PL226674B1 - Sposób i urządzenie do suszenia układów izolacyjnych urządzeń elektroenergetycznych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób suszenia układu izolacyjnego urządzenia elektroenergetycznego, w którym kadź albo izolacyjną osłonę (5) urządzenia, w której umieszczony jest układ izolacyjny urządzenia elektroenergetycznego, wypełnia się metanolem o dużej czystości, a następnie wymusza się ciągły przepływ metanolu w obiegu zamkniętym. W trakcie ekstraktacji wody monitoruje się stężenie wody w metanolu, następnie po uzyskaniu właściwego poziomu osuszenia metanol jest usuwany, a urządzenie przedmuchiwane jest osuszonym gazem. Przedmiotem zgłoszenia jest także urządzenie do suszenia układu izolacyjnego urządzenia elektroenergetycznego, zawierające połączone z kadzią albo osłoną izolacyjną (5) suszonego urządzenia elektroenergetycznego (1) układy obiegu metanolu oraz przedmuchiwania gazem.

Description

Przedmiotem wynalazku jest rozwiązanie obejmujące sposób i urządzenie do suszenia układów izolacyjnych urządzeń elektroenergetycznych. Przedstawione rozwiązanie może być wykorzystane do suszenia układów izolacyjnych wykonanych z materiałów włóknistych naturalnych - celulozowych oraz syntetycznych - aramidowych.

Najbardziej wydajne metody suszenia izolacji celulozowej stosuje się na etapie produkcji urządzeń elektroenergetycznych. Wówczas to istnieje możliwość umieszczenia układu izolacyjnego w suszarce, za pomocą której wygrzewa się go, a następnie wytwarza podciśnienie. Znacznie trudniej przeprowadzić proces suszenia w miejscu zainstalowania urządzenia. Szczególnie duży problem stanowi suszenie wielkogabarytowego układu izolacyjnego transformatora energetycznego. Znanych jest kilka metod suszenia izolacji, głównie transformatorów energetycznych, w których to zagrożenia związane z obecnością wody są szczególnie istotne. Stworzone do tej pory metody suszenia izolacji stałej urządzeń elektroenergetycznych wymagają podgrzania jej do wysokiej temperatury, co umożliwia odparowanie wody z materiału. Obniżenie temperatury suszenia uzyskuje się poprzez zastosowanie zredukowanej, względem atmosferycznego, wartości ciśnienia. Bardzo ważnym problemem technicznym jest wygrzewanie izolacji do wartości umożliwiającej efektywne suszenie izolacji.

W niemieckim opisie patentowym DE 195 01 323 A1 ujawniono sposób suszenia izolacji w próżnioszczelnej obudowie. W rozwiązaniu tym izolacja nagrzewana jest w dwojaki sposób, za pomocą prądu płynącego przez uzwojenia oraz poprzez zraszanie izolacji za pomocą nagrzanego oleju. Suszony układ poddaje się działaniu podciśnienia o wartości około 200 mbar, co umożliwia osuszenie izolacji. Inny sposób suszenia zaprezentował W. Mϋntener z firmy Micafil AG na sympozjum pt. „LFH-Trockung: Erfahrung und Trends” w Stuttgarcie w 1999 roku. Rozwiązanie to dotyczy transformatorów w miejscu ich zainstalowania, które są wypełnione olejem. Przedstawiony sposób suszenia opiera się na podgrzaniu uzwojeń transformatora za pomocą prądu niskiej częstotliwości (metoda LFH - Low Frequency Heating). Ponadto olej z transformatora jest suszony za pomocą instalacji do jego uzdatniania. W opisie patentowym PL 199386 przedstawiono kompilację wyżej opisanych dwóch metod. Rozwiązanie to wykorzystuje zarówno grzanie uzwojeń metodą LFH jak i poprzez zraszanie izolacji stałej gorącym olejem. Woda odprowadzana jest z kadzi lub osłony urządzenia za pomocą systemu próżniowego. Wyżej opisane metody są rozwiązaniami najbardziej zaawansowanymi technologicznie. Nie zapewniają jednak one równomiernego nagrzania całej izolacji, co znacząco utrudnia właściwe wysuszenie całej jej objętości. Szczególnie trudne jest poprawne osuszenie masywnych elementów oddalonych od grzanych uzwojeń. Ponadto w metodach tych istnieje ryzyko przegrzania papieru nawojowego, co może doprowadzić do jego degradacji. Znane są również metody suszenia izolacji stałej poprzez ciecz elektroizolacyjną. Ciecze elektroizolacyjne, przede wszystkim najczęściej stosowany olej mineralny, charakteryzują się małą rozpuszczalnością wody. W związku z tym proces osuszania izolacji poprzez olej jest mało efektywny i w zależności od temperatury cieczy elektroizolacyjnej może trwać wiele miesięcy. Żadna z dotychczas opisanych metod nie wykorzystuje ekstrakcji wody z izolacji włóknistej (celulozy, aramidu) do metanolu.

