2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

download 2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

of 10

  • date post

    27-Dec-2015
  • Category

    Documents

  • view

    18
  • download

    7

Embed Size (px)

description

23

Transcript of 2014 Lab 5 MMN_Traductoare Descarcari Partiale

Lucrarea 4

Universitatea Lucian Blaga Sibiu, Facultatea de Inginerie Hermann Oberth,

Departamentul de Calculatoare si Inginerie Electrica, Electromecanica anul II

Lucrarea nr. 5Traductoare de descarcari partiale1. Scopul lucrrii

Consta in prezentarea studentilor a unei noi tehnice de diagnoza a starii izolatiei aferente echipamentelor energetice primare prin utilizarea unor traductoare de descarcari partiale.2. Consideratii teoretice 2.1. Generalitati

Msurarea nivelului emisiilor acustice produse de descrcrile pariale presupune urmrirea ultrasunetelor produse n urma descrcrilor pariale i descrcrilor corona prezente ntr-un sistem de nalt tensiune. n funcie de rata de repetiie, amplitudine i caracteristicile de frecvent ale energiei emise se poate determina locaia i natura sursei emisiei acustice.

Descrcrile pariale n echipamentele electrice de nalt tensiune genereaz att energie electromagnetic ct i energie acustic, aceast energie este radiat n toate direciile fa de sursa descrcrii pariale.

Traductoarele electroacustice de nalt frecven (ultrasonore) pot fi folosite pentru a detecta aceast energie, transformnd-o n semnal electric pus la dispoziie pentru analiza pe un osciloscop sau un sistem dedicat.

Figura 1 Vizualizarea semnalului acustic generat de descarcarea partiale

Traductoarele ultrasonore trebuie aib o sensibilitate sporit i o frecvent de rezonant apropiat de cea a semnalului acustic pentru a permite o monitorizare corect, acestea sunt realizate pe baz de cristale piezoelectrice. Titanat-zirconat de plumb este cristalul cel mai frecvent utilizate, dei mai puin sensibile pot fi folosite cristale polimerice de exemplu fluorur de poliviniliden ce reprezint o alternativ mai ieftin fa de titanat-zirconat de plumb. Figura 1 Statie electrica de transformare

Frecvena si amplitudinea descrcrii pariale este dependent de natura sursei. Dac sursa este un spaiu gol sau un defect n izolaia transformatorului de nalt tensiune, mrimea si forma spaiului neuniform din izolaia transformatorului influeneaz direct caracteristicile energiei ultrasonore emise. n timp ce energia acustic cltorete prin mediul izolant aceasta este atenuat, componentele de nalt frecven fiind atenuate ntr-o proporie mai mare.

Acest lucru face ca izolaie s acioneze ca un filtru trece jos. Frecvena de distribuie a energiei acustice creat de o descrcare parial este, prin urmare, o funcie de frecvena a descrcrii i geometria, natura mediului de transmisie.Ultrasunetele sunt vibraii elastice care au frecventa mai mare dect frecventa maxima a oscilaiilor care produc senzaia auditiva. Domeniul de frecventa in care avem ultrasunetele este cuprins intre 20 KHz si 100 GHz. Ultrasunetele pot fi folosite ca un instrument de diagnosticare n testarea izolaiei electrice monitoriznd emisiile acustice.

Dei sunetul emis de o surs de descarcari partiale poate avea componente din domeniul audibil pn la sute de MHz, n momentul cnd ajunge la un punct de monitorizare accesibil, spectrul su este n general mai sczut de ordinul sutelor de KHz. De regula nu se ia n considerare componentele de frecven mai mic, datorit nivelului ridicat de interferen datorat altor surse de emisii acustice externe non-electrice. n general se consider c cea mai util gam de inspecie se afl n regiunea de 30kHz - 300kHz.2.2 Detectia descarcarilor partiale folosind metoda acustica

Dei tehnicile implicate n testarea emisilor acustice sunt aplicabile celor mai multe tipuri de instalaii i sisteme de izolaii, n practic, ele tind a fi utilizate doar pentru detectarea descarcarilor partiale n echipamentele cu izolaie n ulei precum i pentru detectarea descrcrilor de suprafa de tip corona. Acest lucru se datoreaz faptului c uleiul, oelul, aluminiul i aerul sunt toate bune conductoare de sunet comparativ cu izolatori ca bitum, aluatul din compui de turnare, polietilen i hrtie impregnat n ulei.n general, datorit costului mare al transformatoarelor electrice precum i datorit faptului c acestea sunt elemente critice pentru sistemul energetic, transformatoarele electrice sunt monitorizate periodic folosind metoda emisiilor acustice.

