Dr iż. Piotr Przybyłek Dr hab. iż. Krzysztof Siodła, prof. adzw. Istytut Elektroeergetyki Politechika Pozańska ul. Piotrowo 3a, 60-965 Pozań, Polska E-mail: piotr.przybylek@put.poza.pl, krzysztof.siodla@put.poza.pl Zastosowaie czujika pojemościowego do pomiaru zawartości wody w cieczach elektroizolacyjych Słowa kluczowe: czujik pojemościowy, pomiar zawartości wody, ciecz elektroizolacyja, trasformator Streszczeie: W artykule omówioo problematykę pomiaru zawartości wody w cieczach elektroizolacyjych przy wykorzystaiu czujików pojemościowych. Opisao czyiki wpływające a wiarygodość pomiaru zawartości wody. Autorzy pracy omówili zagadieia związae z graiczym asyceiem cieczy elektroizolacyjych wodą. W artykule zapropoowaa została metoda umożliwiająca wyzaczeie współczyików, za pomocą których możliwe jest obliczeie graiczego asyceia cieczy elektroizolacyjej wodą w fukcji temperatury. Wyzaczeie współczyików umożliwia poprawe obliczeie zawartości wody w ppm wagowo za pomocą zmierzoego sodą pojemościową względego asyceia badaej cieczy wodą. Propozycje zawarte w artykule poprawiają iezawodość metody wyzaczaia zawartości wody w cieczach elektroizolacyjych, a przez to przyczyiają się do bezawaryjej eksploatacji urządzeń elektroeergetyczych izolowaych tymi cieczami. 1. Wprowadzeie Obecość wody w układzie izolacyjym urządzeń elektroeergetyczych staowi duży problem eksploatacyjy. Problem te dotycz przede wszystkim urządzeń izolowaych materiałami celulozowymi zaimpregowaymi cieczą elektroizolacyją [4, 5]. Przykładami takich urządzeń są trasformatory eergetycze oraz przekładiki. Problem te dotyczy rówież trasformatorowych izolatorów przepustowych. Wraz z upływem lat eksploatacji daego urządzeia rośie zawilgoceie jego izolacji. Problem te był wielokrotie omawiay w różych publikacjach aukowych [2, 4, 15], główie w kotekście zawilgoceia izolacji papierowo-olejowej trasformatorów eergetyczych. Autorzy tych prac zauważają, że woda jest ie tylko produktem rozkładu izolacji celulozowej, ale rówież do tego rozkładu się przyczyia. W wyiku obecości wody w układzie izolacyjym oraz oddziaływaia wysokiej temperatury dochodzi do procesu depolimeryzacji celulozy, co skutkuje spadkiem jej wytrzymałości mechaiczej [1, 12, 17]. Iymi egatywymi astępstwami obecości wody w układzie izolacyjym są: spadek wytrzymałości elektryczej izolacji, obiżeie apięcia zapłou wyładowań iezupełych [19] oraz groźba wystąpieia zjawiska bąbelkowaia [8, 11], która jest tym większa im bardziej zawilgocoa jest izolacja celulozowa. Duże zawilgoceie izolacji wymusza ograiczeia w obciążalości urządzeia. Jedym z pozytywych aspektów obecości wody w izolacji stałej jest wzrost jej przewodości cieplej, co w pewym stopiu poprawia chłodzeie uzwojeń trasformatora [7]. Niemiej jedak egatywe skutki obecości wody
przeważają i dąży się do tego aby zawilgoceie izolacji urządzeń elektroeergetyczych było jak ajmiejsze. Ze względu a długotrwałą eksploatację urządzeń elektroeergetyczych problem zawilgoceia jest poważy i dotyczy ie tylko polskiego systemu elektroeergetyczego, ale rówież systemów większości krajów. Problem zawilgoceia izolacji jest zay społeczości międzyarodowej już od kilkudziesięciu lat i jest zagadieiem wciąż aktualym o czym świadczą ajowsze publikacje o zasięgu światowym dotyczące między iymi metod pomiaru zawilgoceia izolacji trasformatora [6, 13, 20], a także zagadień związaych z formami występowaia wody [3, 13, 21] i jej migracji w układzie celuloza ciecz elektroizolacyja [2, 15]. Obecie trwają prace międzyarodowej grupy roboczej CIGRE D1.52 Moisture measuremet i isulatig fluids ad trasformer isulatio mające a celu między iymi poprawę wiarygodości metod pomiaru zawartości wody w cieczach elektroizolacyjych. 