Vliv supraharmonických na míru stárnutí elektroizolačních polymerních materiálů
Influence of supraharmonics on aging rate of polymeric insulation materials
Typ dokumentu
disertační prácedoctoral thesis
Autor
Ondřej Šefl
Vedoucí práce
Procházka Radek
Oponent práce
Haller Rainer
Studijní obor
ElektroenergetikaStudijní program
Elektrotechnika a informatikaInstituce přidělující hodnost
katedra elektroenergetikyPráva
A university thesis is a work protected by the Copyright Act. Extracts, copies and transcripts of the thesis are allowed for personal use only and at one?s own expense. The use of thesis should be in compliance with the Copyright Act http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf and the citation ethics http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.htmlVysokoškolská závěrečná práce je dílo chráněné autorským zákonem. Je možné pořizovat z něj na své náklady a pro svoji osobní potřebu výpisy, opisy a rozmnoženiny. Jeho využití musí být v souladu s autorským zákonem http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf a citační etikou http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.html
Metadata
Zobrazit celý záznamAbstrakt
V souvislosti s rostoucím počtem velkých výkonových měničů v energetických soustavách se stává tématika znečištění síťových napětí harmonickými v rozsahu frekvencí od cca 2 do 150 kHz (tzv. supraharmonické) stále významnější. Zejména v blízkosti velkých obnovitelných zdrojů energie (OZE) lze očekávat výrazné zkreslení průběhu síťového napětí, jelikož je zapotřebí tyto zdroje doplnit zmíněnými měniči, často o enormních instalovaných výkonech. Tyto měniče mohou způsobovat supraharmonické zkreslení napětí prostřednictvím rezonancí s místními pasivními součástkami nebo tzv. "ringing distortion". Přítomnost supraharmonických je samozřejmě částečně řešena normami kvality elektrické energie, ale vzhledem k relativní novosti tohoto typu zkreslení jsou jak limity, tak metody měření předepsané těmito normami neuspokojivé. Co se týká dopadů supraharmonických zkreslení, většina příslušných vědeckých prací se zabývala pouze jejich vlivem na zařízení v sítích nízkého napětí (NN), zejména pak na spolehlivost provozu těchto zařízení. Vlivu supraharmonických na životnost izolačních systémů nebyla věnována téměř žádná pozornost, a to především z důvodu menšího významu izolace v případě NN aplikací. Supraharmonické se však mohou šířit i z NN výstupní strany měničů elektráren na principu OZE do přilehlých sítí vysokého napětí (VN) (např. propojení off-shore větrných parků nebo fotovoltaických elektráren). V takovýchto VN sítích představuje izolace významnou a nákladnou součást celého systému, a proto by byla její zrychlená degradace pádným důvodem ke znepokojení. Tato disertační práce měla tudíž za cíl tuto problematiku částečně probádat provedením tří různých experimentů týkajících se degradace příslušných systémů VN. Nejprve bylo provedeno dlouhodobé stárnutí vzorků koncovek VN kabelů (22 kV) pomocí referenčního sinusového elektrického napětí a ekvivalentního elektrického napětí se supraharmonickým zkreslením. Dva ze tří vzorků předčasně selhaly při zkresleném namáhání, zatímco všechny vzorky namáhané sinusovým průběhem vydržely. Z doprovodných měření (částečné výboje, ztrátový tangens, průrazové zkoušky) rovněž vyplynulo, že zkreslený průběh degraduje vzorky rychleji. Druhý experiment zkoumal vliv supraharmonických na rychlost stárnutí hlavní izolace VN kabelů, jež byly reprezentovány tenkovrstvými vzorky (fóliemi) z nemodifikovaného zesíťovaného polyethylenu (XLPE) a vzorky z nanokompozitu nano-alumina-XLPE s různým procentem plnění. Podobně jako předtím byly provedeny zkoušky dlouhodobého elektrického stárnutí při sinusových a supraharmonicky zkreslených průbězích a jejich výsledky byly analyzovány pomocí Weibullovy statistiky a modelů stárnutí. I v tomto případě byl identifikován zvýšený degradační účinek zkresleného průběhu. Třetí experiment byl nakonec zaměřen na analýzu vlivu supraharmonických na výbojovou činnost pomocí vzorku s umělou dutinou. Na zkušební vzorek byly aplikovány různé průběhy napětí obsahující jeden kmit (za periodu základního napětí) o supraharmonickém frekvenci a probíhající výbojová aktivita byla zaznamenána. Pro účely studie byl sestaven analytický model PD, který byl následně použit k simulaci výbojové aktivity za stejných podmínek. Změny pozorované ve fázově rozlišených obrazcích částečných výbojů (PRPD patterns) naměřených i modelovaných dat byly vysvětleny pomocí modelu. Z experimentu také vyplynulo, že supraharmonické mohou zesilovat výbojovou aktivitu, a tím teoreticky zrychlit degradovat izolačních systémů. Pollution of electrical power systems by harmonics in the frequency range between ca. 2 to 150 kHz (supraharmonics) is becoming ever more significant in the context of the rising number of large power converters in power networks. In particular, significant distortion of the network voltage waveform can be expected in the vicinity of large renewable power sources, as they need to be supplemented by said power converters, typically of enormous installed powers. These converters can give rise to supraharmonics through resonances with local passive components or by so-called ringing distortions. Naturally, the presence of supraharmonics is partially resolved through power quality standards, but due to the distortion type's relative novelty, both the limits and measurement methods prescribed by these standards are lacking. Concerning supraharmonics' impacts, most of the respective research works dealt with their influences on devices in low-voltage (LV) networks, especially so on the reliability of the devices' operation. Little to no attention has been paid to the supraharmonics' effects on insulation system longevity, primarily due to the lesser importance of insulation in the case of LV applications. However, supraharmonics can also propagate from the LV output side of renewable power stations' converters into the adjacent medium-voltage (MV) networks (such as off-shore wind park or photovoltaic power station interconnections). In such networks, the insulation constitutes a significant and costly part of the system, and its enhanced degradation is thus of concern. Therefore, this dissertation strived to shed light on the issue by performing three different experiments related to the degradation of the relevant MV systems. First, long-term aging of 22-kV MV cable termination specimens was carried using reference sinusoidal electrical stress and equivalent supraharmonic-distorted electrical stress. Two out of three specimens broke down prematurely under the latter stress, while all the specimens stressed by the sinusoidal waveform withstood. The accompanying measurements (partial discharges, loss tangent, breakdown tests) also implied that the distorted waveform degrades the specimens faster. The second experiment investigated the effect of supraharmonics on the aging rate of the main MV cable insulation, represented by thin-film unmodified cross-linked polyethylene (XLPE) specimens and nano-alumina-XLPE nanocomposite specimens of different filling percentages. Similarly, long-term electrical aging tests were carried out under sinusoidal and supraharmonic-distorted waveforms, and their results were analyzed using Weibull statistics and aging models. Likewise, an increased degradation effect of the distorted waveform was identified. Ultimately, the third experiment aimed to analyze the impact of supraharmonics on partial discharge activity using an artificial cavity specimen. Various voltage waveforms containing a single-per-period oscillation in the supraharmonic range were applied to the test specimen, and the occurring discharge activity was recorded. An analytical PD model was constructed for the purpose of the study and subsequently employed to simulate discharge activity under identical conditions. The changes observed in the phase-resolved partial discharge (PRPD) patterns of both measured and modeled data were explained using the model. The experiment also concluded that supraharmonics could amplify the discharge activity and thus theoretically degrade the insulation systems faster.
Zobrazit/ otevřít
Kolekce
- Disertační práce - 13000 [713]