Podwyższony poziom zawilgocenia układów izolacyjnych urządzeń elektroenergetycznych jest bardzo niebezpieczny. W przypadku materiałów celulozowych woda przyczynia się do przyspieszonej ich degradacji, co wiąże się ze spadkiem stopnia polimeryzacji celulozy i obniżeniem jej wytrzymałości mechanicznej. Inne zagrożenia związane z obecnością wody w materiałach włóknistych wiążą się ze spadkiem ich wytrzymałości elektrycznej, wzrostem mocy strat dielektrycznych, podwyższonym ryzykiem wystąpienia groźnego zjawiska nazywanego z angielska bubble effect, które prowadzi m.in. do wzrostu ciśnienia w urządzeniu i obniżenia napięcia zapłonu wyładowań niezupełnych. Obecność wody w układzie izolacyjnym jest spowodowana niecałkowitym jego wysuszeniem na etapie produkcji. W przypadku wielkogabarytowych układów izolacyjnych, np. transformatorów energetycznych wysokich napięć, całkowite wyeliminowanie wody na etapie produkcji jest praktycznie niemożliwe. Na etapie eksploatacji urządzenia jego układ izolacyjny zawilgaca się na skutek nieszczelności konstrukcji oraz procesów utleniania celulozy. Niezawodność urządzenia elektroenergetycznego zależy m.in. od poziomu zawilgocenia jego układu izolacyjnego. Z tego względu zabieg suszenia izolacji ma duże znaczenie zarówno na etapie produkcji urządzenia jak i na etapie jego eksploatacji.

Przedstawione rozwiązanie według wynalazku umożliwia suszenie układów izolacyjnych urządzeń na etapie ich produkcji - przed impregnacją olejem oraz na etapie eksploatacji po spuszczeniu cieczy elektroizolacyjnej, którą materiał izolacyjny jest zaimpregnowany.

PL 226 674 B1

Sposób według wynalazku polega na tym, iż kadź albo izolacyjną osłonę urządzenia w której umieszczony jest układ izolacyjny urządzenia elektroenergetycznego wypełnia się metanolem o dużej czystości (małej zawartości wody). Następnie wymusza się ciągły przepływ metanolu w obiegu zamkniętym. Bardzo duża rozpuszczalność wody w metanolu umożliwia jej ekstrakcję z materiałów włóknistych. W trakcie ekstrakcji monitorowane jest stężenie wody w metanolu, na podstawie którego oceniany jest postęp w suszeniu układu izolacyjnego. W przypadku stwierdzenia uzyskania zadowalającego poziomu osuszenia izolacji podejmowana jest decyzja o zakończeniu procesu suszenia. Metanol po uzyskaniu właściwego poziomu osuszenia izolacji jest usuwany z kadzi albo izolacyjnej osłony urządzenia. Urządzenie następnie przedmuchiwane jest osuszonym gazem, aż do całkowitego odparowania metanolu z układu izolacyjnego.

