STUDII PRIVIND ÎMBUNĂTĂȚIREA CALITĂȚII - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...

Studii privind îmbunătățirea calității uleiului de transformator

1

UNIVERSITATEA ,,TRANSILVANIA” BRASOV

Școala Doctorală Interdisciplinară

Departament de Inginerie Electrică și Fizică Aplicată

Ing. Mariana FĂTU căs. ȘERBAN

STUDII PRIVIND ÎMBUNĂTĂȚIREA CALITĂȚII

ULEIULUI DE TRANSFORMATOR

STUDIES ON IMPROVING THE QUALITY OF

TRANSFORMER OILS

Conducător științific

Prof. univ. dr.ing. Elena HELEREA

2015

MINISTERUL EDUCAȚIEI ȘI CERCETĂRII ȘTIINȚIFICE


2

UNIVERSITATEA ”TRANSILVANIA”DIN BRAȘOV

BRAȘOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 5000336, TEL. 0040-268-413,FAX 0040-268-

410525

RECTOTAT

Ing. Mariana FĂTU căs. ȘERBAN

D-lui (D-nei)

COMPONENȚA

COMISIEI DE DOCTORAT:

PREŞEDINTE : Conf..univ.dr.ing. Carmen GERIGAN

DECAN Facultatea de Inginerie Electrică și Știința

Calculatoarelor

Universitatea “Transilvania” din Braşov

COND. ŞTIINŢIFIC Prof.univ.dr.ing. Elena HELEREA


REFERENŢI ŞTIINŢIFICI Prof.univ.dr.ing. Radu MUNTEANU

Universitatea Tehnică din Cluj - Napoca

Prof.univ.dr.ing. Petre NOȚINGHER

Universitatea “Politehnica” din București

Prof.univ.dr.ing. Livia SÂNGEORZAN


Data, ora și locul susținerii publice a tezeii de doctorat: 6 martie 2015, ora 11, sala N I1,

Corpul N, Facultatea IESC, Str. Politehnicii Nr. 2.

Aprecierile sau observaţiile vă rugăm să le trimiteţi în scris pe adresa Universităţii

Transilvania din Braşov, B-dul Eroilor, Nr.29, Tel. 0040 268 413000, Fax 0040 0268 410525

sau, pe adresa [email protected] sau [email protected].

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat.

Vă mulțumim

mailto:[email protected]



3

CUPRINS

Listă abrevieri...................................................................................................................... 9

Listă figuri ............................................................................................................................... 11

Listă tabele .............................................................................................................................. 15

INTRODUCERE .................................................................................................................... 19 8

1. TRANSFORMATORUL DE MARE PUTERE ŞI SISTEMELE DE IZOLAŢIE........... 25 14

1.1. Transformatorul - Istoric și evoluție................................................................. 25 14

1.2. Izolaţia în echipamentele electrice................................................................... 27 15

1.2.1. Materiale pentru izolaţii lectrice............................................................ 28 15

1.2.2. Materiale electroizolante pentru transformatoarele de mare putere....... 35 16

1.3. Sisteme de izolaţie în transformatoarele de putere.......................................... 37 18

1.3.1. Sisteme de izolaţie electrică.................................................................... 37 18

1.3.2. Indicatori caracteristici pentru sistemele de izolatie............................... 38 19

1.4. Concluzii ............................................................................................................... 42 20

2. DEGRADAREA ȘI ÎMBĂTRÂNIREA SISTEMELOR DE IZOLAŢIE

ELECTRICA LA TRANSFORMATOARE DE PUTERE............................................. 43 21

2.1. Solicitări asupra sistemelor de izolaţie electrică ………………………...……… 43 21

2.1.1. Solicitările în echipamentele electrice ………………………………... 43

2.1.2. Clase de izolaţie electrică ……………………………….…...……….. 44 21

2.2. Îmbătrânirea sistemelor de izolaţie .......................................................................... 44 22

2.2.1. Îmbătrânirea izolației electrice .............................................................. 44 22

2.2.2. Degradarea celulozei și a uleiului de transformator .............................. 45 23

2.2.3. Rolul antioxidanților în reducerea reacțiilor redox ………….………... 48 25

2.3. Influenţa apei asupra sistemului ulei mineral – hârtie electroizolantă ................. 50 26

2.3.1. Solubilitatea apei în ulei ...................................................................... 50 26

2.3.2. Efectul prezenței apei în uleiul de transformator ……… ..………….. 51 28

2.3.3. Determinări experimentale ……………..……………………………. 54 30

2.4. Extinderea duratei de viață a sistemului ulei – hârtie............................................. 56 31

2.5. Estimarea duratei de viață……………………………………………………… 60 33

2.5.1. Estimarea duratei de viață la transformatoarele din exploatare………. 60 33

2.5.2. Teorii privind durata de viață………………………………………….. 62 34

2.5.3. Studiu de caz…………………………………………………………... 63 35

2.6. Concluzii ............................................................................................................... 64 35

3. INVESTIGAREA PROPRIETĂȚILOR ULEIURILOR ELECTROIZOLANTE...... 66 37

3.1. Uleiuri electroizolante – Istoric, structură, tehnologii de obținere.și recuperare .. 66 37

3.1.1. Istoric ..................................................................................................... 66 37

3.1.2. Clasificări .............................................................................................. 69 37

3.1.3. Producerea uleiurilor electroizolante în Brașov .................................... 71 39


4

3.2. Tehnologii de obținere a uleiurilor electroizolante................................................ 73 39

3.2.1. Obținerea uleiului mineral prin cocsificare ........................................... 74 39

3.2.2. Obținera uleiului mineral din țiței .......................................................... 77 40

3.2.3. Obținerea uleiurilor vegetale electroizolante ......................................... 80 41

3.3. Uleiurile minerale și uleiurile vegetale electroizolante-Analiză comparativă ..... 84 41

3.3.1. Structuri moleculare ale componentelor uleiurilor minerale și

vegetale.................................................................................................... 84 41

3.3.2.Aspecte noi - Stabilitatea chimică a uleiurilor minerale.......................... 89 42

3.4. Analiză comparativă ……………………………………………………...……. 92 43

3.4.1. Uleiuri minerale ……..........……………………...….....................…... 92 43

3.4.2. Uleiuri vegetale ..................................................................................... 107 47

3.4.3. Uleiuri sintetice ...................................................................................... 108

3.5. Recuperarea uleiurilor minerale electroizolante................................................... 110 47

3.5.1. Tehnologii de recuperare ....................................................................... 110 47

3.5.2. Evaluarea eficienței tehnologiei de obținere a uleiului mineral ............ 112 48

3.6. Concluzii............................................................................................................... 122 49

4. ÎNCERCĂRI LA ULEIURILE DE TRANSFORMATOR.......................................... 127 50

4.1. Încercări profilactice ale uleiului electroizolant................................................... 127 50

4.2. Analize fizico – chimice ...................................................................................... 128 50

4.2.1. Determinarea densității........................................................................ 131 51

4.2.2. Determinarea conținutului de apă........................................................ 133 52

4.2.3. Determinarea punctului de inflamabilitate.......................................... 138 53

4.2.4. Determinarea indicelui de refracție..................................................... 142 54

4.2.5. Determinarea vâscozităţii..................................................................... 144 55

4.3. Rigiditatea dielectrică a uleiurilor electroizolante ............................................... 149 56

4.2.6. Metode de determinare a rigidităţii dielectrice..................................... 149 56

4.2.7. Determinări experimentale și analize comparative ............................. 152 57

4.4. Analiza spectrofotometrică................................................................................... 157 60

4.2.8. Metode de analiză spectrofotometrică................................................. 157 60

4.2.9. Analiza spectrofotometrică a uleiului TR 30 MOL.............................. 158 61

4.5. Concluzii .............................................................................................................. 162 63

5. METODE STATISTICE ÎN ANALIZA TESTELOR DE STRĂPUNGERE............ 164 64

5.1. Statistica descriptivă și indicatori caracteristici…………………………………. 165 64

5.2. Procedura de determinare a rigidității dielectrice la uleiurile electroizolante cu

aparatul MEGGER OTS 60 AF/2…................................................................ 171 66

5.3. Aplicarea statisticii descriptive în testele de străpungere la uleiurilor

electroizolante………………………………………………………………… 175 68

5.4. Influența factorilor extrinseci asupra tensiunii de străpungere ………………… 178 70

5.4.1. Influența formei geometrice a electrozilor……………………………. 178 71

5.4.2. Influența vitezei de creștere a tensiunii de încercare și a geometriei

electrozilor……..………………………………………….………… 182 72

5.4.3. Influența agitării încercări de străpungere fără agitare ……………….. 184 73

5.5. Programul MedCalc si analiza statistica aplicată in străpungerea uleiurilor 187 74


5

electroizolante …………………………………………...………........................

5.6. Concluzii............................................................................................................... 198 80

6. CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII ORIGINALE ........................................... 201 82

6.1. Concluzii finale ................................................................................................... 201 83

6.2. Contribuții originale și perspective ...................................................................... 205 86

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ ............................................................................................... 207 88

ANEXE (pe CD).......................................................................................................................

Anexa 1. Schema cuvei de ulei a aparatului MEGGER OTS 60 AF/2

Anexa 2. Date spectrofotometrice pentru probe de ulei TR 30 MOL

Anexa 3. Determinări experimentale – tensiuni de străpungere şi rigiditatea

dielectrică la uleiuri electroizolante

TABLES OF CONTENTS

List of abbreviations.................................................................................................................. 9

List of figures .......................................................................................................................... 11

List of tables ........................................................................................................................... 15

INTRODUCTION .................................................................................................................. 8

1. HIGH POWER TRANSFORMER AND INSULATION SYSTEMS ......................... 19 14

1.1. Transformer - History and development ............................................................. 25 14

1.2. Insulation in electrical equipment ....................................................................... 25 15

1.2.1. Electrical insulation materials ................................................................ 27 15

1.2.2. Insulating materials for high power transformers .................................. 28 16

1.3. Insulation systems in power transformers.............................................................. 35 18

1.3.1. Electrical insulation systems .................................................................. 37 18

1.3.2. Indicators characteristics for electroinsulation systems ......................... 37 19

1.4. Conclusions ........................................................................................................... 38 20

2. DEGRADATION AND AGING OF THE ELECTRICAL INSULATION SYSTEMS

OF POWER TRANSFORMERS................................................................................... 42 21

2.1. Requirements on electrical insulation systems …...……………………..…… 43 21

2.1.1. Applications in electrical equipment ..………………………………... 43

2.1.2. Electrical Insulation class .……………………………….…...……….. 43 21

2.2. The aging of insulation systems ............................................................................ 44 22

2.2.1. The aging of electrical insulation ........................................................... 44 22

2.2.2. The degradation of cellulose and transformer oil ................................... 44 23

2.2.3. The role of antioxidants in reducing the redox reactions .….……..…... 45 25

2.3. The influence of water on mineral oil system - electro paper ….…................... 48 26

2.3.1. The solubility of the water in oil............................................................. 50 26

2.3.2. The effect of the presence of water in transformer oil ...…..……..….. 50 28

2.3.3. The experimental determinations ………..……………………………. 51 30

2.4. Extending the life of the oil system – paper .......................................................... 54 31

2.5. The life time estimating ….……………………………………………………… 56 33

2.5.1. The life time estimated operating transformers ………………………. 60 33


6

2.5.2. The theories on life time …..………………………………………….. 60 34

2.5.3. Case study ..…………………………………………………………... 62 35

2.6. Conclusions ........................................................................................................... 63 35

3. THE INVESTIGATION OF INSULATING OILS...................................................... 64 37

3.1. The Insulating Oils - History The structure, manufacturing and recovery

technologies .......................................................................................................... 66 37

3.1.1. The historical approach........................................................................... 66 37

3.1.2. The classifications .................................................................................. 66 37

3.1.3. The production of insulating oil in Brasov ............................................. 69 39

3.2. The technologies for obtaining the electrical insulating oils ................................. 71 39

3.2.1. The mineral oil obtaining by coke .......................................................... 73 39

3.2.2. The mineral oil obtaining from oil.......................................................... 74 40

3.2.3. Getting insulating vegetable oils ............................................................ 77 41

3.3. The mineral oils and vegetable oils - Comparative analyses................................. 80 41

3.3.1. Molecular structure of the mineral and vegetable oils............................ 84 41

3.3.2. The new aspects – Stability of mineral oils ............................................ 84 42

3.4. Comparative analysis……………………………………………………...……. 89 43

3.4.1. The mineral oils ……..........……………………...….....................…... 92 43

3.4.2. The vegetable oils ................................................................................... 92 47

3.4.3. The synthetics ......................................................................................... 107

3.5. Recovery of the mineral insulating oils ................................................................ 108 47

3.5.1. Recovery technologies .......................................................................... 110 47

3.5.2. Assessing the effectiveness of technology of the mineral oil ................. 110 48

3.6. Conclusions........................................................................................................... 112 49

4. THE TRANSFORMER OILS TESTING.................................................................... 122 50

4.1. The preventive testing of insulating oil ............................................................ 127 50

4.2. The physico-chemical analyses ........................................................................ 127 50

4.2.1. The determination of density ............................................................... 128 51

4.2.2. The determination of water content ..................................................... 131 52

4.2.3. The determining flashpoint................................................................... 133 53

4.2.4. The determination of refractive index .................................................. 138 54

4.2.5. The determination of viscosity ............................................................. 142 55

4.3. The dielectric strength of insulating oils .......................................................... 144 56

4.3.1. The methods for determining the dielectric strength ........................... 149 56

4.3.2. The experimental determination and benchmarking............................. 149 57

4.4. The spectrophotometric analysis ...................................................................... 152 60

4.4.1. The Spectrophotometric assay methods ............................................... 157 60

4.4.2. The spectrophotometric analysis of oil TR 30 MOL ........................... 157 61

4.5. Conclusions ...................................................................................................... 158 63

5. STATISTICAL ANALYSIS APPLIED TO BREAKDOWN TESTS........................ 162 64

5.1. The descriptive statistics and indicators ………………………………………. 164 64

5.2. The procedure for determining the dielectric insulating oils with device

MEGGER OTS 60 AF/2 ………...….................................................................. 165 66


7

5.3. Application of descriptive statistics breakdown tests on electrical insulating

oils ………..…………………………………………………………………. 171 68

5.4. The influence of extrinsic factors on breakdown voltage ...…………………. 175 70

5.4.1. The influence of the geometric shape of the electrodes ...……………. 178 71

5.4.2. The influence of growth rate and blood test electrode geometry ...…… 178 72

5.4.3. The influence of stirring attempts to puncture without agitation ……... 182 73

5.5. The MedCalc software and statistical analysis applied in insulating oils

breakdown………………………………………...………........................ 184 74

5.6. Conclusions ...................................................................................................... 187 80

6. THE CONCLUSIONS AND ORIGINAL CONTRIBUTIONS ................................. 198 82

6.1. Final conclusions............................................................................................... 201 83

6.2. The original contributions and perspectives ..................................................... 201 86

REFERENCES .................................................................................................................... 205 88

ANNEXES (on CD) 207 101

Annex 1. The scheme oil tank of the MEGGER OTS 60 AF/2 aparatus

Annex 2. The spectrophotometric data for oil samples TR 30 MOL

Annex 3. Experimental determinations – Breakdown voltages and electric strengths for

electroinsulating oils


8

INTRODUCERE

Necesitatea cercetării

Creșterea demografică a nivelului de trai al populației și exploziei industrializării, au dus

la creșterea necesarului de energie electrică la nivel mondial, cu implicaţii directe asupra

numărului şi puterii transformatoare de mare putere utilizate în sistemele de transport şi

distribuţie a energiei electrice.

În present, principalii producători şi furnizori de energie electrică din România au în

vedere evoluţia resurselor energetice şi modul lor de gestionare, în condițiile în care o tot mai

accentuală globalizare economică face ca strategia energetică să fie dezvoltată în contextul

evoluțiilor și schimbărilor care au loc pe plan mondial.

Una dintre soluţii, direct legată de eficienţa energetică şi de reducerea poluării mediului

ambiant este dată de implementarea pe scară largă a sistemelor de transport şi distribuţie a

energiei electrice cu aplicații directe în optimizarea transformatoarelor de mare putere.

Considerând contextul global al cercetărilor, direcţionate spre dezvoltarea şi optimizarea

transportului energiei electrice şi necesitatea stabilirii unui echilibrul între resuresele energetice,

tehnologia actuală şi mediu, prezenta teză de doctorat este elaborată conform Strategiei

Naţionale de Cercetare, Dezvoltare şi Inovare 2007-2013 și programului European Horizon

2020.

Cererea totală de energie la nivel mondial în 2030 va fi cu circa 50% mai mare decât în

2003, iar pentru petrol va fi cu circa 46% mai mare. Rezervele certe cunoscute de petrol pot

susține un nivel actual de consum doar până în anul 2040, iar cele de gaze naturale până în anul

2070, în timp ce rezervele mondiale de huilă asigură o perioadă de peste 200 de ani chiar la o

creştere a nivelului de exploatare. Previziunile indică o creştere economică, ceea ce va implica

un consum sporit de resurse energetice.

În viitor strategia energetică națională pentru perioada 2007-2020 pune accentul în

principal pe sporirea capacității nucleare, pe creșterea exploatării resurselor hidroenergetice,

introducerea surselor de energii regenerabile şi susţinerea generării distribuite.

Alte priorități sunt legate de eficientizarea capacităților actuale prin modernizarea lor şi

prin introducerea unui management performant.

Problematica transformatoarelor de mare putere rămâne prioritară, având în vedere rolul

pe care îl au în sistemul de producere transport şi distribuţie a energiei electrice.

Conţinutul prezentei lucrări abordează o latură a unui domeniu de referinţă în dezvoltarea

şi modernizarea și eficientizarea producţiei de energie electrică, cel al sistemelor de izolaţie din

transformatoarele de mare putere.

Necesitatea unor cercetări în domeniul sistemelor de izolație transformatoarele de putere

este actuală, având în vedere exigenţele actuale legate de diagnoza şi prognoza defectelor şi


9

necesitatea înlocuirii materialelor clasice electroizolante cu noi materiale, mai performante și mai

prietenoase cu mediul.

Creșterea cerințelor legate de calitatea energiei livrate și de disponibilitatea sistemelor de

alimentare impun în present noi abordări legate de monitorizarea stării de funcționare a

transformatoarelor și de predicția parametrilor funcționali. Aceasta presupune cunoașterea în

detaliu a evoluției parametrilor sistemului de izolație a transformatorului – în primul rând a

uleiului de transformator.

Cercetările actuale sunt direcționate spre dezvoltarea de noi materiale utilizate în

construcția sistemelor de izolație electric din transformatoarele de mare putere și stabilirea de

soluţii pentru creșterea performanțelor acestora în exploatare, cu scăderea cheltuielilor de

mentenanță.

O sistematizare a cercetările actuale în domeniul sistemelor de izolaţie şi al principlului

element constituent – uleiul de transformator indică necesitatea continuării cercetărilor actuale şi

introducerea de noi abordări legate de

Monitorizarea caracteristicilor principale ale sistemului de izolație din transformator;

Corelarea procedurilor de monitorizarea cu strategii de mentenanță pentru transformatorul de

putere;

Soluţii pentru diagnoza defectelor şi prognoza duratei de viaţă a sistemelor de izolaţie;

Soluţii pentru monitorizarea impurificării sistemului electroizolant lichid cu apă şi alte

elemente şi eliminarea acestora;

Clarificarea proceselor de străpungere în uleiurile electroizolante clasice şi cele de natură

vegetală, posibil de a fi înlocuitori ai uleiului minerat de transformator;

Influența factorilor intrinseci și extrinseci asupra rigidităţii electrice a sistemului

electroizolant format din hârtie electroizolantă impregnată cu ulei mineral/vegetal

electroizolant;

Procese de electrizare în uleiurile electroiziolante ;

Influența creșterii temperaturii în ansamblul electroizolant și riscurile la care sunt supuse

transformatoarele în ansamblu.

Având în vedere strategia de dezvoltare în domeniul Energie şi stadiul actual al cercetării

în domeniu, au fost stabilite obiectivele cercetării prezentei teze de doctorat.

Obiectivele tezei de doctorat

Teza de doctorat sintetizează preocupările autoarei în domeniul caracterizării uleiurilor

electroizolante din sistemele d eizolaţie ale transformatoarelor d emare putere.

Obiectivele cercetării sunt corelate cu stadiul actual al cercetărilor punând în valoare

provocări în ceea ce privește găsirea de noi materiale electroizolante lichide ecologice,

nepoluante, performante și cu preț de cost cât mai scăzut.

Obiectivul principal al cercetării este de investigare şi optimizarea caracteristicilor

uleiurilor electroizolante utilizate în sistemele de izolație din transformatoarele de mare putere în

vederea îmbunăţăţirii performanţelor acestora.


10

Teza de doctorat cuprinde cercetări teoretice şi experimentale în domeniul uleiurilor

electroizolante minerale şi vegetale şi în domeniul fiabilităţii operaţionale a sistemelor de izolaţie

din transformatoarele de mare putere.

Obiectivele specifice ale tezei de doctorat sunt:

O1. Studiul performanțelor sistemelor de izolație din tranformatorul de mare putere în vederea

justificării structurii, a proceselor și fenomenelor care au loc în exploatare.

O2. Dezvoltarea de proceduri de testare și tehnici de analize comparative a uleiurilor

electroizolante, în vederea stabilirii performanțelor uleiurilor minerale și vegetale ca

elemente ale sistemului de izolație din transformator.

O3. Conceperea și dezvoltarea de metode și practici de testare la străpungere a uleiurilor

electroizolante în vederea caracterizării performanțelor uleiurilor cu criteriul tensiune de

străpungere. .

În baza acestor considerente, teza prezintă un caracter interdisciplinar, utilizând

informații teoretice și experimentale din domeniile: inginerie electrică, chimie, inginerie

petrochimică și de rafinării, informatică, matematică, statistică matematică.

Metodologia cercetării științifice

Lucrarea elaborată se bazează pe studiul bibliographic al lucrărilor din domeniul tezei de

doctorat, care include: cărți, teze de doctorat, articole științifice din reviste de specialitate și

volume ale conferințelor naționale și internaționale, lucrări prezentate la manifestări științifice,

normative și standard internaționale, cataloage și rapoarte științifice al companiilor de profil.

În scopul caracterizării sistemelor electroizolante lichide din transformatoarele de putere

autoarea a efectuat analize complexe considerând parametrii înregistrați în laborator și din

exploatare prin aplicarea metodelor statistice sprijinite de softurile Statistica și MedCalc.

Au fost realizate cercetări experimentale prin testarea uleiurilor la străpungere în cadrul

laboratorului de cercetare al Departamentului de Inginerie Electrică și Fizică Aplicată.

Cercetarea științifică dezvoltată în vederea elaborării prezentei teze de doctorat s-a bazat

pe utilizarea unor metode diferite de cercetare: metoda documentării teoretice și practice

realizată prin analiza critic a literaturii de specialitate, metoda observației, prin realizarea unor

probe eșantionabile de uleiuri noi și din exploatare.

O altă metodă de cercetare aplicată constă în aplicarea metodelor matematice, statistice și

deductive, precum și a celor informatice bazate pe utilizarea diferitelor platform software de

modelare. În acest sens s-a utilizat platform software Statistica și MedCalc.

Lucrearea cuprinde următoarele capitole:

Capitolul 1. Transformatorul de mare putere şi sistemele de izolaţie

Capitolul tratează un scurt istoric al transformatorului urmărind evoluţia acestuia

dealungul timpului. Se analizează structura izolației din echipamentele electrice şi cercetările în

domeniu. În continuare sunt sistematizate clasele de materiale cu aplicații inginerești, materialele

electroizolante fiind descriese detaliat, cu parametrii tehnici caracteristici, funcție de starea de

agregare. Sunt analizate şi descrise materialele electroizolante utilizate în transformatoarele de

mare putere.

Capitolul 2. Degradare și îmbătrânire a sistemelor de izolaţie electrica la

transformatoare de putere


11

In acest capitolul se abordează problema durabilității sistemului de izolație din

transformatorul de putere. Sunt precizate tipurile de solicitări care acționează asupra sistemului

de izolație, în general, dar și cele care apar în în echipamentele electrice, precizându-se regimul

de funcționare al lor. O problemă importanţă care apare în aceste sisteme este îmbătrânirea

izolațiilor, care este analizată prezentându-se fenomenele de degradare ale hârtiei electroizolante

dar și ale uleiului electroizolant din sistem. Este analizat procesul de formare al apei și

mecanismele de degradare care apar. Este analizată posibilitatea de reducere a degradării

sistemului electroizolant prin adăugare de substanțe inhibitoare ale procesului de descompunere

numite antioxidanți. Efectul apei în sistemul electroizolant este pus în evidenţă prin determinări

experimentale pe probe de ulei mineral de tip TR 30 MOL. Probele al căror conținut de apă a

fost determinat au fost supuse fenomenului de străpungere cu electrozi de formă geometrică

diferită (plani, calote și sfere). S-au studiat posibilitățile extinderii duratei de viață ale sistemului

ulei-hârtie, cu estimarea duratei de viață la transformatoarele de putere în exploatare.

Capitolul 3. Investigarea proprietăților uleiurilor electroizolante

In acest capitsunt investighate proprietățile uleiurilor electroizolante, cu un studio

introductive legat de istoria apariției și utilizărilor uleiurilor minerale și vegetale și istoricul

fabricării uleiurilor din țiței în România de la început secolului XVIII. Se prezentă istoria

tehnologiilor de obținere a uleiurilor și la Brașov prin rafinarea petrolului. Sunt analizate şi

sistematizatre datele privind tehnologiile de obținere ale uleiurilor minerale precum și a celor

vegetale cărora azi li se acordă o importanță industrială, alături de cea de consum alimentar,

cosmetic și farmaceutic. Analiza comparativă privind structurile moleculare ale uleiurilor

minerale și vegetale din punct de vedere chimic a permis studiul stabilităţii chimice a uleiurilor

electroizolante, cu rol esenţial în durata de viață ale izolației electrice. Sunt culese şi prelucrate

date privind uleiurile provenite de la mai multe unități energetice alături de probe de uleiuri noi

aditivate și neaditivate. Analiza a considerat drept criteriu comparativ rigiditatea dielectrică și

factorul de pierderi, care alături de celelalte caracteristici fizico-chimice asigură durata de viață a

izolației electrice din echipament. Pe baza rezultatelor testelor de tensiune de străpungere,

autoarea estimează durata de viață a transformatoarelor de putere analizate. Comparativ cu

caracteristicile uleiurilor minerale studiate, autoarea determină și caracteristicile uleiurilor

vegetale din floarea soarelui, din rapiță și din porumb. Rezultă valori ale rigidităţii dielectrice

apropiate de cele ale uleiurilor minerale. Fiind amestecuri complexe de acizi organici, uleiurilor

vegetale trebuie să li se aplice o serie de îmbunătățiri pentru a nu creea problemă de coroziune în

echipamentul electric. În acest capitol sunt analizate tehnologiile de recuperare, regenerare și

recondiționare a uleiurilor minerale pentru a fi reutilizate în transformatoarele de putere. Este

efectuat un calcul estimativ privind dezvoltarea unei linii de obținere a uleiurilor minerale prin

distilarea țițeiului, pentru a se reduce importurile de uleiuri electroizolante foarte costisitoare,

mai ales că există resurse de țiței în România, ceea ce ar duce la scăderea prețului de achiziție al

uleiului.

