Muuntajan päätyeristysten muoto-optimointi

DIPLOMITYÖ

Eerola, Tenho

Teknlfiisen korkeakoulun Sähköt&knilliser. osaston

käsikirjasto 10110

Muuntajan päätyeristysten muoto-optlmolntl.

Annettu 26.2.1974

Jätettävä tarkastettavaksi viimeistään 26.11.1974.

Diplomityön suoritusohjeet annettu.

Seminaariesitelmä pidetty

Jätetty tarkastettavaksi Tarkastettu Arvosana

sa Vaasassa. Työn valvojana on ollut apulaisprofessori Tapani Jokinen Helsingin Teknillisestä Korkeakoulusta.

Työn aiheen olen saanut tutkimuslaitoksen johtajalta, dosentti Matti Karttuselta. Työn ohjaajana on toiminut suurjännitelabora- torion päällikkö, tekniikan lisensiaatti Torbjörn Bertula. Käy­

tännön ohjeita olen saanut insinööri Erkki Mörskyltä. Mittauk­

sissa minua ovat avustaneet teknikko Erkki Kauppi, Jari Pirho­

nen, Kalervo Tiainen ja Matti Järvinen.

Kiitän Oy Strömberg Ab:tä, valvojaa, ohjaajaa sekä muita työhön osallistuneita henkilöitä saamastani merkityksekkäästä tuesta ja avusta.

Vaasassa 1974-08-30

Tenho Eerola

Huutoniementie 22 H 1 65320 VAASA 32

SISÄLLYSLUETTELO

ALKULAUSE I

SISÄLLYSLUETTELO II

MATEMAATTISTEN MERKKIEN LUETTELO III

LIITE LUET TELO IV

1. JOHDANTO 1

2. MUUNTAJAN ERISTYSRAKENTEEN JÄNNITELUJUUS 2

2. 1. Muuntajan päätyeristys 2

2. 2. Öljy 4

2. 3. Paperi 8

2.4. Öljypaperi 9

2.4.1. Öljypaperin vanheneminen 10

2.4.2. Osittaispurkaukset öljypaperissa 10

2.4.3. Öljypaperin kosteus H

2.5. Kirjallisuudessa esitettyjen pääty rakenteiden tarkastelu 12

2.6. Yhteenveto 15

3. KENTTÄKUVATUTKIMUKSET 17

3. 1. Keinot käämin päädyn kenttäkuvan määräämiseksi 17 3. 2. Resistanssipaperimallit kenttäkuvan määräämistä

varten 20

3. 3. Suhteellisen kentänvoimakkuuden laskeminen 2j 3.4. Kentänvoimakkuuden laskeminen suojarenkaan pa-

perieristeen pinnalla 25

3. 5. Laskentatulosten sovellutus muoto -optimointiin 26

4. MITTAUKSET 36

4. 1. Koekappale 36

4. 1. 1. Koekappaleiden käsittely ennen koe stusta 36

4. 2. Mittausmenetelmät 37

4. 3. Mittalaitteet 40

4. 3. 1. Mittalaitteiden tarkkuus 40

4. 4. Koestus 40

4. 5. Koetulokset . 41

4. 6. Tulosten tarkastelu ja hyväksikäyttö 41

5. YHTEENVETO 43

LÄHDELUETTELO LIITTEET

MATEMAATTISET MERKIT

A = pinta-ala

a, a', aj, a^, ap, a2 a . a.

e’ 1 b, b', b.

c,

dn’ dpuu* dpresp.’

dred. ’ dö E, Ed, Ee, E*

H, h, he К

= pituusmittoja

= kork eu smitt oja

= pituusmittoja

= kapasitansseja

= pituusmittoja

= sähkökentän voimakkuuksia

= pituusmittoja

= pituusmitta R, R , R , r, r.

e’ p’ ’ 1 S, s

= pyöristys säteitä

= pituusmittoja

T = pituusmitta

t = aika

U’ Ud* Ukoe’ Uk’

Uj, u2, u’, u2 V

= jännitteitä

= potentiaali

w = kosteus

a = kulmakerroin

еГ e2’ e3* en

■&» 9 j, 8 2 a

= permittiviteettejä

= lämpötiloja

= varauksen pintatiheys

T = suhteellinen kosteus

LUT E LUE T T ELO

Liite 1: Muuntajaöljyn sähköiset ominaisuudet.

Liite 2: IEC-standardin mukaiset koejännitteet.

Liite 3: Koekappale.

Liite 4: Mittauskojeet ja kytkentä eristyskokeessa ja osittaispurkaus mittauksessa.

Liite 5: Mittalaitteet koestushallissa.

Liite 6: Osittaispurkauskokeen tulokset graafisesti esitettynä.

tajan tehoon ja jännitteeseen on jatkuvasti pienentynyt. Siten eristyk­

sille asetetaan huomattavasti suuremmat vaatimukset kuin aikaisem­

min. Tavoitteena on riittävä käyttövarmuus minimikustannuksin. Ta­

loudellisempaan muuntajaan päästään kokoa ja painoa pienentämällä.

Tähän voidaan vaikuttaa suuresti minimoimalla eristysrakenteiden tarvitsemaa tilaa.

Suur muuntajien pääeristyksenä käytetään nykyään kanavarakennetta.

Se muodostuu peräkkäisistä öljyväleistä ja prespaaniseinistä.

Kanava- ja päätyeristysrakenteessa on yleensä nykyisillä koejänni- tetasoilla vaihtojännitekoe kriittinen. Jännite rasitukset ovat muihin eristys rakenteisiin verrattuna suuret, lisäksi eristysrakenteiden mi­

tat ovat suuremmat ja öljyvälit pidemmät. Kriittisen kohdan pääty- eristysrakenteessa muodostaa käämin suojarengas, jonka on suojat­

tava käämin kulma.

Diplomityössä keskitytään muuntajan käämitysten päätye ristysten muo - to-optimointiin. Työssä tutkitaan käämi rakenteita, joiden nimellisjän- nite on 1 23 kV. Tarkastelussa lähdetään siitä, että ala- ja yläjännite- käämin välisen kanavan leveys, kanavassa olevien prespaanieristyslie- riöiden lukumäärä ja tukikiilojen sijainti on annettu.

Diplomityössä tehtävänä on mitoittaa yläjännitekäämin päässä oleva suo­

jarengas ja päätyeristys siten, että rakenteen jännitelujuus on riittävä ja kokonaiskustannukset mahdollisimman pienet.

Kenttäkuvien avulla selvitetään rakenteen eniten rasitetussa kohdassa vallitsevan kentänvoimakkuuden riippuvuus rakenteen mitoista. Suoja- renkaan ja ensimmäisen prespaanikauluksen välinen öljykanava muo­

dostaa eristysrakenteen kriittisen välin. Suoritetaan kirjallisuustutki­

mus öljyvälin jännitelujuudesta. Optimointi suoritetaan näitä tietoja yh­

distämällä.

Koekappaleilla etsitään yhteys kenttämittausten, öljyvälin lujuusarvojen ja päätyeristys rakenteen jännitelujuuden välille.

2. MUUNTAJAN ERISTYSRAKENTEEN JÄNNITELUJUUS

Tässä luvussa käsitellään muuntajassa esiintyvän eristyksen jännite- lujuutta ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Koska diplomityö käsittelee muuntajan käämin pääty rakennetta, on tarkastelut suoritettu suurim­

maksi osaksi tämän rakenteen kannalta.

Muuntajassa voidaan mitoitusperiaatteet huomioonottaen olettaa, että syöksyjänniterasitukset ovat kriittisiä vyyhti- ja kerroseristyksissä.

Käämin päätyeristyksen mitoituksen kannalta sensijaan määräävänä tekijänä on yleensä vaihtojännitelujuus. Tästä syystä ei tarkastelussa ole otettu syöksyjännitelujuutta huomioon. Kytkentäjännitelujuudesta ei kirjallisuudessa ole julkaistu juuri minkäänlaista materiaalia, jo­

ten sen osuus on jäänyt vähälle.

Seuraavassa on ensin tarkasteltu pelkkää öljyväliä ja paperia ja sit­

ten näiden molempien yhdessä muodostamaa rakennetta. Lopuksi on tehty yhteenveto kirjallisuudessa esiintyvistä pääty rakenteen jännite- lujuustutkimuksista.

2. 1. Muuntajan päätyeristys

Muuntajassa käytetään eristyksenä mineraaliöljyn ja prespaanin muo­

dostamaa rakennetta, kuva 1.

Kuva 1. Käämin päädyn eristysrakenne.

