kondensatora pomiarowego o pojemności znamionowej 150 pf oraz cyfrowego miernika. Pomiarów dokonano w temperaturze 22 C. Wyniki przedstawiono na rysunku 5.4. Wartości odczytywane były z miernika 30 razy w 5 sekundowych odstępach dla każdej próbki. Rys. 5.4. Rozkład gęstości prawdopodobieństwa rezystywności badanych próbek 8

5.5 Podsumowanie wyników badań parametrów próbek oleju Uzyskane wyniki pomiarów wytrzymałości elektrycznej, tangensa kąta stratności, przenikalności elektrycznej oraz rezystywności dowodzą, że wszystkie domieszkowane C 60 próbki mają poprawne wartości badanych parametrów. Dodawanie C 60 do oleju nie pogarsza żadnego z badanych parametrów, utrzymując je na podobnych lub korzystniejszych poziomach w porównaniu z czystym olejem. Tangens kata stratności zmniejsza się nieznacznie wraz ze wzrostem koncentracji C 60 i wzrasta ponownie dla stężeń wyższych niż 100 mg/l. Jedynie najwyższe badane stężenia (powyżej 256 mg/l) powodują wzrost tangensa kąta stratności powyżej poziomu uzyskanego w czystym oleju. 6 Elektryzacja strumieniowa oleju domieszkowanego C 60 6.1 Procedura pomiarowa Pomiary prądu elektryzacji przeprowadzono przy użyciu układu z wirującym elektrometrem, opisanego w rozdziale 3, w temperaturze pokojowej 23 C. Pomiary odbywały się wg następującej procedury: 1. 600 ml oleju wlewane było do zbiornika pomiarowego. 2. Prędkość obrotowa ustawiana była na kolejną zdefiniowaną wartość (zaczynając od 0 rpm). 3. Po osiągnięciu zadanej prędkości wprowadzane było 2 sekundowe opóźnienie, aby wyniku pomiaru nie zaburzały procesy przejściowe [36]. 4. Prąd elektryzacji próbkowany był z częstotliwością 500 Hz łącznie pobieranych i rejestrowanych było 2500 próbek. 5. Jeżeli aktualna prędkość nie osiągnęła najwyższej prędkości 400 rpm, proces był powtarzany zaczynając od kroku 2. 6. Obroty dysku były zatrzymywane a dysk unoszony powyżej powierzchni cieczy. 7. Tarcza rozpędzana była do prędkości 400 rpm i obracana przez 60 sekund, aby odwirować olej z tarczy. 8. Olej wylewany był ze zbiornika. 9. Przed pomiarem kolejnej próbki płukano zbiornik świeżym, czystym olejem. Kroki od 2 do 7 kontrolowane były przez oprogramowanie w środowisku Matlab, gwarantując bardzo dużą powtarzalność warunków pomiarowych dla wszystkich badanych próbek. Prąd elektryzacji rejestrowany był przy 64 predefiniowanych prędkościach obrotowych z zakresu od 0 rpm do 400 rpm. Pomiędzy 0 rpm a 60 rpm, prędkość inkrementowana była co 2 rpm. Od 60 rpm do 100 rpm, co 5 rpm, od 100 rpm do 300 rpm, co 10 rpm a od 300 rpm do 400 rpm w krokach co 20 rpm. Podczas pomiarów, rejestrowane przebiegi czasowe oraz średnia wartość prądu elektryzacji były monitorowane online, co pozwalało kontrolować poprawność przebiegu całego procesu pomiarowego. Wszystkie zarejestrowane dane zostały zapisane na twardym dysku komputera sterującego do dalszej analizy. 6.2 Wpływ prędkości obrotowej tarczy na prąd elektryzacji Średnia wartość prądu elektryzacji zależy od prędkości obrotów tarczy. Rozdział przedstawia zależności składowej stałej prądu elektryzacji od prędkości obrotowej tarczy dla wybranych próbek. 9

Rys. 6.1. Zależność składowej stałej prądu elektryzacji od prędkości obrotowej tarczy dla czystego oleju W czystym oleju (Rys. 6.1.) prąd elektryzacji zachowuje ujemny znak, a jego wartość bezwzględna rośnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Rys. 6.2. Zależność składowej stałej prądu elektryzacji od prędkości obrotowej tarczy dla oleju o stężeniu C 60 równym 64 mg/l Zwiększanie stężenia fulerenów C 60 w zakresie od 1 mg/l do 64 mg/l powoduje spadek bezwzględnej wartości prądu, z zachowaniem jego ujemnego znaku (rys. 6.2.). 10