2. Soda pojemościowa do pomiaru zawartości wody w cieczy elektroizolacyjej Najczęściej wykorzystywaą metodą pomiaru zawartości wody w cieczach elektroizolacyjych jest miareczkowaie wykorzystujące reakcję Karla Fischera (KFT Karl Fischer Titratio). Jest to metoda zormalizowaa [10], którą cechuje duża dokładość pomiaru zawartości wody. Zawartość wody zmierzoa za pomocą metody KFT wyrażaa jest w ppm wagowo. Do pomiaru zawartości wody wymagae jest pobraie próbki cieczy z badaego urządzeia. W ostatich latach duży acisk kładzie się a moitorig wielkości pozwalających oceić sta urządzeń, szczególie trasformatorów eergetyczych o strategiczym zaczeiu. Dostępe a ryku urządzeia (rys. 1) wyposażoe w czujiki pojemościowe pozwalają a prowadzeie moitorigu zawilgoceia cieczy elektroizolacyjej, co z pewością jest ich dużą zaletą. Rys. 1. Urządzeia wykorzystywae do moitorowaia zawilgoceia oraz temperatury cieczy elektroizolacyjej trzy urządzeia z prawej stroy rysuku mają rówież możliwość pomiaru wybraych gazów rozpuszczoych w cieczy Na rysuku 2 przedstawioo przykład moitorigu zawilgoceia oleju mieralego w autotrasformatorze o mocy 160 MVA. Należy jedak zwrócić uwagę a fakt, iż ieprawidłowa eksploatacja sod pojemościowych może prowadzić do stawiaia błędych diagoz co do stau urządzeia. Omawiae sody, oprócz czujików pojemościowych, wyposażoe są rówież w czujiki temperatury. Za pomocą czujika pojemościowego wyzaczae jest względe asyceie (RS) badaej cieczy wodą, które moża wyrazić za pomocą wzoru WCL RS 100, (1) S gdzie WCL ozacza zawartość wody w cieczy wyrażoą w ppm wagowo, atomiast S ozacza graicze asyceie cieczy wodą, które rówież wyrażoe jest w ppm wagowo.
Rys. 2. Przykład istalacji systemu moitorigu zawartości wody oraz gazów w oleju a autotrasformatorze 160 MVA Graicze asyceie cieczy wodą ależy rozumieć jako maksymalą ilość wody jaka może się w iej rozpuścić w daej temperaturze. Przekroczeie graiczego asyceia cieczy wodą skutkuje pojawieiem się wody wydzieloej. Graicze asyceie wodą daej cieczy zależy ie tylko od temperatury, ale także od wielu iych czyików takich jak: rodzaj cieczy estry sytetycze (S=1758 ppm dla 20C), aturale (S=858 ppm dla 20C) oraz oleje silikoowe (S=169 ppm dla 20C) mają zaczie większą rozpuszczalość wody iż oleje mierale (S=47 ppm dla 20C), skład cieczy p. wraz ze wzrostem zawartości frakcji aromatyczej w oleju mieralym rośie rozpuszczalość wody, stopień zestarzeia ciecze zestarzoe charakteryzujące się podwyższoą liczbą kwasową posiadają polare produkty starzeia, które wpływają a wzrost rozpuszczalości wody. Za pomocą czujika pojemościowego mierzoe jest pośredio względe asyceie cieczy wodą, które jest wprost proporcjoale do pojemości czujika, który staowi główy elemet sody pojemościowej. Budowę czujika przedstawioo a rysuku 3. Rys. 3. Czujik pojemościowy; a) schemat budowy, b) zdjęcie czujika [13]