1 - käämit; 2 - pr e spaani sylinterit;

.3 - kaulukset; 4 - välikiilat; 5 - välikkeet;

6 - suo jarengas; 7 - puristus renga s

L ä p il y ö n ti k en tä n v o im a k k u u s

Koska öljyvälin läpilyöntikentänvoimakkuus on suuresti riippuvainen öljyvälin pituudesta, kuva 2 [ 1 ] , käytetään eristysrakenteessa mah­

dollisimman pientä öljy väliä suhteessa öljypaperiin (muuntajassa öl­

jy/paperi = 1:7) [2]. Kuitenkin öljyvälin on oltava tarpeeksi suuri, ettei öljynkiertoa estetä.

10 mm 15 Öljykanavan leveys b

Kuva 2. Öljyn läpilyöntikentänvoimakkuus homogeenisessa kentässä öljyvälin funktiona (vaihtojännite 50 Hz). Kuvaan on kerätty eri tutkijoiden tuloksia,

o Kappeler (kriteerinä kaasunmuodostus) x Gänger (krit. läpilyönti 5 min. rasitusaika)

+ Gallay (krit. läpil. 1 min. rasitusaika)

v Viitteen omat mittaukset (krit. pienin läpilyöntijännitteen arvo 15:sta arvosta)

a) kaasuvapaa öljy b) kaasukylläinen öljy

2. 2. Öljy

Nestemäisistä eristeistä tärkein on mineraaliöljy. Tyypillisimmät, melko puhtaan öljyn ominaisuudet on esitetty taulukossa 1 [ 3 ].

Taulukko 1. Öljyn ominaisuuksia.

Shell Diala D

Esso

Univolt N 36

tiheys kg 856 860

a ro maattip iloisuus % 4,7 7

inhibiittiä DBPC % - 0,3

viskositeetti, 20°C 2,

m / s 19, 9- 10"6 19, 2- 10"6

i i чО O O

o

suhteellinen permittiviteetti 2,1... 2, 2

ominaislämpö J/kg°C 1700. . . 1800

lämmönjohtavuus 5;

?

lämmönjoht. voim. kierto 0,3... 0,4

tilav. lämpötilaker roin O i / o «

/оо/ C 0,6... 0,9 läpil. lujuus 50 Hz

VDE 0370 kV/mm n. 25

resistiviteetti 90°C inll

n. 10

tanö 90°C o ,

/оо ^«s 5

saippuoimi sluku mgKOH/g <0,05

neutraloimisluku mgKOH/g <0,03 0,01

rajapintajännitys N/m 0, 048 0,049

kiehumispiste °C 250 250

leim, piste (avoin kuppi) °c 147 152

jähmettymi spiste °c -50

¡tuhkapitoisuus % <0,005

Harvoin ovat muuntajassa olevan öljyn ominaisuudet aivan samanlaiset kuin uuden öljyn. Mineraaliöljyn ominaisuudet riippuvat monesta eri te­

kijästä. Näistä on esitetty kaaviopiirros liitteessä 1. Tässä työssä tar­

kastellaan vain jännitelujuuteen vaikuttavia tekijöitä.

Vaihtojännitteellä pidettiin ennen kriittisenä kentänvoimakkuuden arvo­

na o s ittai spurkaust en syttymiskentänvoimakkuutta. Koska muuntajissa sallitaan koestustilanteessa o sitt ai s purkauksia, otetaan kriittiseksi ar­

voksi läpilyöntikestoi suu della kentänvoimakkuus.

Mineraaliöljyssä tapahtuvalla läpilyönnillä on yhteisiä piirteitä sekä kaasujen että kiinteiden eristeiden läpilyöntimekanismin kanssa. Läpi­

lyönti voi tapahtua sysäysionisaatiomekanismin kautta tai lämpöläpi- lyöntinä. Se on suuresti riippuvainen epäpuhtauksista, joita esiintyy öl­

jyssä erikokoisina esim. kuitujen, pölyhiukkasten, hiilihiukkasten yms.

muodossa. Ne ovat yleensä hygroskooppisia,so. imevät itseensä öljys­

tä kosteutta. Kuten kuvasta 3 [4] nähdään pienenee läpilyöntikentän- voimakkuuden arvo erittäin voimakkaasti kosteuden w kasvaessa.Tämän vuoksi sallitaan muuntajaöljylle vain 4. . . 5 % suhteellinen kosteus. Jos kosteus tästä nousee, on öljy ja paperieristeet kuivattava.

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 --- te» w/ppm Kuva 3. Öljyn läpilyöntikentänvoimakkuus kosteuden funktiona.

Elektrodiväli 1,0 mm (23°C). ppm = parts per million (g/t)

Muuntajan jatkuva käyttölämpötila saa olla +75°C ja lyhytaikainen läm­

pötila + 140°C IEC:n standardin mukaan. Kuvassa 4 [ 5] tarkastellaan läpilyöntikentänvoimakkuuden riippuvuutta öljyn lämpötilasta suhteel­

lisen kosteuden ollessa parametrina. Jo pieni absoluuttinen kosteus suhteellisen alhaisessa lämpötilassa alentaa huomattavasti läpilyönti- jännitettä. Edellämainitussa käyttölämpötilassa on kosteuden vaikutus vähäinen.

Kuva 4. Läpilyöntikentänvoimakkuus lämpötilan funktiona parametrina suhteellinen kosteus

a = 4, 5 ppm; b = 15 ppm; c = 45 ppm

Kuvaan 2 on piirretty kaasuvapaan (a) ja kaasukylläisen (b) öljyn läpi- lyöntikentänvoimakkuuden riippuvuus öljyvälistä. Kaasúpitoisuuden vai­

kutus ei ole läheskään niin suuri kuin edellä käsiteltyjen tekijöiden vai­

kutus. Muuntaja -astia s sa oleva öljy tyhjökäs itellään, jolloin suurin osa liuenneesta kaasusta (ilma) poistuu siitä. Öljyyn saattaa kuitenkin syn­

tyä kaasua esim. seuraavalla tavalla. Sähkökentässä riittävän suuret epäpuhtauspartikkelit, joiden permittiviteetti on suurempi kuin öljyn, muodostavat kentänvoimakkuuden maksimikohtiin öljyväleihin ns. kui- tusiltoja. Nämä sillat muodostuvat kosteuden tai johtavien epäpuhtauk­

sien vuoksi enem män tai vähemmän johtaviksi, jolloin paikallinen vuo - tovirta kuumentaa kuitusiltaa. Tällöin kehittyy kaasua ja muita hajaan- tumistuotteita.

Valmistusvaiheessa pääsee muuntaja-astiaan ja eristyksiin epäpuhtauk­

sia ja ne sekoittuvat öljyyn astiaa täytettäessä. Epäpuhtaudet kertyvät erittäin aktiivisesti vesimolekyylien ympärille, jolloin epäpuhtauksien suuruus kasvaa. Kuten kuvassa 5 [6] on esitetty, riippuu läpilyöntiken­

tänvoimakkuus erittäin suuresti öljyssä olevista epäpuhtauspartikkeleis- ta. Ennen muuntaja säiliöön laskemista uusi öljy suodatetaan juuri epä­

puhtauksien poistamiseksi.

tauksien koosta (2r ^ ) tai kahden varauksen (- e) etäisyydestä (a^). (Kriteeri: epäpuhtau s sillan muo­

dostuminen. )

Koko eristyksen kannalta on öljyn vanhenemisella ja vanhenemistuotteil- la suuri merkitys. Öljyn vanhenemisen hidastamiseksi voidaan öljyyn lisätä pieniä määriä inhibiittejä , deaktivaattoreita. Inhibiitit on tarkoi­

tettu hidastamaan öljyn hapettumista. Deaktivaattorit muodostavat me­

tallipinnoille suojaavan kalvon ja estävät täten metalleja katalysoimas­

ta öljyn vanhenemista [3] .

Käytettävän muuntajaöljyn tulee siis olla riittävän puhdasta. Koska lä- pilyöntikentänvoimakkuus vaihtelee eri tekijöiden vaikutuksesta jopa

1-40 kV /mm, on eri tekijöille määrättävä suurimmat sallitut arvot.

Otetaan esimerkki, minkälaisiksi eri tekijöiden arvot rajoittuvat tietyn olettamuksen pohjalta. Lähdetään vaatimuksesta, että eristysrakenteen tulee olla o sittaispurkaukseton. Pääty rakenteen kriittinen öljyväli on

suojarenkaan jälkeinen ensimmäinen öljyväli. Tällöin öljyvälin tulisi olla mahdollisimman pieni, mutta öljynkiertoa ei saa vaikeuttaa. Öljy - välin minimimittana voidaan pitää 6 mm. Nyt on valittava maksimimit- ta, jotta kentänvoimakkuuden maksimiarvo ei laskisi kovin alas. Vali­

taan öljyvälin maksimimitaksi esim. 8 mm, jolloin kentänvoimakkuu­

den vastaava arvo (kuva 2) on kaasukylläisessä öljyssä n. 8 kV/mm.