Capitolul 4. Încercări la uleiurile de transformator

In acest capitol sunt descrise încercările profilactice efectuate de autoare privind asupra

uleiurilor electroizolante. Sunt prezentate metodele de analiză fizico–chimice pentru identificarea

caracteristicilor uleiurilor electroizolante şi sunt efectuate determinări pe probele de ulei


12

electroizolant. Sunt analizate şi prelucrate datele privind caracteristicile electroizolante ale

uleiurilor minerale din exploatare care au fost monitorizate în perioada 2008- 2014. Este pusă în

evidenţă influența temperaturii asupra rigidității dielectrice pe mai multe tipuri de uleiuri din

exploatare. Pentru identificarea fenomenelor de descompunere s-a utilizat metoda

spectrofotometria UV-VIS pentru punerea în evidență a compușilor de descompunere. Analiza

spectrofotogramelor obţinute pentru uleiul mineral TR 30 Mol care a fost supus la Nt=0, 6, 10,

18, 54 și 99 teste de străpungere indică dezvoltarea de produși secundari care modifică graficul

spectrofotogramei. .

Capitolul 5. Metode statistice în analiza testelor de străpungere

În acest capitol sunt aplicate metode statistice de analiză a datelor experimentale -

tensiuni de străpungere pentru tipuri de uleiuri din exploatare și uleiuri noi vegetale care ar putea

înlocui uleiurile minerale şi care provin din resurse natural neregenerabile, fiind ecologice,

nepoluante și din surse regenerabile. Metodele statistice au fost aplicate prin utilizarea softurilor

Statistica cu ajutorul căruia au fost obținute histograme și softul MedCalc. Se pot descrie prin

aplicarea acestor metode de analiză statistică tendinţele principale ale evoluţiei grupurilor de

impurități din uleiul electroizolant, din care să se desprindă aspecte privind: fenomenul de

îmbătrânire a uleiului electroizolant; creşterea cantităților de impurități singure sau complexe din

uleiul electroizolant; evaluarea numărului şi structurii grupurilor de impurități din uleiul

electroizolant; structura grupurilor după numărul de impurități existente la începutul procesului

și impuritățile ce se pot forma ulterior; componenţa grupurilor după relaţiile dintre impuritățile

existente sau cele nou formate; fenomenul migraţiei, în special al migraţiei temporare, în mediul

uleiului electroizolant şi alte componente ale sistemului. S-a calculat coeficientul de variabilitate

CV care permite compararea împrăștierii diferitelor eșantioane față de media aritmetică. Acesta

furnizează informaţii dacă şirul de date este sau nu este omogen putând lua valori cuprinse între

0<CV<100%. Când CV tinde spre zero, variabilitatea este redusă, deci populaţia este omogenă,

iar media are un grad de reprezentativitate ridicat. Cu cât nivelul coeficientului de variaţie tinde

spre 100% cu atât variabilitatea este mai mare, populaţia este mai eterogenă, iar media are un

nivel de reprezentativitate mai scăzut. Ca urmare, coeficientul de variaţie poate fi folosit ca test

de semnificaţie a reprezentativităţii mediei.

Capitolul 6. Concluzii finale și contribuții originale.

In acest capitol sunt sistetizate concluziile finale şi contribuţiile autoarei.

Cercetările în domeniu au fost efectuate de autoare în cadrul Departamentului de

Inginerie electrică şi fizică aplicată şi electrotehnică a Facultăţii de Inginerie Electrică şi Ştiinţa

Calculatoarelor de la Universitatea Transilvani din Brasov. Colaborări impostante au fost

realizate cu companii de energie electrica : S.C. Electrica S.A. Braşov, S.C. Electrica S.A.

Râmnicul Vâlcea, Filiala de Distributie a Energiei Electrice "Electrica Distribuţie Muntenia

Nord" S.A.

În activitatea de documentare, concepţie şi elaborare a lucrării am fost îndrumată cu

deosebită competenţă profesională de doamna Prof. univ. dr.ing. Elena HELEREA căreia îi aduc

mulţumirile mele respectuoase şi sincere.

Mulţumesc în mod deosebit cadrelor didactice de la Departamentul de inginerie electric și

fizică aplicată din cadrul facultății de inginerie electric și știința calculatoarelor de la


13

Universitatea “Transilvania » din Braşov, și în mod special domnului Conf. dr.ing. Adrian

MUNTEANU, mulțumesc deasemenea doamnei Conf. dr. Livia SÂNGEORZAN de la

Facultatea de Matematică Informatică, mulțumesc doamnei Prof. univ. dr. Florica Silvia Cristina

PAȚACHIA de la Facultatea de Stiinta şi Ingineria Materialelor.

Mulțumesc colegilor de la Colegiul Tehnic Simion Mehedinți Codlea care m-au sprijinit

moral, cu încurajări pentru a putea să realizez obiectivele propuse.

Mulţumesc colaboratorilor din Braşov - SC Electrica SA, Transelectrica SA, Râmnicul

Vâlcea - Electrica SA şi Galaţi - Sucursala de Distribuţie a Energiei Electrice, pentru înţelegerea

de care au dat dovadă şi respectul faţă de cercetarea efectuată în condiţii deosebite de muncă şi

viaţă. Mulţumesc familiei mele pentru înţelegerea arătată în întreaga perioadă de concepţie,

cercetare şi realizare a prezentei lucrări.

Ing. Mariana ŞERBAN


14

1. TRANSFORMATORUL DE MARE PUTERE ŞI SISTEMELE DE IZOLAŢIE

1.1. Transformatorul - Istoric și evoluție

Primul transformator industrial propriu-zis, construit ca aparat static, a fost realizat de

Gaulard şi Gibbs, în Anglia, în 1882, pentru a asigura funcţionarea lămpilor cu arc. [9].

După 1900 evoluţia transformatorului electric a mers în primul rând pe linia reducerii

greutăţii lor. Astfel, între 1887 şi 1934, greutatea scade de la 100 de kg la 2,16 kg echivalente.

[24].

După anul 1900, fabricarea de transformatoare electrice tot mai perfecţionate a permis

dezvoltarea rapidă a electroenergeticii şi a transportului de electricitate, stimulentul fiind nevoia

de energie electrică, mai avantajoasă faţă de cea mecanică în acţionările industriale [109].

Constructiv, transformatorul electric, definit ca aparat static care transformă curentul

alternativ la o anumită tensiune în curent alternativ de aceeaşi frecvenţă, însă la altă tensiune, are

ca principale părţi constructive : miezul magnetic; sistemul de înfăşurări, schela şi cuva

transformatorului şi accesoriile, de fabricaţie Electroputere Craiova 2008 (Fig. 1.1).

a) b)

Fig. 1.1. Transformator de 20 MVA: a) miezul şi sistemul de înfăşurări înainte de

introducerea în cuvă; b) transformator asamblat

Astfel, tranformatoarul electric, introdus în anii 1870-1890, ca verigă importantă pentru

transportul și distribuția energiei electrice, a cunoscut o continuă evoluție, în ceea ce priveşte:

Construcţia: de la transformatorul monofazat la transformatorul polifazat;

Fiabilitatea: cu sistem de izolație simplă – solidă; sistem de izolație complexă -

solid, lichid și gaz.


15

Eficiența energetică: randamentul a crescut de la 0,70 % la 0,98 %.

1.2. Izolaţia în echipamentele electrice

Izolația electrică a echipamentelor, care are ca scop principal izolarea părţilor

conductoare de curent electric între ele și/sau față de pământ, joacă un rol determinant în

asigurarea funcţionalității acestor sisteme tehnice.

După natura materialelor şi a mediilor folosite pentru izolaţii se deosebesc izolaţiile: în

aer, ulei, cu dielectrici solizi sau izolaţii combinate.

Există cercetări legate de stabilirea matricei de proprietăți ale materialelor electroizolante

care să fie în acord cu matricea de cerințe [62].

1.2.1. Materiale pentru izolaţii electrice

Pentru izolarea părţilor conductoare, echipamentele electrice din industria energetică

utilizează materiale cu caracteristici electroizolante speciale. Ştiinţe fundamentale, cum este

chimia, fizica, şi ştiinţe inginereşti, cum este ingineria materialelor, şi-au adus un continuu aport

în cunoşterea şi obţinerea de noi noi materiale, cu compoziții, structuri şi matrici de proprietăţi

specifice pentru a satisface cerinţele impuse de sistemele de izolație electrică [62].

Materialele electroizolante fac parte din clasa materialelor numite dielectrice, care trebuie

să îndeplinească următoarele cerinţe:

Rezistivitate de volum și suprafață mare, pentru a realiza funcţia de izolare a părţilor

conductoare de curent electric; Permitivitate dielectrică scăzută, pentru evitarea cuplajului

capacitiv între piesele izolate, la frecvențe înalte; Rigiditatea dielectrică mare, pentru a rezista

la solicitări electrice ridicate; Temperaturi de funcționare cât mai înalte, pentru a putea obţine o

putere specifică cât mai mare; Rezistență mecanică bună; Durata de viață mare, ceea ce

corespunde cu rezistență și stabilitate mare în timp; Rezistență la agenții chimici din mediul

ambiant cât mai mare; Rezistență la factorii de mediu; Prelucrabilitate bună; Posibilități de

recuperare, reciclare si revalorificare bună; Preț de cost scăzut.

Caracteristicile electroizolante ale unor dielectrici lichizi sunt descrise în Tabelul 1.1.

[29], [109].

Tabel 1.1. Caracteristicile electroizolante ale unor dielectrici lichizi

Lichid

electroizolant

Polaritatea

lichidului

Permitivitatea

relativă la

200C, 50 Hz

Rezistivitatea

la 200C

[Ωm]

tg δ la

200C,

50 Hz

Rigiditatea

dielectrică

la 200C,

50 Hz,

[kV/mm]

Benzen Nepolar 2,218 1013

-1014

- -

Toluen Slab polar 2,294 - - -

Tetraclorură de

carbon Nepolar 2,163 - - -

Ulei mineral Nepolar 2,1-2,4 1012

-1018

10-3

-10-4

15-30


16

(după puritate) (purificat )

40-50

(nepurificat)

Ulei de ricin Polar 4,5 1012

- 12-18

Askarel,

Sovol (difenili

clorurați)

Polar 2,5-3

(250C)

1010

-1014

10-2

-10-3

14-20

Ulei siliconic Slab polar 21,200 1014

(250C)

10-4

(250C)

15-20

(250C)

Apă distilată Foarte polar 81 107- 10

10 - -

Se observă (Tabelul 1.1) că permitivitatea relativă crește odată cu creşterea caracterului

polar al lichidului, prezente fiind procesele de polarizare de orientare în dielectricul lichid polar.

Lichidele electroizolante sunt, în mare parte, diverse combinații organice, majoritatea,

inflamabile ceea ce impune precauții speciale pentru evitarea accidentelor sau pagubelor în

sistemele energetice. Stabilitatea lichidelor electroizolante constituie principalul lor dezavantaj,

sub acțiunea solicitărilor, lichidele suferă o serie de transformări cu formare de gaze, apă, acizi,

care duc la modificarea caracteristicilor lor electroizolante şi modificarea conductivităţii

electrică, a permitivităţii relative, a tgδ şi a rigidităţii dielectrice.

Uleiurile sintetice, de tipul hidrocarburilor aromatice sau difenililor clorurați (askareli) şi

floruraţi, sau a uleiurilor siliconice, sunt utilizate ca dielectric de condensator (difenilii cloruraţi),

ca solvenți organici, la impregnarea unor ţesături electroizolante, la fabricarea lacurilor

electroizolante.

Pentru majoritatea materialelor organice macromoleculare electroizolante se caută soluții

de înlocuire atunci când resursele nu sunt suficiente, sau când crește pretul de cost. Soluţii se

caută şi pentru înlocuirea lor cu materiale ecologice, nepoluante, resistente în timp, și neagresive

cu mediul înconjurator.

1.2.2. Materiale electroizolante pentru transformatoarele de mare putere

La transformatoarele de putere punctele critice sunt legate de:

- Înfășurările - scăderea performanțelor izolației sub limitele admisibile duce la străpungerea

electrică;

- Trecerile izolante - depind de calitatea execuției;

- Sistemul de consolidare al înfășurărilor - supraîncălzirea pieselor de fixare duce la

degradarea părților izolante;

- Sistemul de răcire - ineficiența răcirii duce la creșterea temperaturii de funcționare a

transformatorului și degradarea izolației electrice,

astfel că materialele electroizolante se aleg în funcție de nivelul de solicitare și de cerințele de

solicitare a ansamblului.

În construcția transformatoarelor de mare putere se utilizează materiale electroizolante

din diferite clase de izolație, sub variate forme: stratificate, țesături, pelicule, folii și plăci – din

grupa materialelor electroizolante solide - și sub formă de izolanți lichizi.


17

Conductoarele sunt izolate cu bumbac, hârtie, fibre de sticlă, micabandă sau email

electroizolant. Pentru transformatoarele actuale, izolația de hârtie îmbibată cu ulei este principala

izolație a conductoarelor.

Aerul ca amestec gazos este utilizat ca material electroizolant în transformatoarele

electrice. Gazele inerte, în special azotul, sunt utilizate în transformatoarele electrice cu izolaţie

de ulei cu rol important de realizare a atmosferei inerte în cuva transformatorului.

Prin aceasta se evită contactul direct între uleiul electroizolant cu oxigenul din aerul

atmosferic, care datorită umidităţii, conţinutului de particule şi prezenţei oxigenului poate

modifica proprietăţile electroizolante al uleiului.

Uleiurile electrizolante sunt utilizate în transformatoare de mare putere cu funcții

multiple: izolare electrică și mediu de răcire. Se utilizează în prezent uleiurile naturale minerale,

obținute din produse petroliere sau din gudroanele de cocserii din cărbuni sau și din plante. În

cazul uleiului mineral de transformator temperatura maximă de lucru este de 90°-110°C, pentru

evitarea incendiilor. Difenilii clorurați degajă vapori toxici la temperaturi ridicate, ceea ce

impune utilizarea lor până la 100°C.

Din categoria materialelor organice utilizate în transformatorul de putere, ca material

electroizolant face parte celuloza.

Celuloza este o substanță macromoleculară naturală din clasa glucidelor, fiind

constituentul principal al membranelor celulelor vegetale. Celuloza este o polizaharidă și

împreună cu lignina (un compus macromolecular aromatic) și alte substanțe, formează pereții

celulelor vegetale și conferă plantei rezistență mecanică și elasticitate. Celuloza are aceeași

formulă brută ca și amidonul (C6H10O5)n, unde n poate atinge cifra miilor. La nivel molecular,

celuloza prezintă o structură semicristalină, în care zonele amorfe sunt alternate cu zonele

cristaline. Zonele amorfe, permit pătrunderea apei, în timp ce zonele cristaline sunt rigide, inerte,

ordonate și relativ impermeabile

Hârtia Kraft este o hârtie realizată din pastă de celuloză fibră lungă şi o proportie de

hârtie reciclată. Potrivite pentru rezistenţa lor mecanică şi electrică, hârtiile electroizolante sunt

sortimente tehnice speciale, fabricate din celuloza electrotehnică tip Kraft, cu grad ridicat de

puritate.

Hârtia Manila este produsă în Europa, manual, respectând tehnicile tradiționale

japoneze. Specială prin modalitatea de procesare a materiei prime, prin calitatea superioară a

fibrelor folosite (100% fibra de cânepă Manila), acestei hârtii i se garantează o remarcabilă

rezistență. Diferența dintre acest tip de hârtie și cea produsă în Japonia este sursa fibrei și

calitatea acesteia. Materia primă folosită în Europa este bumbacul și pasta de lemn, iar în

Japonia arborii Kozo, Gampi sau Mitsumata. Fibra obținută din acesti arbori este lungă, subțire

și extrem de rezistentă. Hărtia Manila reușește să se apropie foarte mult de cea originală

japoneză, prin aspect și rezistență. Caracteristicile definitorii ale hârtiilor electroizolante sunt conductivitatea extractului

apos, rigiditatea dielectrică în aer și in ulei, rezistența mecanică și conținutul de cenușă. In

Tabelul 1.2 prezentate principalele caracteristici electrice ale hârtiilor electroizolante[119], [75].

http://ro.wikipedia.org/wiki/Elasticitate

http://ro.wikipedia.org/wiki/Amidon


18

Tabel 1.2. Caracteristi ale hârtiilor electroizolante

Denumire produs Grosimea

mm tgδ Estr [kV/mm] εr

Hârtie Kraft 0,03….0,05 0,002÷0,003 30÷80 1,5÷6,5

Hârtie cablu 0.08….0,12 0,001÷0,003 30÷80 3,5÷6,5

Hârtie manila 0,03….0,05 0,003÷0,004 30÷80 2,5÷4,5

Hârtie condensator 0,03….0,05 0,002÷0,003 30÷80 4,5÷6,5

Hârtie japoneză 0,03….0,05 0,002÷0,003 30÷80 1,5÷4,5

Hârtie din cârpe 0,08….0,20 0,001÷0,002 30÷80 2,5÷4,5

Hârtie poliamidică

(Nomex) 0,08….0,20 0,015÷0,020 20÷40 3,0÷3,3

Carton electrotehnic

(Peșpanul) 0,50….7,00 0,003÷0,004 30÷80 4,5÷4,5

În transformatoare se utilizează preponderent hârtia Kraft, cartonul electrotehnic și hârtia

poliamidică.

Hârtie și plăci din Nomex - hârtie aramidică (sintetică), sau benzi în toate gama de

grosimi cu lățimi de la 5 mm la 1854 mm. Plăci ștanțate sau presate sub diferite forme, ca și

benzi adezive pe baza de Nomex.

Laminate (Stratificate) - materiale flexibile electroizolante multistrat realizate din foii

lipite, fibre si hârtii.Combinatiile de materilale de baza duc la produse finite care combina

proprietatile materialelor de baza si ofera multiple alte calitati. Pot fi combinate în diferite

moduri. Uzual sunt laminate 2-3 straturi. (Nomex-Kapton-Nomex, Perspan-Polietilena, etc.).

Folii electroizolante - in diverse clase de izolatie( poliamidice – ex. Kapton, folii PEN –

ex. Teonex, poliesterice – ex. Mylar, si alte folii speciale, albe cu tratamente de suprafata sau

folii deconectare.

Preșpan (Plăci presate) – de zeci de ani cel mai utilizat material pentru izolații electrice

în clasa A. Este fabricat din fibre de celuloză, proces asemănător cu cel de producere al hârtiei

fără utilizarea lianților.

Toate foiile și plăcile electroizolante sunt diponibile cu suprafețe speciale, de exemplu

acoperite, perforate, ondulate, etc, și sub forma de benzi, folii, piese ștanțate sau formate.

Benzi adezive electroizolante - Benzi adezive electroizolante - (UL listed) având diferite

materiale ca bază și diferiti adezivi (silicon, cauciuc, acril), adezive pe ambele fețe, pentru toate

aplicațiile și toate clasele de tempertură.

1.3. Sisteme de izolaţie în transformatoarele de putere

1.3.1. Sisteme de izolaţie electrică

Sistemele de izolație electrică sunt părți constructive ale echipamentelor electrice,

realizate dintr-un singur material sau mai multe materiale electroizolante, care izolează căile de


19

curent ale echipamentului între faze, între polii aceleiaşi faze şi între faze şi părţile puse la

pământ.

Funcţie de natura echipamentului electric, sistemele de izolaţie au o structura simplă (în

stare lichidă, gazoasă sau solidă), sau o structură complexă. Cele cu structuri complexe pot

include materiale cu stări diferite de agregare, a căror rezistivitate electrică se înscrie în clasa

materialelor electroizolante (ρ=10810

18 Ωm) [37].

Transformatoarele de mare putere în construcţie convenţională, utilizează ca materiale

pentru izolarea electrică a părţilor active materiale solide (hârtia, lemnul, cartonul electroizolant,

etc.) şi lichide electroizolante (uleiul mineral de transformator). Sistemul de izolaţie electrică din

transformatorul de mare putere este complex, fiind alcătuit din ansamblul de materiale

electroizolante aflate în contact direct cu părţile conductoare, care au rol de izolare a căilor de

curent între ele şi faţă de pământ (masa), dar şi cele care sunt în contact indirect, cu rol de izolant

electric, de suport mecanic al căilor de curent electric şi de mediu de răcire.

Realizarea practică a sistemelor de izolaţie este strâns legată de natura şi starea fizică a

materialelor electroizolante utilizate dar şi de formele geometrice ale căilor de curent.

Îmbunătăţirea caracteristicilor de calitate privind sistemele de izolaţie electrică din

echipamentele electrice are in vedere în primul rând caracterizarea comportării materialelor

componente la diverşi factori de stres [40].

Normele actuale prevăd reducerea şi chiar suprimarea poluanţilor generați prin arderea și

dispersia izolatorilor gazoşi, lichizi, solizi în mediul ambiant. Materialele componente sistemului

de izolație trebuie să fie anticorozive [16], [63].

1.3.2. Indicatori caracteristici pentru sistemele de izolatie

Sistemele de izolaţie influenţează direct funcţionarea şi durata de viaţă a echipamentelor

electrice [37]. În descrierea sistematică a performanţelor sistemelor de izolaţie, sunt utilizate

derept idicatori caracteristicile materialelor electroizolante componente [102]. Spre exemplu,

pentru alegerea unei izolaţii lichide se iau în considerare următoarele criterii:

- rigiditatea dielectrică la tensiuni de frecvenţă industrială;

- rigiditatea dielectrică la tensiuni de impuls;

- tensiunea de apariţie a descărcărilor parţiale;

- capacitatea lichidului de absorbţie a bulelor de gaze.[59], [60].

În cazul lichidelor electroizolante, legea Pisarevski – Valden exprimă dependenţa dintre

conductivitatea electrică şi vâscozitatea acestora, precum şi dependenţa acestor parametri de

temperatură. Astfel, legea lui Stokes precizează dependenţa dintre viteza unei particule sferice de

lichid care se deplasează uniform sub acţiunea forţei F , în procesul de curgere vâscoasă astfel:

r

F

6 (1.1)

unde: r este raza particulei, este coeficientul dinamic de vâscozitate într-un proces staţionar de

conducţie electrică, F este forţa cu care câmpul electric de intensitate E acţionează asupra

ionului de sarcină iq este compensată de forţa de frecare:


20

0 EqF i (1.2)

Legea Pisarevski-Valden,în ipoteza nemodificării concentraţiei de purtători de sarcină, se

exprimă astfel :

.const (1.6)

Valoarea tensiunii la care se produce străpungerea materialului se numeşte tensiune de

străpungere Ustr iar valoarea corespunzătoare a intensităţii câmpului electric Estr este rigiditatea

dielectrică.

Tensiunea la care are loc descărcarea pe suprafaţa dielectricului solid, dacă această

suprafaţă este uscată şi curată se numeşte tensiunea de conturnare uscată, iar dacă suprafaţa este

umedă, tensiunea de conturnare umedă.

Rigiditatea dielectrică Estr este o mărime dependentă de factori intrinseci (natura

dielectricului, starea de agregare) şi extrinseci (natura, forma şi dimensiunile electrozilor,

frecvenţa câmpului electric, condiţiile de mediu). Prezenţa umidităţii, a prafului, a grăsimilor, dar

şi a ceţii, vântului poate conduce la valori mult diferite pentru rigiditatea dielectrică a unui

dielectric.

Dielectricii gazoşi şi lichizi sunt regenerabili faţă de fenomenul de străpungere, în sensul

că după producerea unei străpungeri o nouă solicitare electrică este posibilă, dielectricul

prezentând din nou o valoare ridicată a rezistivităţii electrice.

Izolaţia internă (a transformatoarelor, a întrerupătoarelor etc.) este prezentată de suprafața

de separaţie între materialele solide (hârtie, carton, textolit etc.) şi uleiul electroizolant. [51].

Proprietăţile hârtiei impregnate cu ulei sunt diferite în funcţie de caracteristicile hârtiei,

ale uleuiului şi ale procesului de impregnare.

Pierderile dielectrice depind de: natura hârtiei, tratamentul ei chimic, densitatea hârtiei,

puritatea apei folosite la fabricarea hârtiei, caracteristicile soluţiei de impregnare, gradul de

umiditate. Influenţa apei asupra rigidităţii hârtiei sau a cartonului impregnate în ulei este

importantă, din acestă cauză s-a analizat posibilitatea reducerii umidităţii reuşindu-se valori în

cazul hârtiei de numai 0,3...0,5%.

Încercările experimentale efectuate arată că pentru temperaturi până la 90°C, valorile

factorului de pierderi practic nedepinzând de umiditate. Între 90 şi 130°C, valoarea tgδ creşte cu

atât mai mult cu cât materia primă este de mai prostă calitate[42],[45].


21

2. DURABILITATEA SISTEMELOR DE IZOLAŢIE ELECTRICA

2.1. Solicitări asupra sistemelor de izolaţie electică

În timpul funcționării echipamentului electric, sistemul de izolație este supus unui

complex de solicitări. Astfel, în transformator sistemul de izolație electrică trebuie să suporte şi

să transmită agentului de răcire căldura dezvoltată în diferitele părţi ale acestuia (înfășurări,

circuit magnetic).

Solicitările electrice - de scurtă durată, sau lungă durată, permanente sau de exploatare,

accidentale, constante şi variabile în timp – induc alte tipuri de solicitări. În Tabelul 2.1 sunt

prezentate principalele solicitări şi fenomenele care le însoţesc [25], [74], [75]

Tabel 2.1. Tipuri de solicitări şi efecte asupra sistemelor de izolaţie

Solicitari Fenomene şi acţiuni Solicitări de mediu

Solicitări

electrice

Tensiunea de serviciu Incălziri Aer, oxigen, hidrogen, azot,

gaz inert, hexafluorură de sulf

(SF6), Poluare industriala

(SO2, NaCl), radiaţii

ultraviolet, vid, lubrifianţi,

solvenţi

lichide izolante, apa, acizi,

baze, praf semiconductor, praf

şi nisip, ciuperci

Supratensiuni Descărcări parţiale

Solicitări

mecanice

Vibraţii

electrodinamice Presiune

Şoc electrodinamic Întindere

Vibraţii mecanice Compresiune

Şoc mecanic Răsucire

Solicitări

termice

Temperatura maximă Incălziri

Temperatura minimă

ambiantă

Gradient de

temperatură

Pentru calculul sistemelor de izolație se iau în considerare regimurile de funcționare ale

echipamentelor [15], care sunt:

- regimuri permanente (mod de functionare continuu), care fundamentează dimensionarea

echipamentelor electrice si a izolaţiilor;

- regimuri de suprasarcină (mod de functionare intermitent), care determină, pentru o durată

limitată, o creştere temporară a solicitărilor izolaţiilor (mecanice, termice);

- regimuri anormale (de durate foarte reduse, fracţiuni de secundă), care se manifestă prin

apariţia unor supratensiuni sau scurtcircuite şi exercită solicitări bruşte importante (şocuri

electrice, mecanice şi termice).