Czujik pojemościowy składa się z dwóch elektrod, pomiędzy którymi umieszczoy jest cieki, higroskopijy polimer. Elektrody są wykoae w sposób umożliwiający kotakt polimeru z badaą cieczą izolacyją. Obece w cieczy izolacyjej cząsteczki wody peetrują do higroskopijego polimeru, w ilości zależej od wilgotości względej środowiska, w którym zaurzoy jest czujik. Wzrost zawartości wody w polimerze powoduje wzrost jego przeikalości elektryczej, co z kolei wiąże się ze wzrostem pojemości elektryczej czujika [13]. Opisaa powyżej zasada działaia czujika umożliwia poprawy pomiar względego asyceia wodą różych cieczy elektroizolacyjych. Problem pojawia się w sytuacji, gdy potrzeba jest wiedza a temat zawartości wody wyrażoej w ppm wagowo, co wymuszają, ie koieczie zasadie, ormy i istrukcje eksploatacji urządzeń elektroeergetyczych [9, 16]. Istieje możliwość obliczeia stężeia wody WCL w cieczy w ppm wagowo a podstawie wzoru (1). Aby to zrobić iezbęde jest obliczeie graiczego asyceia cieczy wodą a podstawie wzoru Arrheiusa B log S( T) A, (2) T gdzie A i B to współczyiki charakterystycze dla daej cieczy izolacyjej, atomiast T ozacza temperaturę wyrażoą w K. Obliczeie graiczego asyceia cieczy wodą jest możliwe w sytuacji, gdy zae są współczyiki A i B. Niestety współczyiki te są zależe od szeregu, wyżej wymieioych czyików, wpływających a rozpuszczalość wody w cieczy elektroizolacyjej. Motowae w urządzeiach sody pojemościowe mają wbudoway algorytm pozwalający a obliczeie zawartości wody w cieczy elektroizolacyjej w ppm wagowo, jedak do obliczeń wykorzystują ajczęściej współczyiki A i B, które zostały wyzaczoe dla daego, owego oleju mieralego. Pomiar zawartości wody w ppm wagowo za pomocą sody pojemościowej, w cieczach o iej rozpuszczalości wody iż owy olej mieraly, może być zacząco zaiżoy. Z tego też względu, przy obliczaiu zawartości wody w ppm wagowo a podstawie zmierzoego sodą pojemościową względego asyceia cieczy wodą iezbęde jest wyzaczeie współczyików A i B dla cieczy pobraej z badaego urządzeia. 3. Metoda wyzaczaia współczyików A i B 3.1. Opis metody W ramach grupy roboczej CIGRE D1.52 (CIGRE Coseil Iteratioal des Grads Réseaux Électriques) trwają prace, które mają a celu zapropoowaie metod pozwalających a wiarygode wyzaczeie współczyików A i B opisujących graicze asyceie cieczy elektroizolacyjych wodą. Poiżej opisaa została jeda z propoowaych do zamieszczeia w broszurze CIGRE metod. Propoowaa metoda powstała między iymi a bazie doświadczeń autorów prac [3, 6, 13, 18]. Metoda ta opiera się a kodycjoowaiu cieczy elektroizolacyjej w szczelie zamkiętym aczyiu dla trzech różych wartości temperatury. Po uzyskaiu stau rówowagi zawilgoceia, dla każdego poziomu temperatury, mierzoe są astępujące parametru oleju: zawartość wody, względe asyceie cieczy wodą oraz temperatura. Na podstawie tak uzyskaych daych wyzaczae są współczyiki A i B. 3.2. Układ pomiarowy W skład układu pomiarowego (rys. 4) wchodzi szklae aczyie o objętości około jedego litra wypełioe cieczą elektroizolacyją. Naczyie powio być szczelie zamkięte za pomocą pokrywy wykoaej z politetrafluoroetyleu (PTFE). Zamiast szkła