Teknillisen korkeakoulun Sähköteknillisen osaston

käsikirjasto

Tämä rajoittaa epäpuhtauksien koon 100 A (kuva 5) ja kosteuden n.

55 ppm (kuva 3). Vanhenemisen estämiseksi on lämpötila rajoitetta­

va +75°C pitkäaikaisessa käytössä ja lyhytaikaisesti voidaan sallia n. 100°C [7].

Kohdassa 2.6 tarkastellaan, mitä näiden vaatimusten täyttäminen käy­

tännössä vaatii.

2. 3. Paperi

Paperilla tarkoitetaan öljypaperieristeisissä muuntajissa sulfaattisel­

luloosasta valmistettuja ns. eristyspaperia, kreppipaperia ja prespaa- nia. Käytettävältä paperilta vaaditaan tasapaksuutta ja -laatua.

Selluloosasta 80 - 90 % on ns. a-selluloosaa. 5 - 10 % on hemisellu- loosaa ja samanverran on ligniiniä, a - selluloo san glukoosirenkaita on peräkkäin keskimäärin 1000 kpl, ja nämä ketjut ovat kiinnittyneet vety-

silloilla, van der Vaalsin voimilla sekä he mi selluloo s an ja ligniinin vä­

lityksellä sivuttain toisiinsa muodostaen selluloosakuidun. Vanhenemi­

sen seurauksena ketjut katkeilevat ja katkoskohdan atomeista syntyy vettä ja hiiliyhdisteitä. Paperin termisen vanhenemisen estämiseksi käytetään kahdenlaisia stabiloituja papereita. Toisissa (esim. Isocel) OH-ryhmät on yritetty korvata mm. estereillä ja toisissa (esim. Insuldur) paperiin on lisätty vanhenemistuotteiden kanssa reagoivia typpipitoisia

stabilisaattoreita [ 3].

Taulukossa 2 [3] on esitetty paperin ja prespaanin ominaisuuksia.

Eristysaineena paperi ja prespaani ovat sähköisiltä ominaisuuksiltaan täysin toisiaan vastaavia.

Taulukko 2. Paperin ja prespaanin ominaisuuksia.

Selluloosa Paperi Prespaani

tiheys kg/m3 700...1200 1000...1400

ilmaa tilavuudesta % 0 50... 20 30... 10

suhteellinen permittiviteetti 5, 65. ..6,1 2. . . 3, 2 3. . . 5

vetolujuus kp/ mm

- pitkittäissuunnassa 7... 9... 15

- poikittais suunnassa 2, 5. . . 8

katkeamispituus km

- pitkittäis suunnassa n. 10

murtovenymä %

- pitkittäis suunnassa 1, 5.. 2, 5.. 3 5. . . 6 - poikittaissuunnassa 4.. . 5. . . 8 7. . . 9

ominaislämpö J/kg°C 1540 1300...1700

lämmönjohtavuus W/m2C 0, 23 0, 13... 0, 16 0, 15. . . 0, 35

1 äp ilyönt iluj uu s kV/mm n. 10 n. 10

resistiviteetti Qm . nl4

n. Ю

tanö o/oo ~ 2

lämpöpiten. kerroin 10"6/°C

4. . .6, 5

tuhkapitoisuus % <0,5

vesiuutteen johtavuus S/m < 0, 005

vesiuutteen pH 6,5.. . 8

2.4. Öljypaperi

Muuntajan käämien ja sydänosan valmistuttua ne asennetaan muuntaja- astiaan, joka täytetään öljyllä tyhjökäsittelyn jälkeen. Tällöin paperi ja prespaani kyllästyvät öljyllä eli niistä tulee öljyimpregnoituja. Taulukos­

sa 3 [ 3 ] on esitetty öljyimp regno idun paperin ja prespaanin ominaisuuk­

sia. Kun verrataan tätä taulukon 2 vastaaviin arvoihin, havaitaan öljy­

imp regno innin parantavan läpilyöntilujuutta huomattavasti.

Taulukko 3. Öljyllä impregnoidun paperin ja prespaanin ominaisuuksia.

Paperi Prespaani

suhteellinen permittiviteetti 3, 3. . . 3, 5. . . 4 4. . . 5, 5

ominaislämpö J/kg°C 1600...1550 1550

lämmönjohtavuus W / m°C 0, 15.. . 0,20 0, 16. . .0, 25 läpilyöntilujuus 50 Hz kV / mm n. 50 n. 50

tanö o/oo n. 2 1

2.4. 1. Öljypaperin vanheneminen

Eristeiden vanheneminen johtuu niiden kemiallisessa rakenteessa tapah­

tuvista muutoksista. Öljyn ja paperin molekyylit hajoavat jo huoneenläm­

pötilassakin hitaasti ja lämpötilan kohotessa yhä nopeammin, joten pal­

joakaan yli 100°C lämpötiloja ei voida sallia pitkäaikaisessa käytöst,a.

Muuntajan kuormituksen kasvaessa sen lämpötila nousee ja vanheneminen nopeutuu. Kun lämpötila nousee 6. . . 8°C, elinikä laskee puoleen. Läm­

pötilan lisäksi happi, hapot ja kosteus nopeuttavat vanhenemista.

Viitteessä [8] on todettu, ettei jännite rasituksella näytä olevan vaikutus­

ta paperin vanhenemiseen. Myös öljyn läpilyöntilujuus säilyi täysin muut­

tumattomana huoneenlämpötilassa olleilla koekappaleilla. Koekappaleis­

sa havaitun vähäisen vanhenemisen voidaan sanoa olevan termistä. Ter­

minen vanheneminen ei ole vaikuttanut o sittai spu rkau st en syttymiseen.

Käytännössä muuntajissa tavallisesti esiintyvässä lämpötilassa eli 75°C olleet koekappaleet olivat pitkäikäisimpiä. Ikäkokeissa saadut kokemuk­

set osoittavat, että epäpuhtauksilla on ratkaiseva merkitys öljypaperi- eristyksen jännitelujuuteen.

Kuuma öljykin hapettuu vähitellen kuten orgaaniset aineet yleensä. Van - heneniseen liittyvät kemialliset reaktiot johtavat öljyn kokoomuksesta riippuen erilaisiin lopputuloksiin. Eräät öljyt synnyttävät pääasiassa öl­

jyyn liukenevia happamia yhdisteitä, kun taas toisissa öljyissä vanhene­

minen ensisijaisesti johtaa saosteiden muodostumiseen. Öljyn happamuus tulisi pitää alhaisena, sillä hapan öljy kiihdyttää selluloosamolekyylien termistä hajoamista ja sitä kautta paperin ja prespaanin haurastumista.

Hapella ja kosteudella on samantapainen kiihdyttävä vaikutus paperin van­

henemiseen.

2.4.2. O s itt ai spu rkauk set ö^ypaperissa

Kun öljyssä on hygroskooppista ainetta, paperia, syntyy tietyllä ken­

tänvoimakkuudella kaasukuplia. Samalla alkavat näissä kuplissa o sit­

tai spu rkauk s et. Osittaispurkausten alkamiskentänvoimakkuus on suures­

ti riippuvainen eristy sameiden puhtaudesta ja kosteudesta [ 9 ].

Öljykyllästeisen paperin o sittaispurkaukset sammuvat huomattavasti al­

haisemmalla kentänvoimakkuuden arvolla kuin syttyvät [ 1 ]. Jos sytty-

mi skent änvoimakkuuden arvo on liian lähellä tavallisessa käyttötilan­

teessa esiintyvää kentänvoimakkuutta, saattavat osittaispurkaukset syttyä eivätkä sammu, vaikka kentänvoimakkuus laskee käyttötilantee­

seen. Tästä saattaa olla seurauksena eristyksen vahingoittuminen py­

syvien osittaispurkausten rasittamana.

Osittaispurkaukset alkavat melko pienellä kentänvoimakkuudella. Nä­

mä purkaukset eivät ole vahingollisia eristykselle, mikäli ne eivät ole jatkuvia. Usein nämä pienellä kentänvoimakkuudella syttyneet osittais­

purkaukset sammuvat itsestään lyhyen ajan kuluttua. Jos eristettävis­

sä elektrodeissa on teräviä kulmia, laskee osittaispurkausten alkamis- kentänvoimakkuus vielä entisestään.

Jos eristysrakenteesta tehtäisiin koetilanteita ajatellen o sittai spur kauk- settomia, olisi kentänvoimakkuuden oltava melko alhainen. Osittaispur- kauskokeissa [li] havaitaan purkausten lisääntyvän melko loivasti nos­

tettaessa kentänvoimakkuutta. Tietyllä kentänvoimakkuudella, joka on n. 60 % läpilyöntikentänvoimakkuudesta, esiintyy muutoskohta, jonka jälkeen osittaispurkaukset nousevat jyrkästi. Ko e stuks en kannalta ei

eristysrakenteen tarvitse olla aivan o sittaispurkaukseton, sillä vähäiset purkaukset eivät vahingoita eristettä, mikäli ne eivät ole jatkuvia.