W przypadku nieuzyskania zadowalającego poziomu osuszenia izolacji proces ekstrakcji jest wydłużany, a w przypadku stwierdzenia dużego zawilgocenia metanolu i braku dalszych postępów w ekstrakcji wody korzystnym jest wymienienie metanolu w obiegu zamkniętym. Po wymianie metanolu proces ekstrakcji wody powinien być kontynuowany, aż do osiągnięcia pożądanego efektu.

Urządzenie do suszenia układu izolacyjnego urządzenia elektroenergetycznego według wynalazku zawiera połączone z kadzią albo osłoną izolacyjną suszonego urządzenia elektroenergetycznego układ obiegu metanolu oraz układ przedmuchiwania gazem.

Korzystnym jest kiedy układ obiegu metanolu zawiera zbiornik do metanolu o małej zawartości wody połączony przez pompę z kadzią albo osłoną izolacyjną suszonego urządzenia elektroenergetycznego. Kadź albo osłona izolacyjna połączona jest natomiast za pomocą zaworu trójdrożnego ze zbiornikiem do metanolu o małej zawartości wody oraz poprzez pompę ze zbiornikiem do metanolu zawilgoconego.

Nadto korzystnym jest kiedy na połączeniu zaworu trójdrożnego ze zbiornikiem do metanolu o małej zawartości wody umieszczono filtr cząstek stałych eliminujący zanieczyszczenia pozostałe w układzie izolacyjnym np. po etapie produkcji urządzenia.

Korzystnym jest także kiedy w zbiorniku do metanolu o małej zawartości wody umieszcza się czujnik mierzący absorbancję fali o długości 1939 nm przechodzącą przez metanol zawierający wyekstrahowaną wodę. Na podstawie zależności absorbancji od stężenia wody w metanolu oraz masy suszonej izolacji szacowany jest poziom zawilgocenia izolacji. Alternatywą do czujnika może być pomiar stężenia wody w metanolu za pomocą fizykochemicznej metody Karla Fischera.

Korzystnym jest również kiedy system doprowadzenia gazu układu przedmuchiwania gazem zawiera połączony z kadzią albo osłoną izolacyjną filtr z sitem molekularnym, poprzez który doprowadzany jest gaz ze sprężarki powietrza albo zasobnika azotu. Dodatkowo system odprowadzenia gazu z kadzi albo osłony izolacyjnej zawiera czujnik za pomocą którego kontrolowane jest stężenie par metanolu w gazie wychodzącym z kadzi urządzenia, a który połączony jest ze skraplaczem. Skraplacz połączony jest ze zbiornikiem (3) oraz posiada wylot (14). Pary metanolu są skraplane za pomocą skraplacza i spływają do zbiornika natomiast gaz wylotem uchodzi do atmosfery.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przybliżono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urządzenia do suszenia układów izolacyjnych, fig. 2 ilustruje zależność absorbancji w funkcji stężenia wody w metanolu, fig. 3 pokazuje dynamikę suszenia papieru nawojowego celulozowego o grubości 0,055 mm, a fig. 4 - dynamikę suszenia preszpanu o grubości 1,026 mm.

Urządzenie umożliwiające suszenie układu izolacyjnego 1 poprzez ekstrakcję wody do metanolu składa się z następujących elementów. Dwóch zbiorników, jednego wykorzystywanego do metanolu o małej zawartości wody 2, drugiego do metanolu zawilgoconego 3 w wyniku procesu suszenia. Za pomocą pompy 4 metanol jest wprowadzany do kadzi lub osłony izolacyjnej urządzenia 5. Pompa wymusza ciągły przepływ metanolu w obiegu zamkniętym - suszone urządzenie 5 - zbiornik metanolu 2. W obiegu zamontowany jest filtr cząstek stałych 6. W trakcie obiegu metanolu kontrolowane jest w nim stężenie wody za pomocą czujnika 7 mierzącego absorbancję fali o długości 1939 nm przechodzącej przez metanol zawierający wyekstrahowaną wodę. Na podstawie zależności absorbancji od stężenia wody w metanolu (Fig. 2) oraz masy suszonej izolacji szacowany jest poziom zawilgocenia izolacji. Alternatywą do czujnika może być pomiar stężenia wody za pomocą fizykochemicznej metody Karla Fischera.