Solicitările se apreciază pornind de la condiţiile reale de funcţionare ale echipamentelor

electronice sau electrotehnice [37], [59], [60].

2.1.2. Clase de izolaţie electrică

Performanţele sistemelor de izolaţie electrică depind de natura şi structura materialelor

componente. Este şi cazul transformatoarele de mare putere care utilizează, în principal, ca

materiale pentru izolarea electrică a părţilor active uleiul mineral de transformator şi materiale

solide: hârtia, lemnul, cartonul electroizolant, pentru care durabilitatea la acţiunea solicitărilor


22

electrice, termice, mecanice şi de mediu depind de parametrii intrinseci ai materialelor

constituente [37].

Pentru caracterizarea tuturor tipurilor de solicitări care acționează asupra izolațiilor în

timpul funcționării echipamentelor electrice sunt introduşi factori de influență [108], [109].

Performanţele sistemelor de izolaţie sunt direct legate de calitatea materialelor

componente. Materialele utilizate la construcția sistemelor de izolație sunt împărțite în trei grupe

principale [56], [59], [108], [109]: - materiale organice; - materiale anorganice; - materiale

siliconice (sau de trecere).

Alături de aceste tipuri de materiale, în urma dezvoltării tehnologiei, s-au creat și

materialele electroizolante nanocompozite. Denumirea de nanocompozit s-a încetăţănit pentru

materialul solid multifazic (avand numărul de faze ≥ 2), în care una din faze are minim o

dimensiune mai mică decât 100 nanometri (nm), sau un material având distanțe nanometrice

între diferitele faze ce îl compun [16].

2.2. Îmbătrânirea sistemelor de izolaţiei

2.2.1.Îmbătrânirea izolațiilor electrice

Izolaţiile electrice nu se degradează dintr-o dată. Sub acţiunea diverselor solicitări izolaţia suferă

transformări structurale ireversibile, care provoacă înrăutăţirea modificarea caracteristicilor electrice ale

acestora [37], [60], [61], [62].

Gradul de îmbătrânire este determinat de variaţia valorilor parametrilor de material ai

dielectricului la un moment dat, de solicitarea către un ansamblu de factori de îmbătrânire faţă de

valorile iniţiale ale acestor parametrii. Viteza de îmbătrânire va fi diferită dacă acţionează toţi

factorii de solicitare (electrică, termică, mecanică) simultan, separat sau într-o anumită

succesiune [34], [37], [59], [60], [61], [63], [70], [144], [145].

Îmbătrânirea termică, contaminarea, deformarea mecanică și solicitările excesive la înaltă

tensiune duc la apariția fenomenelor de străpungere și pot avea efecte importante în durata de

viață a transformatorului.

În izolațiile impregnate cu lichide (sistemul de izolatie hârtie-ulei al transformatoarelor de

putere), sub efectul câmpului electric pot apare bule cu gaz în care se produc, de asemenea,

descărcări parțiale [39].

Sistemele de izolație ale transformatoarelor de putere conțin materiale organice, în

special polimeri (celuloza). Acestea determină reducerea progresivă a proprietăților mecanice,

depolimerizarea rapidă a izolației celulozice (asociată cu o reducere a rigidității dielectrice), o

creștere a factorului de pierderi și o reducere a rezistivității electrice, inițierea reacțiilor de

oxidare a uleiului mineral etc. [54].

Într-un transformator de putere aflat în exploatare, sursele de căldură sunt localizate în

zonele în care se produc pierderi de energie, respectiv în: conductoare (pierderi prin efect Joule);

circuite magnetice (pierderi prin histerezis magnetic și curenți Foucault); sistemul de izolație

(pierderi prin polarizare și prin conducție electrică). Căldura dezvoltată este evacuată spre

sistemul de răcire prin sistemul de izolație hârtiei-ulei [89].


23

În Fig. 2.1 sunt sistematizate procesele de străpungere, degradare şi îmbătrânire din

izolaţiile electrice, în funcţie de intensitatea solicitarii electrice [1], [8], [34], [38].

Fig. 2.1. Procese de străpungere, degradare şi îmbătrânire din izolaţia electrică,

în funcţie de intensitatea solicitării electrice

La intensități mari ale solicitării electrice se produce străpungerea electrică. La durate

mari de solicitare apar procese de degradare respectiv îmbătrânire a componentelor sistemului de

izolație.

2.2.2. Degradarea celulozei și a uleiului de transformator

Degradarea celulozei din hârtia electroizolantă are loc prin mecanisme fizico-chimice în

care reacțiile de piroliză, oxidare și hidroliză au rol esențial. [38], [30].

A. Degradarea hârtiei Kraft

Hârtia Kraft electroizolantă conține celuloză, hemiceluloză și lignină a cărei caracteristici

sunt prezentate în Tabelul 1.6. Hemiceluloza are o formula complexă formată din xylosă, β(1,4)

mannosă, β(1,4) glucosă și α-galactoză. Lignina sau lignen este un polimer complex de alcooli

aromatici cunoscuți ca monolignols [137].

O

OO

O

OO

CH2

HO

HO

OH

CH2O

H

O

O

O

O

O

H

CH2

O

H

OH

CH2

OH

HO

OO

H

OH

H2C

OH

H

O

CH2O

O HH

OH

O

*

*

n

OH

HH

OHH

OH

CH2OHOH O

HH

OHH

OHO

CH2OH

*

n

O

a) b)

Fig. 2.2. Structura chimică a celulozei: a) Macromoleculă de celuloză; b) Dimer de celuloză


24

Prin expunerea hârtiei la factorii de stres din transformator, celuloza se descompune

prin depolimerizare. Se obțin inele de glucoză.

Glucoza, în procesul de oxidare, se transformă în CO2 și H2O, apa fiind compusul care

scade performanțele sistemului electroizolant din transformatorul de putere.

OHCOOOHCCT

2226126

0

Reacția de descompunere a hârtiei electroizolante este prezentată în Fig. 2.3.

O

OO

O

OO

CH2

HO

HO

OH

CH2O

H

O

O

O

O

O

H

CH2

O

H

OH

CH2

OH

HO

OO

H

OH

H2C

OH

H

O

CH2O

O HH

OH

O

*

*

+ O2OH

HH

OHH

OH

CH2OHOH O

HH

OHH

OHO

CH2OH

*

n

O

HC

HCCH

CH

O

+ CO + CO2 + H2O

OH

OH

H

OH

H

OHH

OH

H2C

H

OH

Fig. 2.3. Reacția de descompunere a hârtiei electroizolante

Descompunerea continuă ducând la formarea de compuși furanici și alți componenți: 2

furaldehidă, 5 hidroximetil 2 furaldehidă, 5 metil 2 furaldehidă, furfuralcool. Acești compuși,

trec în uleiul de transformator și îi schimbă proprietățile fizico-chimice și dielectrice ale acestuia:

culoarea, tensiunea interfacială, formarea de particule de apă [45], [47], [48], [53], [76], [87],

[89], [102][137].

B. Degradarea uleiului de transformator

În procesul de îmbătrânire uleiul de transformator suferă modificări de structură

datorită descompunerii hidrocarburilor alifatice, naftenice şi aromatice constituente.

În procesul de îmbătrânire uleiul de transformator suferă modificări de structură

datorită descompunerii hidrocarburilor alifatice, naftenice şi aromatice constituente. Contactul

direct al uleiului de transformator cu oxigenul dizolvat duce la reacții redox, care duc la formarea

de compuşi secundari de descompunere sau de oxido-reducere (Fig. 2.4).

a) Inițierea reacției

O2

2RH R· +·R' + H2O unde R, R’· - sunt radicali liberi

R-H R- + H+

b) Propagarea reacției

R· +·R'+ O2 ·RO2 +·R'O2

3C + 2O2 2CO + CO2

2[H·] + 1/2O2 H2Ov

2[H·] + O2 H2Ov + O


25

c) Întreruperea reacției / terminarea reacției

·RO2 + ·R'O2 ROH + RCOOR' + O2

·RO2 + ·R'O2 + H2 ROH + RCOOH + O2

·RO2 + ·R'O2 + H2 ROH + RCHO + O2

R + R R- R

H + H H2

C + 2H2 CH4

Fig. 2.4. Mecanismul de degradare a uleiului de transformator prin reacții redox

În Fig. 2.4, R şi R’sunt radicali organici de hidrocarbură identici sau diferiți. Reacţiile

redox duc la formarea de radicali liberi, radicali hidroperoxidici, la propagarea reacţiilor

secundare, ceea ce duce la scăderea performaţelor uleiului izolator din transformatorul de putere

[126].

Produșii secundari de descompunere și de degradare sunt gazoși: CO2 (dioxid de carbon),

CO (monoxid de carbon), H2 (hidrogen) CH4 (metan), C2H6 (etan), C2H4 (etenă), C2H2

(acetilenă), C3H8 (propan), C3H6 (propenă), C3H4 (propină), C4H10 (butan), C4H8 (butenă), C4H6

(butină), H2O (apă vapori).

2.2.3. Rolul antioxidanților în reducerea reacțiilor redox

Pentru reducerea reacțiilor de oxido-reducere în lanț se adaugă un inhibitor de reacție ca

antioxidant (0,2-4%). [80]. În lucrarea [137] autoarea prezentei teze a utilizat ca antioxidant alfa

– metil - naftalină. Probele de ulei în care s-au adăugat cantități de antioxidant în procent 0,1-0,5

au fost analizate prin măsurarea tangentei unghiului de pierderi și a indicelui de aciditate.

Efectul antioxidantului este de reducere a numărului de radicali liberi dezvoltați ca

urmare a descompunerii termice a uleiului de transformator. Dacă uleiul se încălzește, crește

numărul de radicali liberi formați şi eliberați din moleculă și deci utilitatea antioxidanților, care

reduc numărul de radicali liberi din sistemul electroizolant [80].

În Fig. 2.5 este prezentat efectul prezenței antioxidantului în mecanismul de degradare a

uleiului de transformator prin reacții redox, unde R, R’ sunt radicalii organici de hidrocarbură

identici sau diferiţi, iar A este radicalul de antioxidant.

R +AH RH + A

RO +AH ROH + A

R-O-O +AH R-O-OH + A

OH +AH H2O + A

Fig. 2.5. Mecanismul de degradare a uleiului de transformator prin reacții redox în

prezența antioxidantului


26

Prin adăugarea antioxidanților se vor reduce cantitativ și reacțiile de formare a

moleculelor de apă în sistemul electroizolant, astfel mărindu-se durata de viață a

transformatorului de putere și implicit a izolației acestuia.

Concluzii

Capacitatea de izolare a uleiului mineral electroizolant este o problemă reală de cercetare

ca urmare a noilor cerințe restrictive impuse de fabricație și exploatare.

Monitorizarea strictă a caracteristicilor de ulei mineral din țiței impune monitorizarea

proceselor de îmbătrânire dezvoltate în sistemul de izolare: studierea conținutului de gaze care

apar și a altor componente cum ar fi conținutul de apă, existența mai multor produse solide care

pot apărea ca urmare a reacțiilor de descompunere a sistemului electroizolant.

În exploatare, conținutul de apă, nu este doar rezultatul descompunerii uleiului

electroizolant, ci și daorită degradării altor părți ale izolației, cum este hârtia de celuloză

impregnată cu ulei mineral. Conținutul de apă poate crește datorită umidității mediului, atâta

timp cât transformatorul nu este perfect sigilat, iar izolația vine în contact cu umiditatea din aer.

Cantitatea de umiditate care se formează ca rezultat al reacțiilor care au loc în sistemul de

electroizolant transformatorului de putere și cantitatea de umiditate din mediu poate conduce la

reacții secundare de descompunere, reducând drastic calitatea izolației sistemului electroizolant.

Din anumite produse secundare care apar ca urmare a procesului de descompunere și de

îmbătrânire, apa creează mari probleme privind capacitatea de izolare și de coroziune în

transformatorul de putere.

Dezintegrarea moleculară duce la îmbătrânirea izolației transformatorului de putere, de

aceea regenerarea uleiului mineral și revitalizarea trebuie să fie efectuate pentru a reduce

pierderile și costurile.

2.3. . Influenţa apei asupra sistemului ulei mineral – hârtie electroizolantă

2.3.1. Solubilitatea apei în uleiul electroizolant

În lucrarea [137] autoarea a efectuat cercetări experimentale privind efectul apei asupra

performanțelor uleiului de transformator.

Apa este unul dintre factorii cei mai importanți, care afectează durata de viață a

sistemului de izolatie electrică a transformatorului de putere. Apa poate exista în transformator în

mai multe forme [5],[7],, [134]:

apă liberă la fundul tancului;

gheață la fundul tancului transformatorului;

apa sub formă de emulsie, pusă în evidență prin determinarea tg δ.

apa dizolvată, care este determinată prin metoda Karl Fischer.

apa liberă, în situaţia când se depăşeste saturația uleiului şi începe formarea de

mici picături de apă.

Măsurarea conținutului de apă poate fi determinată cu metoda coulometrică Karl Fisher,

metodă larg răspândită în laboratoarele din USA. De obicei situația din laborator nu corespunde


27

cu cea din teren având uneori rezultate neconcludente, [6], [7], [10], [28], [31], [32], [36], [45],

[50], [55], [66], 83], [88], [91], [156], [157].

Solubilitatea apei în ulei de transformator creşte în funcţie de temperatură şi de indicele

de neutralizare al uleiului.

Capacitatea de absorbţie a apei de către uleiul mineral electroizolant creşte rapid cu

cresterea temperaturii (de circa 4-5 ori mai mare la o temperatură de 80°C decât la o temperatura

de 20°C).

Exista mărimi specifice pentru definirea umidității aerului și a conținutului de apă.

Conținutul de umiditate sau raportul de amestec reprezintă greutatea în grame a

vaporilor de apă din uleiul electroizolant sau în hârtie raportată la 1 kg de ulei sau hârtie uscată:

][kg

g

m

mx

u

v (2.2)

unde mv - masa vaporilor de apă; mu – masa de ulei analizat când vaporii de apă saturează uleiul

sau hârtia conținutul de umezeală devine maxim și se notează cu xs.

Umiditatea absolută sau concentrația vaporilor (în grame) ce sunt conținuți

într-un volum V de ulei electroizolant umed:

][3m

g

V

ma

u

v (2.3)

Umiditatea absolută se poate măsura prin greutatea specifică a vaporilor de apă din uleiul

de analizat umed. Dacă vaporii de apă saturează proba de ulei electroizolant, umiditatea absolută

devine maximă și se notează cu as.

Umiditatea relativă este raportul dintre umiditatea absolută a a uleiului

electroizolant umed și umiditatea absolută maximă la saturație as, la aceeași temperatură și la

aceeași presiune barometrică:

[%]100a

a

s

(2.4)

Umiditatea relativă a aerului caracterizează cantitatea maximă de vapori de apă care poate

fi conținută în aerul atmosferic. Temperatura aerului joacă un rol important: cu cât e mai cald

aerul, cu atât mai multă apă poate absorbi.

Conținutul de apă în ulei:

100)(

2

2

sample

OH

OHm

Vm

(2.5)

unde este densitatea apei și V este volumul de apă extrasă din proba de ulei de masă

moil.

Apa care apare în urma descompunerilor, se solubilizează parțial în uleiul electroizolant,

restul degajându-se ca vapori în atmosferă. Conţinut de apă în ulei crud (proaspăt), la 20oC,

conform SR EN 60814 este de max. 30 ppm .

2.3.2. Efectul prezenței apei în uleiul de transformator

Uleiul de transformator este foarte higroscopic şi absoarbe apa care poate exista în ulei

atât sub forma dizolvată cât şi sub formă de apă liberă. Dacă conţinutul de apă în ulei este mai

mare de 20 ppm factorul de pierderi al uleiului creşte brusc, iar în aceeaşi măsură creşte pericolul


28

de străpungere termică și electrică. Rigiditatea dielectrica este calculată în ipoteza câmpului

electric omogen, cu relatia:

d

UE str

str (2.6)

unde Ustr este tensiunea de strapungere a uleiului, iar d este distanța între electrozii de

testare. [137].

În Fig. 2.6 este prezentată influența prezenței oxigenului și a apei asupra degradării

sistemului ulei mineral-hârtie electroizolantă, o dată cu creșterea temperaturii.

Fig. 2.6. Legătura dintre reacția de oxidare a uleiului și degradarea hârtiei celulozice

În Fig. 2.7 este prezentat procesul de degradare a celulozei, accelerată de prezența apei.

Cellulose

O2

H2O

Glucosa

C6H12O6

O2

H2O

Furan

C4H4O

Furan

C4H4O

O2

H2O

Furfural

C5H4O2

O2

H2O

Acid

furoic

C5H4O3

O2

H2O

2-Furoyl

SCOA

C5H3O2SCOA

Fig. 2.7. Reacțiile de descompunere ale hârtiei electroizolante în prezența apei

Ca derivați furanici care apar din descompunere sunt: 5-hidroximetil 2furfurol (5HMF),

2-furfurol alcool (2FOL), 2-furfural (2FAL), 2-acetil furfurn (2ACF), 5-metil 2 furfural (5MEF).

O creștere a umidității în sistemul electroizolant duce la degradarea hârtiei ceea ce scade

durata de viață a sistemului electroizolant din transformatorul de putere [90].

În Fig. 2.8 sunt analizate reacțiile de descompunere a uleiului mineral electroizolant

accelerate de prezența apei.

C2H6 CH4 + C + H2 3C + 2O2 2CO + CO2 4C2H6 2·CH3 + 2C2H2 + 2C+2[H·]

2[H·] + O2 H2Ov [H·]+[H·] H2


29

C3H8 CH4 + C2H4 C3H8 ·CH3 + C2H4 + H2 C3H8 C + C2H4 + 4H2

RCH CHR'

+

RCH CHR'

CH2R'

CH2R'

R

R Fig. 2.8. Mecanism de degradare a uleiului de transformator prin reactii redox cu

formare de gaze în prezența apei

Sub efectul temperaturii și a câmpului electric, apa, ce compune umiditatea din sistemul

electroizolant al transformatorului de putere, se descompune în radicali liberi (Fig. 2.9).

H2O H+ + HO-

H2O + H+ H+ + HO-

2H2O H3O+ + HO-

Fig. 2.9. Efectul temperaturii și câmpului electric în mecanismul de descompunere apei

și formarea de ioni

Ionii liberi cresc conductivitatea electrică și scad rigiditatea dielectrică a sistemului

electroizolant în asamblu - caracteristică importantă a uleiurilor electroizolante Sub efectul

temperaturii și a câmpului electric, apa, ce compune umiditatea din sistemul electroizolant al

transformatorului de putere, se descompune în radicali liberi (Fig. 2.9).

H2O H+ + HO-

H2O + H+ H+ + HO-

2H2O H3O+ + HO-

Fig. 2.9. Efectul temperaturii și câmpului electric în mecanismul de descompunere apei

și formarea de ioni

Ionii liberi cresc conductivitatea electrică și scad rigiditatea dielectrică a sistemului

electroizolant în asamblu - caracteristică importantă a uleiurilor electroizolante [137].

Continutul de umiditate datorata descompunerii sistemului de izolatie hartie-ulei mineral

sub influenta strapungerilor electrice din transformatorul de putere, are un efect defavorabil al

prezentei acesteia în uleiul de transformator care nu se limitează numai la micşorarea rigidităţii

dielectrice. S-a stabilit că în prezenţa umiditatii, procesele de oxidare a uleiului au loc mult mai

rapid [5], [6].

Autoarea prezentei teze a realizat un studiu privind îmbătrânirea uleiului mineral de

transformator în prezența umidității prin încercări de străpungere repetate, pe eșantioane de ulei

TR 30 Mol [137].


30

2.3.3. Determinări experimentale

Uleiul de transformator TR 30 MOL a fost supus la teste de străpungere electrică: s-a

calculat rigiditatea dielectrică corespunzătoare numărului de teste cu relația (2.1). S-a utilizat

aparatul MEGGER OTS 60 AF/2. Testările au fost efectuate cu electozi de tip calotă, sferă și

cilindru, cu viteza de creștere a tensiunii de străpungere v=2,5 kV/s. Distanța între electrozi este

de d=2,5 mm. Pentru determinarea rigidității s-au utilizat standardele: EN 60156-96, ASTM D

1816 84a. După efectuarea încercărilor electrice s-a determinat conținutul de apă din probele supuse

testărilor. Metoda utilizată pentru determinarea conținutului de apă este Dean Stark, s-au avut în

vedere următoarele reglementări: SR EN 60814 / 2002; ASTM D95.

În urma testărilor nu apar diferențe prea mari de valori ceea ce arată că apa în sistemul

nostru experimental nu crește atât de mult cât să ne alarmeze [137].

În Tabelul 2.10 sunt prezentate rezultele determinărilor experimentale obținute pentru

tensiunea medie de străpungere a probelor de ulei TR 30 MOL, conținutul de apă și rigiditatea

dielectrică.

Tabel 2.10. Tensiunea medie de străpungere, rigiditatea dielectrică și conținutul de apă a

probelor de ulei TR 30 MOL

Nr.

probă

Număr

de teste

Ulei mineral TR 30 MOL Viteza de creștere a tensiunii de străpungere v=2,5 kV/s

electrod plan electrod calota electrod sfera

strU

[kV] d

UE str

str

[kV/cm]

% Apa în

ulei

T=25,6°C

strU

[kV] d

UE str

str

[kV/cm]

% Apa în

ulei

T=21,7°C

strU

[kV] d

UE str

str

[kV/cm]

% Apa în

ulei

T=29,8°C

1. 1 test 60,0 24.0 0,0010 59,9 24.0 0,0015 59,5 23.8 0,002

2. 6 teste 58,9 23.6 0,0015 59,4 23.8 0,0025 58,3 23.3 0,003

3. 10 teste 49,0 19.6 0,0020 52,5 21.0 0,0030 51,4 20.6 0,005

4. 18 teste 45,0 18.0 0,0025 49,3 19.7 0,0045 48,5 19.4 0,008

5. 54 teste 35,0 14.0 0,0030 36,1 14.4 0,0100 34,2 13.7 0,020

6. 99 teste 23,0 9.2 0,0100 24,1 9.6 0,0500 21,2 8.5 0,050

Prelucrari de date și concluzii

În Fig. 2.10 este prezentat conținutul de apă în funcție de numărul de teste de străpungere

a probelor de ulei mineral de tip TR 30 MOL, pentru testări cu electrozi de tip calotă, sferă și

cilindru. În Fig. 2.11 este reprezentată rigiditatea dielectrică medie în funcție numărul de teste de

străpungere și de tipul de electrozi utilizați. În Fig 2.12 se arată conținutul de apă în procente

funcție de valoarea medie a tensiunii de străpungere și de tipul de electrozi. În Fig.2.13 se

prezintă variația tensiunii de străpungere în în funcție numărul de teste de străpungere și de tipul

de electrozi utilizați.


31

Fig. 2.10. Conținutul de apă din uleiul mineral

TR 30 MOL în funcție de numărul de teste de

străpungere

Fig. 2.11. Variația rigidității dielectrice a

probelor de TR 30 MOL în funcție de numărul

de teste de străpungere

Fig. 2.12. Conținutul de apă % din probele de

ulei în funcție de tensiunea medie de

străpungere

Fig. 2.13. Variația tensiunii de străpungere în

funcție de numărul de teste de străpungere

Din datele experimentale, rezultă că uleiul cu peste 18 teste de străpungere prezintă o

îmbătrânire accelerată și deci uleiul conține produși secundari de descompunere, în primul rând

apa. Graficele din Fig. 2.10, Fig. 2.12 indică o creștere majoră a cantității de apă în cazul

îmbătrânirii accelerate a uleiului mineral. Cantitatea de apă dezvoltată în cazul electrozilor de tip

calotă și sferă este mai mare decât în cazul electrodului plan este mult mai mică decât în cazurile

anterioare.

Fig. 2.11 și Fig.2.13 indică scăderea tensiunii de străpungere respectiv a rigidității

dielectrică, odată cu creșterea numărului de teste de străpungere.

2.4. Extinderea duratei de viață a sistemului ulei – hârtie

Durabilitatea sistemului de izolație ulei-hârtie este direct legată de procesele de degradare

sau îmbătrânire a dielectricilor, care constau în continuă înrăutăţire sub acţiunea factorilor

exteriori (solicitări termice, electrice, mecanice, radiaţii, reactivi chimici etc.) a matricei de

parametri de material ce caracterizează funcţionalitatea sistemului în care intră dielectricul

considerat. Procesele de îmbătrânire depind de factori intrinseci (tăria legăturilor chimice,

chimice, prezenţa neregularităţilor moleculare, particularităţi fizice ca densitate, grad de

cristalinitate, raport volum-suprafaţă, conţinut de impurităţi) şi de factori extrinseci (natura,

forma şi amplitudinea exterioare). Extinderea duratei de viaţă la uleiurile electroizolante

presupune cunoaşterea efectelor factorilor de influenţă: prezenţa aerului, a apei, a suspensiilor şi


32

supratemperaturii, şi a sinergiei acestora. Măsuratorile profilactice rămân indicatori sintetici ai

proceselor de îmbătrânire [1], [35], [42], [43], [53], [70].

Autoarea tezei propune posibilitatea de înlocuire a uleiurilor minerale izolante din

transformatoarele de mare putere, cu altele vegetale, mai ieftine, regenerabile, din resurse

ecologice. Tehnologia de obţinere a uleiurilor vegetale nu ar fi prea costisitoare, deci preţul de

cost nu este mai mare decât al uleiului mineral.

În Tabelul 2.11 sunt date valorile maxime ale tangentei unghiului de pierderi ale

uleiurilor electroizolante pentru transformatoarele de putere, măsurate la temperatura de 90ºC.

Tabel 2.11. Valorile maxime ale factorului de pierderi pentru uleiurile electroizolante.

Momentul efectuării măsurătorii

Tensiunea înaltă [kV

Ulei

porumb

Ulei

rapiță

Ulei

Floarea

soarelui

Ulei TR

30 MOL

400 400 400 400

Înainte de umplere 0,005 0,005 0,005 0,005

La 72 de ore după umplere 0,02 0,02 0,015 0,015

La punerea in funcţiune şi după reparaţii 0,03 0,025 0,02 0,02

În exploatare 0,20 0,15 0,10 0,07

Valorile factorului de pierderi pentru un ulei nou trebuie să fie mai mici decât cele pentru

un ulei în exploatare.