Acest tip de monitorizare este folosit cu succes de mai mult de 30 de ani i reprezint o metod eficient pentru detecia activitii de tip descarcari partiale, oferind i posibilitatea de a localiza sursa semnalului n interiorul transformatorului. Prin mutarea sondei n jurul cuvei cu ulei a transformatorului (figura 1) i nregistrarea amplitudinii semnalului n fiecare punct, se poate observa o valoare maxim. Dac n perioada de test nivelul amplitudinii descarcarii partiale rmne aproximativ la acelai nivel, atunci se poate considera c punctul cu cel mai mare semnal acustic nregistrat indic direcia ctre sursa descrcrii pariale. Structura intern si construcia unui transformator de msur poate da indicii cu privire la posibile surse de activitate de descarcari partiale.n cazul n care semnalul electromagnetic produs de activitatea descarcarii partiale poate fi monitorizat, fie printr-o sond aerian sau un traductor de curent montat n jurul neutrului, acest sistem de monitorizare poate fi folosit pentru a declana sistemul de monitorizare acustic, dup cum se observ n figura 3.Cum semnalul electromagnetic de va fi detectat aproape instantaneu ce are loc de descrcare parial, diferena de timp ntre acesta i ridicarea semnalului prin transductorul piezoelectric va fi reprezentativ pentru distana dintre surs descarcarii partiale si traductor. Semnal de emisii acustice se va propaga n principal prin intermediul uleiului pentru a ajunge la transductor, distana pn la sursa descrcrii poate fi calculat folosind viteza sunetului n ulei.

Figura 3 Detectia descarcarii partiale prin metoda acustica

2.3. Prezentarea traductoarelor utilizate in detectia descarcarilor partiale

La baza monitorizrii acustice stau dispozitivele cu ajutorul crora se realizeaz conversia energiei vibraiei mecanice (sunetului) n energie electric, acestea se numesc transductoare. Dup principiul fizic de realizare al conversiei energiei, cu o utilizare mai larg sunt transductoarele piezoelectrice.Ultrasunetele, ca i sunetele, sunt oscilaii elastice care se datoreaz vibraiilor mecanice ale particulelor mediului, n jurul unor poziii de echilibru. n gaze i lichide se propag un singur tip de unde elastice i anume undele longitudinale. Efectul piezoelectric se manifesta in feroelectrici daca acetia sunt polarizai, adic domeniile in care polarizarea are o orientare bine determinata sunt orientate dup o singura direcie macroscopica, direcia cmpului extern.

Sub forma de ceramici se utilizeaz foarte mult titanatul de bariu (BaTiO3) si titano-zirconatii de plumb care nu sunt influenai de umiditate, iar temperatura Curie poate depi 400 C la titano-zirconatii de plumb.Unii dielectrici formai din dipoli permaneni care nu au centru de simetrie (de exemplu substanele feroelectrice) prezint efect piezoelectric direct. Dac un astfel de cristal este supus unei deformri elastice de ntindere, compresiune sau torsiune, atunci dipolii si moleculari se rotesc iar cristalul se polarizeaz (figura 4).

Figura 4 Polarizarea cristalului de titanat de bariu

Ca urmare pe feele opuse ale cristalului apar sarcini legate care creeaz un cmp electric i o diferen de potenial ntre aceste fee. Mrimea polarizrii este direct proporional cu deformaia mecanic. La schimbarea sensului deformaiei se va schimba i semnul polarizrii.

Efectul piezoelectric invers apare dac se aplic o diferen de potenial cristalului, ca urmare a rotirii dipolilor apare o deformaie de ntindere. Proprietile piezoelectrice i piezomagnetice dispar atunci cnd materialele respective sunt nclzite peste temperatura Curie a acestora.

Figura 5 Efectul piezoelectric direct

Mrimea sarcinii electrice este proporional cu mrimea forei exercitate asupra cristalului, iar sensul polarizrii cristalului depinde de felul deformaiei. Acest fenomen a fost denumit efect piezoelectric direct (fig. 4.4). Cel mai rspndit senzor piezoelectric este un polimer, datorit faptului c materialele piezoceramice sunt prea fragile i anume fluorura de poliviniliden. Efectul piezoelectric conduce la producerea unui potenial electric atunci cnd traductorul este supus unei vibraii mecanice. Primul material folosit pentru proprietile sale piezoelectrice a fost cuarul, ns folosirea acestuia era limitat datorit numeroaselor dezavantaje pe care le are acest material.Datorit permitivitii electrice relative ridicate ( r = 1000 - 1700) utilizarea titanatului de bariu ca receptor nu este indicat (sensibilitatea materialului este invers proporional cu permitivitatea electric).

Figura 6 Constructia traductoarelor piezoelectrice

Cea mai frecvent soluie constructiv a traductoarelor ultrasonore este cea de tip stratificat. Acest tip de traductoare sunt construite dintr-o plac piezoelectric fixat intre dou plci metalice cum se observ n figura 6.

2.4. Caracteristicile traductorului piezoelectricMajoritatea materialelor ceramice sunt considerate izolatori obinuii dac au constanta dielectric K12 . Constanta dielectric este definit ca raportul dintre permitivitatea electric a dielectricului respectiv () i cea a vidului (0).K= / 0

unde: 0 = 8.84 10-12 C2/Nm2Coeficientul de cuplare piezoelectric d se poate definii drept viteza de variaie a polarizrii (P) n funcie de tensiunea mecanic () , aplicat sub cmp electric constant (E=ct.) sau drept viteza de variaie a deformaiei (S) n funcie de cmpul electric (E), aplicat la polarizare constant (P=ct.):

Pe lng coeficientul de cuplare piezoelectric exist i un coeficient de tensiune (g) care descrie cmpul electric (E) produs la o tensiune mecanic () , aplicat la polarizare constant

(P=ct.):

ntre coeficientul de cuplare piezoelectric (d) i cel de tensiune (g) exist o relaie de proporionalit