2. 4. 3. Öljypaperin kosteus

Öljypaperin kemialliset ja mekaaniset epäpuhtaudet vaikuttavat ratkai­

sevasti eristyksen läpilyöntilujuuteen ja vanhenemiskestoisuuteen.

Muuntajaan jää vettä tyhjökuivauksessa. Lisäksi sinne joutuu vettä pai- suntasäiliön kautta kulkevassa hengitysilmassa sekä tiivisteiden vuotaes sa. Vettä syntyy öljypaperin vanhene mi stuott e ena muuntajan sisällä.

Öljyssä vesi on liuenneena ja öljyn muihin epäpuhtauksiin sitoutuneena.

Ilman kanssa kosketuksissa olevan öljyn suhteellinen kosteus asettuu ilman suhteellista kosteutta vastaavaksi (tasapainokäyrän määräämän yhteyden mukaisesti).

Paperin kosteuden ollessa 1. ..2 % vesi on adsorboitunut paperin OH- ryhmiin yhden molekyylin kerroksena. Kosteuden lisääntyessä 4. . . 5 Toliin se muodostaa toisen molekyylikerroksen edellisen päälle. Jos kosteutta oti vielä enemmän sitä imeytyy kapillaarisesti ensin hienoim- pieh kuitujen väliin ja sitten yhä isompiin väleihin.

Tasapainotilassa öljyn ja paperin kosteus asettuvat niin, että vesihöy­

ryn osapaine on sama öljyssä ja paperissa. Toisiaan vastaavat öljyn ja paperin kosteudet saadaan tällä periaatteella kuvasta 6 [З].

paperin ко steus

%

fi, Je.vQtrjturf de 1Ъи>!е

0 Temperture de I die

\ tturnrdtf rebhve de l'u<r

i i

öljyn kosteus g/t

Kuva 6. Ilman, öljyn ja paperin tasapainokosteudet

©1 = öljyn lämpötila 01 = ilman lämpötila

T = ilman suhteellinen kosteus

Käytössä olleissa ilmankuivaajattomissa ja kaksisuuntaisella ilmankui- vaajalla varustetuissa muuntajissa on paperin kosteus ollut jo muutaman käyttövuoden jälkeen 1. . . 5 %. Yksisuuntaisella ilmankuivaajalla varus­

tetuissa muuntajissa paperin kosteus pysynee 2 %:n alapuolella, ellei muuntajan eristys vanhene nopeasti. Paperin kosteus on suurempi muun tajan kylmässä alaosassa kuin kuumassa yläosassa. Öljyn kosteus riip­

puu paperin kosteudesta ja kulloinkin vallitsevasta lämpötilasta. Kuvas­

ta 6 nähdään esimerkiksi, että jos paperin kosteus on 2 % niin öljyn ko s teus tasapainotilassa on 90°C: s sa 80 g/t ja 20°C: s sa noin 4 g/t.

2. 5. Kirjallisuudessa esitettyjen päätyrakenteiden tarkastelu

Viitteessä [ 1 2l käsitellään mm. suur muuntajan päätyeristyksen jän- nitelujuutta.

Lujuustutkimuksissa on lähdetty siitä tiedosta, että päätyeristyksen lujuuden määrää öljyvälin lujuus käämin reunassa.

Koekappaleen suunnittelussa oli tarkoituksenmukaisin sellainen raken­

ne, jossa käämien viereisten öljykanavien mitat ovat mahdollisimman pienet käämin jäähdyt s, kokoonpanotekniikka yms. huomioonotettuna.

Tällöin on käytettävä välielementtirakennetta, jolla saavutetaan suu­

rempi läpilyöntilujuus. Välielementtirakenteessa eristematka on jaet­

tu prespaanitasoilla pieniin öljyväleihin.

Päätye ristyksen suunnittelussa oli pyrittävä saavuttamaan jäähdytys- olosuhteiden ja kokoonpanotekniikan vaatimat öljyvälin pienimmät mah­

dolliset mitat käämin reunassa sekä sähkökentän suurin tasaisuus täs­

sä paikassa. Päätyeristysmallin sähkökentän tasaisuus saavutettiin käyttämällä käämin päässä suo jar engasta.

Koekappaleen kuva on esitetty jo edellä kohdassa 2. 1 kuva 1 ja sen mi­

tat on esitetty tarkemmin viitteessä [ 12].

Läpilyöntilujuuden kriteeriksi on 50 Hz vaihtojännitteellä valittu käämiä lähinnä olevan öljykanavan läpilyönti.

Näissä kokeissa on myös tutkittu kytkentäylijännitteiden vaikutusta läpi- lyöntilujuuteen. Tutkimukset kytkent äylij ännitteillä suoritettiin erimuo­

toisilla, vaimenevilla vaihto- ja aperiodisilla syöksyaalloilla. Kuvassa 7 on esitetty kytkentäylijännitettä jäljittelevien aaltojen kuvat.

0 20 40 60 ms

c)

o ioco m 3000 (»s d)

Kuva 7. Kytkentäylijännitteitä jäljittelevien aperiodisten ja vaihto- aaltojen oskillogrammit.

a) vaimeneva vaihtoaalto b) unipolaarinen aalto c) vaihtoaalto

d) vaimeneva vaihtoaalto e) unipolaarinen aalto f) vaihtoaalto

- f = 2 kHz - 100 /100 цз

- f = 50 Hz, kestoaika 1 jakso - f = 300 Hz

- 500/10000 |is

- f = 50 Hz, kestoaika 5 jaksoa

Koetuloksista on piirretty kuvaan 8 läpilyöntikentänvoimakkuuden aika-ominaiskäyrä. Käyrää piirrettäessä on otettu huomioon sekä mallien ko e s tu s että kaikki nykyisin saatavissa olevat tiedot öljy- eristyksen ja kanavarakenteisen eristyksen eristysvälien läpilyön- tilujuudesta.

Kuva 8. Suhteellisen läpilyöntilujuuden riippuvuus jännitteen kes­

toajasta. E' rakenteen läpilyöntilujuus 1 min. rasitus- ajalla [12].

t = 0, 1 s - aperiodiset ja vaihtoaallot t = 0, 1 s - 50 Hz vaihtojännite

o = käämin keskiosan mallit + - 11 päädyn mallit

Kuvassa 8 voidaan erottaa neljä aluetta. Viitteessä [ 1 2] on sanottu - 5 -3

näistä alueista: Ensimmäinen alue Ю - 10 s käsittää syöksyjän- nitteet ja kytkentäjännitteet. Läpilyöntijännitteen aleneminen kesto­

ajan lisääntyessä johtuu tässä tapauksessa läpilyöntitodennäköisyyden lisääntymisestä pitemmällä jännitteenvaikutusajalla. Toisella osalla

-3 -1

10 - 10 s on vahingollinen jännite riippumaton vaikutu saja sta.

-1 3

Kolmas alue 10 - 10 s käsittää käyttötaajuisen jännitteen koestus ••

vaikutukset. Osittaispurkausmittauksissa havaittiin, ettei tällä alueel­

la esiinny heikkoja osittaispurkauksia läpilyönnin edellä.

3 6

Viimeisessä, neljännessä alueessa 10 - 10 s oli huomattavissa osit- taispurkausten voimakkuuden nousemista vähitellen kokeen aikana. Täl­

lä alueella läpilyönt ijännitteen riippuvuus ajasta johtuu eristyksen tuhou- tumisprosessin aikana esiintyvistä heikoista osittaispurkauksista, jotka valmistelevat öljykanavan läpilyöntiä.

Alueelta >10^ s ei ole olemassa käytännöllisesti katsoen ollenkaan koe­

tuloksia. Tehdyt kokeet ovat osoittaneet, että kytkentäjännitteen ja kohon­

neen verkkotaajuisen jännitteen vaikutukset eroavat toisistaan. Kytkentä­

jännitteen vaikuttaessa hetkellisesti ei erillinen osittaispurkaus yleensä etene eikä kehity myöhemmin käyttöjännitteen vaikutuksesta. Verkkotaa­

juisen jännitteen vaikutuksen alaisena o sittaispurkaus kehittyy syttymis- jaksoaan seuraavien jaksojen aikana ja aiheuttaa yleensä muutamassa sekunnissa eristyksessä olennaisia vahinkoja.

Kirjoituksen yhteenvedossa painotetaan, että erääksi koestuskriteerik- si olisi otettava kytkentäjännitelujuus.

Edellä olevat tulokset eivät sellaisenaan sovellu tämän diplomityön koekap­

paleisiin. Läpilyönnin periaate on samanlainen eri aika-alueilla. Tätä voi­

daan yleisesti soveltaa kytkentäjännitteen vaikutuksen selventämiseksi koekappaleissa.