Se observă, din Tabelul 2.11, că în exploatare este necesar ca uleiul utilizat la

transformatoare cu tensiunea înaltă de 400 kV să aibă un factor de pierderi mai redus decât uleiul

utilizat la transformatoare cu tensiunea înaltă de tipul ulei de porumb si de rapita. Criteriile de

sfârşit de viaţă pentru indicele de neutralizare sunt prezentate în tabelul 2.12.

S-a stabilit că în prezenţa apei procesele de oxidare a uleiului au loc mult mai rapid

În tabelul 2.13 sunt prezentate caracteristicile uleiurilor minerale de transformator în

paralel cu cele vegetale potențiale electroizolante cum ar fi: indicele de neutralizare, factorul de

pierderi, punctul de inflamabilitate, punctul de congelare, vâscozitatea și rigiditatea dielectrică.

Tabel.2.13. Caracteristici ale uleiului mineral în paralel cu cele vegetale la tensiunea de

400kV

Momentul

efectuării

măsurătorii

Tensiunea [kV

Indicele de

neutralizare

Factorul

de

pierdere

Punctul de

inflamabilitate

Punctul

de

congelare

Vâscozitatea

Rigiditatea

d

UE s

s

400kV 400kV 400kV 400kV 400kV 400kV

Ulei porumb 0,005 0,0030 345

-25 25 22

Ulei rapita 0,020 0,0020 330 -28 26 21

Ulei Floarea

soarelui

0,030 0,0025 335 -20 24 23

Ulei TR 30

MOL

0,020 0,0015 165 -45 30 25


33

Una din preocupările cercetărilor actuale are în vedere stabilirea soluţiilor de îmbunătăţire

a caracteristicilor uleiurilor ajunse la întreprinderile de exploatare şi de prelungire a duratei de

viaţă a acestor uleiuri.

2.5. Estimarea duratei de viață

2.5.1. Estimarea duratei de viață la transformatoarele din exploatare

Estimarea duratei de viață la uleiul mineral a făcut obiectul a numeroase cercetări [27].

Standardul IEC 60216-1/2001 propune pentru estimarea duratei de viață metoda

îmbătrânirii termice accelerate, bazată pe determinări experimentale a indicilor de îmbătrânire la

trei temperaturi constante în timp.

Aceasta metodă standardizată permite calculul duratei de viață termică pe baza ecuației

TbaT

1)(ln (2.7)

unde:

T este temperatura de îmbătrânire termică accelerată măsurată în grade Kelvin, a este intersecția

cu abscisa, iar b este panta curbei duratei de viață termică reprezentată în coordonate [lnτ(T),

1/T], iar τ (T) este intervalul de timp în care un parametru de material p (numit indicator de

durată de viață termică) atinge o valoare limită pcr (numită criteriu de sfârșit de viață termică).

Dumitran și colaboratorii, în [27], obțin durata de viață la un ulei mineral la temperatura

de 80oC egala cu τ1=1,53.10

5 ore, obținută prin extrapolarea datelor obținute din teste de

îmbătrânire termică accelerată la temperaturile de (115oC, 135

oC și 155

oC), utilizând drept

criteriu de îmbătrânire rezistivitatea probelor de ulei mineral.

Semnificația fizică a parametrului b din ecuația (2.7) este legată de energia de activare

WT a reacțiilor de degradare termică. În condițiile de experimentare efectuate, valoarea energiei

termice de activare este WT1 = 101.8 kJ/mol.

Dezavantajul principal este că durata de experimentare este mare. De aceea, sunt propuse

noi metode de îmbătrânire accelerată și noi indicatori sunt introduși. Astfel, în [Dumitran-2014]

este propusă metoda testării la o singură temperatură de îmbătrânire accelerată din care, prin

metoda calorimetriei Diferențiale să se deducă energia de activare termică WT.

Energia de activare este dată de dependența de temperatură a ratei unei reacții chimice și

constanta de viteză

RT

E

R

A

Aek

(2.8)

Energia de activare este energia care trebuie învinsă pentru ca o reacție chimică să apară,

sau este energia minimă necesară pentru a începe o reacție chimică.

Ecuația lui Arrhenius este o formulă a dependenței temperaturii de rata constantei și deci

de rata unei reacții chimice, deci dă dependența ratei constantei K a unei reacții chimice la

temperatura și energia de activare.

unde:

kR – constanta de viteză

A – factorul preexponențial


34

EA – energia de activare

Dacă logaritmăm putem scoate din ultima formulă care este formula pentru EA (energia

de activare).

R – constanta gazelor T – temperatura în grade Kelvin

2

ln

RT

E

dT

kd AR (2.9)

RT

EAk A

R lnln (2.10)

Rky ln (2.11)

Tx

1 (2.12)

Conform teoriei complexului activat, pentru a avea loc o reacție chimică, particulele

reactante trebuie să se ciocnească, dar nu toate ciocnirile sunt eficace, ci numai acelea care

satisfac condiția geometrică și cea energetică.

Avantajul metodei este că timpul de experimentare este redus de 12-14 ori față de metoda

standardizată.

2.5.2. Teorii privind durata de viață

Durata de viaţă a materialului este intervalul de timp în care o mărime fizică de material

P numită indicator de degradare variază sub acţiunea solicitării de intensitate S, pornind de la o

valoare iniţială P0, corespunzătoare stării nedegradate până la o valoare numită criteriu de sfârşit

de viaţă Pcr, pentru care se consideră că materialul nu mai satisface cerinţele funcţionale. Curba

duratei de viaţă este curba de durabilitate pentru cazul limită

crPP (2.13)

0),( crPPSF (2.14)

Procesele privind durata de viață a sistemului de izolație depind de factorii intrinseci cum

ar fi: tăria legăturilor chimice, prezenţa neregularităţilor molecular, particularităţile structurii

fizice ca densitate, gradul de cristalinitate, raportul volum-suprafaţă, conţinut de impurităţi şi

factorii extrinseci cum ar fi: natura dielectricului, forma, amplitudinea solicitărilor exterioare.

Reacţiile care au loc în sistem sunt cele de degradare termică în condiţii de vid sau în

atmosferă inertă, electrică, mecanică, sub acțiunea factorilor de mediu și sub influența radiațiilor

solare. În cazul reacţiilor termooxidative în prezenţa oxigenului se formează radicali liberi de tip

peroxizi, hidroperoxizi care se pot stabiliza printr-o reacţie terminală.

Degradarea uleiurilor izolante este influenţată de factorii de mediu climatici asupra

proprietăţilor unor dielectrici astfel: variaţie de temperatură, variaţie de umiditate, variaţie de

presiune atmosferică, deşert, păduri tropicale, apa de mare, vânt, etc.


35

Durata de viață a oricărui dispozitiv este limitată de îmbătrânirea a materialului izolant

din cauza temperaturii

2.5.3. Studiu de caz

Pentru studiu s-au utilizat eșantioane de ulei mineral tip Mol To 30.01R (produs de Mol

Lub Hungary) care este un ulei mineral fără aditivi antioxidanți, destinat izolației electrice

pentru transformatoare.

Acest produs conține 53.1 % hidrocarburi parafinice, 39 % hidrocarburi naftenice şi 7.1

% hidrocarburi aromatice, conținutul de 2-furfural fiind mai mic dec 0.1 mg/kg.

Predicția sfârșitului duratei de viață la sistemul de izolație al transformatoarelor de putere

este un element esențial în managementul asses deoarece permite estimarea riscului de defectare

pe termen lung a transformatorului cu efecte economice considerabile [98], [101], [107].

Pentru transformatoarele cu izolație de ulei, factorul principal care afectează durata de

viață a izolației solide este solicitarea termică, accelerarea sau decelerarea îmbătrânirii în condiții

diferite de încărcare fiind legată de punctele de temperaturi înalte (HST – hot spot temperatures)

din izolație [STAS 1703/1/80].

Relația dintre HST și consumul de viață termică este dată de teoria vitezei de reacție a lui

Arrhenius de forma:

273

0

HST

B

eA

(2.13)

Unde A și B sunt constante empirice, cu valori uzuale A=9.810-18

iar B= 15000, iar HST

se consideră în grade Celsius (°C).

Modalitățile de obținere a HST și a capabilității transformatoarelor de putere sunt

prezentate în lieratura de specialitate. [154].

2.6. Concluzii

Sistemul de izolație component al transformatorului de putere dar și al celorlalte

aparate electrice este supus unor solicitări care modifică structura și caracteristicile materialelor

componente. Solicitările determină modificările performanțelor sistemului de izolație prin

procese de degradare sau îmbătrânire. Gradul de îmbătrânire fiind determinat de variaţia

valorilor parametrilor de material ai dielectricului la un moment dat, de solicitarea către un

ansamblu de factori de îmbătrânire faţă de valorile iniţiale ale acestor parametrii.

Performanţele sistemelor de izolaţie electrică depind de natura şi structura

materialelor componente. Este şi cazul transformatoarelor de mare putere care utilizează, în

principal, ca materiale pentru izolarea electrică a părţilor active uleiul mineral de transformator şi

materiale solide ca hârtia, lemnul, cartonul electroizolant, pentru care durabilitatea la acţiunea

solicitărilor externe depind de parametrii intrinseci ai materialelor constituente.

Sub acţiunea diverselor solicitări izolaţia suferă transformări structurale ireversibile,

care provoacă înrăutăţirea modificarea caracteristicilor electrice ale acestora. Gradul de

îmbătrânire este determinat de variaţia valorilor parametrilor de material ai dielectricului la un

moment dat, de solicitarea către un ansamblu de factori de îmbătrânire faţă de valorile iniţiale ale


36

acestor parametrii. Viteza de îmbătrânire va fi diferită dacă acţionează toţi factorii de solicitare

(electrică, termică, mecanică) simultan, separat sau într-o anumită succesiune.

Efectul antioxidantului este de reducere a numărului de radicali liberi dezvoltați ca

urmare a descompunerii termice a uleiului de transformator. Dacă uleiul se încălzește crește nr.

de radicali liberi formați si eliberați din moleculă și deci așa se vede utilitatea antioxidanților,

care reduc numărul de radicali liberi din sistem ce deranjeaza sistemul electroizolant. Prin

adaugarea antioxidanților se vor reduce cantitativ și reacțiile de formare a moleculelor de apă în

sistemul electroizolant, astfel mărindu-se durata de viață a transformatorului de putere și implicit

a izolației acestuia.

Uleiul de transformator este foarte higroscopic şi absoarbe apa care poate exista în

ulei atât sub forma dizolvată cât şi sub formă de apă liberă. Pentru un conţinut de apă relativ

redus, apa continuă să rămână în soluţie şi nu modifică aspectul uleiului, acest conţinut de apă

poate fi detectat prin metode fizice sau chimice. Prezența apei afectează proprietăţile dielectrice

ale uleiului mineral electroizolant. Un conţinut de apă în ulei mai mic de 20 ppm asigură o

rigiditate dielectrică bună a uleiului. Dacă conţinutul de apă în ulei este mai mare de 20 ppm

factorul de pierderi al uleiului creşte brusc, iar în aceeaşi măsură creşte pericolul de străpungere

termică si electrica.

Cantitatea de apă, modifică proprietățile materialelor electroizolante din sistemul de

izolație al transformatorului, apă ce se formează în urma reacțiilor ce au loc în transformator și a

cantității de umiditate din mediul înconjurător, care duce la reacții secundare și micșorarea

calității de izolare a sistemului electroizolant. Apariția produșilor de descompunere duce la

îmbătrânirea izolației din transformatorul de putere, motiv pentru care trebuie uleiul mineral

trebuie supus regenerării și revitalizării pentru a reduce pierderile și costurile.

Procesele privind durata de viață a sistemului de izolație depind de factorii intrinseci

și factori extrinseci.

În urma reacţiilor de degradare termică sunt foarte numeroşi produșii de

descompunere şi apar şi radicali liberi care au capacitatea de a se combina şi a produce alţi

produşi secundari. La temperaturi ridicate compuşii din uleiul electroizolant și celuloză se

descompun nu numai la nivel de vapori ci şi cu formarea de compuși secundari până la nivel de

monomeri. În cazul reacţiilor termooxidative în prezenţa oxigenului se formează radicali liberi

de tip peroxizi, hidroperoxizi care se pot stabiliza printr-o reacţie terminală.

Pentru transformatoarele cu izolație de ulei, factorul principal care afectează durata

de viață a izolației solide este solicitarea termică, accelerarea sau decelerarea îmbătrânirii în

condiții diferite de încărcare fiind legată de punctele de temperaturi înalte (HST-hot spot

temperatures)


37

3. INVESTIGAREA PROPRIETĂȚILOR ULEIURILOR ELECTROIZOLANTE

3.1. Uleiuri naturale – Istoric.și clasificări

3.1.1. Istoric

A. Istoric - uleiuri vegetale

Uleiurile vegetale au fost unele din primele produse utilizate de om. În baza multor

dovezi, omul modern dar şi cel preistoric a folosit produse din domeniul parfumeriei şi

cosmeticii. Obținerea uleiurilor vegetale , din plante oleaginoase, reprezintă un proces cu tradiție

în România, izvoarele istorice mentionând existența acestora în Bucuresti, încă din prima

jumatate a secolului al XVIII-lea.

Obținerea uleiurilor vegetale la scară industrială prin prelucrarea semințelor oleaginoase,

s-a realizat în România , la mijlocul secolului al XIX-lea. Astfel la sfârșitul perioadei interbelice,

industria uleiurilor vegetale din România cuprindea 138 fabrici, din care 80% erau fabrici mici,

care nu utilizau în total decât ceva mai mult de jumatate din capacitatea de producție , [4], [25],

[102], [119].

B. Istoric - uleiuri minerale în România

Exploatarea petrolului, datează din perioada romană, rafinarea începe mult mai târziu,

odată cu apariția necesității produselor distilate. Primele distilerii din România au apărut în 1840,

în județul Bacău, la Lucăcești.

Între 1860 si 1895 s-au pus bazele celor dintâi intreprinderi de exploatare și prelucrare a

petrolului de către români sau străini. Randamentul mediu obținut prin prelucrarea țițeiurilor

românești în perioada interbelică a fost aproximativ: 25% – benzine; 18% – lampant; 8% –

motorina si uleiuri minerale; 49% – păcură sau mazut. Produsele inferioare (păcura și

reziduurile) dețineau încă o pondere mare între derivatele obținute, în vreme ce benzina –

principalul și cel mai apreciat dintre produsele superioare – se obținea în cantități reduse.

Modernizarea și extinderea industriei petroliere, de la rafinare la exploatare, a cunoscut o

adevărată dezvoltare, după al doilea Război mondial. Cea mai mare rafinărie rămasă în funcțiune

în România este Petromidia, cu o capacitate totală de 5 milioane de tone de produse petroliere pe

an, deținută de Grupul Rompetrol.

Uleiurile minerale cunoscute de aproximativ două sute de ani au avut utilități multiple

printre care și aplicaţii ca electroizolanţi. Studiul caracteristicilor uleiurilor minerale începe în

perioada 1830-1834, când F.F. Runge analizează pentru prima oară compoziţia uleiurilor

minerale şi reuşeşte izolarea din gudronul de cocserie din huile a anilinei (cianolul) şi a acidului

carbolic (fenolul) [102], [104], [113], [119], [143].

3.1.2. Clasificări

O clasificare utilă în studiul proprietăţilor uleiurilor are drept criteriu originea uleiurilor

(Fig. 3.1).

http://economie.hotnews.ro/stiri-companii-12766253-infografic-petromidia-avant-socialist-faliment-glorie-capitalista.htm

http://economie.hotnews.ro/stiri-companii-12766253-infografic-petromidia-avant-socialist-faliment-glorie-capitalista.htm


38

Fig. 3.1. Clasificarea uleiurilor după origine

Din schema din Fig. 3.1 se observă că uleiurile minerale sunt uleiuri naturale, obţinute fie

din ţiţei, fie din gudroane de cocserie.

În ceea ce priveşte clasa uleiurilor minerale naturale (care fac parte din clasa uleiurilor

industriale), acestea sunt de mai multe tipuri (Fig. 3.2).

Fig. 3.2. Tipuri de uleiuri minerale

Uleiurile industriale sunt codificate după domeniul de aplicaţii (Tabelul 3.1).

Tabel 3.1. Tipuri de uleiuri minerale și codificarea lor [176 ]

Nr. Crt. Tipul uleiurilor Codificare

1 Uleiuri de motoare cu carburator M

2 Uleiuri de motoare Diesel D

3 Uleiuri de motoare de avion AVI

4 Uleiuri de transmisie prin angrenaje auto T

5 Uleiuri de transmisie industriale TIN

6 Uleiuri hidraulice H

7 Uleiuri de cilindru C

8 Uleiuri de turbină Tb

9 Uleiuri de compresoare K

10 Uleiuri de lagăre L

11 Uleiuri electroizolante E

După modul de uscare, există uleiuri sicative, semisicative şi nesicative.

Clasificarea

uleiurilor

Uleiuri

naturale

Uleiuri

sintetice

Uleiuri

minerale

Uleiuri

vegetale

Uleiuri

clorurate

Uleiuri

Fluorurate

Uleiuri

sintetice

Uleiuri de

origine

animală

Uleiuri din

țiței

Uleiuri din

gudroane de

cocserie


39

Uleiurile minerale sunt nesicative, caracteristică importantă pentru sistemul de izolație

din transformatoarele de putere cu ulei.

3.1.3. Producerea uleiurilor electroizolante în Brașov

Uleiurile minerale sunt produse de peste un secol și jumătate. Brașovul este un oraș cu

istoric în ce privește fabricarea produselor petroliere. În anul 1851, la Brașov se înființează prima

rafinărie, deținută de un om de afaceri al vremii, Nicolae D. Constantin în cartierul Bartolomeu.

În anul 1922, în Brașov funcționau 3 rafinării: Photogen, cu cea mai mare capacitate de

prelucrare a țițeiului (capacitatea estimată era de aprox. 200 de vagoane pe lună), „C.G. Ioanides

– Fabrică de petrol Brașov”, înființată în 1878 și „Uzina de Gaz Orășenească”, care producea gaz

lampant. Miliardarul Rockefeller însuşi a colaborat cu Rafinăria Braşov. În această perioadă

rafinaria fabrica uleiuri minerale, parafina, unsori albe, unsori consistente, carton asfaltat, având

capacitatea de a prelucra 300 de cisterne.

În timpul bombardamentelor, din 1944, fabricarea uleiurilor pe bază de parafină a fost

complet sistată, iar instalaţiile evacuate. În iarna lui 1944-1945, s-a reconstruit instalaţia de

unsori consistente, iar peste cîteva luni, instalaţia de rafinare discontinuă a uleiurilor. În 2001,

normele de limitare a poluării în oraşe au determinat mutarea Fabricii de Uleiuri Lubrifin,

moştenitoare a fostei rafinării, în afara oraşului Braşov, la Cristian. În 2005, terenul Rafinăriei

Lubrifin şi al întregii platforme industriale a fost vîndut unor investitori privaţi .

Se observă că efectele eliminării rafinăriei ploieştene de pe piaţă sunt devastatoare pentru

ansamblul economiei naţionale [70].

În laboratoarele de cercetare ale Universităților din România, -Universitatea Politehnica

București, Universitatea Tehnică din Cluj, Universitatea Tehnică din Brasov, Universitatea din

Craiova, Universitatea din Oradea se investighează performanțele uleiurilor minerale și

posibilitatea introducerii uleiurilor vegetale în sistemul de izolație al transformatorului electric.

3.2. Tehnologii de obținere a uleiurilor electroizolante

Uleiurile electroizolante sunt obținute prin tehnologii complexe din resurse naturale ca

țiței și cărbuni.

Din gudroane prin procese de distilare se obțin o serie de produse petroliere dintre care

cele mai importante sunt uleiurile minerale.

Din țiței se pot obține uleiurile minerale prin procesul de distilare sub vid. Până în prezent

tehnologia de fabricare a uleiurilor electroizolante din țiței se dovedește ca fiind cea mai ieftină.

3.2.1. Obținerea uleiului mineral prin cocsificare

În Fig.3.3 este prezentată schema de prelucrare a gudroanelor de cocserie în vederea

obținerii uleiurilor minerale de cocserie.

Separarea prin distilarea gudroanelor de cocserie duce la obținerea uleiurilor cu mase

moleculare diferențiate funcție și de temperaturile de distilare și presiune diferită.


40

Fig. 3.3. Schema de prelucrarea gudroanelor de cocserie din huile

3.2.2. Obținera uleiului din țiței

Uleiurile minerale se obţin în instalații speciale de separare, în rafinării, prin care după

separarea produselor ușoare - gaze cu C1-C4 (metan, etan, propan, butan), benzine ușoare, white-

spirit, a petrolurilor şi motorinelor se obţin uleiurile minerale.

Uleiurile conțin două sau mai multe inele macromoleculare de cicloalcani cu o catenă

alifatică și nuclee aromatice. Masa lor moleculară este cuprinsă între 300 și 700 u.a.m., cu 20

până la 50 atomi de carbon (C20-C50), cu structură complexă [102].

Cicloalcanii din moleculele de ulei sunt de preferat deoarece acestea prezintă o stabilitate

mai mare la oxidare față de cele aromatice. Uleiurile cu nuclee aromatice au catene alifatice

scurte, iar vâscozitatea acestora variază cu temperatura, și densitatea lor este mare, modificând

calitatea uleiului respectiv.

Uleiurile care conțin hidrocarburi aromatice în porporţie mărită sunt tratate cu solvenţi

selectivi (fenol, furfurol, metil-eti-cetonă) care dizolvă aceste hidrocarburi îmbogățind uleiul cu

hidrocarburi alifato-naftenice mult mai stabile la oxidare[35], [60], [63], [110], [119].

Uleiurile minerale utilizate ca izolant electric conţin hidrocarburi parafinice, aromatice și

naftenice în proporţii bine-definite [63] :

hidrocarburi naftenice (>60%), acestea fiind foarte stabile și cu punct de congelare

scăzut,

hidrocarburi aromatice (<30%), deoarece conțin un număr mare de atomi de carbon care

se eliberează sub acțiunea arcului electric, reducând proprietățile uleiului,

hidrocarburi parafinice (<30%), deoarece au punct de congelare ridicat și determină o

creștere a vâscozității uleiului), proprietățile sale depinzând de compoziția chimică, cât și de

condițiile de exploatare [60], [62], [65], [69], [107], [108], [110], [111], [119], deoarece

produsele de distilare obţinute din produse petroliere au proprietăţi adecvate pentru izolaţii şi

anume:vâscozitate optimă, punct de curgere şi punct de inflamabilitate adecvate.


41

În Fig. 3.5 este prezentată schema de obținere a uleiurilor minerale prin distilarea sub vid

a țițeiului pornind de la țițeiul parafinos (cu conținut ridicat de parafine) care în primă etapă

trebuie separate pentru a nu îngreuna procesul tehnologic de obținere a uleiurilor minerale de

înaltă calitate.

Fig. 3.5. Schema

unei rafinării

pentru obținerea

uleiurilor

electroizolante

3.2.3. Obținerea uleiurilor vegetale electroizolante

Uleiurile vegetale se obţin prin procedee specifice, în funcţie de materia primă folosită,

cum ar fi cele de in, mac, floarea soarelui, soia, măsline, rapiţă, arahide, ricin, unt de cocos,

porumb, etc.care sunt de obicei materii grase în stare lichidă. Deoarece au în structura

moleculară acizi carboxilici, aceștia trebuie neutralizați astfel încât să se anihileze caracterul

coroziv al acizilor care să nu afecteze sistemul electroizolant și celelalte părți ale

transformatorului de putere.

3.3. Uleiurile minerale și uleiurile vegetale electroizolante-Analiză comparativă

3.3.1. Structuri moleculare ale componentelor uleiurilor minerale și vegetale

Este important să se cunoască structura moleculară a componentelor din uleiurile naturale

(minerale, animale și vegetale), acesta fiind punctul de plecare în investigarea proprietăților

uleiurilor în vederea utilizării lor adecvate în industria energetică.

Uleiurile minerale electroizolante sunt alcătuite atomi de carbon și hidrogen, care

alcătuiesc componentele alifatice, naftenice și aromatice. Se preferă naftenele care la același

număr de atomi de carbon cu parafinele sunt în stare lichidă, stare conferită structural de dubla

legătură din moleculă.

Uleiurile vegetale sunt esteri ai alcoolului trihidroxilic (glicerină). În grăsimile lichide

sunt prezenţi acizi nesaturaţi ca:

- acid oleic CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH


42

- acid linolic CH3(CH2)4CH=CH-CH2 –CH=CH-( CH2)7-COOH

În grăsimi s-au mai identificat acizi graşi nesaturaţi cu o importanţă redusă. [65], [102].

Dacă gradul de nesaturare este mai mare, atunci grăsimea sau uleiul este mai fluid.

În uleiurile lichide predomină acizi nesaturaţi cum sunt:

- acidul oleic 69-84%, acid palmitic 7-10% şi acid linolic 4-12% (în uleiul de măsline),

- acid linolenic 25-40%, acidul linolic 20-60% şi acid oleic 5-20% (în uleiul de in).

[25], [65], [100], [102].

3.3.2. Aspecte noi - Stabilitatea chimică a uleiurilor minerale

Dielectricii lichizi, cum sunt uleiurile, utilizate în contact cu izolațiile înfășurărilor

electrice nu trebuie să nu aibă caracter acid, deoarece acțiunea acizilor se resimte asupra

majorității materialelor

În transformator, uleiul electroizolant se utilizează şi pentru impregnarea hârtiei şi

cartonului electroizolant și ca agent electroizolant și mediu de răcire, iar în întreruptoare de înaltă

tensiune ca agent electroizolant și mediu de stingere a arcului electric.

În Tabelul 3.2 sunt prezentate condiții de calitate ale uleiului ET 10, care era utilizat în

transformatoarele din România, până când rafinăriile producătoare de uleiuri electroizolante au

fost desființate. [STAS 10130-75]

Tabel 3.2. Condiții de calitate ale uleiului ET 10

Proprietăți Valorice caracteristice

Aspect Limpede

Culoare Roșie

Densitate relativă la 20°C, max. kg/m3

0,870

Aciditate organică [mg KOH/g], max. 0,05

Rigiditatea dielectrică la proba uscată [ kV/cm], min. 140

Tangenta unghiului de pierderi dielectrice la 70°C, max 12x10-3

Stabilitatea la oxidare, la 100°C, timp de 168 ore:

- Pierderi prin coroziune pe cupru și pe oțel, [mg/cm2], max.

- Vâscozitate cinematic [ cSt]:

La 50°C, min.

La -40°C, max.

- Aciditate organică, [mgKOH/g], max.