Rys. 6.3. Zależność składowej stałej prądu elektryzacji od prędkości obrotowej tarczy dla oleju o stężeniu C 60 równym 80 mg/l Przy 80 mg/l (Rys. 6.3.), następuje odwrócenie kierunku przepływu ładunku, w stosunku do niższych stężeń. Prąd wzrasta w przedziale prędkości od 0 rpm do ok. 100 rpm, gdzie osiąga wartość maksymalną ok. 0,9 pa. Dalszy przyrost prędkości powoduje spadek wartości prądu aż do 0 pa przy ok. 400 rpm. Rys. 6.4. Zależność składowej stałej prądu elektryzacji od prędkości obrotowej tarczy dla oleju o stężeniu C 60 równym 512 mg/l W próbkach, o stężeniu C 60 wynoszącym 128 mg/l i więcej, ponownie zmienia się charakter przebiegu krzywej prądu od prędkości. Pojawiają się dwa charakterystyczne ekstrema lokalne. W trzech próbkach o najwyższych stężeniach (od 256 mg/l do 512 mg/l) bezwzględna wartość prądu elektryzacji rośnie wyraźnie w stosunku do pozostałych próbek (Rys. 6.4.). 11

Rys. 6.5. Zależność prądu elektryzacji od prędkości obrotowej dla wybranych, domieszkowanych próbek oleju Rysunek 6.5 przedstawia zależność prądu elektryzacji od prędkości obrotowej dla próbek z całego zakresu badanych stężeń C 60. W zakresie stężeń od 0 mg/l do 128 mg/l wartość bezwzględna prądu maleje, osiągając najmniejsze wartości dla próbek o stężeniach 128 mg/l i 192 mg/l oraz ponownie rosnąc przy wyższych koncentracjach domieszki. 6.3 Wpływ stężenia C 60 na prąd elektryzacji oleju W oparciu o pomiary wykonane dla wszystkich 20 próbek, możliwe jest wyznaczenie zależności prądu elektryzacji od stężenia C 60 przy stałej prędkości obrotowej. Rozdział przedstawia wybrane, reprezentatywne charakterystyki wraz z analizą. Przerywane linie wskazują stężenie, przy którym krzywa osiąga wartość minimalną. Pogrubiony okrąg wskazuje punkt pomiarowy o najmniejszej wartości prądu. Ze względu na zastosowanie logarytmicznej skali, stężenie 0 mg/l reprezentowane jest przez 0,1 mg/l. Rys. 6.6. Wpływ stężenia C 60 na moduł prądu elektryzacji oleju izolacyjnego przy prędkości obrotowej 54 rpm 12

Rys. 6.7. Wpływ stężenia C 60 na moduł prądu elektryzacji oleju izolacyjnego przy prędkości obrotowej 400 rpm Rys. 6.8. Wpływ stężenia C 60 na moduł prądu elektryzacji przy wybranych prędkościach obrotowych Rysunek 6.8 przedstawia wpływ stężenia C 60 na moduł prądu elektryzacji przy prędkościach 50, 100, 200, 300 i 400 rpm. W czystym oleju, prąd wzrasta wraz ze wzrostem prędkości obrotowej tarczy. Przy każdej przedstawionej na rysunku prędkości, wartość prądu może być zredukowana przez domieszkowanie oleju fulerenami C 60. Rysunek 6.9 przedstawia zależność modułu prądu elektryzacji od prędkości obrotowej tarczy oraz stężenia C 60. Wykres pokrywa wszystkie, przeanalizowane w trakcie badań kombinacje prędkości oraz stężenia. Dla najniższych prędkości obrotowych, poniżej 20 rpm, prąd elektryzacji utrzymuje się na bardzo niskim poziomie. Niezależnie od stężenia C 60, uzyskiwane wartości są podobne. Po przekroczeniu stężenia C 60 powyżej ok. 200 mg/l, następuje gwałtowny wzrost prądu elektryzacji, osiągając poziomy znacznie przekraczające wartości obserwowane w czystym oleju, przy danej prędkości. Zjawisko to reprezentuje czerwony obszar w górnej części wykresu. 13