2. 6. Yhteenveto

Kohdassa 2. 2 otettiin esimerkkiarvo läpilyöntikentänvoimakkuudelle ja tästä määräytyivät kentänvoimakkuuteen vaikuttavien parametrien maksi­

miarvot. Käytännössä näiden vaatimusten täyttäminen vaatii monia toi­

menpiteitä:

valmistuksessa on pyrittävä estämään epäpuhtauksien ja kos­

teuden pääsy astiaan ja eristysrakenteeseen

muuntajan valmistuttua on suoritettava standardien ja ostajan vaatimat koestukset

vikojen syntymisen estämiseksi on koje suojattava yli jännit­

teiltä ja korkealta käyttölämpötilalta

käytössä on öljyn ja eristysten kuntoa tarkkailtava ja suori­

tettava määräaikaishuollot.

Tässä esimerkissä määräytyi ensimmäinen öljyväli 6. . . 8 nimiksi, kun mitoituskentänvoimakkuus on 8 kV/mm. Kun tämä kentänvoimakkuus kasvaa, pienenee ensimmäisen öljy välin maksimimitta. Mitoituskentän - voimakkuuden ollessa 10 kV/mm voi ensimmäinen öljyväli olla korkein­

taan 6 mm. Koska tämä oli öljynkierron kannalta minimimitta, ei 10 kV / mm suurempiin mitoituskentän voimakkuuksiin kannata mennä.

Tarkan arvon määrääminen muuntajan päät y rakenteen läpilyöntikentän - voimakkuudelle on melko vaikeaa pelkän kirjallisuustutkimuksen perus­

teella. Tämä arvo on kullekin rakenteelle ominainen. Teollisuudessa tehdäänkin lopullinen valinta lukuisten koetulosten perusteella. Tämän diplomityön eräänä tavoitteena onkin määrätä erään päätyrakenteen säh­

kökentän voimakkuus, jolla saavutetaan eristysten minimi ja tarvittava varmuus jännitekestoisuuteen.

3. KENTTÄKUV ATUTKIMUKSET

Kuten edellisessä kohdassa jo todettiin, parantaa käämin päätyyn asen­

nettava suo jar engas kenttäkuvaa(ja pienentää kentänvoimakkuutta) ikeen ja käämin päädyn välillä.

Tunnetulla keinolla määrätään sähkökentän voimakkuus suojarenkaassa.

Sähkökentän voimakkuus on renkaan pyöristys säteen, ikeen etäisyyden, päävälin eristy s etäisyyden ja suojarenkaan eristepaksuuden funktio f 13].

Näiden tietojen avulla voidaan teoreettisesti tarkastella, onko nykyinen rakenne optimimitoitettu, ja jos se ei ole optimimitoitettu, on päätettä­

vä minkälaiset koekappaleet on rakennettava.

3. 1, Keinot käämin päädyn kenttäkuvan määräämiseksi

Renkaan kenttäkuva voidaan määrätä analogisella menetelmällä käyttäen resistanssipaperia tai elektrolyyttiallasta tai ratkaisemalla Laplacen yhtälö tietokoneen avulla.

Elektrolyyttiallasta apuna käyttäen tai ratkaisemalla Laplacen yhtälö voidaan kenttäkuvassa ottaa huomioon permittiviteetin muutokset. Vai­

keutena on mallin suuritöisyys. Koska malleja olisi rakennettava useita ei tässä työssä ole ryhdytty tutkimaan kenttäkuvaa tällä menetelmällä.

Resistanssipaperia käytettäessä on tehtävä seuraavat olettamukset:

1. Todellisessa muuntajassa eristykset ylä- ja alajännitekää- mien välillä sekä alajännitekäämin ja sydämen välillä ovat öljyä ja eristy s sylintereitä. Ikeen ja suojarenkaan väli on eristetty kauluksilla ja öljyllä. Suojarengas päällystetään kiinteällä eristysaineella. Käämi koostuu vyyhdeistä, jois­

sa johtimet on eristetty. Tässä oletetaan, että nämä eris­

tykset ovat samaa ainetta, ts. redusoidaan eristyksen pak­

suus esim. öljyväliksi.

2. Suojarenkaan samankeskisestä sijainnista pylvääseen nähden johtuu, että asiaa voidaan käsitellä sylinterikoordinaatistossa.

Kuitenkin suojarenkaan säteen («* yläjännitekäämin säde) ja ylä- ja alajännitekäämin säteiden pienen eron vuoksi todel­

lista suur muuntajaa voidaan käsitellä kaksidimensionaali- sena (translaatiosymmetrisenä) tapauksena.

3.

Kuva 9.

Jokaisen ylä- ja alajännitekäämin vyyhden potentiaali maa­

han nähden on erilainen korvatussa eristyskokeessa ja yli- jännitekokeessa. Kuitenkin oletamme, että koko käämi on

samassa potentiaalissa esim. eristyskoejännitteessä. Sydä­

men, alajännitekäämien ja toisen (ei tutkittavan) yläjännite­

käämin potentiaali on nolla, kts. kuva 9.

on

>

en :rt>

1>>

O,

ii i

rt--- 1 r3... n OII

Ui____ 1

^ e :

> :rt 1 :rt

E ^<u

:crj .ti

:rt e

X

■M :rt

E

c 1 >ч 1 1 1 m.-£...i

< 1П-1 1

In í\

!----л 1 Г .. i 1_V

jv:

lv :

n

v=0 v=0 Í

en3

XOI ou

X

crt c r fx-"1

//////////s -777777?

O II

>

:rt tn

>

T—I

a,

b. ikkunan leveys

Käämien sijoitus muuntajan ikkunassa.

Kaksidimensionaalinen kenttä voidaan kuvata Laplacen differentiaali­

yhtälöllä:

ô2V àfv

àx2 ày2 " ⁽¹⁾

Tämän ratkaiseminen tietokoneella hila menetelmällä käy melko helpos­

ti. Suuren muistintarpeen vuoksi ei tässä työssä ole ratkaistu kenttäku- vaa eo. menetelmällä. Viitteessä [ 13] on käytetty hilamenetelmää ja

siitä voi tutustua lähemmin ratkaisumenetelmään.

Diplomityössä on lähdetty ratkaisemaan kenttäkuvaa resistanssipa- perimittauksin, koska se on erittäin nopea ja helppotöinen. Koska mi­

tattavia tapauksia on melko runsaasti säästetään tällä menetelmällä ai­

kaa.

Resistanssipaperimittauksissa on kaikki eristy s välissä olevat eri eris - tysaineet redusoitava samaksi.

Tässä ne on redusoitu öljyksi seuraavasti: tarkastellaan tasokondensaat - toria, jonka eristysrakenne koostuu n kappaleesta poikittain kerrostettu­

ja eristeitä. Tällöin on tasokondensaattorin kapasitanssi:

Varauksen pintatiheys a:

a - —U- C

(2⁾

(3)

eristy saine e s sa n vaikuttava sähkökentän voimakkuus:

E = — = n en

U n d.

e Z — n i=l ei n a.

dred " en ,Z=1 J7

(4)

(5)

Tässä redusointi on tehty aineeseen n.

Päätyeristyksen ja ikeen välistä mittaa redusoitaessa voidaan käyttää kaavaa (5). Kun on redusoitava pääväli a, ovat eristepinnat lieriöpintoja.

Tällöin tulee ekvivalenttiseksi säteeksi seuraava redusoituna aineeseen n [ 14]:

R R = e

n e <

R, — R, ■ (___ )Gi (__- ) lRj ' ' 'R2 '

(

6

n 'n

n ) en-l n -1

Eristepintojen suurista säteistä ja tarkastettavan tangentiaalimatkan pienuudesta johtuen voidaan ko. pääväliä a tarkastella tasoeristelevyjen tapauksena kaavan (5) avulla tekemättä suurtakaan virhettä (n. 6 %).

3. 2. B.fcsistanssipaperimallit kenttäkuvan määräämistä varten

Resistanssipaperin avulla määrättiin tasapotentiaaliviivojen sijainti ku­

van 10 mukaisella järjestelyllä.

Kuva Ю. Resistanssipaperimalli muuttujina ag, R ja hg.

ak = b 2 - ae a1 = 1, 35 • ak a2 = 2 • ak

Taulukossa 5 on esitetty mallien mitat kulloinkin tarkasteltavassa tapauk­

sessa.

Taulukko 5. Re sistans sipap e r imallien 1-15 mitat.

N:o h / a

e e R/ae

1 1,6 o, 2

2 II 0,5

3 II 0, 1

4 1, 2 0, 1

5 II 0, 2

6 II 0, 5

7 2, 2 0, 1

8 II 0, 2

9 II 0,5

10 1,2 0, 14

11 1,6 II

12 2, 2 tl

13 1, 2 0, 34

14 1,6 tl

15 2, 2 II

Kenttäkuvatutkimuksissa rajoitutaan kuvan Ю pisteviivoilla rajattuun alueeseen. Kun resistan s sipape rille on piirretty tasapotentiaaliviivat, lasketaan kentänvoimakkuus jäljempänä esitettävällä menetelmällä s:n funktiona kuvan 10 osoittamassa suunnassa.