0,1

9,5

700

0,5

Rezistivitatea de volum la 20°C [Ωcm], min. 1,5x10-12

Alte uleiuri comparative cu cele descrise mai sus sunt uleiul mineral TR MOL 30.01 R

(Tabelul 3.3),

Tabel 3.3. Caracteristicile uleiului TR MOL TO 30.01 R

Caracteristici Valori tipice

Culoare ASTM 0,500

Greutatea specifică, 0,880


43

Densitatea la 20°C, g/cm3 0,869

Permitivitatea relativă εr , la 20°C şi 50 Hz 2,1-2,3

Rezistivitatea de volum ρr la 20°C Min. 4x1012

Rigiditatea dielectrică pentru ulei netratat la 20°C şi 50 Hz 270-300

Vâscozitatea convenţională la 20°C, °E 4,000

Indicele de aciditate 0,100

Temperatura de inflamabilitate, °C 140,000

Temperatura de ardere, °C 148,000

Temperatura1.de congelare, °C -45,000

Stațiile de transformatoare utilizează uleiuri de tip TR 25 aditivate și TR 30 neaditivate

din surse diferite de furnizare, care garantează o durată de utilizare de peste 30 de ani.

3.4. Analiză comparativă

3.4.1. Uleiuri minerale

În Tabelul 3.4 sunt prezentate date comparative privind caracteristicile unor uleiuri

provenite de la diverse surse de transformare cum ar fi Brașov, Râmnicul Vâlcea, Galați

Smârdan.

Tabel 3. 6. Date comparative ale unor uleiuri de transformator din Romania

Date despre ulei

/ caracteristici

Ulei

nou

Taurus

(TR 30)

Ulei nou

LYRA

X

(TR 25

A)

Ulei TR

24 A

aditivat/

Trafo 1

Ulei TR

30

neaditivat/

Trafo 2

Ulei

Technol

aditivat/

Bobina

condens

are

Ulei

T neaditivat/

Trafo 1

Ulei

T neaditivat/

Trafo 2

Stația electrică Galați Galați Galați

Smârdan

Galați

Smârdan

Galați

Smârdan

Râmnicul

Vâlcea

Răcădau

Brașov

Echipament - -

Trafo 1/

250MVA/

400/121/2

0kV

Trafo 2/

250MVA/

400/121/2

0kV

Bobina

condens

are/

250MV

AR/

Trafo 1/

250MVA/

400/121/20kV

Trafo 2/

250MVA/

400/121/20kV

An fabricatie - - 1980 1999 1998 2000 1991

Nivel de

prelevare ulei - - Superior Superior Superior Superior Superior

Temperatura

uleiului la

prelevare °C

- - 50 58 64 55 59

Densitatea

[kg/m3]

879 863 865 872 862 883 869

Conținutul de

apă [%] 0.01 0.01 0.015 0.017 0.019 0.02 0.025


44

Indice de

neutralizare

[mgKOH/g]

< 0,01 0.01 0.02 0.015 0.012 0.017 0.02

În Fig. 3.4 este prezentată variația unghiului de pierderi a uleiului de transformator de la

Transelectrica în perioada 2011-2014, acesta crescând ușor dar nealarmant, arătându-ne faptul că

uleiul a suferit o serie de modificări structurale.

Fig. 3.4. Variația unghiului de pierderi între anii 2011-2014 la un transformator de la

Transelectrica S.A. Brașov

În tabelul 3.5 sunt prezentate ecuațiile de extrapolare pentru tangenta unghiului de

pierderi măsurate la probe de ulei prelevate din transformatorul de putere de la Transelectrica SA

în perioada 2011-2014 pentru a se putea determina durata de viață a sistemului de izolație utilizat

în transformatorul monitorizat, la nivele de prelevare diferite.

Tabel 3. 5. Ecuațiile de extrapolare funcție de nivelul de prelevare a uleiului din

transformator

Nivelul de prelevare probe Ecuația de extrapolare

Nivel inferior 9246,03428,10007,0 2

1 Rxy

Nivel mediu 9973,08865,10009,0 2

2 Rxy

Nivel superior 98,0309,20012,0 2

3 Rxy

În Fig 3.5 autoarea tezei a reprezentat grafic variația rigidității dielectrice în kV/mm la

diferite nivele de prelevarea probelor de ulei din transformatorul de mare putere.

Fig. 3. 5. Curbele de îmbătrânire a rigidității dielectrice a uleiului de transformator pentru

monitorizare la nivelele cuvei pe perioada 2007-2014


45

Îngraficul din Fig. 3.23 se observă că în transformatorul monitorizat, rigiditatea

dielectrică scade ușor pe parcursul anilor, dar se menține în limite normale de funcționare,

păstrându-se astfel proprietățile dielectrice la parametrii care nu pun în pericol buna funcționare

a sistemului de izolație.

Proba s-a prelevat de la Stația Codlea TRAFO 1

Transformatorul electric analizat, este un transformator trifazat de mare putere, în ulei cu

reglaj sub sarcină, destinat pentru interconexiunea reţelelor de 400 kV şi 110 kV.

Transformatorul, cu putere nominală aparenta de 250 MVA, realizează conversia energiei

electrice de la treapta de tensiune de 400 kV la o treapta de 110 kV.

Fig. 3.6. Curba de îmbătrânire a tangentei unghiului de pierderi a uleiului de transformator pentru

monitorizare la nivelele cuvei în perioada 2007-2014

Rezultatele obţinute evoluează ca ordin de mărime crescător de la nivel superior spre

nivel mediu, respectiv nivel inferior deoarece impurităţile mecanice, produsele de descompunere

se depun în partea inferioară a cuvei transformatorului.

Dacă ritmul de îmbătrânire ar crește constant conform graficului din Fig.3.6, graficul ar fi

de forma Fig. 3.7, și atunci am deduce că uleiul mineral electroizolant s-ar considera îmbătrânit

când valoarea tangentei unghiului de pierderi ar depăși valoarea 2,4%.

Fig. 3.7. Variația unghiului de pierderi între 2007-2045 pentru îmbătrânirea treptată a

uleiului electroizolant din transformatorul de putere

Astfel ecuația liniară pentru tg δ este de forma:

btatg (3.1)

btatg crtcrt (3.2)

unde tgδ crt este 20 kV/mm, în cazul uleiului de transfoemator.


46

Rezerva de viață se obţine calculând timpul critic şi scăzând cei 7 ani pentru care s-a

făcut iniţial analiza, respectiv:

a

btgt crtcr

(3.3)

Rezerva de viaţă este:

7 crttRV (3.4)

Variația rigidității dielectrice ca și cea a unghiului de pierderi ne arată gradul de

îmbătrânire a uleiului izolant. În figura 3.8 este prezentată scăderea rigidității dielectrice ceea ce

ne arată că durata de viață a transformatorului este mai scurtă decât 2040.

Fig. 3.8. Variația rigidității dielectrice între 2007-2040 pentru îmbătrânirea treptată a uleiului

electroizolant din transformatorul de putere

Temperatura ridicată pe care o atinge uleiul în timpul funcționării transformatorului de

putere produce, treptat, o oxidare a acestuia. O aciditate accentuată a uleiului produce coroziunea

pieselor metalice şi distrugerea izolaţiilor de celuloză ale înfăşurărilor.

Rezultatele rigidității dielectrice obţinute evoluează ca ordin de mărime descrescător de la

nivel superior spre nivel mediu, respectiv nivel inferior deoarece impurităţile mecanice,

produsele de descompunere se depun în partea inferioară a cuvei transformatorului.

Fig.3.9. Curba de îmbătrânire a rigidității dielectrice a uleiului de transformator pentru

monitorizare la nivelele cuvei pe perioada 2007-2014

Valorile lui a şi b s-au obţinut în excel și sunt sumarizate în Tabelul 3.6.

Tabel nr. 3.6. Parametrii dreptei de regresie, timpul critic şi rezerva de viaţă

Loc de măsurare Parametrii dreptei de regresie btaEstr

a b R2

tcr RV

Nivel Superior -0.545 30.2 0.963 18.71 11.71


47

Nivel Mediu -0.586 29.7 0.933 16.55 9.55

Nivel Inferior -0.527 28.6 0.901 16.31 9.31

3.4.2. Uleiuri vegetale

Alegerea uleiurilor vegetale în scopuri de izolație electrică în aparatele electrice de putere

trebuie efectuată pe principii bine stabilite funcție și de caracteristicile fizice și electrice ale

acestora [21], [112].

Ultimele cercetări relevă posibilitatea de a înlocui uleiurile minerale cu cele vegetale, în

izolaţia transformatoarelor de putere, pentru care se caută soluţii pentru a obţine caracteristici

similare și chiar mai bune ale uleiurilor vegetale, în comparație cu cele minerale.

În Tabelul 3.7 sunt prezentate comparativ caracteristicile fizice și electrice ale uleiului din

floarea soarelui, porumb, rapiță și soia.

Tabel 3.7. Caracteristicile fizice și electrice ale uleiului din floarea soarelui, porumb,

rapiță și soia

Caracteristici Ulei floarea

soarelui

Ulei

porumb

Ulei rapiță Ulei

soia

Aspect Limpede Limpede Limpede Limpede

Culoare Gălbui Gălbui Gălbui Gălbui

Punct de inflamabilitate, [°C] 350 330 380 340

Aciditate organică, [mg/g] 0,0534 0,0545 0,0525 0,0564

Conţinut de apă, [ppm] 15 16 14 13

Indice de refracţie 1,4589 1,4784 1,4689 1,4798

densitatea [kg/m3]la 20°C 920 912 916 915

Rigiditatea dielectrică, [kV/cm] 19 24 25 21

Tangenta unghiului de pierderi, tgδ, [%] 2,6 2,8 2,5 2,9

Rezistivitatea, [cm] >1012

>1012

>1012

>1012

3.5. Recuperarea uleiurilor minerale electroizolante

Uleiurile minerale din sistemele eletroizolante se uzează în timpul funcționării

echipamentelor electrice. Observarea la timp a modificărilor survenite în uleiul transformatorului

este importantă, pentru a preîntâmpina deteriorarea acestuia iar remedierea este mai uşoară în

cazul unei degradări incipiente a uleiului.

3.5.1. Tehnologii de recuperare

În funcţie de nivelul de degradare al parametrilor izolaţiei în practică se aplică progresiv

următoarele procedee:

1) Recondiţionarea, ca procedeu de eliminare a apei şi particulelor solide prin mijloace chimice

şi de reducere a cantitatea acestora la un nivel acceptabil;

2) Regenerarea, care, conform standardului internaţional CEI 60422, este procedeul care

elimină acceleratorii şi produsele de îmbătrânire prin agenţi chimici sau absorbanţi;


48

3) Revitalizarea sistemului de izolaţie, care este procedeul tehnologic care elimină acceleratorii

de îmbătrânire (apa, oxigenul) şi produsele de îmbătrânire (acizii, gazele, sedimentele,

particulele coloidale etc.).

În Tabelul 3.8 sunt prezentate rezultatele analizelor efectuate asupra unui ulei prelevat

din exploatare şi comparativ, datele obținute după regenerarea uleiului [163]. [165].

Tabel 3.8. Analize şi încercări ale uleiului regenerat

Parametrii măsurați Inițial După regenerare

Tensiunea de strapungere [kV] 46 >60

Rigiditatea dielectrica [kV/cm] 184 >240

Coeficientul de pierderi dielectrice (tan δ la 900C) 9,8x10

-3 5x10

-3

Tensiunea interfacială apă-ulei la 200C [dyne/cm] 16,52 47

Indicele de neutralizare a acidităţii apă-ulei [mgKOH/g] 0,081 0,010

Conţinutul de apă din ulei, la temperatura de 200C [ppm] 36,3 2,7

Conţinutul de particule cu Φ > 5μm/100 ml 17920 14020

Analiza cromatografică a gazului dizolvat în ulei

H2

CH4

C2H6

CO

CO2

Conţinutul de gaze combustibile [ppm]

Conţinutul de gaze combustibile [%]

14

40

27

167

1522

596

0,2

3

2

4

7

153

25

0,01

Conţinutul de compuşi furanici [ppm] 2FAL 0,39 0,0045

Uleiuri vegetale au fost, de asemenea sugerate, dar acestea nu sunt adecvate pentru

utilizare în zonele cu climă rece sau pentru tensiuni de peste 230kV. Unele tipuri de hârtie de

asemenea și uleiul de nucă de cocos este sugerat ca un potențial înlocuitor pentru utilizare în

transformatoarele de putere.

3.5.2. Evaluarea eficienței tehnologiei de obținere a uleiului mineral

Pentru evaluarea eficienței tehnologiei de obținere a uleiului mineral electroizolant este

realizat un calcul economic prezentat de autoare în lucrarea [142].

Calculul economic urmăreşte stabilirea principalilor indicatori de eficienţă pentru

tehnologia de obținere și de aditivare a uleiurilor de transformator. Se prezintă metodologia

obţinerii indicatorilor de eficiență.

În Fig. 3.10 este prezentat fluxul de obținere a uleiului de transformator. Schema este

mult simplificată pentru a se putea înțelege procesul de obținere a uleiului electroizolant.


49

Fig. 3.10. Schema de flux pentru obținerea uleiului electroizolant

Elaborarea unui plan de producție - la stabilirea cantității de materii prime supuse

prelucrării și cantitățile de produse obținute din procesării.

Tabel 3. 9. Pregătirea planului anual

Nr.crt. Numele fluxului Cantitatea, [t/an] Randamentul, [%] masice

1 Ulei rafinat 132.390 73.55

2 Ulei extras 47.610 26,45

Total 180.000 100,00

Procesul este rentabil pentru producţia de uleiuri de transformator, ce s-ar putea produce

în România, într-o intreprindere cu profil în uleiuri având randament de utilizare de 91,32%.

În final, prețul unei tone de ulei mineral astfel obținut în Romania, este de 7000lei/t +

TVA, în instalația proiectată mai sus, iar în cadrul altor firme de producere a uleiurilor

electroizolante prețurile variază după cum urmează, în lei, dolari sau euro:

3.6. Concluzii

O problemă pe care o ridică azi sistemele de izolație este de recuperare, regenerare și

reciclare a uleiului electroizolant care în timpul sarcinii din transformatorul de putere se

încarcă cu impurități care-i modifică calitățile electroizolante inițiale. Tehnologiile de

recuperare și regenerare a uleiului electroizolant trebuie să fie evaluate cu eficiență

maximă pentru scăderea costurilor de întreținere a transformatorului de putere.

Indicele de utilizare extensivă a instalaţiei dă indicații importante în evaluarea eficienței

unei instalați de obținere a unui ulei mineral electroizolant. În situația analizată indicele

de utilizare al uleiului electroizolant din transformatoarele de putere este de 91,32% și

acesta ar putea crește ușor dacă prețurile s-ar menține la nivelul scăzut pe care l-am

calculat pentru instalația prezentată.

Dacă s-ar produse suficientă cantitate de uleiuri electroizolante în producția internă s-ar

putea realiza exporturi din aceste produse, căci din punct de vedere calitativ am avut

numai uleiuri de calitate care au fost apreciate pe piața internă și externă totodată.

Utilizarea unui astfel de ulei electroizolant ar putea scădea costurile cu întreținerea

transformatoarelor de putere din România, iar acest lucru ar duce la final și la scăderea

costurilor medii ale energiei electrice necesară consumatorilor industriali sau casnici.


50

4. ÎNCERCĂRI LA ULEIURILE DE TRANSFORMATOR

4.1. Încercări profilactice ale uleiului electroizolant

Uleiul conţine informaţii despre procesele de dezvoltare a defectelor în interiorul

transformatorului (locurile unde au loc încălziri, descărcări electrice). Prezența gazelor în ulei

indică existența unor procese de degradare a izolației solide și/sau descompunerea uleiului. De

aceea uleiul utilizat ca material electroizolante în sistemul de izolaţie al transformatorului de

putere este supus periodic la încercări electrice şi fizico-chimice [142] .

În funcţie de starea lor, uleiurile de transformator sunt de următoarele categorii:

ulei nou (crud) - uleiul livrat de furnizor, neutilizat, care deține buletin de încercare și

corespunde normelor de calitate în vigoare;

ulei nou recondiționat fizic - uleiul reconditionat, uscat, filtrat și degazat;

ulei în serviciu - uleiul din echipamente aflate în funcțiune;

ulei în serviciu recondiționat fizic - uleiul care, în urma aplicării operațiilor de recondiționare

fizică corespunde parametrilor prescriși pentru uleiul în serviciu;

ulei regenerat - uleiul folosit pentru efectuarea unor operații chimice de regenerare, care

corespunde cel puțin parametrilor care au fost prescriși pentru uleiul în serviciu;

ulei uzat - uleiul întrebuințat care are valorile unor caracteristici în afara limitelor de

admisibilitate respective și care nu mai pot fi aduse în limitele admise prin recondiționarea

fizică sau prin regenerare.

În [172] este precizat conţinutul încercărilor profilactice pentru uleiuri electroizolante de

utilizate în sistemul de izolaţie al transformatoarelor de putere (Tabelul 4.1).

4.2. Analize fizico-chimice

Analizele fizico-chimice pentru uleiuri sunt necesare, deoarece furnizează informaţii

esenţiale despre starea uleiului [19], [22], [34], [50].

Densitatea uleiurilor indică gradul de contaminare cu particule solide şi cu apă.

Culoarea uleiurilor, în funcţie de starea sistemului de izolaţie, este cuprinsă în gama de la

galben-incolor până la brun şi se intensifică prin utilizare când uleiurile se opacizează prin uzarea

din timpul funcționării transformatoarelor de putere.

Aciditatea se apreciază prin indicele de aciditate, Ia, definit ca numărul de mg de KOH

care neutralizează acizii conţinuţi într-un gram de ulei. Aciditatea se datorează prezenţei în ulei

a acidului sulfuric utilizat în procesul rafinării şi care nu a fost neutralizat, precum şi a altor

substanţe cu caracter acid din păcură; ea creşte în timpul utilizării datorită formării produşilor de

oxidare cu caracter acid. Valoarea maximă admisă este 0,35 mg KOH. Uleiurile cu valori mari

ale Ia, corodează suprafeţele metalice cu care vin în contact.

Gradul de nesaturare, exprimat prin indicele de iod Ii, indică numărul de grame de iod

care se adiţionează la compuşii nesaturaţi din l00 g ulei. Pentru uleiuri valoarea maximă admisă

este cuprinsă între şi 4. Indicele de iod este o măsură a stabilităţii termice a uleiului. Uleiurile cu


51

grad mare de nesaturare se oxidează uşor formând produşi de oxidare corozivi, transformându-se

din izolatori electrici în conductori, produse impurificatoare care contribuie la scăderea rigidității

dielectrice.

Cifra de cocs (CC) reflectă comportamentul la încălzire a uleiului; ea este exprimată prin

conţinutul de reziduuri solide (cocs) rezultate la încălzirea uleiului în absenţa aerului. Valoarea

maximă admisă este 1,2%. Uleiurile cu valori mari ale cifrei de cocs depun, în timpul

funcţionării, impurități solide care scad tensiunea de străpungere a uleiului ducând la scurtarea

durate de viață a sislemului electroizolant.

Spumarea uleiurilor este determinată de prezenţa aerului sau a altor gaze dizolvate,

prezenţă care atrage după sine o serie de inconveniente ca oxidarea uleiului sau formarea

dopurilor de gaz.

Vâscozitatea şi gradul de inflamabilitate sunt caracaterstici care determină calitatea

intrinsecă a uleiului, fiind dependente puterniv de temperatură şi presiune. În tabelul 4.2 sunt

prezentate cerințele tehnice pentru uleiul mineral electroizolant utilizat în transformatoarele de

mare putere.

4.2.1. Determinarea densității

Densitatea uleiurilor poate fi determinată prin metoda directă cu areometrul sau se mai poate

determina cu ajutorul picnometrului (Fig. 4.1), [61], [62]. Se utilizează truse de densimetre numite și

termodensimetre (termoareometre) gradate diferit pentru a se putea face corecţia de temperatură.

Densimetrele sau areometrele sunt instrumente ce utilizează principul lui Arhimede.

Fig. 4.1. Areometru și picnometru pentru determinarea

densității

În Tabelul 4.3 sunt prezentate valorile densităţii unor lichide determinate cu densimetrul de

laborator. Tipurile de uleiuri minerale examinate sunt cele descrise în Tabelul 3.6. Medierea este efectuată

pentru 3 determinări succesive.

Tabel 4.3. Densitatea unor sorturi de uleiuri electroizolante determinate cu densimetru

Nr.

crt. Lichid

Temperatura

[oC]

Densitatea măsurată

[kg/m3]

Densitatea medie

[kg/m3]

1. Ulei de rapiță 20 914 913 912 913

2. Ulei de porumb 20 920 920 920 920

3. Ulei de floarea soarelui 20 916 916 916 916

4. Ulei de ricin 20 912 912 912 912


52

5. Ulei Tr 30 MOL (neaditivat) 20 869 868 870 869

6. Ulei ET 10 (neaditivat) 20 870 869 871 870

7. Ulei Taurus (neaditivat TR 30) 20 868 867 869 868

8. Ulei Lira X (aditivat TR 25 A) 20 863 863 863 863

9. Ulei Trafo 1 20 872 872 872 872

10. Ulei Trafo 2 20 870 869 871 870

Se observă că toate tipurile de ulei examinate au densitatea sub 1000,0 kg/m3, cu valori cuprinse

între 863 ÷ 997 kg/m3 la temperatura de 20,0°C.

4.2.2. Determinarea conținutului de apă

Conţinutul de apă se determină conform SR CEI 814 şi SR ISO 760. Pentru determinarea

prezenţei apei în ulei există mai multe metode.

a) Determinarea conţinutului de apă cu aparatul Dean Stark

Una din metode constă în umplerea cu ulei până la jumătate a unei eprubete şi punerea ei

într-o baie de ulei încălzită la o temperatură de 175°C. Se urmăreşte eprubeta până când uleiul

din ea a atins temperatura de 150°C. Dacă uleiul conţine apă eprubeta spumează, se aud pocnituri

iar stratul de ulei de pe pereţii eprubetei devine tulbure, [137].

a b

Fig. 4.2. Aparatul

Dean-Stark pentru

determinarea

densităţii

a) Instalația

propriu-zisă

b) Schiță instalație

În cap. 2.3.2 sunt prezentate rezultatele măsurării conţinutului de apă în ulei , cu metoda

Dean Stark.

b) Metoda Karl-Fischer

Metoda Karl-Fischer pentru determinarea conţinutului de apă în ulei a fost descrisă de M.

Malherbe. [90]. Principiul metodei se bazează pe reacţiile chimice care se produc în ulei atunci

când în ulei, în prezenţa apei, se introduce reactiv Fischer, compus din anhidridă sulfuroasă, din

iod în soluţie de piridină şi metanol.

Metoda se bazează pe reducerea iodului I2 de către dioxidului de sulf SO2 în prezenţa apei

în produsul de analizat în soluţie metanol-piridină CH3OH - C6H4SO2O (Fig. 4.3).

I2+SO2+3C6H4N+H2O 2C6H4NHI+C6H4NSO2O

C6H4SO2O+CH3OH C6H4NHSO4CH3


53

sau

I2+SO2+3 N +H2O 2 N

H

I

+ N

SO2

O

N

SO2

O

+CH3OH N

SO4 CH3

H Fig. 4.3. Reacţiile pentru determinarea conţinutului de apă din uleiuri electroizolante

Apa din produs este extrasă de metanol prin crearea de legături de hidrogen. Titrarea cu

soluţie Karl-Fischer se efectuează cu ajutorul unui aparat de titrare conductometrică.

Cantitatea de apă se determină cu relaţiile :

100% 3

V

TVapa [% volum] (4.7)

100% 3

mapa dV

TV [% masă] (4.8)

în care:

V3 –volumul soluţiei Karl-Fischer folosit la titrare, în ml ;

T- titrul soluţiei Karl-Fischer;

V- volumul probei supusă analizei, în ml ;

dm – densitatea masică a probei la temperatura de lucru.

Determinările experimentale efectuate de autoare cu metoda Dean Stark sunt centralizate

în Tabelul 4.4 pe sotimente de uleiuri noi [137].

Tabelul 4.4. Conţinutul de apă în sorturi de uleiuri minerale şi vegetale [137]

Tipuri de uleiuri

Ulei

mineral

TR 30

Ulei

mineral

TR 30

MOL

Ulei

mineral

TR 25A Ulei rapita

Ulei

porumb

Ulei

floarea

soarelui

Conținut de apă [ppm] 6,0 5,75 1.0

10,96;

11,0

10,87;

11,0

11,83;

12,0

4.2.3. Determinarea punctului de inflamabilitate

Punctul de inflamabilitate este o măsură a volatilităţii uleiului. Valorile punctului de

inflamabilitate pentru uleiul mineral de transformator sunt cuprinse între (200…250)oC, [183].

Punctul de inflamabilitate se determină experimental cu aparatul Abel-Pensky, cu

aparatul Marcuson, cu aparatul Pensky-Martens sau cu creuzetul Cleveland.

b). Determinarea inflamabilităţii cu aparatul Marcusson

Un alt aparat folosit pentru acest tip de analiză este aparatul Marcusson (Fig. 4.3).


54

a) b)

Fig. 4.3. Aparatul Marcusson: a) vedere; b) parţi componente

În Tabelul 4.5 sunt prezentate valorile temperaturilor de inflamabilitate determinate de

autoare cu metoda Marcusson.

Tabel 4.5. Punctul de inflamabilitate la unele sorturi de uleiuri electroizolante

Tipuri de uleiuri Temperatura de inflamabilitate [ºC]

Ulei de transformator TR 30 MOL 165,00

Ulei de transformator TR 25 aditivat 135,00

Ulei de rapiță 380,00

Ulei de porumb 330,00

Ulei de floarea soarelui 350,00

4.2.4. Determinarea indicelui de refracție

Indicele de refractie este o caracteristică a lichidelor prin care se apreciază puritatea și

concentrația acestor lichide, deoarece în majoritatea cazurilor se înregistrează o variație liniară a

indicelui de refracție cu concentrația. Indicele de refracție este dependent de lungimea de undă a

radiației incidente și, de aceea, această valoare trebuie cunoscută și atent controlată.

Aparatul ABBÉ servește la măsurarea concomitentă a indicelui de refracție și a

concentrației uleiului analizat. (Fig. 4.4).

a)

b)

c)

Fig. 4. 4. Refractometru ABBÉ a), b) Vedere și c) Direcția razei de lumină într-un refractometru

ABBÉ - schiță prismă


55

În Tabelul 4.6 sunt prezentate rezultatele obţinute pentru indicele de refracție, conform

standardului SR ISO 5661, pe probe de uleiuri minerale şi vegetale noi. Aparatul utilizat pentru

analize este Refactometrul ABBÉ, marca OPTIMA, existent în Laboratorul de Analize Fizico

- Chimice al Colegiului Tehnic Simion Mehedinți Codlea. Temperatura la care s-au efectuat

determinările a fost de 23,9°C.