Rys. 6.9. Moduł prądu elektryzacji w funkcji prędkości obrotowej tarczy oraz stężenia C 60 Najbardziej uniwersalne, optymalne stężenie fulerenów C 60 w oleju elektroizolacyjnym leży pomiędzy 100 mg/l a 200 mg/l. W szerokim zakresie prędkości obrotowych możliwe jest wskazanie innego stężenia, przy którym prąd elektryzacji osiąga jeszcze mniejszą wartość. Jednakże w zakresie od 100 mg/l do 200 mg/l prąd utrzymuje się na bardzo niskim, bliskim minimalnemu poziomie w całym zakresie badanych prędkości obrotowych od 0 rpm do 400 rpm. Wskazanie najbardziej optymalnego stężenia fulerenów w oleju wymaga wzięcia pod uwagę jego zależności od prędkości przepływu cieczy. Na rysunku 6.9, dla prędkości z zakresu od 20 rpm do ok. 100 150 rpm, najciemniejszy niebieski obszar znajduje się pomiędzy stężeniami 20 mg/l a 80 mg/l, wskazując stężenia C 60 zapewniające najmniejszy prąd elektryzacji. Przy prędkościach przekraczających 150 rpm, optymalne stężenie znajduje się pomiędzy 100 mg/l a 200 mg/l. 6.4 Podsumowanie wyników badań elektryzacji strumieniowej olejów Przedstawiona w niniejszym rozdziale analiza wyników uzyskanych w trakcie badań określa wpływ stężenia C 60 na proces elektryzacji strumieniowej w oleju elektroizolacyjnym. Wstępna analiza charakteru rejestrowanego sygnału prądu elektryzacji wykazała, że sygnał ten ma charakter szumu białego o odchyleniu standardowym niezależnym od prędkości obrotowej oraz stężenia fulerenów C 60. Sygnał zawiera wyraźną składową okresową, ściśle skorelowaną z prędkością obrotową tarczy. Gęstość widmowa mocy sygnału zmienia się w trakcie pomiaru jedynie w losowy sposób, wynikający z dynamicznej natury zjawiska elektryzacji. Nie jest również zależna od prędkości obrotowej tarczy, poza zakresem częstotliwości od 0 do 6,7 Hz, gdzie ujawnia się składowa okresowa zdeterminowana przez prędkość obrotową tarczy. 14

Analiza zależności składowej stałej prądu elektryzacji od prędkości obrotowej tarczy, przeprowadzona dla 20 próbek o stężeniu fulerenów C 60 od 0 mg/l do 512 mg/l dowodzi, że domieszkowanie oleju fulerenem C 60 zmienia charakter analizowanej zależności. W każdej badanej próbce, składowa stała prądu elektryzacji jest zależna od prędkości obrotowej tarczy. W czystym oleju, prąd elektryzacji ma ujemny znak i monotonicznie maleje wraz z wzrastającą prędkością obrotów tarczy. Przy rosnącym w zakresie od 1 mg/l do 64 mg/l stężeniu C 60, krzywa prądu od prędkości zbliża się do 0 pa w całym zakresie prędkości. Znak prądu pozostaje ujemny. Począwszy od 80 mg/l, kierunek przepływu ładunku ulega zmianie i prąd przyjmuje dodatki znak. Dla tego i wyższych stężeń, obserwowane są również przegięcia krzywej prądu od prędkości, o charakterze nigdy nie obserwowanym w czystych olejach. Wartość bezwzględna składowej stałej prądu w próbkach o stężeniach pomiędzy 80 mg/l a 256 mg/l pozostaje poniżej 2 pa w całym zakresie prędkości od 0 do 400 rpm. Dwie próbki o najwyższych stężeniach C 60 (384 mg/l i 512 mg/l) charakteryzują się prądami elektryzacji znacznie przewyższającymi wartości zarejestrowane w czystym oleju oraz olejach o niższej zawartości C 60. Zależność prądu od prędkości w tych próbkach jest również wyraźnie odmienna od tej obserwowanej w pozostałych próbkach. Prąd osiąga swoje lokalne maksimum przy prędkości ok. 120 rpm. W zakresie prędkości od 120 rpm do ok. 190 rpm zmniejsza się wartość prądu, osiągając lokalne minimum przy ok. 190 rpm i ponownie rosnąc wraz z prędkością aż do najwyższej badanej prędkości 400 rpm. W trakcie badań określono również zależność prądu elektryzacji od stężenia C 60 przy stałej prędkości obrotowej tarczy. Dla niskich prędkości, poniżej 20 rpm, prąd utrzymuje się na poziomie porównywalnym z niepewnością pomiarową układu. Obserwowane wartości prądu są porównywalne niezależnie od stężenia C 60 w oleju. Dla wyższych prędkości obrotowych, zaobserwowano wyraźną, powtarzalną zależność. Prąd elektryzacji maleje wraz ze wzrostem stężenia fulerenów, aż do momentu osiągnięcia wartości minimalnej. Dalszy wzrost stężenia powoduje