3. 3. Suhteellisen kentänvoimakkuuden laskeminen

Otetaan esimerkki siitä, miten kentänvoimakkuus lasketaan mittauksis­

ta alkaen. Otetaan tarkasteltavaksi tapaukseksi n:o 1 2.

Taulukon 5 mukaisten mittojen mukaan on piirretty kuvan Ю mukainen

malli resistans sipape rille. Johtavat osat (käämi, ies) maalataan hyvin johta - valla maalilla fe.myLaasiasetaatti; ja kuhunkin kohteeseen tuodaan tarvittava

jännite. Kuvaan 10 on merkitty, että yläjännitekäämiin tuodaan 100 % jän­

nitteestä ja muihin 0 %. Tasapotentiaaliviivat mitataan S ER VOMEX -type FP 144 mittarilla, joka on periaatteeltaan eräänlainen siltamittari. Ku­

vassa 11 on esitetty eräs potentiaali jakautuma.

*7’//SS //////

r-rr-r ////77/

Kuva 11. Tasapotentiaalijakautuma käämin päädyssä.

Näistä mittaustuloksista mitataan tasapotentiaaliviivan etäisyys pyöris- tyssäteen R keskipisteestä, taulukko 6.

Taulukko 6. Mittaustulokset kokeesta 12.

u % s/mm

100 17, 0

95 20, 0

90 23, 5

85 27, 5

80 32, 5

75 37, 5

70 43, 5

65 50, 0

60 57,5

Taulukon 6 mittaustulokset piirretään puolilogaritmipaperille, kuva 12.

Tämän käyrin U = f (s) avulla voidaan kentänvoimakkuus laskea. Laske­

taan kentänvoimakkuus suhteellisarvona:

E * a n --- - = f ( — )U 'a 'h

e e

Viitteessä [ 15] on johdettu tällaista menetelmää varten laskukaava, yh­

tälö (8)

E _ a1 /mm tang %

U b' /mm R/mm mm ⁽8)

missä a' = öljyn log-asteikon yksikkö janan pituus (asteikolta luettu­

jen pisteiden 1 mm ja 2, 718 mm (e) välimatka

b' = u-asteikon yksikkö janan pituus (= asteikolta luettujen pis teiden 0 % ja 1 % välimatka)

R = pyöristy s säde

tanCt = käyrälehdeltä (kuva 12) määrätty käyrän kaltevuuskul­

man tangentti

Kuvasta 12 voidaan mitata a' = 108 mm b’ = 2 mm R = 17 mm tan& = 0, 595

Sijoittamalla eo. arvot kaavaan (8) saadaan

yy = 1,89 % / mm

Kertomalla tulos ag:lla ja jakamalla 100 % :11a saadaan kentänvoimakkuu­

den suhteellisarvo E a

e

U 2, 27

Tarkasteltavassa tapauksessa 12 olivat R ja h R = 0, 14 • ae

h = 2, 2 • ae

ог-

о

чО

оvn

оМ1

о

ГО

огм Е

\£ СП

K u v a

R e

i st a n s si p a p

ri m a ll in n :o

f( s) .

Merkitään tämä piste kokologaritmipaperille. Merkitsemällä kaikkien mallien tällä tavalla saadut pisteet saadaan yhtälön (7) esittämät käy­

rät, jotka on piirretty kuvaan 13.

Käyriä voidaan verrata viitteen [ 13] vastaaviin tietokoneella laskettui­

hin käyriin. Havaitaan, että resistan s s ipape rilla on päästy yhtä tarkkoi­

hin tuloksiin. Resistans sipaper imittauksis sa saadun sähkökentän suhteel- lisarvon virhe on noin 5 %.

Kuvan 13 käyrille on saatu tietokoneen BASIC-kielistä kirjasto -ohjelmaa CURFIT apuna käyttäen seuraavat funktiot:

he/ae = b 2 1,075

-0,447

(9a)

he/ae = 1'6

-0,440 1,026 • (-£ )

a h /a = 2, 2

е е

0, 983

-0,424

(9b)

(9c)

3.4. Kentänvoimakkuuden laskeminen suojarenkaan paperieristeen pin- nalta

Tarkastellaan lähemmin käämin päätyä ja etenkin suojarenkaan kulmaa, kuva 14. Kuvassa on suo jar engas päällystetty paper ieristyksellä. On

määrättävä paperieristyksen öljynpuoleiselia pinnalla kentänvoimakkuus.

Redusoimalla paperieristys öljyväliksi saadaan laskettua edellisen koh­

dan tuloksista redusoitu kentänvoimakkuus. Tämä redusoidaan edelleen takaisin todelliseen muuntajaan, jolloin saadaan kysytty kentänvoimak­

kuus.

r~

о*

чО

о*

m o'

•tf

О

tn o'

о

K u v a 1 3 . K en tä n v o im a k k u u d en ri ip p u v u u s p y ö ri st y ss ä te es tä p a ra m et ri n a ie se ri st y s. T u lo k se t sa a tu re si st a n ss ip a p er im it ta u st en a v u ll a .

Lasketaan kentänvoimakkuus E kuvassa 14 esitettyjen mittojen avulla, Tällöin on tunnettava k anavaeristy s rakenteen mitat. Koska edellisen kohdan tulokset E • a /U = f (----) on laskettu öljyksi redusoiduille

e ae

eristysrakenteille, on myös mitat a ja h redusoitava öljyväleiksi kaa­

van (5) mukaan.

paperinen eriste

suojarengas

ekvivalenttinen er istepaksuus öljyyn redusoituna Kuva 14. Suojarenkaan kulma.

Kuvasta 14 saadaan

R = R +

P T (10)

e2 R = R + (11)

e — x T

G ,

Rg on ekvivalentti sen paperieristyksen säde.

Oletetaan tarkasteltavan rakenteen eristyskoejännitteen (U^Qe) olevan mitoituksen perusta. Tällöin saadaan ekvivalenttinen kentänvoimak­

kuus kaavasta (l2).

(12)

kun tunnetaan R/a ja h /a voidaan f ( — ) laskea kaavoista (9a. . . c).

e ^ ее a

e

Oletetaan, että kentänvoimakkuus on likimain verrannollinen l/r:ään. Tällöin saadaan yhtälöstä (13) todellinen paperieristeen öljypinnalla vallitseva kentänvoimakkuus:

E

Re RP

(13)

Pienoistietokoneella (NOVA) on laskettu eo. kaavoilla sähkökentänvoi- makkuuksia BIL 5 50 kV jännitetason (liite 2) rakenteelle. Pyöristys säde R on

saanut arvoja 1-20 mm ja eristepaksuus T 0 - 8 mm.

Kohdassa 1. 6 todettiin, että kirjallisuustutkimuksen mukaan on vaikea valita käämin päädyn mitoituskentänvoimakkuutta. Siksi oletetaan, että tarkasteltava rakenne kestää jonkin tietyn kentänvoimakkuuden. Tämän olettamuksen perusteella mitoitetaan koekappale. Koekappaleiden koes- tus paljastaa, onko tehty oletus oikea. Tämän johdosta on piirretty esi­

merkin vuoksi T = f(R) kahdelle eri kentänvoimakkuudelle:

E = Ю kV/mm kuva 15 E = 9 kV/mm kuva l6

Näiden kuvien perusteella tarkastellaan seuraavassa lyhyesti päätyeris- tyksen optimointimahdollisuuksia.

3. 5. Laskentatulosten sovellutus muoto-optimointiin

Kuvassa 17 on esitetty käämin yksinkertaistettu päätyrakenne mittoineen.

Diplomityön tarkoituksena on minimoida eristysten tarvitsema tilavuus.

Ainoa mihin voidaan vaikuttaa on kuvan 17 mitta H.

H = h + 2T + R + K + S (14)

Tarkastellaan optimointitilannetta pelkästään teoreettisesti, jolloin ra­

kenne- ja mekaanisia lujuustekijöitä ei oteta optimoinnissa huomioon.

Tämän perusteella voidaan suoraan määrätä kuvasta 17

К = S = О

H = h + 2Т + R (15)

Optimoitavasta funktiosta jäi jäljelle neljä muuttujaa, h, T, R ja ken­

tänvoimakkuus E.

k u u d ek si o n v a li tt u

k V / m m .

Käämi Cu

Kuva 17. Käämin pääty optimointitarkastelun kannalta.