i PTFE do budowy układu mogą być wykorzystae ie materiały, które charakteryzują się małą higroskopijością i ie wchodzą w reakcję chemiczą z badaą cieczą. Rys. 4. Układ pomiarowy służący do wyzaczaia współczyików A i B [14] W pokrywie przygotowae są dwa otwory. Pierwszy z ich umożliwia motaż sody z czujikami pojemościowym i temperatury. Natomiast drugi otwór służy do motażu igły z zaworem. Za pomocą igły pobieraa jest próbka cieczy do pomiaru zawartości wody za pomocą metody Karla Fischera. Podczas kodycjoowaia badaa ciecz jest mieszaa za pomocą mieszadła magetyczego. Czujiki pojemościowy i temperatury umieszczoe są bezpośredio ad mieszadłem magetyczym. 3.3. Procedura pomiarowa Kodycjoowaie oleju przeprowadza się dla trzech poziomów temperatury wybraych z zakresu od 20 do 60C, przy czym różica pomiędzy kolejymi poziomami temperatury powia wyosić co ajmiej 10C. Natomiast względe asyceie cieczy wodą, w wyżej wskazaym zakresie temperatury, powio mieścić się w zakresie od 15% (dla wysokiej wartości temperatury cieczy) do 75% (dla iskiej wartości temperatury cieczy). Z tego względu koiecze jest wstępe zawilgoceie cieczy do poziomu około 70% wilgotości względej przy temperaturze 20C. Kodycjoowaie aczyia z olejem powio odbywać się w komorze klimatyczej, której zadaiem jest wymuszeie odpowiediej temperatury cieczy. Poadto wskazae jest aby, po ustaleiu się zadaej wartości temperatury oleju, ustawić wartość wilgotości względej powietrza w komorze a tym samym poziomie, co względe asyceie badaej cieczy wodą. W te sposób zapobiegie się migracji wody w sytuacji wystąpieia ieszczelości w układzie pomiarowym. Po ustaleiu się temperatury ależy rówież, a bardzo krótki czas, otworzyć zawór igły w celu wyrówaia ciśieia powietrza w aczyiu do ciśieia atmosferyczego. Czas kodycjoowaia cieczy, dla każdego poziomu temperatury, powiie być a tyle długi, aby układ osiągął sta rówowagi zawilgoceia i temperatury. Dla każdego poziomu temperatury, po osiągięciu stau rówowagi, wartość względego asyceia wodą RS i temperatury T badaej cieczy powia być zapisaa. Poadto, ależy pobrać próbkę cieczy i zmierzyć zawartość wody WCL metodą Karla Fischera.
Wykorzystując wyzaczoe zestawy daych (RS, T, WCL ) oraz wzór (3) powstały z przekształceia wzoru (1) oraz (2) możliwe jest wyzaczeie współczyików A i B. WCL B log( 100) A (3) RS T 3.4. Wyiki badań przykład zastosowaia metody Na rysuku 5 przedstawioo zastosowaie powyżej opisaej procedury do wyzaczaia współczyików A i B dla owego oleju mieralego. Czas kodycjoowaia w tym przypadku wyosił 24 h dla każdego poziomu temperatury. Rys. 5. Procedura wyzaczaia współczyików A i B; wyiki uzyskae dla owego oleju mieralego: T 1 =20,47C, RS 1 =70,21%, WCL 1 =33,6 ppm; T 2 =35,54C, RS 2 =38,17%, WCL 2 =34,2 ppm; T 3 =50,59C, RS 3 =22,25%, WCL 3 =35,4 ppm Na podstawie wyików badań przedstawioych a rysuku 5 oraz wykorzystując wzór (3) wyzaczoo współczyiki A=7,288 i B=1646,897 dla owego oleju mieralego. Badaie to powtórzoo dwukrotie, a otrzymae wyiki zestawioo w tablicy 1 oraz a rysuku 6. Tablica 1. Porówaie współczyików A i B oraz obliczoego a ich podstawie graiczego asyceia oleju mieralego wodą S Temperatura [C] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pomiar 1 A=7,288,B=1646,897 S±U(S) [ppm] 18±2 30±3 47±4 72±7 107±10 155±15 221±21 308±30 421±42 566±57 749±76 Pomiar 2 A=7,246,B=1635,942 S±U(S) [ppm] 18±2 29±3 46±4 71±7 105±10 153±15 216±21 301±30 411±42 551±57 727±76 Pomiar 3 A=7,342,B=1662,676 S±U(S) [ppm] 18±2 30±3 47±4 72±7 108±10 157±15 224±22 314±31 430±43 580±58 769±78 U(S) - rozszerzoa iepewość pomiarowa Na podstawie wyików badań przedstawioych w tablicy 1 oraz a rysuku 6 moża stwierdzić dużą powtarzalość wyików uzyskiwaych za pomocą propoowaej metody.