ponowny wzrost prądu. Najwyższy badany udział fulerenów na poziomie 384 mg/l oraz 512 mg/l powoduje, przy każdej badanej prędkości, wzrost prądu elektryzacji powyżej poziomów rejestrowanych w czystym oleju. Zakładając stałą prędkość obrotową tarczy, globalne minimum prądu elektryzacji występuje w różnych zakresach koncentracji fulerenów C 60, zależnie od prędkości przepływu. Dla prędkości niższych niż 150 rpm, optymalne stężenie C 60 leży pomiędzy 20 mg/l a 80 mg/l. Dla wyższych prędkości, najmniejsze prądy elektryzacji uzyskuje się przy stężeniach z zakresu od 100 mg/l do 200 mg/l. Zmienność optymalnego stężenia od prędkości przepływu wynika z wspomnianego wyżej zjawiska, polegającego na zmianie kierunku zależności prądu od prędkości z rosnącego na malejący przy wyższych stężeniach fulerenów. Pomimo faktu, że optymalne stężenie zależy od prędkości przepływu, możliwe jest wskazanie zakresu stężeń C 60, które można nazwać optymalnym dla całego zakresu badanych prędkości. Przy stężeniu C 60 pomiędzy 100 mg/l a 200 mg/l, prąd elektryzacji pozostaje poniżej 2 pa w całym zakresie prędkości od 0 do 400 rpm. Przy najwyższej badanej prędkości obrotowej równej 400 rpm, wskazane stężenia redukują prąd elektryzacji przynajmniej o 80%, w porównaniu do czystego oleju. 6.5 Wnioski Ze względu na rosnące moce oraz napięcia pracy transformatorów energetycznych, znaczenie zjawiska elektryzacji strumieniowej istotnie wzrosło w przeciągu ostatnich dziesięcioleci. Obecnie, najpowszechniej stosowaną i jednocześnie najpewniejszą metodą ograniczenia elektryzacji jest zmniejszenie prędkości przepływu cieczy chłodzącej. Nie jest to jednak pożądane rozwiązanie, ponieważ prowadzi do pogorszenia warunków chłodzenia transformatora. Pomimo tego, że opracowano inne metody ograniczania tendencji do elektryzacji olejów izolacyjnych, żadna z nich nie okazała się wystarczająco korzystną, aby stać się uniwersalnie stosowanym rozwiązaniem w przemyśle elektroenergetycznym. Pozostawia to otwartym problem znalezienia środka zaradczego na zjawisko elektryzacji strumieniowej. 15

Autor pracy proponuje wykorzystanie fulerenów C 60 jako inhibitora procesu elektryzacji w transformatorach mocy. Przez ostatnie lata, powstała znaczna ilość prac naukowych dotyczących dielektrycznych zastosowań fulerenów, w szczególności w postaci cienkich folii dielektrycznych. Choć w tej dziedzinie fulereny udowodniły swoją użyteczność, bardzo niewielka ilość prac porusza tematykę zastosowania fulerenów do modyfikacji właściwości tradycyjnych materiałów izolacyjnych, w szczególności cieczy. Badania polegały na domieszkowaniu oleju elektroizolacyjnego różnymi stężeniami fulerenów C 60 i określeniu wpływu zawartości domieszki na prąd elektryzacji oraz inne parametry elektryczne. Wykazano, że domieszkowanie fulerenami C 60 istotnie zmniejsza prąd elektryzacji w świeżym oleju transformatorowym. Przy stałej prędkości przepływu, możliwa jest optymalizacja stężenia, w celu osiągnięcia najmniejszej wartości prądu. Dla zmiennej prędkości przepływu, najbardziej optymalne stężenie C 60 leży w zakresie od 100 mg/l do 200 mg/l. W podanym zakresie stężeń, prąd elektryzacji nie przekracza 2 pa, nawet przy najwyższej badanej prędkości obrotowej równej 400 rpm. Wpływ C 60 na prąd elektryzacji ma podobny charakter przy wszystkich prędkościach przepływu powyżej 20 rpm. Prąd maleje wraz ze wzrostem stężenia aż do osiągnięcia swojej minimalnej wartości. Dalszy wzrost stężenia powoduje gwałtowny wzrost prądu elektryzacji. Najmniejsze wartości prądu osiągane są, dla prędkości mniejszych niż 150 rpm, przy stężeniach od 20 mg/l do 80 mg/l oraz, dla