Kuvien 15 ja l6 käyrillä a), b) ja c) on H likimain vakio. Liitteiden käyristä nähdään, että mitä pienempi suojarenkaan pape rier istys on

sitä suuremmaksi on valittava pyöristy ssäde, kun kentänvoimakkuus halutaan pitää vakiona. Suurentamalla H:ta eli R, T tai h saadaan ken­

tänvoimakkuutta pienennettyä.

Kuten käyristä on pääteltävissä ei mitoille löydy absoluuttista minimiä.

Sen vuoksi onkin valittava jokin mitoituskentänvoimakkuuden arvo, jol­

loin muuttujien lukumäärä vähenee kolmeen. Edullisin käyrä, jolla kan­

nattaa liikkua on käyrä a). Tällä käyrällä on mitta h pienin (he/ae = 1,2). Nyt voidaan valita melkein mikä tahansa arvopari R, T käyrältä a). Ainoana sädettä rajoittavana tekijänä on suojarenkaan leveys (2R = suojarenk. .leveys).

Teknillisen korkeakoulun Sähköteknillise.. Ouaston

■käsikirjasto

Kun todellisuudessa lähdetään optimoimaan jo olevan muuntajan eris­

tysrakenteita, on eristysvälien pituudet tiedossa. Nämä (h ja a) mää­

räävät käyrän (a, b, c tai muu) millä liikutaan. Otetaan esimerkki, millaiseksi pyöristys säde ja paksuus tulevat, kun tunnetaan eristysra­

kenne. Lasketaan kohdan 2. 1 kuvan 1 mukaiselle rakenteelle suojaren- kaan optimisäde ja -eristepaksuus. Kuvaan 18 on merkitty mielivaltai­

set mitat kuvan 1 rakenteelle.

Ies

/ / / ///////././.

3 ö

Kuva 18. Kuvan 1 mukainen päätyrakenne mittoineen. Jännitetaso BIL 550 kV.

Lasketaan ensin pääväli a:

prespaani/mm öljy/mm

■ 5

7 5

5

10

Yht. 15 17 32 mm

Redusoidaan a öljyyn

a = d.. + — • d £1

e o presp. 17 + 2,2

475

Yht.

Lasketaan päätyeristys h:

öljy/mm pre spaani/mm puu/ mm 3

10 10

5 5

10 5

28 10 10 48

Redusoidaan h öljyyn:

e i e j

h = d + —- • d + — . d

e o presp. puu

= 28 + . 10 + • 10 = |2ь7=тт he/ae ~ 1*6-

Valitaan mitoituskentänvoimakkuudeksi 9 kV/шт. Kuvassa 16 on tätä kentänvoimakkuutta vastaava tilanne. Suhde h /a määrää, että tarkas -

е е teltava käyrä on b).

Suojarengas suojaa yläj änn it e käämin kulmaa ja siksi ei voida sallia ko­

vin suuria suojarenkaan eristepaksuuksia T. Määrätään maksimipaksuu- deksi T = 3 mm. Näiden olettamusten mukaan saadaan suojarenkaan op - timipyöristy s säteeksi esim. seuraavat vaihtoehdot:

T = 3 mm R = 16 mm

T = 2 mm T = 1 mm

^ R = 17,5 mm ^ R = 19, 5 mm

Käämin leveys saattaa karsia pois viimeisimmän vaihtoehdon, sillä suojarenkaan yläosa pitää olla jonkin matkaa suora puristuspinnan saa­

miseksi.

Jos ko. rakenteessa olisi varaa supistaa öljyvälejä esim. 10 mm pääty- eristyksestä niin, että päästäisiin hg/ag-suhteen arvoon 1, 2 saataisiin n. 13 % pituuden (H) säästö aikaisempaan verrattuna. Tällöin olisi opti-

mimitat seuraavat muuten edellisin olettamuksin:

T = 3 mm R = 18 mm

T = 2 mm R = 20 mm

Yleensä valitaan näistä optimimahdollisuuksista se, jolla on pienin suoja renkaan e ristepak suu s. Tämä rakenne suojaa parhaiten käämin kulmaa. Yllä olevassa esimerkissä ei ole otettu huomioon varmuus - kertoimia, jotka käytännössä on aina otettava huomioon. Lopullisesti vasta mallien koestus antaa täyden varmuuden rakenteen jännitekes- toisuudesta ja vallitsevista kentänvoimakkuuksista.

4. MITTAUKSET

Muuntaja standardit ja muuntajan tilaaja vaativat, että vastavalmistu­

neelle muuntajalle tehdään useita eri kokeita. IEC-standardissa [ 17 ] on määrätty ko e jännitteet ja suoritettavat pakolliset (suoritettava ai­

na) ja vapaaehtoiset (tilaajan esittämät) kokeet.

Koekappaleiden on kestettävä standardien vaatimukset. Niitä kooste­

taan siten, että saadaan selville niiden kestoisuus.

4. 1. Koekappale

Luotettavampien tulosten saamiseksi päätettiin koekappaleeksi tehdä melko täydellinen käämin pääty rakenne.

Koetelineessä oli pellistä tehty ikeen, pylvään ja alajännitekäämin ku­

vaaja. Yläjännitekäämi oli täydellisenä,joskin hieman lyhennettynä.

Käämin pääty oli tehty nykyisen rakenteen mukaiseksi. Koestusteli- neen yläjännitekäämin alapää oli tehty eristykseltään niin kestäväksi, että mahdollinen läpilyönti tapahtui aina tutkittavassa yläpäässä.

Varsinaisia pääty rakenteen koekappaleita oli neljää mallia, ja jokais­

ta oli tehty kolme samanlaista kappaletta. Ensimmäinen malli oli ny­

kyisin 123 kV jännitteellä käytetty rakenne. Toisen mallin suojaren- kaan pyöristy s sädettä oli muutettu kohdan 3. 4 tarkastelun perusteella.

Kolmanteen malliin oli muutettu ieseristysvälin pituutta ja vastaavas­

ti suojarenkaan pyöristys sädettä. Neljäs malli oli yläjännitekäämin alapäässä nykyisin käytetty rakenne. Tämä rakennettiin koestusteli- neen yläpäähän.

Tarkempi määrittely, miksi on päädytty kyseisiin vaihtoehtoihin, on esitetty viitteessä [ 16]. Viitteessä on myös piirrokset koetelineestä ja suojarenkaista. Liitteessä 3 on valokuvia koetelineestä.

4. 1. 1. Koekappaleiden käsittely ennen koestusta

Ennen koestusta huoneenlämpöiset koekappaleet tyhjökäsiteltiin kosteu­

den poistamiseksi. Koekappaleet olivat alle 13 Pa paineessa 115 tuntia.

Loppupaine ennen öljynlaskua oli n. 9,4 Pa. Öljy johdettiin koestus- astiaan öljynkäsittelylaitteen läpi. Öljyn lasku kesti 19 tuntia, ja pai­

ne oli ko e stu sa st ia s sa koko ajan alle 11 Pa. Öljyn peittäessä kokonaan koekappaleet olivat ne impregnoituneet, ja säiliöön voitiin laskea nor­

maali paine 100 kPa. Öljyn kunnon toteamiseksi siitä määritettiin kos­

teus, läpilyöntilujuus ja epäpuhtaushiukkasten lukumäärä litrassa öl­

jyä:

kosteus = 32 ppm

läpilyöntilujuus (2,5 mm elektrodiväli) = 64,6 kV/2,5 mm epäpuhtau shiukkasten lukumäärä/l = 19000 kpl/l

Koska öljy oli kosteata ja sisälsi melko runsaasti epäpuhtauksia (pyri­

tään 5000 kpl/l). Käsiteltiin öljyä 1 2 tunnin ajan öljynkäsittelylaittee s - sa. Siinä öljy kuumennettiin, tyhjökäsiteltiin, suodatettiin ja pumpattiin takaisin ko e stu s astiaan. Tämän toisen käsittelyn jälkeen otettiin öljys­

tä samat näytteet kuin ensimmäisellä kerralla:

- kosteus = 22 ppm

läpilyöntilujuus (2,5 mm elektrodiväli) = 75 kV/2,5 mm epäpuhtau shiukkasten lukumäärä/l = 1 2300 kpl/l

Tämän käsittelyn jälkeen voitiin aloittaa varsinainen koestus.

Neljän koekappaleen koestuksen jälkeen huononi öljyn kunto niin paljon, että öljyä oli käsiteltävä 15 tuntia öljynkäsittelylaittee s sa.

Koestettaessa kymmenettä koekappaletta turmeli valokaari öljyn, ja si­

tä käsiteltiin 15 tuntia öljynkäsittelylaittee s sa.

4. 2. Mittausmenetelmät

Mallien o sitta ispurkau s mittauksen avulla pyrittiin saamaan jonkinlai­

nen korrelaatio osittaispurkausten ja läpilyönnin välille. Malleille mi­

tattiin osittaispurkausten syttymisjännite ja tämän jälkeen Ю kV:n por­

tain o sittaispurkausten voimakkuus. Tässä mittauksessa oli varottava menemästä liian lähelle läpilyöntiä, sillä läpilyönti rikkoisi mittalait­

teet. Jännitettä laskettaessa pantiin muistiin osittaispurkausten sammu- mis jännite.