Rys. 6. Porówaie wyików graiczego asyceia owego oleju mieralym wodą w fukcji temperatury Dla wyików graiczego asyceia cieczy wodą S przedstawioych w tablicy 1 wyzaczoo iepewość rozszerzoą U(S) dla współczyika rozszerzeia k=2. Do obliczeń zastosowao wzór WCL WCL ( 100) ( 100) RS RS U ( S ) ( ) ( ) ( ) k uc S k u WCL u RS. (4) WCL RS Dla wyzaczeia iepewości pomiaru graiczego asyceia oleju mieralego wodą przyjęto iepewość stadardową pomiaru zawartości wody metodą KFT rówą u(wcl)=1,5 ppm oraz iepewość stadardową pomiaru względego asyceia oleju wodą rówą u(rs)=0,5%. Zakres iepewości dla pomiaru 1 graiczego asyceia oleju mieralego wodą przedstawioo a rysuku 7. 2 2 Rys. 7. Zakres iepewości graiczego asyceia oleju mieralego wodą; S=f(T) wyik graiczego asyceia oleju wodą uzyskay dla pomiaru 1 (tablica 1), U(S) rozszerzoa iepewość pomiarowa
Należy zwrócić uwagę, że a wiarygodość współczyików pozwalających a opisaie graiczego asyceia cieczy elektroizolacyjej wodą w fukcji temperatury duży wpływ ma dokładość pomiaru zawartości wody metodą Karla Fischera. Nawet iewielki błąd pomiaru zawartości wody może spowodować zaczący błąd wyzaczaej rozpuszczalości wody, szczególie w zakresie wysokich wartości temperatury. 4. Podsumowaie W artykule zapropoowaa została metoda wyzaczaia współczyików pozwalających a opisaie rozpuszczalości wody w cieczy elektroizolacyjej w fukcji temperatury. Zajomość rozpuszczalości wody w fukcji temperatury jest potrzeba w sytuacji koieczości przeliczeia zmierzoego za pomocą czujika pojemościowego względego asyceia wodą badaej cieczy a zawartość wody wyrażoą w ppm wagowo. W artykule przedstawioo procedurę wyzaczaia współczyików a przykładzie owego oleju mieralego. Należy jedak zwrócić uwagę a fakt, że wyzaczoe wartości współczyików są poprawe jedyie dla zbadaego w ramach pracy oleju mieralego. Zastosowaie ich do iych cieczy elektroizolacyjych, a szczególie dla olejów mieralych zestarzoych, silikoowych oraz estrów spowoduje zaczące zaiżeie wyików zawartości wody w ppm wagowo. Przeprowadzoe do tej pory badaia pozwalają a stwierdzeie, że przedstawioa metoda wyzaczaia współczyików pozwalających a opisaie rozpuszczalości wody w fukcji temperatury może być stosowaa dla różych cieczy elektroizolacyjych, takich jak: oleje mierale, silikoowe, estry sytetycze i aturale. Stwierdzoo dużą powtarzalość wyików uzyskiwaych za pomocą wyżej opisaej metody. Podziękowaia: Praca sfiasowaa ze środków przekazaych przez MNiSzW a działalość statutową r 04/41/DS-PB/4181, azwa zadaia: Rozpuszczalość wody w cieczach elektroizolacyjych procedura pomiarowa, wyzaczeie współczyików pozwalających a obliczeie rozpuszczalości wody w oleju mieralym w fukcji temperatury. Literatura 1. Cigré Brochure 323, Ageig of cellulose i mieral-oil isulated trasformers, 2007. 2. Cigré Brochure 349, Moisture equilibrium ad moisture migratio withi trasformer isulatio systems, 2008. 3. Fofaa I., Arakelia V.G., Water i oil-filled high-voltage equipmet, Part I: States, Solubility, ad Equilibrium i Isulatig Materials, IEEE Electrical Isulatio Magazie 2007; 23(4): 15-27. 4. Gieliak J., Graczkowski A., Morańda H., Przybyłek P., Walczak K., Nadoly Z., Mościcka-Grzesiak H., Gubański S.M., Feser K., Moisture i cellulose isulatio of power trasformers: statistics, IEEE Trasactios o Dielectrics ad Electrical Isulatio 2013; 20(3): 982-987. 5. Gieliak J., Przybyłek P., Rozkład zawilgoceia w rdzeiu izolatora przepustowego o izolacji typu RBP, w materiałach X Koferecji Naukowo-Techiczej Trasformatory Eergetycze i Specjale, 2014; 51-60.