większych niż 150 rpm prędkości, przy stężeniach między 100 mg/l a 200 mg/l. Stężenia z zakresu od 100 mg/l do 200 mg/l znacząco redukują wartość prądu elektryzacji w całym badanym zakresie prędkości. W celu poznania ogólnych właściwości sygnału prądu elektryzacji, przeprowadzono dodatkową analizę czasową, częstotliwościową oraz czasowo-częstotliwościową. Funkcja autokowariancji wykazała obecność składowej okresowej w sygnale, która pochodzi z niedoskonałego wyważenia obrotowej części układu pomiarowego. Sygnał elektryzacji ma charakter szumu białego, implikując podobne wartości średniej oraz mediany sygnału. Średnia wartość sygnału zależna jest od prędkości obrotowej tarczy oraz zawartości fulerenów w próbce. Odchylenie standardowe nie zależy ani od prędkości ani od stężenia fulerenów, pozostając mniej więcej na tym samym poziomie. Rozkład gęstości widmowej mocy sygnału nie wyróżnia żadnej częstotliwości, poza zakresem od 0 do 10 Hz, który jest ściśle związany z prędkością obrotową tarczy. Zależność ta widoczna jest również na spektrogramach pokazujących zależność rozkładu gęstości widmowej mocy od prędkości obrotowej. Dla częstotliwości wyższych niż 10 Hz, gęstość widmowa mocy pozostaje na podobnym poziomie. Nie zależy również od prędkości ani od stężenia C 60. Na podstawie analizy czasowoczęstotliwościowa sygnału, stwierdzono, że rozkład gęstości mocy nie wykazuje żadnych trendów czasowych. W celu upewnienia się, że proponowany dodatek nie pogarsza innych, ważnych parametrów oleju, przeprowadzono kontrolne pomiary napięcia przebicia, tangensa kąta stratności, rezystywności oraz przenikalności elektrycznej wszystkich 20 próbek. Pomiary dowiodły, że C 60 nie pogarsza żadnego z badanych parametrów, utrzymując je na tych samych lub korzystniejszych poziomach w porównaniu do czystego oleju. Kluczowe znaczenie ma fakt, że dodatek C 60 nie pogarsza wytrzymałości elektrycznej oleju. W trakcie przeprowadzonych pomiarów, żadna z modyfikowanych C 60 próbek nie wykazała niższego napięcia przebicia niż kontrolna próbka czystego oleju. Pomiary wykazały również pozytywny wpływ C 60 na stratność dielektryczną oleju. W zakresie stężeń od 0 do 100 mg/l, maleje ona wraz z rosnącą zawartością fulerenów. Pomimo, że dalszy wzrost stężenia powoduje zwiększanie tangensa kąta stratności, pozostaje on na niższym poziomie niż w czystym oleju aż do stężeń sięgających 250 mg/l. Przedstawione w niniejszej pracy wyniki wskazują, że C 60 ma potencjał, aby stać się rozwiązaniem problemu elektryzacji strumieniowej w transformatorach mocy. Choć fizykochemiczne podstawy wpływu C 60 na olej elektroizolacyjny nie są znane, uzyskane rezultaty jednoznacznie dowodzą zdolności proponowanego dodatku do znacznej redukcji skali zjawiska elektryzacji, nie 16

pogarszając przy tym żadnego z innych, badanych w pracy, kluczowych parametrów świeżego oleju transformatorowego. 7 Problemy otwarte Chociaż rezultaty uzyskane w trakcie przeprowadzonych badań są obiecujące, wiele istotnych pytań dotyczących interakcji C 60 z olejem transformatorowym pozostaje otwartych. Należy przeprowadzić badania na różnych olejach, o różnym źródle pochodzenia, jak również z różnymi stałymi materiałami izolacyjnymi stosowanymi w transformatorach mocy. Powinny zostać także określone temperaturowe charakterystyki wpływu C 60 na elektryzację oraz pozostałe parametry oleju. Kluczowe jest określenie wpływu starzenia oraz utleniania na właściwości oleju domieszkowanego C 60. Szczególną uwagę należy zwrócić na stabilność stężenia C 60 w oleju w trakcie upływu lat pracy transformatora. Należy określić stopień wnikania C 60 i jego pochodnych