Po osiągnięciu założonego poziomu zawilgocenia zawór trójdrożny 8 jest przełączany w pozycję umożliwiającą wypompowanie metanolu za pomocą pompy 9 do zbiornika 3. Tak przygotowany układ izolacyjny jest przedmuchiwany gazem - sprężarka powietrza 10, osuszonym za pomocą filtra z sitem molekularnym 11. Za pomocą czujnika 12 kontrolowane jest stężenie par metanolu w gazie

PL 226 674 B1 wychodzącym z kadzi urządzenia. Pary metanolu są skraplane za pomocą skraplacza 13 i spływają do zbiornika 3 natomiast gaz wylotem 14 uchodzi do atmosfery. Po stwierdzeniu całkowitego odparowania metanolu z izolacji proces suszenia jest kończony.

Proponowane rozwiązanie pozwoli przede wszystkim wyeliminować spadek stopnia polimeryzacji celulozy na etapie suszenia urządzenia podczas jego produkcji. Suszenie materiałów elektroizolacyjnych wymaga nagrzania izolacji do wysokiej temperatury, czego konsekwencją jest częściowa depolimeryzacja celulozy. Poniżej w tabeli 1 przedstawiono wartości stopnia polimeryzacji DP (Degree of Polymerization) wyznaczone przed i po procesie suszenia pięciu różnych materiałów celulozowych wykorzystywanych jako papier nawojowy w transformatorach energetycznych. Suszenie było wykonywane w fabryce produkującej transformatory z wykorzystaniem wysokiej temperatury, zgodnie z procedurą suszenia, która w tej fabryce obowiązuje.

T a b e l a 1

Oznaczenie materiału	Materiał 1	Materiał 2	Materiał 3	Materiał 4	Materiał 5
DP przed suszeniem	1185	1180	1238	1422	1325
DP po suszeniu	1080	1080	1059	1267	984
Spadek DP w trakcie suszenia	105	100	179	155	341
Procentowy spadek DP, %	9	8	14	11	26

W wyniku procesu suszenia procentowy spadek stopnia polimeryzacji celulozy wynosi średnio około 13,7%.

W trakcie eksploatacji, przykładowo transformatorów energetycznych wysokiego napięcia, stopień polimeryzacji sukcesywnie spada. Proces ten jest powolny, a jego dynamika zależy przede wszystkim od temperatury i poziomu zawilgocenia izolacji urządzenia. Materiał celulozowy o stopniu polimeryzacji poniżej 350 uznaje się za zestarzony, co wiąże się z jego mierną wytrzymałością mechaniczną. Eksploatacja urządzeń izolowanych taką izolacją jest ryzykowna, szczególnie w przypadku wystąpienia przepięć, które mogą spowodować zerwanie kruchej izolacji.

Zastosowanie proponowanego sposobu suszenia, który nie spowoduje spadku stopnia polimeryzacji celulozy na etapie produkcji urządzenia, może wydłużyć czas jego eksploatacji nawet o 5 lat. Niesie to znaczące oszczędności szczególnie w przypadku transformatorów energetycznych, których czas eksploatacji jest równy około 35 lat, a koszt jednego urządzenia sięga kilkunastu milionów złotych.