Tabel 4.6. Valori ale indicelui de refracție pentru diverse sortimente de uleiuri

Tipuri de uleiuri Indice de refracție Indice de refracție

mediu

Ulei de transformator TR 30 MOL 1,4873 1,4873 1,4872 1,487267

Ulei de transformator TR 25A 1,4783 1,4783 1,4781 1,478233

Ulei de rapiță 1,4734 1,465 1,467 1,468467

Ulei de porumb 1,4639 1,465 1,468 1,465633

Ulei de floarea soarelui 1,4723 1,46 1,469 1,46710

Ulei de ricin 1,461 1,463 1,468 1,46400

Ulei de soia 1,466 1,466 1,47 1,467333

4.2.5. Determinarea vâscozităţii

Vâscozitatea reprezintă una din cele mai importante caracteristici ale uleiului

electroizolant [90].

a) coeficientul de vâscozitatea dinamică, definit cu relaţia :

dud

[P] (4.9)

unde :

τ - este tensiunea tangenţială care apare între straturile de fluid la curgerea laminară,

dv/du - este variaţia de viteză pe elementul de lungine du.

Coeficientul de vâscozitate cinematică este definit ca raport între vâscozitatea dinamică şi

densitatea dm a fluidului respectiv:

md

[m

2/s] (4.10)

c). Măsurarea vâscozităţii cu vâscozimetrul Höppler

Construcţia şi modul de funcţionare al vâscozimetrulului Höppler [78] sunt prezentate în

Fig. 4.5.

Coeficientul de vâscozitatea dinamică se calculează cu relaţia:

Kddt cbc )( (4.13)

unde:

η - coeficientul de vâscozitate dinamică, în Ns/m2,

tc – timpul de cădere a bilei, în s,

db – densitatea relativă a bilei,

dc – densitatea relativă a lichidului,

K – constanta bilei.


56

a) b)

Fig. 4.5. Vâscozimetrul Höppler: a) Vedere; b) Părţi componente

Rezultatele determinărilor experimentale realizate de autoare cu vâscozimetrul Höppler

referitoare la vâscozitatea cinematică a unor sorturi de uleiuri electroizolante minerale

neaditivate și aditivate şi a unor uleiuri vegetale posibil de utilizat ca electroizolante sunt

prezentate în Tabelul 4.7.

Tabel 4.7. Vâscozitatea cinematică a unor sorturi de uleiuri electroizolante

Tipuri de uleiuri

Vâscozitatea

cinematică medie

[1mm2/s = 1cSt]

Dispersia

[%]

Ulei de transformator TR 30 MOL 2,6 3,90

Ulei de transformator TR 25 aditivat 2,5 0,92

Ulei de rapiță 4,3 2,74

Ulei de porumb 4,4 4,78

Ulei de floarea soarelui 4,3 3,98

Ulei de ricin 4,2 6,78

Ulei de soia 4,1 5,34

Se observă faptul că uleiurile minerale au vâscozitatea cinematică de ordinul 2,5 cSt, iar

uleiurile vegetale au valoarea cuprinsă între 4,1și 4,4 cSt. Dispersia determiărilor este relativ

redusă (0.92-6,78).

4.3. Rigiditatea dielectrică a uleiurilor electroizolante

4.3.1. Metode de determinare a rigidităţii dielectrice

Rigiditatea dielectrică este o mărime convenţională, care depinde de factori intrinseci

(natura și structura uleiului) și de factori extrinseci (grosimea stratului de ulei ce se încearcă,

natura și geometria electrozilor, umiditatea mediului ambiant, temperatura probei, respectiv,

condiţiile încercării). [179].

În conformitate cu prevederile SR EN 60156/CEI 156 rigiditatea dielectrică a uleiului de

transformator este dată de raportul dintre tensiunea electrică de străpungere în timp scurt şi

distanţa dintre electrozi.

Metodele de determinare a rigidităţii dielectrice sunt diverse:


57

- încercări în curent continuu,

- încercări în curent alternativ,

- încercări în impuls.

Metodele diferă şi după modul de aplicare a tensiunii eletrice:

- cu aplicare bruscă a tensiunii, în trepte,

- cu aplicare a tensiunii continuu crescător, cu anumite viteze de creştere a solicitării,

până la străpungerea probei.

4.3.2. Determinări experimentale și analize comparative

În cadrul colaborării cu laboratorul de testare a uleiurilor electroizolante de la S.C.

Electrica S.A. Brașov s-au efectuat determinări experimentale ale caracteristicilor unor uleiuri

electroizolante prelevate de la transformatoarele din exploatare, conform SR EN 60156/CEI 156.

Studii de caz

A). Determinări experimentale la ulei din exploatare de la SC Electrica SA (2010-2013);

B). Determinări experimentale la ulei din exploatare la Trafo 1 – Staţia Codlea (2008-2014);

C). Determinări experimentale la ulei din exploatare la 4 Stații trafo de la SC Electrica SA (ulei

nou+alte uleiuri), cu stabilirea dependenţei de temperatură a rigidităţii dielectrice Estr=f(T);

Studiu de caz A - Ulei din exploatare

S-au prelevat probe de ulei de la transformatorul pus în funcțiune în 1969. Măsurătorile

sunt efectuate în perioada 2010-2013. Uleiul este prelevat din partea de jos a transformatorului.

Rezultatele sunt prezentate în Tabelul 4.8.

Tabel 4.8. Caracteristici determinate în perioada 2010 – 2013 pentru ulei ET10 din

exploatare (transformator pus în funcţiune în 1969)

Anul efectuării testelor 2010 2011 2012 2013

Aspect

Culoare

Impurităţi

Limpede

Galben

Lipsă

Limpede

Galben

Lipsă

Limpede

Galben

Lipsă

Limpede

Galben -

Portocaliu

Lipsă

Densitate la 20 °C [kg/m3] 893 892 891 880

Rigiditate dielectrică [kV/cm] 380 370 329,2 335,6

Tangenta unghiului de

pierderi [%] 2,112 2,14 2,142 2,15

Punct de inflamabilitate [°C] 145 145 143 145

Conţinut de apă [ppm] 6,89 7,1 10 11.735

Indice de aciditate

[mg KOH/g] lipsă lipsă lipsă lipsă

Concluzii

Pentru transformatorul analizat, uleiul mineral ET10 a fost completat cu ulei TR 30 MOL;


58

Rigiditatea dielectrică a scăvut de la 380 kV/cm la 329,2 kV/cm, în perioada analizată. Se

constată o înrăutăţire a caracteristicii de izolare electică;

Tangenta unghiului de pierderi se încadrează în valoarea standardizată de 2.4 %;

Conţinutul de apă a crescut de la 6,89 ppm la 11,735 ppm, ceea ce confirm faptul că în

perioada de exploatare s-au iniţiat procese de descompunere care afectează calitatea izolaţiei

electrice.

Studiu de caz B – Ulei din exploatare

Caracteristicile uleiului mineral ET 10, completat cu ulei TR 30 MOL prelevare de la

nivelul inferior al transformatorului.din Stația Trafo 1 de la Codlea au fost monitorizate în

perioada 2008-2014 (Tabelul 4.9).

Tabel 4.9. Caracteristici determinate în perioada 2008 – 2014 pentru ulei ET10 cu adaus

de ulei TR 30 MOL din exploatare (Stația Trafo 1 Codlea)

Anul

efectuării

testelor

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Aspect

Culoare

Impurităţi

Limpede

Galben -

citron

Lipsă

Limpede

Galben -

citron

Lipsă

Limpede

Galben -

citron

Lipsă

Limpede

Galben -

citron

Lipsă

Limpede

Galben -

citron

Lipsă

Limpede

Galben -

citron

Lipsă

Limpede

Galben -

citron

Lipsă

Densitate la

20 0C [kg/m

3]

883 881 878 879 875 870 863

Rigiditate

dielectrică

[kV/cm]

345,60 332,5 331,0 327,7 324,6 319,8 307,6

tgδ [%]

Permitivitate

Rezistivitate

[Ω cm].

0,001

1,988

-

0,0015

2,001

-

0,0023

2,006

-

0,034

2,101

-

0,10

2,103

1,90x1013

0,60

2,110

1,23x1013

0,52

2,111

1,24x1013

Punct de

inflamabilitate

[oC]

165 163 161 158 149 145 146

Conţinut de

apă [ppm]

5 5,68 5,98 6,98 8 14,815 14,989

Indice de

aciditate

[mg KOH/g]

0,001 0,002 0,0012 0,0012 0,0014 0,0012 0,0015

Alte date

Tempera

tură ulei

31,1 0C

Tempera

tură ulei

34,2 0C

Tempera

tură ulei

35,1 0C

Tempera

tură ulei

31,2 0C

Temperatu

ră ulei

35,7 0C

Temperatu

ră ulei

36,5 0C

Temperatu

ră ulei

32,3 0C


59

Concluzii

Rigiditatea dielectrică a scăzut de la 345,6 kV/cm la 307, 6 kV/cm, în perioada analizată.

Se constată o înrăutăţire a caracteristicii de izolare electică;

Tangenta unghiului de pierderi a crescut de la 0.001 % la 0.060 %, dar se încadrează în

valoarea standardizată de 2.4 %;

Conţinutul de apă a crescut de la 5,0 ppm la 14,989 ppm, ceea ce confirmă că în perioada

de exploatare au apărut procese de degradare a sistemului de izolaţie.

Studiu de caz C - Ulei din exploatare

Autoarea a efectuat determinări experimentale asupra unor probe la ulei din exploatare,

pentru care s-a stabilit dependenţa de temperatură a rigidităţii dielectrice Estr=f(T). Determinările

s-au efectuat în Laboratorul de la SC Electrica SA, conform STAS EN 60156/96. In în Fig. 4.6

sunt prezentate valorile rigidităţii dielectrice în funcţie de temperatura uleiului prelevat de la

două Stații trafo de 110 kV de la SC Electrica SA (ulei din exploatare + adaus de ulei nou).

Fig. 4.6. Variaţia cu temperatura a rigidității dielectrice pentru ulei din exploatare

(Staţia Ghimbav şi Staţia Predeal)

În Fig. 4.7 sunt prezentate valorile rigidităţii dielectrice în funcţie de temperatura uleiului

prelevat de la două transformatoare de 110 kV de la Staţia Smârdan şi două transformatoare de

400 kV de la Staţia Râmnicul Vâlcea şi Staţia Codlea (ulei din exploatare + adaus de ulei nou).

Fig. 4.7. Variația rigidității dielectrice funcție de temperatură pentru ulei mineral din

exploatare (staţii de 110 kV şi de formatoare de 400 kV)


60

Concluzii

Determinările indică o variaţie tipică a rigidităţii dielectrice a uleiurilor minerale utilizate

în sistemul de izolaţie al transformatoarelor de mare putere în domeniul tde temperatură

(20 – 130)0C;

Există un domeniu de temperatură Tmax (60-80)0C în care rigiditatea uleiului atinge valori

maxime, dupa care rigiditatea dielectrică scade ;

Dependenţa cu temperatura se poate justifica prin :

dezvoltarea unor procesele de evaporare a apei din sistem şi eliminarea de gaze (până la

Tmax) care determină creşterea rigidităţii dielectrice cu temperatura,

dezvoltarea proceselor de descompunere prin ruperea legăturilor C-C şi C-H cu apariţia

de radicali liberi din moleculele organice de ulei.

4.4. Analiza spectrofotometrică

4.4.1. Metoda de analizăspectrofotometrică

Analiza asupra structurii și compoziției uleiurilor se realizează cu metode

spectrofotometrice moderne [7], [10], [18], [20], [31], [32], 83], [99], [137].

Spectrul vizibil precum și refracția luminii albe prin prisma monocromatorului sunt

prezentate în Fig. 4.8.

Fig. 4.8. Spectrul cu lungimea de undă 400-750 nm și refracția luminii albe

prin prisma din monocromator

Iar în Fig. 4.9 este prezentată schema de principiu a spectrofotometrului UV – Vis 1650.

Fig. 4.9. Schema de principiu a spectrofotometrului UV – Vis 1650


61

4.4.2. Analiza spectrofotometrică a uleiului mineral TR 30 MOL

Cu spectrofotometrul UV –VIS 1650 s-au efectuat analize pe probe de ulei mineral TR 30

MOL care au fost supuse regimului de testare la străpungere electrică cu aparatul MEGGER

descris în capitolul 5. Electrozii utilizaţi au fost de tip calotă sferică, cu distanţa interelectrozi de

1 mm iar viteza de creştere a tensiunii a fost de 2,5 kV/s.

Probe examinate:

- Proba T0 - de referinţă de ulei nou TR 30 MOL,

- Proba T6 - ulei nou TR 30 MOL după testare la stăpungeri repetate (Nt=6);



In Fig. 4.22 – Fig. 4.27 sunt prezentate spectrofotogramele obţinute pentru probele de ulei

mineral tip TR 30 MOL. In Anexa 2 sunt prezentate inregistrările analizelor spectrometrice

efectuate.

Fig. 4.10. Spectrofotograma - Proba T 0 de referinţă de ulei nou TR 30 MOL

Spectrofotograma indică faptul că uleiul mineral de tip TR 30 MOL nou are în

compoziția lui doar grupări ce conțin carbon și hidrogen de tipul CH, CH2, CH3, grupări legate

între ele cu legături simple și duble, formându-se astfel hidrocarburi de tip alcani, arene și

aromatice.

Fig. 4.11. Spectrofotograma – Proba T6 de ulei mineral TR 30 MOL


62

Se observă o modificare a spectrogramei ceea ce arată că apare o modificare a structurii

moleculare a uleiului supus la 6 teste de străpungeri.


În spectrograma probei de ulei mineral supus la 10 teste de străpungeri apar modificări

mai accentuate în sensul că apar produsi cu structură nouă care nu au fost în proba inițială.


La 99 de teste de străpungere apar mai mulți compuși secundari, inclusivradicali OH,

radicali H, sub formă de molecule de apă, precum și gaze de CO, CO2, CH4, etc. conform

Tabelului 3.22.


63

Concluzii

Analiza spectrofotometrică indică schimbări de compoziţie şi structură moleculară la

probele supuse străpungerii electrice, care se amplifică odată cu creştrea numărului de teste de

străpungere;

Analiza spectrofotometrică pune în evidență prezenţa impurităților datorate proceselor de

degradare a uleiului electroizolant sub efectul străpungerii electrice.

Descărcările partiale care se dezvoltă în sistemul de izolaţie ale transformatoarelor de

putere determină procese de degradare a uleiului din exploatare similare celor care au loc în

probele analizate. Impuritățile formate în uleiul din exploatare se elimină prin procedee

specifice: regenerare sau recondiţionare şi reutilizare. Crește astfel durata de viață a sistemului de

izolaţie şi scad costurile de mentenanţă.

4.5. Concluzii

O caracteristică importantă pentru uleiurile electroizolante este densitatea care poate fi

determinată direct cu areometrul și indirect cu picnometrul sau cu alte aparate.

Conținutul de apă din uleiurile electroizolante poate fi determinat prin metoda DEAN-Stark

sau Karl Fischer. Existența apei în sistemul electroizolant determină gradul de îmbătrânire al

uleiului din exploatare alături de produșii de descompunere ce se pot determina prin alte

metode performante ca spectrofotometria.

Punctul de inflamabilitate este o caracteristică importantă care arată riscul de incendiu al

sistemului electroizolant. Metodele prin care se determină inflamabilitatea uleiului sunt :

Abel Pensky, Creuzetul Cleveland, Marcusson, Pensky Martens.

Indicele de refracție este utilizat la determinarea concentrația uleiului electroizolant. Aparatul

utilizat pentru determinarea indicelui de refracție al uleiului mineral sau vegetal este

refractrometrul ABBE.

Modificarea vâscozității pune în evidență modificarea compoziției uleiului. Când apare

această modificare de structură atrage după sine aplicarea altor metode mai complexe pentru

determinarea structurii uleiului cum ar fi metodele spectrofotometrice.

Rigiditatea dielectrică este o caracteristică importantă pentru uleiul electroizolant variația

acestei proprietăți arată o posibilă modificare a structurii. Dacă la temperaturi normale

rigiditatea dielectrică crește, la temperaturi de 69-80oC aceasta ajungând la valori maxime în

sistemul electroizolant analizat, iar aceasta scade la temperaturi mai mari, confirmând

apariția produșilor secundari de descompunere.

Prin metoda spectrofometrică se poate determina structura uleiului electroizolant și eventualii

produși secundari de descompunere ce apar în exploatare o dată cu creșterea temperaturii din

sistem. Analiza spectrofotometrică este importantă deoarece se pot determina ușor toate

tipurile de impurități de la gaze, vapori de apă, impurități metalice, precum și alte tipuri de

impurități care modifică puternic proprietățile electroizolante ale sistemului electroizolant dar

mai ales al uleiului mineral electroizolant. De asemenea se pot lua măsuri rapide privind

regenerarea și purificarea uleiului electroizolant din transformatorul de putere, ceea ce reduce

prețul de cost cu întreținerea transformatorului de putere.


64

5. METODE STATISTICE DE ANALIZĂ A TESTELOR DE STRĂPUNGERE

ELECTRICĂ

Statistica studiază latura cantitativă a fenomenelor de masă, în vederea caracterizării lor

numerice (prin indicatori) și fenomene materiale existente în natură și societate făcând parte din

acele ramuri ale științei care sunt scindate în două discipline: una privind studiul fenomenelor

fizico chimice și proceselor din natură și alta studiind fenomenele sociale ceea ce corespunde

statisticii social - economice.

În acest capitol sunt prezentate cercetările teoretice și experimentale care au ca scop:

- Perfectionarea procedurii de testare la strapungere a uleiurilor electroizolante.

- Stabilirea unui criteriu rapid si eficient de comparare a caracteristicilor diferitelor tipuri de

uleiuri electroizolante care ar putea sa candideze la categoria de uleiuri utilizate in sistemele de

izolatie electric.

5.1. Statistică descriptivă și indicatori caracteristici

Statistica descriptivă, descrisă în lucrările [93] si [94], este un instrument eficient de

caracterizare a unei populaţii X de elemente aleatoare din care este extras un eşantion de forma

unui şir de date rezultate din măsurători xi, unde i=1, 2, 3, ...n.

Populația, în această lucrare, este alcătuită din tensiunile de străpungere ale uleiurilor

electroizolante obținute din încercările efectuate cu aparatul MEGGER OTS 60 AF/2.

Analiza statistică permite reducerea datelor prin împărţirea datelor în clase reprezentarea

datelor sub formă de diagrame, calculul unor mărimi speciale, precum şi studierea

caracteristicilor statistice.

Reprezentarea grafică a datelor

Un instrument util în statistica descriptivă este histograma care reprezintă o secvență de k

dreptunghiuri cu baza egală cu intervalul de clasă [gi-1, gi) și înălțimea frecvenței relative hi unde

i=1...k (poligonul frecvenţelor absolute relative). Histogramele permit extragerea de noi

informaţii din datele experimentale [91]. Histogramele permit estimarea caracterului distribuţiei

statistice a datelor(unități statistice ale eșantionului)

Mărimi specifice pentru șirul de date

Mărimile specifice care pot caracteriza şirurile de date sunt:

Media aritmetică, este dată de relaţia:

n

i

ixn

x1

1 (5.10)

unde : n este numărul de unităţi statistice (date);

Abaterea standard (Abaterea medie pătratică) s, obţinută din rădăcina pătrată a dispersiei

Ds:


65

n

i

is xxn

Ds1

2

1

1 (5.11)

Mediana xme este termenul din mijlocul şirului ordonat crescător. Dacă şirul are număr par

de elemente, mediana este media aritmetică a celor doi termeni din mijlocul şirului.Mediana

prezintă unele avantaje faţă de media aritmetica şi anume: nu este afectată de fluctuaţiile

selecţiei; se poate determină grafic prin construirea curbei frecvenţelor cumulate.

Modulul xmod este valoarea din şir cu frecvenţa cea mai mare.

Coeficientul de variabilitate CV se calculează ca raport procentual între abaterea medie

pătratică şi media aritmetică:

%,100% x

sCV (5.12)

Coeficientul de formă kf , dependent de coeficientul de variaţie CV, este exprimat prin

relaţia:

21 CVk f (5.13)

Eroarea standard SE se calculează cu următoarea relaţie:

n

sSE (5.14)

unde: s - abaterea medie pătratică cunoscând valoarea mediei aritmetice.

n – numărul de unități statistice ale eșantionului (mărimea eșantionului)

Media x şi abaterea standard s reprezintă principalii descriptori pentru un şir de date

obținute prin măsurători (xi), unde i=1, 2, 3, ....n.

Abaterea standard caracterizează împrăştierea datelor, față de media aritmetică:

Aprox. 68% dintre date trebuie să se găsească în intervalul sxsx , ;

Aprox. 95% dintre date trebuie să se găsească în intervalul sxsx 2,2 ; (5.15)

Aprox. 99% dintre date trebuie să se găsească în intervalul sxsx 3,3 .

Coeficientul de variabilitate CV permite compararea împrăștierii diferitelor eșantioane

față de media aritmetică. Ca urmare, coeficientul de variaţie poate fi folosit ca test de

semnificaţie a reprezentativităţii mediei, considerându-se următoarele praguri de semnificaţie:

0<CV<17 % - media este strict reprezentativă;

17<CV<35 % - media este moderat reprezentativă;

35<CV<50 % - media este reprezentativă în sens larg;

CV> 50% - media este nereprezentativă.

Eroarea standard SE se foloseşte pentru a determina intervalul de încredere a mediei

aritmetice [37], [140].

Pentru distribuţia normalӑ, funcția de densitate de repartiţie are expresia:


66

2

2

2

)(

2

1),,(

x

exf (5.19)

unde:

μ - valoarea medie a variabilei aleatoare X

σ - abaterea standard a variabilei aleatoare X.

In Fig. 5.2 este reprezentată funcția de densitate de repartiţie de densitate normală.

Fig. 5.2. Funcția de densitate de repartiţie de densitate normală

Pentru distribuţia Weibull, funcţia de densitate de repartiţie are expresia:

xe

xxf

1

),,( (5.21)

unde

α-parametru de formă (α>0),

β-parametru de scalare (β>0),

γ-parametru de poziție,

Parametrul α determinӑ forma funcţiei f(x), ilustrată în Fig. 5.3.

Fig. 5.3. Funcția de densitate de repartiţie de densitate Weibull

Testele de concordanţă indicӑ modul în care o anumită distribuţie statistică se potriveşte

cu mulţimea de date analizate.

Aceste teste pun în evidenţă concordanţa dintre modelul empiric, furnizat de histogramă,

şi modelul teoretic considerat adecvat pentru populaţia din care provin datele statistice observate.

5.2. Procedura de determinarea rigidității dielectrice cu aparatul MEGGER OTS 60

AF/2

Determinarea experimentală a rigidităţii dielectrice se face cu aparatul MEGGER OTS 60

AF-2 care permite efectuarea de testări de tensiune de străpungere în curent alternativ cu

aplicarea continuu crescătoare a tensiunii, cu anumite viteze de creştere a tensiunii, până la

străpungerea probei.


67

În Fig. 5.4 este prezentat aparatul Megger OTS 60 A/2 testarea la atrăpungere a uleiurilor

electroizolante

Fig. 5.4. Aparatul MEGGER OTS 60 AF/2 pentru testarea la atrăpungere a uleiurilor

electroizolante

Vasul de testare, cu o capacitate de 300 ml, conţine sistemul de electrozi de testare din

alamă. Distanţa dintre electrozi este de reglabilă ( 1,00; 1,20; 2,50 și 4,00 ± 0,05 ) mm.

În Fig. 5.5 sunt prezentate cele trei sisteme de electrozi de testare:

a) electrozi plan-plan,

b) cu electrozi sferă-sferă,

c) cu electrozi calotă-calotă.

a) b) c)

Fig. 5.5. Vas de testare al aparatului Megger cu sistemele de electrozi : a) plan-plan, b) sfera-sfera;

c) calota – calota

Valoarea medie a tensiunii de străpungere se calculează cu realația:

t

N

i

istr

str

N

U

U

t

1

(5.22)

Rigiditatea dielectrică medie se calculează, în ipoteza existenței uniformității câmpului

electric, cu relația:

d

UE str

str

(5.23)

unde:

strE este rigiditatea dielectrică,


68

strU este valoarea medie a tensiunii de străpungere,

d este distanţa dintre electrozi.

Se pune condiţia ca valorile obţinute din cele Nt testări să nu difere cu mai mult de 15%

faţă de valoarea medie.

Fig. 5.6. Specificarea duratelor regimului de testare a aparatului Megger OTS 60 AF/2

În Fig. 5.6 sunt specificate duratele regimului de testare a aparatului Megger astfel :

ti –timpul inițial, tt1- durata pentru testul 1, tt2- durata pentru testul 2, tt3- durata pentru testul 3,

ttn- durata pentru testul n, D- durata totală între două încercări consecutive.

Utilizând apartul MEGGER OTS 60 AF/2, cu procedura descrisă în capitolul 5.2 s-au

făcut determinări experimentale pe probe de ulei mineral nou tip TR 30 MOL (neaditivat) și

uleiuri vegetale din porumb, rapiță și floarea soarelui. De asemenea, au fost preparate şi testate

probe de ulei TR 30 MOL în care s-a adăugat aditiv tip alfa metil naftalină (5%). CH3

sau C10H7-CH3 sau C11H10

α-metil naftalină (formulă structural, formulă condensată, formulă brută)

Testele s-au făcut la temperatura ambiantă cu respectarea condițiilor de lucru ale

aparatului MEGGER OTS 60 AF/2.

5.3. Aplicarea statisticii descriptive în testele de străpungere la uleiurilor

electroizolante

Se consideră populația statistică Ustri, unde i=1….Nt., formată din valorile tensiunilor

de străpungere obținute la testarea cu aparatul Megger, pentru următoarele probe:

- Ulei mineral TR 30 MOL;

- Ulei vegetal din porumb;

- Ulei vegetal din rapiță;

- Ulei vegetal din floarea soarelui.

Utilizând programul Statistica au fost calculați parametrii caracteristici pentru șirul de

valori ale tensiunilor de străpungere corespunzătoare fiecărei probe de ulei;

media aritmetică Ustr me;

mediana Ustr md,

valori minimă și maximă Ustr min, Ustr max,


69

abaterea standard su,

coeficientul de variație CV.

În Tabelul 5.3 sunt prezentate rezultatele obținute pentru parametrii statistici ai

tensiunilor de străpungere cu considerarea distribuției statistice normale Gauss.