Osittaispurkaus mittauks en jälkeen tehtiin koekappaleelle vielä läpilyön­

tikö e. Tällöin koekappale rikkoontui läpilyönnissä, ja siirryttiin koe s - tamaan seuraavaa koekappaletta.

Edellä on mainittu tutkittavan käämirakenteen olevan eristystä soitaan BIL (Basic Impulse Level) 550 kV. Liitteessä 2 on esitetty tällaisten tasojen koejännitteet viitteen [ 17] mukaan. Ne määräytyvät nimellis- jännitteestä. Tutkittavassa tapauksessa on nimellisjännite 123 kV, jo­

ten syöksykoejännitteen huippuarvon olisi oltava 550 kV ja vaihto jänni- tekokeessa olisi koekappaleen kestettävä tehollisarvoltaan 230 kV jän­

nite.

IEC - standardin [ 17 ] mukaan suoritetaan vaihtojännitekö e seuraavasti, kuva 19:

läpilyöntitaso kestotaso

n. 60 min

Kuva 19. Vaihtojännitekö e. 1 - min. koe.

Jännite nostetaan minuutin ajaksi arvoon , joka ei saa olla suurempi kuin 1/3 testijännitteestä. Tämän jälkeen on koekappaleelle suotava riittävän pitkä lepotauko, jotta mahdolliset osittaispurkauksissa muodos­

tuneet kaasukuplat ehtivät liueta öljyyn. Pienet öljyvälit ja koekappaleen monimutkaisuus pidentävät lepoaikaa. Lepotauon jälkeen tehdään saman­

lainen 1-min. koe hieman korkeammalla jännitteellä, kunnes lopulta ta­

pahtuu läpilyönti. Näin saadaan koekappaleen läpilyönti- ja kestotaso.

Jos koekappaleita on paljon, on tällainen testi erittäin aikaavievää.

Siksi or. kehitetty nopeampi tapa, kuva 20 [ 18 ]:

U, läpilyöntitaso kestotaso

1 1 1

20 s 1

1 -

1 1 1 1

Kuva 20. Vaihto jännitekö e. "Step by step" koe.

Jännite nostetaan tasolle Tjp Tämä voidaan määrätä, kun tunnetaan lä­

pilyönti jännite likimain. Taulukosta 7 otetaan, testijännitteen alkuarvok­

si (Uj) lähin arvo, joka vastaa 40 % läpilyöntijännitteestä.

Taulukko 7. Testijännitteen alkuarvo (kV/huippu/^2).

0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8

5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48

50 55 60 65 70 75 80 85 SO 95 100

110 120 130 140 150 160 170 ISO 190 200

Kutakin tasoa pidetään 20 s ja nostetaan jännite välittömästi seuraaval- le tasolle, kunnes läpilyönti tapahtuu.

Läpilyöntilujuuden määrittämiseksi koekappaleille käytettiin jälkimmäis­

tä menetelmää nopeutensa vuoksi. Ongelmana tässä tavassa oli se, että

oli tiedettävä likimain koekappaleen läpilyöntijännite. Tämä voitiin arvioida riittävän tarkasti aikaisempien koeprojektien tulosten poh­

jalta.

4. 3. Mittalaitteet

O sittaispurkau s - ja läpilyöntimittauksissa käytettiin samaa mittalait- teistoa, liite 4 ja 5. Koe stusjännitelähteenä oli kaskadimuuntaja, jota magnetoitiin generaattorilla. .

O sittaispurkausten ilmaisijana käytettiin pui s simuuntajaa ja oskillo- skooppia. Puissimuuntaja voidaan kytkeä joko kytkentäkondensaattorin

tai koekappaleen kanssa sarjaan maan puolelle. Viimemainitulla kytkennällä on hieman huonompi erotuskyky kuin ensinmainitulla. Mit­

tauksissa käytettiin koekappaleen kanssa sarjassa olevaa pui s simuunta­

jaa.

Osittaispurkauskokeen jälkeen tehtiin läpilyöntiko e. Ennen tätä koetta oli pui s simuuntaja oiko sulj ettava, jottei se rikkoontuisi läpilyönnissä.

Jännite mitattiin kapasitiivisella jännitteen jakajalla ja jännitemittarilla, joka näytti U/Y"2.

4. 3. 1. Mittalaitteiden tarkkuus

Osittaispurkausmittauksis sa jännitevirheet johtuivat jännitteen jakajasta ja mittarin lukemavirheestä. Edellisestä aiheutui n. 2 % ja jälkimmäi­

sestä n. 1 % virhe. Mittauspiirin ulkoiset purkaukset voitiin erottaa oskilloskoopin kuvapinnalla, joten näistä ei virhettä tullut. Pienin pur­

kaus, joka voitiin oskilloskoopin kuvapinnalla havaita oli 1 pC.

Läpilyöntikokeessa aiheuttivat jännitteeseen virhettä jännitteenjakaja ja jännitemittari yhteensä n. 3 %. Jännitteen nosto portaalta toiselle sujui melko hitaasti (n. Ю s jännitteennostoa ja 10 s täyden jännitteen vaiku tus aikaa).

4.4. Ko esty s

Koekappaleet koestettiin kohdan 4. 2 koeohjelman mukaisesti. Samaa ko e rakennetta olevat kappaleet koestettiin peräjälkeen. Koska koeteline

oli rakenteeltaan monimutkainen, sujui koekappaleiden vaihto melko hitaasti. Koestus kesti kaikkiaan kymmenen viikkoa.

Koeprojektin aikana jouduttiin öljyä käsittelemään kaksi kertaa sen läpilyöntilujuuden huononnuttua.

Läpilyöntikentänvoimakkuuden määräämiseksi koekappaleessa tehtiin jokaisesta rakenteesta resistanssipaperimalli. Tämä tehtiin aivan to­

dellisten mittojen mukaan ja otettiin huomioon permittiviteettien muu­

tokset ja redusoimalla muut eristerakenteet öljyksi. Kustakin raken­

teesta tehtiin kolme mallia:

1. koekappale, eristy sko e

2. todellinen muuntaja, eristyskoe

3. todellinen muuntaja, korvattu eristyskoe

Tällä menettelyllä saatiin selville, vastaako koekappale todellista muun­

tajaa ja ovatko tulokset sellaisenaan käytettävissä muuntajien mitoituk­

seen.

Joitakin ehjiksi jääneitä suojarenkaita voitiin ko estää uudelleen, jolloin saatiin lisää koekappaleita.

4. 5. Koetulokset

Liitteessä 6 on esitetty graafisesti osittaispurkauskokeen tulokset. Mui­

den kokeiden tulokset on esitetty viitteessä |" l6].

4.6. Tulosten tarkastelu ja hyväksikäyttö

Koerakenteet olivat nimellisjännitteellä 123/^3 kV purkauksettomia ja 1,7 x 123/\[3 olivat purkaukset alle 500 pC. Koerakenteet 1, 2 ja 4 täyttivät hyvin standardien vaatimukset varmuus marginaaleina en. Pyö -

ristyssäteen lisäys suojarenkaassa toi lisää varmuutta päätyrakentee- seen. Rakenne 3 täytti standardien vaatimukset, mutta varmuus margi­

naali oli liian pieni. Vertailuperusteena käytettiin rakenteen 1 tuloksia:

rakenne 2 oli 6 % parempi kuin rakenne 1 гдкеппе 3 oli Z1 % huonompi kuin rakenne 1 rakenne 4 oli 9 % parempi kuin rakenne 1

Kentänvoimakkuusmittausten perusteella todettiin koerakenteen vastaa­

van todellista muuntajaa (virhe 1,5 %). Resístanseipaperimittausten ja läpilyöntikokeiden avulla saatiin määrättyä mitoituskentänvoimakkuus tälle jännitetasolle, ja tätä arvoa voidaan käyttää m.yös suuremmilla jännitetasoilla mitoituslähtökohtana.

Koska suurempi suojarenkaan pyöristys säde tuo lisämarginaalia jänni- tek e s toi s uute en, kannattaa sitä soveltaa muuntajan suunnittelussa.

Läpilyöntijännitteen hajontaan vaikuttavia tekijöitä olivat:

öljyn läpilyöntilujuus ei ollut aina samanlainen

eristys mitat eivät pysyneet aina samanlaisina, joten koekap­

paleet eivät olleet identtisiä eristys oli vaikeaa öljyssä

- * heti kokoamisen jälkeen tehty osittaispurkausmittaus antoi väärän kuvan ko. rakenteesta

koekappaleita oli vähän, joten ei voitu suorittaa tilastollista tarkastelua.