Inną korzyścią ekonomiczną wynikającą z zastosowanego rozwiązania może być skrócenie czasu potrzebnego do wysuszenia układu izolacyjnego względem czasu potrzebnego na suszenie izolacji przy wykorzystaniu metody tradycyjnej bazującej na oddziaływaniu wysokiej temperatury i podciśnienia. Oczywiście czas ten jest mocno zależny od gabarytów izolacji, a szczególnie od jej grubości i gęstości materiału. Z wstępnie przeprowadzonych badań wynika, że wysuszenie papieru nawojowego o grubości 0,055 mm do poziomu poniżej 0,2% wynosi około 20 minut (fig. 3). W przypadku preszpanu o grubości 1,026 mm jego osuszenie z poziomu zawilgocenia równego 6,9% do poziomu poniżej 0,2% wynosi 79 minut (fig. 4). Natomiast czas potrzebny do osuszenia takiego preszpanu do poziomu akceptowalnego (w przypadku transformatorów energetycznych poziom ten jest równy około 0,7%), wynosi 52 minuty (fig. 4). W przypadku izolacji o grubości 10 mm czas ten nie powinien przekraczać trzech dni. Przykładowo czas suszenia całej izolacji transformatora energetycznego techniką tradycyjną wynosi, w zależności od zastosowanej procedury suszenia i gabarytów układu izolacyjnego, nawet kilkanaście dni.

Dzięki zastosowaniu w proponowanym rozwiązaniu filtrów cząstek stałych możliwe jest eliminowanie z suszonego układu izolacyjnego zanieczyszczeń wynikających np. z procesu produkcyjnego urządzenia.

Opisane rozwiązanie daje również możliwość suszenia urządzeń elektroenergetycznych w miejscu ich zainstalowania. W takiej sytuacji dodatkową korzyścią jest wypłukanie z izolacji szlamów i osadów, które negatywnie wpływają na efektywność chłodzenia układu izolacyjnego.

Claims (7)

1. Sposób suszenia układu izolacyjnego urządzenia elektroenergetycznego, znamienny tym, iż kadź albo izolacyjną osłonę urządzenia, w której umieszczony jest układ izolacyjny urządzenia elektroenergetycznego wypełnia się metanolem o dużej czystości, a następnie wymusza się ciągły przepływ metanolu w obiegu zamkniętym, w trakcie ekstraktacji wody monitoruje się stężenie wody w metanolu, a następnie po uzyskaniu właściwego poziomu osuszenia metanol jest usuwany, a urządzenie przedmuchiwane jest osuszonym gazem.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że metanol w trakcie ekstrakcji wody w urządzeniu jest w obiegu zamkniętym wymieniany.

3. Urządzenie do suszenia układu izolacyjnego urządzenia elektroenergetycznego, znamienne tym, że zawiera połączone z kadzią albo osłoną izolacyjną (5) suszonego urządzenia elektroenergetycznego (1) układ obiegu metanolu oraz układ przedmuchiwania gazem.

4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że układ obiegu metanolu zawiera zbiornik do metanolu o małej zawartości wody (2) połączony przez pompę (4) z kadzią albo osłoną izolacyjną (5) suszonego urządzenia elektroenergetycznego (1), która to kadź albo osłona izolacyjna (5) połączona jest za pomocą zaworu trójdrożnego (8) ze zbiornikiem do metanolu o małej zawartości wody (2) oraz poprzez pompę (9) ze zbiornikiem do metanolu zawilgoconego (3).

5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że na połączeniu zaworu trójdrożnego (8) ze zbiornikiem do metanolu o małej zawartości wody (2) umieszczono filtr cząstek stałych (6).

6. Urządzenie według zastrz. 4 lub 5, znamienne tym, że w zbiorniku do metanolu o małej zawartości wody (2) umieszcza się czujnik stężenia wody w metanolu (7).

7. Urządzenie według zastrz. 3, 4, 5 lub 6, znamienne tym, że system doprowadzenia gazu układu przedmuchiwania gazem zawiera połączony z kadzią albo osłoną izolacyjną (5) filtr z sitem molekularnym (11) poprzez który doprowadzany jest gaz ze sprężarki powietrza albo zasobnika azotu (10), a system odprowadzenia gazu z kadzi albo osłony izolacyjnej (5) zawiera czujnik (12) połączony ze skraplaczem (13) który to połączony jest ze zbiornikiem (3) oraz posiada wylot (14).