Histogramele obținute cu programul Statistica sunt prezentate Fig. 5.7-Fig. 5.10. Histogram (99 teste plan TR 30 MOL 3v*100c)

Var1 = 99*1,95*normal(x; 15,7818; 3,7127)

4%

6%

9%

11%

18%

20% 20%

11%

6,40 8,35 10,30 12,25 14,20 16,15 18,10 20,05 22,00

nr. de c lase

0

5

10

15

20

25

30

Te

ns

iun

ea

de

str

ap

un

ge

re [k

V]

Var1: SW-W = 0,9635; p = 0,0076; N = 99; Mean = 15,7818; StdDv = 3,7127; Max = 22;

Min = 6,4; D = 0,0932; p < n.s.; Lilliefors-p < 0,05

Histogram (99 teste plan TR 30 MOL 3v*100c)

Var1 = 99*1,95*weibull(x ; 18,6444; 1,6885; 0)

4%

6%

9%

11%

18%

20% 20%

11%

6,40 8,35 10,30 12,25 14,20 16,15 18,10 20,05 22,00

nr. de c lase

0

5

10

15

20

25

30

Te

ns

iun

ea

de

str

ap

un

ge

re [k

V]

Var1: N = 99; Mean = 15,7818; StdDv = 3,7127; Max = 22; Min = 6,4

a) b)

Fig. 5.7. Histograma pentru ulei TR 30 MOL

a) distribuție normală, b) distribuție Weibul Histogram (99 teste plan rapita 4v*100c)

Var1 = 99*2*normal(x; 16,7364; 3,5958)

1%

4%5%

13%

17%

21%

19%

13%

6%

0%

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

nr. de clase

0

5

10

15

20

25

30

Te

ns

iun

ea

de

str

ap

un

ge

re [k

V]

Var1: SW-W = 0,983; p = 0,2337; N = 99; Mean = 16,7364; StdDv = 3,5958; Max = 23,4;

Min = 7,9; D = 0,0554; p < n.s.; Lilliefors-p < 1

Histogram (99 teste plan rapita 4v*100c)

Var1 = 99*1,9375*weibull(x; 18,1541; 5,4634; 0)

5%

3%

12%

17%

20%

17%

14%

11%

7,9000 9,8375 11,7750 13,7125 15,6500 17,5875 19,5250 21,4625 23,4000

nr. de clase

0

5

10

15

20

25

30

35N

o o

f ob

s

Var1: N = 99; Mean = 16,7364; StdDv = 3,5958; Max = 23,4; Min = 7,9

a) b)

Fig. 5.8. Histograma pentru ulei de rapiță

a) distribuție normală, b) distribuție Weibull Histogram (porumb plan 3v*100c)

Var1 = 99*2*normal(x; 15,501; 3,041)

3%

11%

21% 21%20%

16%

5%

2%

0%

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

nr. de clase

0

5

10

15

20

25

30

35

Tensiu

nea d

e s

trapungere

[kV

]

Var1: SW-W = 0,9874; p = 0,4720; N = 99; Mean = 15,501; StdDv = 3,041; Max = 22,8; Min = 9,4

Histogram (porumb plan 3v*100c)

Var1 = 99*1,675*weibull(x; 16,7516; 5,6124; 0)

7%

10%

23%

21%

10%

19%

6%

3%

9,400 11,075 12,750 14,425 16,100 17,775 19,450 21,125 22,800

Var1

0

5

10

15

20

25

30

35

Te

ns

iun

ea

de

str

ap

un

ge

re [k

V]


a) b)

Fig. 5.9. Histograma pentru ulei de porumb

a) distribuție normală, b) distribuție Weibull


70

Histogram (99 teste plan floarea soarelui 3v*100c)

Var1 = 99*3,2786*normal(x; 14,6388; 7,7821)

33%

26%

6%7% 7%

6%7% 7%

6,2000 9,4786 12,7571 16,0357 19,3143 22,5929 25,8714 29,1500 32,4286

nr. de clase

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Te

ns

iun

ea

de

str

ap

un

ge

re [k

V]

Var1: SW-W = 0,8522; p = 0,00000002; N = 99; Mean = 14,6388; StdDv = 7,7821;

Max = 32,4286; Min = 6,2; D = 0,2133; p < 0,0100; Lilliefors-p < 0,01

Histogram (99 teste plan floarea soarelui 3v*100c)

Var1 = 99*3,2786*weibull(x; 16,6467; 2,0456; 0)

33%

26%

6%7% 7%

6%7% 7%

6,2000 9,4786 12,7571 16,0357 19,3143 22,5929 25,8714 29,1500 32,4286

nr. de clase

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Te

ns

iun

ea

de

str

ap

un

ge

re [k

V]


a) b)

Fig. 5.10. Histograma pentru ulei de floarea soarelui

a) distribuție normală, b) distribuție Weibull

Interpretări

1. Valoarea medianei Umd este apropiată de valoarea mediei aritmetice Ume a tensiunii de

străpungere, dar ca şi valoare valoarea medianei este mai mare decât media

aritmeticӑ ce arată că valorile din stânga medianei au pondere mai mare influențând

valorile mediei aritmetice Ustr me.

2. Abaterea mediei pătratice su are ordin de mărime de 3,2-5,56 kV. Procesele de

străpungere și condițiile de testare determină abaterii standard relativ ridicate. Putem

concluziona cӑ fiecare probӑ s-a abӑtut de la valoarea medie a eşantionului cu o

valoare cuprinsӑ în intervalul 3,2 – 5,56 .

3. Eroarea standard SEu, care caracterizează intervalul de încredere a mediei, este de

ordinal de mărime 0,3-0,56 kV.

4. Coeficientul de variație CV pentru testele efectuate la probele de ulei mineral TR 30

MOL, ulei de porumb, și ulei de floarea soarelui are valor în intervalul 18,91%-

25,77%, ceea ce arată că media aritmetică este moderat reprezentativă. Pentru uleiul

de rapiță pentru care CV=15,36%, media pentru Ustr este strict reprezentativă.

5. Analiza șirurilor valorilor Ustr me pentru uleiurile analizate arată superioritatea probei

de ulei mineral TR 30 MOL față de probele de ulei vegetal. Pentru a putea introduce

uleiurile vegetale ca uleiuri electroizolante sunt necesare tehnologii de neutralizare a

acizilor grași componenți în uleiurile vegetale și adăugarea de stabilizatori/inhibitori

ai proceselor de străpungere și îmbătrânire.

6. Analiza distribuției statistice Weibull pentru șirurile dinte Ustr indică existența unor

procese de îmbătrânire în cazul uleiurilor vegetale de tip rapiță, porumb și floarea

soarelui.

7. Probele de ulei mineral, după 99 teste consecutive de străpungere, indică modificări

ale valorii tensiunii de străpungere cu tendinţă opusă fată de uleiurile vegetale.

Creşterea tensiunii de stăpungere poate fi interpretată de iniţierea unor porcese d

epolimerizare care au loc la străpungere. Precizia determinărilor este cu atât mai mare

cu cât sunt considerate cicluri de 6, 10, 18, 54 și 99 testări.

5.4. Influența factorilor extrinseci asupra tensiunii de străpungere la uleiuri

electroizolante

Influența factorilor extrinseci asupra tensiunii de străpungere la uleiuri electroizolante

este investigată utilizând probe de ulei mineral TR 30 MOL.


71

Încercările au fost efectuate cu aparatu MEGGER, cu următoarele regimuri de testare:

Regim de străpungere cu viteza diferită cu același tip de electrozi şi timpi de pauză;

Regim de străpungere cu aceeași viteză, cu variația timpilor de pauză dintre teste;

Regim de străpungere cu aceeași viteză, cu electrozi diferiți, cu aceeași distanță între

electrozi;

Regim de străpungere cu aceeași viteză, aceiaşi timpi de pauză, aceeași electrozi, cu distanță

diferită între electrozi.

5.4.1. Influența formei geometrice a electrozilor

Pe probe de ulei TR 30 MOL s-au efectuat teste de străpungere cu aparatul MEGGER

utilizând electrozi plani/sferă/calotă și viteza de creștere a tensiunii alternative de încercare v=2,5

kV/s.

În Tabelul 5.5 sunt prezentate rezultatele testelor de străpungere în cazul modificării

duratelor pauzelor dintre două încercări succesive (Fig. 5.6), încercarea fiind cu electrozi plani,

la distanța d=1 mm.

În Fig. 5.11 este prezentată variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere pentru

uleiul TR 30 MOL cu durata pauzei dintre două încercări succesive, în cazul utilizării de

electrozi plani.

Fig. 5.11. Variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu durata pauzei

dintre două încercări succesive cu electrozi plani



electrozi sferă.

Fig. 5.12. Variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu timpii de testare

pentru electrodul sferă


72



electrozi calotă.

Fig. 5.13. Variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu timpii de testare pentru

electrodul calotă

Datele indică o influenţa semnificativă a duratei pauzei între două încecări succesive de

stăpungere : cu creşterea duratoi pauzei între doyuă încercări succesive de străpundere valoarea

mediei aritmetice a tensiunii de străpungere creşte. Pentru electrozi plani s-au obţinut valori ale

tensiunii de străpungere mult mai mici.

5.4.2. Influența vitezei de creștere a tensiunii de încercare și a geometriei electrozilor


uleiul TR 30 MOL cu viteza de creştere a tensiunii de încercare în cazul utilizării de electrozi

plani.

Fig. 5.14. Variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu viteza de creștere a

tensiunii de încercare cu electrozi plani


uleiul TR 30 MOL cu cu viteza de creştere a tensiunii de înercare în cazul utilizării de electrozi

calotă.


73

Fig. 5.15. Variația mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu viteza de creștere a

tensiunii de medii cu considerarea variației vitezei de creștere a tensiunii de încercare cu

electrozi calotă

Datele indică o creştere a mediei aritmetice a tensiunii de străpungere la viteze mărite de

creștere a tensiunii aplicate probelor de ulei electroizolant. Pentru încercarea cu electrozi sferă,

dispersia măsurătorilor este mai redusă decât în cazul electrozilor plani şi calotă.

5.4.3. Influența agitării – încercări de străpungere fără agitare


uleiul TR 30 MOL cu agitarea , în cazul utilizării de electrozi plani.

Fig. 5.17. Distributia mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu agitare, cu electrozi

plani


uleiul TR 30 MOL cu agitarea, în cazul utilizării de electrozi calotă.


74

Fig. 5.18. Distributia mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu agitare, cu electrozi

calotă


uleiul TR 30 MOL cu agitarea , în cazul utilizării de electrozi sferă.

Fig. 5.19. Distributia mediei aritmetice a tensiunii de străpungere cu agitare, cu electrozi sferă

5.5. Programul MedCalc si analiza statistica aplicată in străpungerea uleiurilor

electroizolante

MedCalc este realizat de MedCalc Software din Belgia şi este un program statistic uşor

de utilizat şi care oferӑ pentru orice şir de date o fişa statisticӑ numitӑ “ Summmary

statistics”. Fişerele realizate cu acest produs au extensia *.mc1.

În Fig. 5.20 este prezentat ecranul de deschidere al produsului MedCalc.


75

Fig. 5.20. Ecranul MedCalc, fişa statisticӑ “Summary statistics”, fereastra de alegere a testului

de normalitate

Ecranul este împӑrţiti în douӑ zone şi anume:

1. Bara de meniu împreunӑ cu instrumentele de lucru în partea de superioarӑ a ecranului;

2. Zona de lucru, asemӑnӑtoare cu un sheet din Excel ;

Datele sunt încӑrcate în foaia de calcul deschisӑ în ecranul de lucru, aşa cum se poate

vedea din Fig. 5.20, care are aspectul unei foi de calcul din Excel.

Din Bara de meniu se acceseazӑ meniul Statistics din care se acceseazӑ fişa de Statisticӑ

sumarӑ (Summary statistics) şi de unde se poate accesa şi unul din testele de verificare a

normalitӑţii datelor.

Din meniul Graphs de unde se alege Multiple variables Graph care afişeazӑ reprezentarea

graficӑ a eşantioanelor studiate de exemplu sub formӑ de box-plot (Fig. 5.21).


76

Fig. 5.21 Reprezentarea box-plot a eşantioanelor

Pe axa Ox a graficului din Fig. 5.21 se trec numele lotului de date analizat. Reprezentarea box-

plot este specificӑ pentru prelucrӑrile statistice a datelor. In Fig.5.22 se prezintӑ elementele ce se

regӑsesc în reprezentarea box-plot.

Fig. 5.22. Elemente ce se regӑsesc în reprezentarea box-plot

Pe verticalӑ Oy (Fig. 5.22) se reprezintӑ un box (dreptunghi) în care pentru şirul de date

se indicӑ valoarea maximӑ şi minimӑ, cvartila superioarӑ şi inferioarӑ precum şi cvartila 50%,

care este mediana şirului de date în studiu. Tot în aceastӑ reprezentare box-plot se indicӑ şi

valorile aşa zise aberante (outlier).

În continuare, sunt prezentate rezultatele aplicării analizei statistice pentru probe de ulei

testat cu regimuri specifice de încercare.

În Fig. 5.23 este reprezentătă distribuţia valorilor tensiunii de străpungere în functie de

forma electrozilor pentru uleiul mineral electroizolant din exploatare TR 30 MOL cu Nt =10

încercări succesive.


77

Ten

siun

ea d

e st

răpunger

e [k

V]

Fig. 5. 23. Distribuţia tensiunii de străpungere în functie de forma electrozilor pentru ulei

mineral TR 30 MOL (Nt=10)

În Fig. 5.24 este reprezentată distribuţia valorilor tensiunii de străpungere în functie de



Ten

siun

ea d

e st

răpunger

e [k

V]

Fig. 5.24. Distribuţia tensiunii de străpungere în functie de forma electrozilor pentru ulei






78

Ten

siun

ea d

e st

răpunger

e [k

V]






Ten

siun

ea d

e st

răpunger

e [k

V]



În Fig. 5.27 este reprezentă distribuţia valorilor tensiunii de străpungere pentru încercări cu

aparatul Megger cu electrozi plani la uleiul mineral electroizolant exploatare TR 30 MOL şi

uleiurile vegetale de floarea soarelui, rapiță și porumb (Nt =99).


79

Ten

siun

ea d

e st

răp

unger

e [k

V]

a) Reprezentare grafică tensiunilor medii de străpungere

Fig. 5.27.a). Distribuţia tensiunii de străpungere la uleiul mineral TR 30 MOL, uleiuri de floarea

soarelui, porumb, rapiță supuse la Nt=99 teste de străpungere cu electrozi plan

Ten

siun

ea d

e st

răpunger

e [k

V]

b) Distribuția punctelor reprezentative ale tensiunii de străpungere pentru uleiuri

electroizolante

Fig. 5. 27. b). Distribuţia tensiunii de străpungere la uleiul mineral TR 30 MOL, uleiuri de

floarea soarelui, porumb, rapiță supuse la Nt=99 teste de străpungere cu electrozi plan

În Fig. 5.28 s-a reprezentat distribuţia tensiunii de străpungere în funcţie de numărul de

străpungeri succesive (Nt = 6, 10, 18, 54, 99) cu electrozi sferă pentru uleiul mineral TR 30

MOL.


80

Ten

siun

ea d

e st

răpunger

e [k

V]

Fig. 5.28. Distribuţia tensiunii de străpungere în funcţie de numărul de străpungeri

succesive (Nt = 6, 10, 18, 54, 99) cu electrozi sferă pentru uleiul mineral TR 30 MOL.

În Fig. 5.29 s-a reprezentat distribuţia tensiunii de străpungere în funcţie de numărul de

străpungeri succesive (Nt = 10, 18, 54, 99) cu electrozi plani pentru uleiul mineral TR 30 MOL.

Ten

siun

ea d

e st

răpunger

e [k

V]

Fig. 5.29. Distribuţia tensiunii de străpungere în funcţie de numărul de străpungeri

succesive (Nt = 10, 18, 54, 99) cu electrozi plani pentru uleiul mineral TR 30 MOL.

5.6. Concluzii

Autoarea a studiat în lucrare metode de aplicare a statisticii descriptive pe teste de

străpungere la uleiuri electroizolante.

S-au studiat latura cantitativă a fenomenelor de masă pentru a le putea caracteriza numeric

prin indicatori. Legea statistică apare ca rezultantă medie a numeroase acțiuni individuale.


81

Utilizând apartul MEGGER OTS 60 AF/2, cu procedura descrisă în capitolul 5.2 s-au făcut

determinări experimentale pe probe de ulei mineral nou tip TR 30 MOL (neaditivat) și uleiuri

vegetale din porumb, rapiță și floarea soarelui. De asemenea, au fost preparate şi testate

probe de ulei TR 30 MOL în care s-a adăugat aditiv tip alfa metil naftalină (5%).

Pentru a se putea aplica metodele statistice s-au calculat valorile medii ale tensiunilor de

străpungere, mediana precum și coeficienții de variabilitate pentru fiecare ulei electroizolant

analizat prin aplicarea procedurii de străpungere cu aparatul MEGGER. S-a încercat aplicare

distribuției WEIBULL pentru șirurile Ustr care indică existența unui proces de îmbătrânire.

Probele de ulei mineral, după 99 teste consecutive de străpungere, indică modificări ale

valorii tensiunii de străpungere cu tendinţă opusă fată de uleiurile vegetale. Creşterea

tensiunii de stăpungere poate fi interpretată de iniţierea unor porcese de polimerizare care au

loc la străpungere.

S-au studiat acțiunile unor factori extrinseci asupra uleiului electroizolant, cum ar fii: variația

temperaturii, forma electrozilor (plani, calote, sfere), agitarea, distanța între electrozi, viteza

de creștere a tensiunii de străpungere, durata dintre testele de străpungere. O mai mare

influență o are viteza de creștere a tensiunii de străpungere când se utilizeaeză electrizii sfere.

La ceilați electrozi calote și plani variația mediei aritmetice a tensiunilor de străpungere este

relative constantă.

În paralel s-a aplicat si metoda statistic asigurată de softul MedCalc. În cadrul programului

au fost luați în considerare indicatorii statistici ca media aritmetică, mediana, dispersia și alți

indicatori întâlniți în fișa “Summary Statics” al softului de statistcă MedCalc, utilizat în

prelucrarea eșantioanelor de uleiuri utilizate. Analiza statistică demonstrează faptul că

uleiurile minerale se pot compara cu cele vegetale, din punct de vedere al proprietăților de

izolație.

Prin metoda statistică asigurată de softul MedCalc s-au efectuat distribuții ale mediilor

tensiunilor de străpungere pentru uleiul mineral din exploatare TR 30 MOL funcție de forma

electrozilor (plani, calote, și sfere) cu Nt=10, 18, 54, 99. Grafic se observă că tensiunea

medie de străpungere pentru electrozii plani au valorile cele mai mici, iar pentru electrozii

sferă cele mai mari. Explicația constă în existența câmpului electric dintre electrozi care se

formează în timpul funcționării aparatului. S-a mai studiat și cazul influenței electrozilor

plani și sferă asupra aplicării tensiunilor de străpungere pentru uleiul TR 30 Mol. Dispersia

valorilor medii este diferită funcție de Nt=6, 10, 18, 54, 99. În cazul Nt=6, 10 se observă o

distribuție mare a valorilor iar la Nt=mari dispersia scade.

În Anexa 3 mai sunt descrise prelucrările statistice ale datelor obţinute la testele de

străpungere pe urmatoarele sorturi de uleiuri: uleiuri minerale TR 30 MOL, Trafo 2 Smărdan,

uleiuri vegetale din Floarea Soarelui, din Rapiță, din Porumb.


82

6. CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII ORIGINALE

6.1. Concluzii finale

Evoluția demografică a populației, creșterea nivelului de trai al populației și exploziei

industrializării, au dus la creșterea necesarului de energie electrică la nivel mondial, cu implicaţii

directe asupra numărului şi puterii transformatoare de mare putere utilizate în sistemele de

transport şi distribuţie a energiei electrice. Creșterea cerințelor legate de calitatea energiei livrate

și de disponibilitatea sistemelor de alimentare impun în present noi abordări legate de

monitorizarea stării de funcționare a transformatoarelor și de predicția parametrilor funcționali.

Aceasta presupune cunoașterea în detaliu a evoluției parametrilor sistemului de izolație a

transformatorului – în primul rând a uleiului de transformator.

Cercetările actuale sunt direcționate spre dezvoltarea de noi materiale utilizate în

construcția sistemelor de izolație electric din transformatoarele de mare putere și stabilirea de

soluţii pentru creșterea performanțelor acestora în exploatare, cu scăderea cheltuielilor de

mentenanță.

In prezenta teză de doctorat este abordată problematica uleiurilor electroizolante – cu rol

esenţial în Indeplinirea funcţiilor sistemului de izolaţie al transformatorului de mare putere.

Obiectivul principal de investigare şi optmizare a caracteristicilor uleiurilor electroizolante

minerale si vegetale destinate sistemelor de izolație din transformatoarele de mare putere este

atins.

Teza răspunde astfel la necesitatea actuală de creștere a performanțelor sistemelor

electroizolante din transformatoarele de putere prin dezvoltarea de noi materiale performante

posibile să înlocuiască uleiurile minerale electroizolante cu materiale noi ecologice, nepoluante,

prietenoase cu mediul și nepericuloase pentru sănătatea omului.

In continuare sunt sistematizate principalele rezultate ale cercetărilor teoretice şi

experimentale ale tezei de doctorat.

Capitolul 1

Sistemul actual de izolație din transformatorul de mare putere include ca elemente principale

constituente uleiul mineral și hârtia electroizolantă. De modul cum aceste elemente se

comportă la solicitările electrice, termice, mecanice și de mediu depnde durata de viaţa a

ansamblului şi chiar a transformatorului.

Cercetările privind procesele de degradare/îmbătrânire certifică existenţa reacțiilor de

descompunere a componentelor organice din structura hârtiei și în special a ligninei – pentru


83

hartia Kraft – celuloza, şi reacții de oxido – reducere, cu degajare de gaze și formare de

vapori de apă în cazul uleiului mineral electroizolant. În urma reacţiilor de degradare termică

sunt foarte numeroşi produșii de descompunere şi apar şi radicali liberi care au capacitatea de

a se combina şi a produce alţi produşi secundari. La temperaturi ridicate compuşii din uleiul

electroizolant și celuloză se descompun nu numai la nivel de vapori ci şi cu formarea de

compuși secundari până la nivel de monomeri. În cazul reacţiilor termooxidative în prezenţa

oxigenului se formează radicali liberi de tip peroxizi, hidroperoxizi care se pot stabiliza

printr-o reacţie terminală.

Principalii indicatori ai stării de degradare/îmbătrânire, care sunt în acelaşi timp şi indicatori

ai sistemelor de monitorizare, diagnoză şi prognoză a stării de funcţionare a

transformatorului, sunt legaţi de parametrii fizico-chimici ai uleiului de transformator:

tensiune de străpungere, rezistivitatea, factorul de pierderi, conţinutul de apă, indice de

aciditate, conţinutul de gaze în ulei, vâscozitate, temperatura de inflamabilitate, indicele de

refrație, conținut de impurități determinat spectrofotometric, culoarea, densitatea.

Capitolul 2

Sistemele de izolaţie pentru transformatoarele de mare putere au deveni din ce în ce mai

complexe și mai performante, cu materiale de calitate din ce în ce mai înaltă. Lichidele

electroizolante sunt încă acceptate ca o variantă necesată în sturctura sistemului de izolaţie,

deşi există unele deficienţe: majoritatea sunt inflamabile ceea ce impune precauții speciale

pentru evitarea accidentelor sau pagubelor în sistemele energetice iar stabilitatea termică

scăzută a lichidelor electroizolante constituie principalul lor dezavantaj, temperatura maximă

de lucru este de 90-110oC. Hârtiile electroizolante utilizate în transformatoarele de putere

sunt sortimente tehnice speciale, fabricate din celuloza electrotehnică, cu grad ridicat de

puritate, potrivite pentru rezistența lor mecanică și electrică. Uleiul de transformator este

foarte higroscopic şi absoarbe apa care poate exista în ulei atât sub forma dizolvată cât şi sub

formă de apă liberă. Pentru un conţinut de apă relativ redus, apa continuă să rămână în

soluţie şi nu modifică aspectul uleiului, acest conţinut de apă poate fi detectat prin metode

fizice sau chimice.

Cantitatea de apă, modifică proprietățile materialelor electroizolante din sistemul de izolație

al transformatorului, apă ce se formează în urma reacțiilor ce au loc în transformator și a

cantității de umiditate din mediul înconjurător, care duce la reacții secundare și micșorarea

calității de izolare a sistemului electroizolant. Apariția produșilor de descompunere duce la

îmbătrânirea izolației din transformatorul de putere, motiv pentru care trebuie uleiul mineral

trebuie supus regenerării și revitalizării pentru a reduce pierderile și costurile.

Procesele privind durata de viață a sistemului de izolație depind de factorii intrinseci și

factori extrinseci. În urma reacţiilor de degradare termică sunt foarte numeroşi produșii de

descompunere şi apar şi radicali liberi care au capacitatea de a se combina şi a produce alţi

produşi secundari. La temperaturi ridicate compuşii din uleiul electroizolant și celuloză se

descompun nu numai la nivel de vapori ci şi cu formarea de compuși secundari până la nivel


84

de monomeri. În cazul reacţiilor termooxidative în prezenţa oxigenului se formează radicali

liberi de tip peroxizi, hidroperoxizi care se pot stabiliza printr-o reacţie terminală.

Capitolul 3

Pentru transformatoarele cu izolație de ulei, factorul principal care afectează durata de

viață a izolației solide este solicitarea termică, accelerarea sau decelerarea îmbătrânirii în

condiții diferite de încărcare fiind legată de punctele de temperaturi înalte (HST-hot spot

temperatures). În anumite condiții, sistemele de izolație ale aparatelor electrice și

transformatoarelor de putere își pierd calitatea fundamentală de izolare din punct de vedere

electric şi astfel are loc străpungerea izolației. De aceea, unul din criteriile importante în

alegerea unui material electroizolant este rigiditatea dielectrică a materialului respectiv.

În anumite condiții, sistemele de izolație ale aparatelor electrice și transformatoarelor de

putere își pierd calitatea fundamentală de izolare din punct de vedere electric şi astfel are loc

străpungerea izolației. De aceea, unul din criteriile importante în alegerea unui material

electroizolant este rigiditatea dielectrică a materialului respectiv. Studiile efectuate pe

dielectricii lichizi arată că fenomenul de străpungere apare când impuritățile solide sau

gazoase sunt prezente în masa de material electroizolant. Rigiditatea dielectrică a izolanților

lichizi depinde de cantitatea de impurități prezente în masa de material, fiind mai scăzută în

această situație. Rigiditatea dielectrică este influențată în cazul dielectricilor lichizi și de

natura și forma electrozilor precum și distanța dintrei ei.

Uleiurile sunt produse prin tehnologii simple de distilare sau prin extracție cu solvenți, pentru

obținerea uleiurilor minerale, vegetale și mai nou uleiurile sintetice care suferă o serie de

modificări structurale pentru îmbunătățirea proprietăților dielectrice ale acestora și pentru

utilizarea lor în condiții speciale. Prin studierea structurii uleiurilor minerale sau vegetale se

pot face observații privind calitate uleiurilor și ce condiții ar trebui să îndeplinească pentru a

putea fi utilizate ca dielectrici perfecți.

O problemă pe care o ridică azi sistemele de izolație este de recuperare, regenerare și

reciclare a uleiului electroizolant care în timpul sarcinii din transformatorul de putere se

încarcă cu impurități care-i modifică calitățile electroizolante inițiale.

Cunoașterea cantităților de impurități precum și tipul acestora sugerează utilizarea

tehnologiilor de recuperare și regenerare a uleiului electroizolant ce trebuie să fie aplicate cu

eficiență maximă pentru scăderea costurilor de mentenanță a transformatorului de putere.