6. Gradik T., Koca-Gradik M., Petric N., Muc N., Experimetal evaluatio of water cotet determiatio i trasformer oil by moisture sesor, w materiałach IEEE Iteratioal Coferece o Dielectric Liquids (ICDL) 2011; 1-4. 7. Łopatkiewicz R., Nadoly Z., Przybyłek P., The ifluece of water cotet o thermal coductivity of paper used as trasformer widigs isulatio, w materiałach 10 th IEEE Iteratioal Coferece o the Properties ad Applicatios of Dielectric Materials (ICPADM) 2012; 1-4. 8. Oomme T.V., Lidgre S.R., Bubble evolutio from trasformer overload, w materiałach Trasmissio ad Distributio Coferece ad Expositio 2001; 137-142. 9. IEC 60422, Mierale oleje izolacyje w urządzeiach elektryczych Zaleceia dotyczące adzoru i koserwacji, 2006. 10. IEC 60814, Isulatig liquids - Oil-impregated paper ad pressboard - Determiatio of water by automatic coulometric Karl Fischer titratio, 2002. 11. Przybyłek P., Badaia temperatury iicjacji efektu bąbelkowaia w izolacji papierolej, Przeglad Elektrotechiczy (Electrical Review) 2010; 86(11B): 166-169. 12. Przybyłek P., Mościcka-Grzesiak H., The ifluece of water cotet ad ageig degree of paper isulatio o its mechaical stregth, w materiałach 10 th IEEE Iteratioal Coferece o the Solid Dielectrics (ICSD) 2010; 1-3. 13. Przybyłek P., Rozpuszczalość wody w cieczach izolacyjych w aspekcie badaia ich zawilgoceia przy użyciu sody pojemościowej, Przeglad Elektrotechiczy (Electrical Review) 2012; 88(11A): 347-350. 14. Przybyłek P., Siodła S., Determiatio of water solubility coefficiets text proposal for the Brochure, materiał iepublikoway opracoway a potrzeby grupy roboczej CIGRE D1.52, Helsiki 2015. 15. Przybyłek P., The ifluece of temperature ad cellulose polymerizatio degree o water distributio i oil-paper isulatio, IEEE Trasactios o Dielectrics ad Electrical Isulatio 2013; 20 (2): 552-556. 16. Ramowa Istrukcja Eksploatacji Trasformatorów, ZPBE Eergopomiar, Gliwice, 2012. 17. Shroff D.H., Staett A.W., A review of paper agig i power trasformers, w IEE Proceedigs C. Geeratio, Trasmissio ad Distributio 1985; 132(6): 312-319. 18. Vaisala HUMICAP Moisture ad Temperature Trasmitter Series HMT330 User s Guide, 2008. 19. Ziomek W., Kuffel E., Sikorski W., Staiek P., Siodła K., Locatio ad recogitio of partial discharge sources i a power trasformer usig advaced acoustic emissio method, Przeglad Elektrotechiczy (Electrical Review) 2008; 10/2008(84): 20-23.
20. Żukowski P., Kołtuowicz T.N., Kierczyński K., Subocz J. Szrot M., Gutte M., Sebok M., Jurcik J., A aalysis of AC coductivity i moist oil-impregated isulatio pressboard, IEEE Trasactios o Dielectrics ad Electrical Isulatio 2015; 22(4): 2156-2164. 21. Żukowski P., Kołtuowicz T.N., Kierczyński K., Subocz J. Szrot M., Formatio of water aodrops i cellulose impregated with isulatig oil, Cellulose 2015, 22(1): 861-866.