do stałych materiałów izolacyjnych jak również wpływ C 60 na ich parametry. Przedmiotem dogłębnych badań powinny być również reakcje C 60 z zanieczyszczeniami takimi jak m.in. miedź, woda, celuloza, które pojawiają się w oleju transformatorowym w wyniku starzenia izolacji. Aby określić możliwość zastosowania proponowanego inhibitora nie tylko w nowych transformatorach, ale również w jednostkach w trakcie eksploatacji, należy określić jego wpływ na zestarzoną izolację transformatora zarówno stałą jak i ciekłą. Właściwości modyfikowanego oleju, w szczególności wytrzymałość elektryczna oraz tendencja do elektryzacji, powinny być przebadane również dla okresu przejściowego, po dodaniu C 60, kiedy nie jest on jeszcze całkowicie rozpuszczony w oleju. Poznanie natury reakcji zachodzących między olejem a C 60 oraz natury jego wpływu na zjawisko elektryzacji oraz pozostałe parametry oleju elektroizolacyjnego jest również istotne dla lepszego zrozumienia możliwości oraz zagrożeń, jakie stwarza proponowany dodatek. 17

8 Bibliografia [1] Aksamit P. Elektryzacja toluenu domieszkowanego fullerenami. Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej - Elektryka (2008) 326: pp. 7-8 [2] Allan D, Diesendorf J, Jones S, Rungis J. Insulation Failures and Dielectric Diagnostics; Practices and Challenges in the Australian Region. In Cigre, 15/21/33-04. 1996 [3] Bright A. Electrostatic Hazards in Liquids and Powders. Journal of Electrostatics (1977) 4: pp. 131-147 [4] Bustin W, Dukek W. Electrostatic hazards in the petroleum industry.. John Wiley and Sons, 1983 [5] Crofts D. The static electrification phenomena in power transformers. Annual Report. Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Claymont, Delaware (1986) : pp. 222-236 [6] Crofts D. The Static Electrification Phenomena in Power Transformer. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (1988) 23: pp. 137-146 [7] Gasworth S, Melcher J, Zahn M. Flow-Induced Charge Accumulation in Thin Insulating Tubes. IEEE Transactions on Electrical Insulation (1988) 23: pp. 103-115 [8] Jeda M, Goto K, Okubo H, Miyamoto T, Tsukioka H, Kohno Y. Suppression of Static Electrification of Insulating Oil For Large Power Transformers. IEEE Transactions on Electrical Insulation (1988) 23: pp. 153-157 [9] Klinkenberg A, van der Minne J. Electrostatics in the petroleum industry. Elsevier Publishing Company, 1958 [10] Krause C, Moser H, Praxl G, Spandonis G, Stonitsch R. Electrostatic Charging in Large Models of Power transformer Cooling Ducts. In Cigre, jwg12/15.13 tf-01, tf-02, session paris. 1992 [11] Kędzia J. Badania elektryzacji statycznej mineralnych olejów izolacyjnych.. Wydawnictwo WSI w Opolu, 1988 [12] Kędzia J. Zagrożenia izolacji transformatorów energetycznych wywołane elektryzacją statyczną.. Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej, 1999 [13] Lindgren S. Progress in the control of static electrification in power transformers. Electra (1992) 133: pp. 51-59 [14] Lindgren S, Washabaugh A, Zahn M, Guggenberg P, Brubaker M, Nelson J. Temperature and Moisture Transient Effects on Flow Electrification in Power Transformers. In Cigre, paper 15/12-02, general session Paris. 1992 [15] Metwally I. Characterization of Static Electrification in Power Transformers. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (1996) 3: pp. 307-315 [16] Metwally I. Influence of Solid Insulating Phase on Streaming Electrification of Transformer Oil. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (1997) 4: pp. 327-340 [17] Metwally I. Flow electrification of transformer oil effects of mixed fields. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (1998) 5: pp. 518-526 [18] Mitsubishi Electric Corporation. Effects of BTA on Transformer Materials. (1985) [19] Miyao H, Mori E, Isaka S, Tsuchie M, Takamoto M, Kobayashi S, Kobayashi T, Ono T, Okubo H. The Electrostatic Charging Tendency of In-Service Oils and The Evaluation Method of Leakage Current from Transformer Windings. Symposium Proceedings - Transformer Reliability: Management of Static Electrification in Power Transformers, EPRI (1999) : pp. 34-47 [20] Moreau E, Paillat T, Touchard G. Flow Electrification in High Power Transformers: BTA Effect on Pressboard Degraded by Electrical Discharges. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (2003) 10: pp. 15-21 [21] Morin A, Zahn M, Melcher J. Fluid Electrification Measurements in Transformer Pressboard-Oil Insulation. In Sixth international symposium on HV engineering, paper 13.13. 1989 18

[22] Morin A, Zahn M, Melcher J, Otten D. An absolute charge sensor for fluid electrification measurements. IEEE Transactions on Electrical Insulation (1991) 26: pp. 181-199 [23] Poittevin J, Sapet J. Preventive Detection of Electrostatic Phenomena in Transformers. In Cigre, paper 15/12-02, general session Paris. 1992 [24] Praxl G, Neuner K. Static Electrification at Solid/Liquid Interfaces of Power Transformers. In Symposium proceedings - transformer reliability: management of static electrification in power transformers, epri. 1999 [25] Radwan R, El-Dewieny R, Metwally I. Investigation of Static Electrification Due to Transformer Oil Flow in Electric Power Apparatus. IEEE Transactions on Electrical Insulation (1992) 27: pp. 278-286 [26] Tagaki T, Ishii T, Okada T, Kunta K, Tamura R, Yamada N, Murata H. Reliability improvement of 500kV large capacity power transformer. CIGRE Paper (1978) : pp. 12-02 [27] Wang J, Haolong M. Computation of streaming current in oil pipes. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (2009) 16: pp. 299-304 [28] Washabaugh A, Schlicker D, Zahn M. Flow Electrification Measurements of Transformer Insulation. Symposium Proceedings - Transformer Reliability: Management of Static Electrification in Power Transformers, EPRI (1999) [29] Washabaugh A, Zahn M. A Study of the Effect of BTA on Flow Electrification Using Rotating Cylindrical Electrodes. EPRI TR-105019 (1995) [30] Washabaugh A, Zahn M. Flow electrification measurements of transformer insulation using a Couette flow facility. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (1996) 3: pp. 161-181 [31] Washabaugh A, Zahn M. A chemical reaction-based boundary condition for flow electrification. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (1997) 4: pp. 688-709 [32] Wiklund P, Levin M, Pahlavanpour B. Copper Dissolution and Metal Passivators in Insulating Oil. IEEE Electrical Insulation Magazine (2007) 23: pp. 6-14 [33] Wu H, Jayaram S. Dc Field Effects on Streaming Electrification in Insulating Oils. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (1996) 3: pp. 499-506 [34] Zmarzły D. Analiza szumów generowanych elektrycznością statyczną podczas przepływu oleju izolacyjnego. Politechnika Opolska, Wydział Elektrotechniki i Automatyki. 2002 [35] Zmarzły D. Streaming electrification current density distribution inside pipes assuming overcharged boundary layer. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (2009) 16: pp. 372-376 [36] Zmarzły D, Aksamit P. Procesy przejściowe elektryzacji strumieniowej. Przegląd Elektrotechniczny (2006) 4: pp. 314-317 [37] Zmarzły D, Aksamit P. Badanie elektryzacji węglowodorów domieszkowanych fullerenami. Przegląd Elektrotechniczny (2008) : pp. 44-46 19