Indicele de utilizare al uleiului electroizolant din transformatoarele de putere este de 91,32%,

conform calculelor economice efectuate de autoare în lucrarea de față și acesta ar putea

crește ușor dacă prețurile s-ar menține la nivelul scăzut.

Capitolul 4

Autoare a efectuat încercări profilactice ale uleiului electroizolant. Verificarea uleiurilor

electroizolante utilizate în sistemele de izolație se realizează pe baza normativelor aprobate

pentru transformatoarele de putere. Analizele profilactice efectuate sunt: densitatea uleiului,

conținutul de apă determinat prin metode specifice, punctul de inflamabiritate care pe măsură


85

ce scade indic riscul de incendiu al sistemului izolant, determinarea indicelui de refracție care

este un indicator al concentrației componentelor din ulei, variația vâscozității ca indicator de

modificare structurale ceea ce determină necesitatea unor alte metode de investigare mai

performante care dau indicații privind structura uleiului izolant dar și a hârtiei asociate în

sistem.

Prin metode spectrofotometrice se pot identifica toate impuritățile ce apar în uleiul

electroizolant în timpul exploatării lui în Trafo. Acestea apar în timpul străpungerilor

succesive, care generează o serie de procese de descompunere redox care au loc în condițiile

existenței factorilor intrinseci și extrinseci ce acționează asupra uleiului. Un alt indicator de

de mare importanță pentru uleiurile electroizolante este rigiditatea dielectrică dar și tangenta

unghiului de pierderi care prin valorile lord au indicații privind gradul de îmbătrânire al

izolației din transformatorul de putere.

Pentru efectuarea analizelor complexe privind structura uleiului electroizolant pentru

identificarea impurităților din sistem sunt utilizate metodele moderne de analiză structurală

sunt cromatografia și spectrofotometria performantă de tip UV-Vis, IR, FUZZY, etc. Prin

metoda spectrofometrică se poate determina structura uleiului electroizolant și eventualii

produși secundari de descompunere ce apar în exploatare o dată cu creșterea temperaturii din

sistem dar și acțiunii factorilor intrinseci și extrinseci ce acționează asupra izolației din

transformatorul de putere. O dată identificate impuritățile și cantitățile lor din izolație se pot

lua măsuri de regenerarea și purificarea uleiului electroizolant din transformatorul de putere,

ceea ce reduce prețul de cost cu întreținerea transformatorului de putere.

Capitolul 5

În completarea studiilor asupra uleiurilor electroizolante se pot aplica studii statistice ale

laturei cantitative a fenomenelor de masă, în vederea caracterizării lor numerice (prin

indicatori) și fenomene materiale existente în natură și societate făcând parte din acele ramuri

ale științei care sunt scindate în două discipline: una privind studiul fenomenelor și

proceselor din natură și alta studiind fenomenele sociale ceea ce corespunde statisticii social -

economice. Din datele experimentale se poate calcula coeficientul de variabilitate CV care

permite compararea împrăștierii diferitelor eșantioane față de media aritmetică furnizând

informaţii dacă şirul de date este sau nu este omogen, el putând lua valori cuprinse între

0<CV<100%.

La monitorizarea datelor statistice se pot aplica metode de distribuție normal, sau Gaussiană,

distribușie Weibull, sau altele. Distribuția Weibull are caracterul cel mai general, fiind

considerată ipoteză la analiza de încadrare a rezultatelor încercărilor de fiabilitate într-o

funcție teoretică. Analiza statistică demonstrează faptul că uleiurile minerale se pot compara

cu cele vegetale, din punct de vedere al proprietăților de izolație. Astfel uleiurile vegetale ar

putea înlocui în sistemele electroizolante din transformatoarele de putere cu succes izolațiile

lichide de tip uleiuri minerale

Indicatorii statistici luați în considerare sunt media aritmetică, mediana, dispersia și alți

indicatori întâlniți în fișa “Summary Statics” al softului de statistică MedCalc, sau Statistica


86

utilizate în prelucrarea eșantioanelor de uleiuri utilizate. Deoarece în timpul funcționării

transformatorului de putere au loc o serie de procese fizico chimice, acestea duc la alterearea

îndeplinirii funcției stabilite a sistemului electroizolant. Astfel nu se pot identifica aceste

modificări, motiv pentru care trebuie stabilit cu o anumită certitudine momentul apariției unei

defecțiuni, aplicând metode statistice pentru mărimile urmărite (cum ar fi durata de viață,

momendul apariției defectului, etc.) cum ar fi teoria probabilităților și statisticii matematice.

Autoarea a studiat metode de aplicare a statisticii descriptive pe teste de străpungere la uleiuri

electroizolante. Este investigată influența factorilor extrinseci asupra tensiunilor de

străpungere, şi anume: forma electrozilor, viteza de creștere a tensiunii de încercare, influența

agitării și distanței dintre electrozii aparatului de măsurare a rigidității dielectrice. S-au

obţinut parametrii statistici: media aritmetică, modulul, mediana, abaterea standard,

coeficientul de variabilitate pentru eşantioane de uleiuri minerale şi vegetale şi s-au

interpretat valorile cu considerarea distribuţiei normale şi Weibull. Prelucrările statistice pe

polulaţia de valori ale tensiunilor de străpungere susţin posibilittatea înlocuirii uleiurilor

minerale de către uleiurile vegetale ecologice, nepoluante și regenerabile.

Costurile pentru obținerea uleiurilor minerale sunt mari, iar costuri uleiurilor de import sunt

semnificativ mai mari,având în vedere că uleiurile meinerale nu se mai produc în România,

motivul fiind desființarea în totalitate a rafinăriilor de profil. Acest fapt ridică prețul final al

mentenanței transformatoarelor de putere. Este fundamentată o tehnico-economică de

introducere din nou a fabricării uleiurilor electroizilante în România, cu posibilităti de

extindere şi producere a uleiurilor vegetale electroiziolante în țară.

Creșterea siguranței în fucționare a transformatoarelor de putere este strâns legată de

utilizarea unor materiale electroizolante de calitate superioară, de asigurarea condițiilor

necesare pentru întreținerea și exploatarea rațională a acestora. Politicile de mediu actuale

pun accent pe reducerea poluării la nivel global prin utilizarea materialelor nepoluante dar și

regenerabile care să înlocuiască resursele naturale minerale epuizabile și neregenerabile.

6.2. Contribuții originale și perspective

a). Contribuții personale

Provocările actuale sunt legate de strategiile de punere în aplicare și înlocuire a

materialelor clasice de izolație cu altele noi mai performante, ecologice, nepoluante, prietenoase

cu mediul înconjurător și care nu pun în pericol sănătatea și viața omul pentru au incurajat

direcţionarea cercetăriilor efectuate în acestă teză de doctorat. Prin cunoaşterea matricei d

eproprietăţi a izolației utilizate, în special a uleiului de transformator, se poate optimiza buna

functionare a transformatorului de mare putere.

In teza de doctorat autoarea a adus contribuţii personale care sunt menţionate în

continuare:


87

Stabilirea unui set de uleiuri vegetale ca posibili candidaţi pentru sistemele de izolaţie din

transformatoarele de mare putere şi elaborarea unui plan de investigare pentru analize

comparative faţă de uleiurile minerale convenţionale;

Sistematizarea cunoştinţelor legate de mecanismele de degradare/îmbătrânire din uleiurile

minerale electroizolante

Analiza comparativă a diferitelor metode, tehnici şi reglementări privind caracterizarea şi

testarea uleiurilor electroizolante;

Obţinerea de noi date privind procesele de străpungere electrică a uleiurilor electroizolante,

cu punerea în evidenţă a factorilor intrinseci și extrinseci de influenţă asupra tensiunii de

străpungere;

Aplicarea metodele de prelucrare statistică a datelor experimentale pentru populaţia de

valori a tensiunii de străpungere, cu utilizarea softurilor Statistica şi MedCalc.

Optimizarea procedurii de testare la străpungere a uleiurilor electroizolante cu tensiune

alternativă continuă crescătoare.

Dezvoltarea unui program de calcul pentru stabilirea parametrilor statistici pentru tensiunea

de străpungere, paramertru utilizat ca indicator de degradare/îmbătrânire a sistemului d

eizolaţie în transformatoarele de mare putere.

b). Perspective

In perspectivă, se va continua cercetarea pentru compararea caracteristicilor electrice ale

diferitelor tipuri de uleiuri, candidate pentru clase de uleiuri utilizate în sistemele de izolare

electrică.

Se vor analiza noi seturi de date de uleiuri din exploatare pentru corelarea caracteristicilor lor

cu condițiile de funcționare/încărcare a transformatorului de putere.

Se vor avea în vedere studiile legate de uleiurile vegetale, pentru a răspunde provocărilor

actuale, legate de punerea în aplicare a strategiilor de dezvoltare durabilă a societății umane,

pentru creșterea eficienței energetice şi reducerea consumului de materii prime și materiale.


88

BIBLIOGRAFIE

[1]. Arakelian, V.G. ; Fofana, I., Water in Oil-Filled, High-Voltage Equipment, Part I: States, Solubility,

and Equilibrium in Insulating Materials, IEEE Electrical Insulation Magazine, pp. 15 - 27 , 2007.

[2]. Bălan, Șt.; Mihăilescu, N. Șt., Istoria știin ței și tehnicii în România, date cronologice, Editura

Academiei RSR, București, 1985.

[3]. Bidian D., Electrotehnicã, Editura Lux Libris Brasov, 1994.

[4]. Burnete N., SA Rapita O Provocare pentru fermieri si energeticieni , Editura Sincron , Cluj -

Napoca, ISBN 973-9234-57-7 , 2004

[5]. Bușoi Șt. Al., Monitorizarea şi diagnosticarea maşinilor electrice de medie şi mare putere, Teză de

doctorat, Universitatea Politehnica București, 2013.

[6]. Buzatu Gh., O istorie a petrolului românesc, Casa Editorială Demiurg, Iaşi, 2009.

[7]. Cofaru C., Helerea E.,s.a., Materials and sustainable development, Transilvania University House

Press, Braşov, 2002.

[8]. Dominelli N., Rao A., Kundur P., Life extension and condition assessment, IEEE, Power&Energy

Magazine, May-June, pp.25-35, 2006.

[9]. Dumitran L.M., Sisteme de izolaţie electrică, Editura Printech, Bucureşti 2008.

[10]. Fofana, I., Wasserberg, V., Borsi, H., Gockenbach, E., Challenge of mixed insulating liquids for use in

high-voltage transformers. Investigation of mixed liquids, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol.

18, Issue: 3, pp.18 – 31, 2001.

[11]. Fofana I., Arakelian V., On the states of water and its quantification in oil impregnated power

equipments, IEEE International Conference on Dielectric Liquids, 2008. ICDL 2008, pp. 1-4, 2008.

[12]. Glomm Ese M. H., Liland K. B., and Lundgaard L. E., “Oxidation of Paper Insulation in

Transformers”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 17, no. 3, pp. 939-

946, 2010

[13]. Helerea E., Materiale electrotehnice – Dielectrici, Editura Universităţii Transilvania, Braşov, 1998.

[14]. Helerea E., Munteanu A., Serban M., Kalmutchi F. I., Bruja F., Electroinsulating oils characterisation

and life extention, Proceeding of the BRAMAT International Conference, February, Braşov, pp.265-

271, 2007.

[15]. Helerea E., Ţică R., Dumitrescu L., Materiale electroconductoare - Materiale electroizolante:

Interferenţe cu mediul, Editura Universităţii Transilvania din Braşov, 2002.

[16]. Helerea, E., Munteanu, A., Serban, M., s.a.: Aspects regarding the monitoring and the life extension

of electroinsulating oils used in high voltage systems, Proceeding of the BRAMAT International

Conference, February, Braşov, pp.134-138, 2007.

[17]. Koreh O., Torkos K., Mahara M. B., Borossay J., Study of Water Clusters in Insulating Oils by

Fourier Transform Infrared Spectroscopy, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation

Vol. 5 No. 6, pp. 896-902, December 1998.

[18]. Malik H., Singh S., Mantosh Kr, Jarial R.K., UV/VIS response based fuzzy logic for health

assessment of transformer oil, International Conference on Communication Technology and System

Design, Procedia Engineering, pp. 905 – 912, 2011.

[19]. Martin D., Wang Z.D., Statistical analysis of the ac breakdown voltages of esterbased transformer

oils, IEEE Transactions on Dielectrics Electrical Insulation, Vol. 15, Issue 4, pp.1044 – 1050, 2008.

[20]. Mihai C., Helerea E., Sângerzan L., Characterization of voltage variations through the application of

experimental statistics, The 14-th OPTIM International Conference, pp. 198-203. 2014.

[21]. Mihai C., Îmbunătăţirea calităţii energiei electrice și a eficienţei energetice în sisteme electrice de

distribuţie, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania din Brașov, 2013.

[22]. Munteanu, A., Prognoza duratei de viață a izolațiilor transformatoarelor electrice, Teza de doctorat,

Universitatea Politehnica București, 2001.

[23]. Nedelcuţ S.D., Tănăsescu G., Sacerdoţianu D., Monitorizarea şi diagnosticarea stării izolaţiei la

transformatoarele de putere de 110 kV, Simpozionul Internaţional” Sisteme de izolaţie ale

echipamentelor electrice”, ediţia I, Calimăneşti, 18-20 septembrie, 2007.

http://ieeexplore.ieee.org.ux4ll8xu6v.useaccesscontrol.com/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Arakelian,%20V.G..QT.&newsearch=true

http://ieeexplore.ieee.org.ux4ll8xu6v.useaccesscontrol.com/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Fofana,%20I..QT.&newsearch=true

http://ieeexplore.ieee.org.ux4ll8xu6v.useaccesscontrol.com/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=4277211&matchBoolean%3Dtrue%26searchField%3DSearch_All%26queryText%3D%28%28water+solubility%29+AND+transformer+oil%29


http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Fofana,%20I..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37271664400&newsearch=true

http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Wasserberg,%20V..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37325409200&newsearch=true

http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Borsi,%20H..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37267220700&newsearch=true

http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Gockenbach,%20E..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37267085800&newsearch=true

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=1014964&queryText%3DChallenge+of+mixed+insulating+liquids+for+use+in+high+%E2%80%93+voltage+transformers%2C+Part+2%3A+Investigation+of+mixed+liquid+impregnated+paper+insulation

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=1014964&queryText%3DChallenge+of+mixed+insulating+liquids+for+use+in+high+%E2%80%93+voltage+transformers%2C+Part+2%3A+Investigation+of+mixed+liquid+impregnated+paper+insulation

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=57

http://ieeexplore.ieee.org.ux4ll8xu6v.useaccesscontrol.com/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Fofana,%20I..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37271664400&newsearch=true

http://ieeexplore.ieee.org.ux4ll8xu6v.useaccesscontrol.com/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Arakelian,%20V..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37269912000&newsearch=true



http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Martin,%20D..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37302079000&newsearch=true

http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Wang,%20Z.D..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37279257600&newsearch=true

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=4591205


89

[24]. Notingher P. V., Sisteme de izolatie, Editura Printech, Bucuresti, 2002.

[25]. Notingher P.V., F. Ciuprina şi L.M. Dumitran, Materiale pentru electrotehnică. Culegere de probleme,

Editura MatrixRom, Bucureşti, 2005.

[26]. Notingher P.V., Materiale pentru electrotehnică, Editura Politehnica Press, Bucureşti, 2005.

[27]. Noţingher P.V., Dumitran L.M., Stancu C., Maropoulos Stergios, Selected topics in applied

electrotechnics, Edited by: Mircea Covrig and Stergios Ganatsios, Cap. 2, New materials for electrical

equipments, Editura IWN , Atena, pp. 73 – 144, 2012.

[28]. Oommen T.V., Vegetable oils for liquid-filled transformers, IEEE Electrical Insulation Magazine,

Vol.18, No.2, 2002.

[29]. Palmer J.A., Wang X., Mander A., s.a. Effect of aging on the spectral response of transformer oil,

Conference Record of the 2000 IEEE Intemational Symposium on Electrical Insulation, pp. 460 – 464,

2000.

[30]. Șerban M., Helerea E., Sângeorzan L., Statistica modul program for assesment of transformer oil

electrical strength, Transilvania University Scientific Bulletin (în curs de publicare), 2015.

[31]. Șerban M., Helerea E, Munteanu, A., The water impact on the aging of power transformer oil,

Procedings of 11-th International Conference on Applied and Theoretical Electricity-University of

Craiova (ICATE), Craiova, pp.1-6, 2014.

[32]. Şerban M., Sângeorzan L., Helerea E., On the mineral & vegetal oils used as electroinsulation in

transformers, First IFIP WG 5.5/SOCOLNET Doctoral Conference on Computing, Electrical and

Industrial Systems, DoCEIS 2010, Costa de Caparica, Portugal, February 22-24, 2010. Proceedings

DoCEIS’10 Portugalia, pp 435-442, 2010.

[33]. Șerban M., Helerea E., Munteanu A., Ecological vegetal oils and their competition with mineral

electroinsulating oils, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials – Symposia, Vol. 1, No. 6,

pp. 1027 – 1031, 2009.

[34]. Şerban M., Helerea E., Munteanu A., Ecological vegetal oils and their competition with mineral

electroinsulating oils, Proceeding of the BRAMAT International Conference, February, Braşov,

p.6.21, 2009.

[35]. Şerban, M., Sângeorzan, L., Helerea, E., Comparative analysis upon electrical breakdown voltage of

vegetal and mineral transformer oils, Abstracts of the Fifth International PhD&DLA Symposium,

University of Pecs, Oct., pp. 40, 2009.

[36]. Şerban, M., Helerea, E., The use of vegetal ecological insulating oils of transformer hight power

which regenerations resources, International Conference Environmental Pollution and its Impact on

Public Health - B.E.N.A, Braşov, pp. 641-648, 2008.

[37]. Șerban, M., The extension of the activities of producing high voltage transformer oils in specific

industrial in Romanian enterprise, Proceedings of the 31-th Annual Congress of the American

Romanian Academy of Arts and Sciences (ARA)-July, Brasov, pp.214-218, 2007.

[38]. Şerban M., Monitorizarea on-line a parametrilor uleiurilor electroizolante, Proceedings of the 30-th

Annual Congress of the American Romanian Academy of Arts and Sciences (ARA)-July, Chisinau,

Republica Moldova, , pp.635-638, 2005.

[39]. Şerban, M., Munteanu, A., Antal, A.M., Helerea, E., Challenge of oil using in electroinsulating

systems, Proceeding of the BRAMAT International Conference, February, Braşov, pp.132-134, 2005.

[40]. Trâmbiţaş R., Metode statistice, Ed. Presa Universitară Clujeană, 2000.

[41]. Treanor, E.D., Raab E.L., Transformer oil American Institute of Electrical Engineers, Transactions of

the , Vol. 69 , Issue, 1060 – 1070, 1950.

http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Treanor,%20E.D..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37321834000&newsearch=true

http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Raab,%20E.L..QT.&searchWithin=p_Author_Ids:37320952500&newsearch=true

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?tp=&arnumber=5060261&refinements%3D4294967269%26matchBoolean%3Dtrue%26pageNumber%3D2%26searchField%3DSearch_All_Text%26queryText%3D%28water+in+electroinsulationg+oil%29



http://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=5060205


90

STUDII PRIVIND ÎMBUNĂTĂȚIREA CALITĂȚII

ULEIULUI DE TRANSFORMATOR

Conducător științific Doctorand

Prof. Univ. Dr. Ing. Elena HRLEREA Ing. Mariana ȘERBAN

Prezenta teză de doctorat are ca scop investigarea şi optimizarea caracteristicilor uleiurilor

electroizolante minerale si vegetale destinate sistemelor de izolație din transformatoarele de mare putere.

Sunt efectuate studii şi analize comparative privind influenţa conținutului de apă, a densității, vâscozității,

indicelui de refracție, a punctului de inflamabilitate și a rigidității dielectrice pe sorturi de uleiuri minerale

şi vegetale din porumb, rapiţă şi floaraea soarelui. Pentru uleiuri noi şi din exploatare sunt efectuate

determinări experimentale cu metoda testarii în curent alternativ cu creşterea continuă a tensiunii şi

aplicarea de străpungeri succesive, utilizând aparatul Megger OTS 60 AF/2. Sunt puşi in evidenţă factorii

de influenţă intrinseci si extrinseci asupra tensiunii de străpungere a uleiurlor electroizlante. În evaluarea

tensiunii de străpungere şi a rigidităţii dielectrice la uleiurile minerale, comparativ cu cele vegetale, sunt

utilizate metode statistice aplicate în mediul de programare Statisticaşi MedCalc. Calculul economic

pentru proiectarea unei instalații de obținere a uleiurilor minerale electroizolante susţine posibilitatea

producerii în România a uleiurilor minerale electroizolante care ar permite scăderea costurilor de

mentenanță la transformatoarelede mare putere. Rezultatele cercetării sunt concretizate în stabilirea

matricei de proprietăţi fizico-chimice pentru sorturi de uleiuri electroizolante minerale şi pentru unele

uleiuri vegetale posibil de a fi utilizate ca inlocuitori în sistemulde izolaţie al transformatoarelor de mare

putere.

STUDIES ON IMPROVING THE QUALITY OF TRANSFORMER OILS

Scientific Coordinator PhD Student

Prof. Univ. Dr.Ing. Elena HELEREA Ing. Mariana ȘERBAN

The thesis diels with the investigation and optimization of the characteristics of mineral and

vegetal electroinsulating oils used in the insulation systems of high-power transformers. Studies and

comparative analyzes are performed on the influence of water content, density, viscosity, refractive index,

the flash point and dielectric strength at the sorts of mineral and vegetable oils from corn, rapeseed and

sun flower. For new oil exploitation experimental determinations are made by the method of breakdown

testing with the continue growth of AC voltage and successive breakdowns using Megger OTS 60 AF / 2

device. They put in evidence the internal and external factors which influence the breakdown voltage in

electroinsulating oils. In assessing the breakdown voltage and mineral oil dielectric strength compared to

the vegetal oils, are used statistical methods applied in the Statisticaşi MedCalc Software. Economic

calculation for the design of a plant for producing mineral insulating oils in Romania supports the

possibility of mineral insulating oils which allows lower maintenance costs for high- power transformers.

The research results are materialized in establishing the matrix of the physical and chemical properties for

types of mineral insulating oils and vegetable oils likely to be used as substitutes in the insulatimng

system of high-power power transformers.


91

Curriculum

vitae

Europass

Nume / Prenume MARIANA FĂTU căs. ȘERBAN

E-mail(uri) [email protected], [email protected]

Naţionalitate română

Data naşterii 13.04.1957

Sex feminin

Locul de

muncă

Combinatul Petrochimic Borzești (1985-1988)

Colegiul Tehnic „Simion Mehedinţi” Codlea (1988- prezent)

Experienţa

profesională

- Inginer-profesor,1988-prezent

- Inginer sef tura1985-1988

- Sef catedra, (1990-1991)

- Lider sindicat, (1998-2006) si (2010-prezent.)

- Responsabil formarea continua, Membru comisia de protectia

muncii2000-2008

- Responsabil substanţe chimice si preparate chimice periculoase (2010-

prezent)

- Doctorand 2004-2015

Educaţie

şi formare

- Universitate Politehnica din București, Facultatea de Tehnologie

Chimică, Secția Petrochimie, 1985

- Curs postuniversitar de perfecţionare în Managementul mediului

industrial şi urban, 2003-2004

- Curs postuniversitar de master in Managementul proiectelor industriale

industriale, Domeniul inginerie - economică) - 2005-2007 (limba

franceză)

- Management educational pentru cadre de conducere si personalul din

invatamant- 2007-2008

Limba străină Franceză, engleză

Competenţe şi

aptitudini

organizatorice

- Diriginte, şef catedră 1990-1991

- Lider de sindicat 1996- prezent, şef comisia formare continuă 2008-2013

- Colaborări cu SC Electrica SA, Colaborări cu Centrul de cercetare

Sisteme electrice avansate - Proiectul din programul naţional,,Tinerii şi turismul într-un mediu curat”

- Colaborator Centrul Zonal pentru educaţia adulţilor - ,,Reduta” Braşov

- Coordonator proiect „RO REC” 2012- 2015

- Coordonator proiect „Patrula de Reciclare” 2012 – 2014

- Coordonator proiecte „Ziua Mondiala a Apelor 22 Martie” 2010-2014

- Participare proiecte „Let’s Do It Romania” 2010- 2013 (acțiuni de

voluntariat)

Competenţe şi

aptitudini tehnice

Utilizare PC si programe Microsoft Office, Internet, NC, proiectare CAD.,

proiectare CATIA, statistica, MedCalc, Access, Statistica, Origin, Chem

Ofice, etc.




92

Curriculum

vitae

Europass

Name / Surname MARIANA FĂTU - ȘERBAN

E-mail [email protected], [email protected]

Nationality Romanian

Date of birth 13.04.1957

Sex Female

Employment Petrochemical Company Borzeşti (1985-1988)

Technical College "Simion Mehedinţi" Codlea (1988- prezent)

Professional

experience

- Engineer Professor, 1988-present

- Engineer, production manager, 1985-1988

- Chief of school department, 1990-1991)

- Union leader, 1998 to 2006, and 2010-present

- Responsible for continuous training,

- Protection committee member, 2000-2008

- Responsible for chemicals and hazardous chemicals, 2010-present

Education and

Training

- University Politehnica of Bucharest, Faculty of Chemical Technology,

Department of Petrochemistry,1985

- Post-university course in Industrial and urban environmental management,

2003-2004

- Master type postgraduate retraining course in economic engineering in Project

Management of industrial engineering (in French), 2005 2007

- Course in Educational management for managers and staff in the educational

system, 2007-2008

- PhD candidate, 2004-2015

Foreign Language French, English

Organisational

skills and

competences

- Head, Department Head 1990-1991

- union leader- 1996-present, head of the training committee 2008-2013

- Collaboration with SC Electrica SA, Collaboration with Advanced Electrical

Systems Research Centerthe

- National program project ,,Youth and tourism in a clean environment"

- Contributor to the activities of the Regional Centre for Adult Education

attached to the „Reduta” Cultural Center , Braşov

- Cooperation for the promotion of education in Brasov Your Chances Festival

- Proiect Coordinator „RO REC” 2012- 2015

- Proiect Coordinator „Recycling Patrol” 2012 – 2014

- Proiect Coordinator „The National Water Saving Day- 22 March” 2010-2014

- Participation at the project „Let’s Do It Romania” 2010- 2013 (volunteer

activity)

Technical skills and

competences

Use of PC and Microsoft Office, Internet, NC, CAD., CATIA design, statistics,

MedCalc, Access, statistics, Origin, Chem Office, etc.



STUDII PRIVIND ÎMBUNĂTĂȚIREA CALITĂȚII - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...

Documents

Transcript of STUDII PRIVIND ÎMBUNĂTĂȚIREA CALITĂȚII - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de...