Bevezetés és célkitûzés

Az anyagtudomány egyik érdekes problémája a különféle szigetelõanyagokban elektromos, termikus, elektrodinamikus terhelés esetén lejátszódó kémiai, fizikai folyamatok követése, jelenségek magyarázata. Az ilyen jellegû kutatások természetesen különféle határproblémák interdiszciplináris kérdéseit értékelik és értelmezik. A villamosenergia-iparban használt szigetelõkben létrejövõ kémiai reakciók nemcsak nagy gyakorlati jelentõséggel rendelkeznek (villamos berendezések élettartam meghatározása, szigetelõ tulajdonságok változása, biztonságos üzemeltetés), hanem az empirikusan megfigyelt jelenségek megértéséhez és magyarázatához szükséges alapkutatási eredményeket is igényelnek.

Szigetelõanyagként a vegyületek nagy csoportja alkalmazható, valamint ezek különféle kombinációja még inkább szélesíti ezt a területet. Kutatásaimat azokra a szigetelõanyagokra koncentráltam, amelyeket Magyarországon a nagyfeszültségû technológiában széleskörben alkalmaznak, és az elmúlt idõszak megbízhatóságukat igazolta. A legfontosabb szigetelõanyagok a kén-hexafluorid gáz, az ásványolaj és a cellulóz. Napjainkban elterjedten alkalmaznak kén-hexafluorid gáz szigetelésû fémtokozott berendezéseket, speciális összetételû ásványolaj szigetelésûek az áram, illetve feszültségváltók, a nagyfeszültségû transzformátorok szigetelése olajba merülõ cellulóz.

A kutatásokat az egyes szigetelõtípusokhoz tartozó villamosipari kérdések jól elkülöníthetõ részekre tagolják, így ezek tárgyalását külön pontok foglalják össze.
 
 

Vizsgálati módszerek és eredmények

A kémiai vizsgálatokat az alkalmazási terület kapcsolja egybe, a szigetelõk állapotának mindenkori biztonságos minõsítése a villamosiparban alapvetõ követelmény. A nagyfeszültségû berendezések állapotfelmérését a szigetelõk összetételébõl határoztam meg, ezért fõként a szerkezetkutatási, valamint analitikai-elválasztástechnikai módszerek kerültek elõtérbe. Esetenként mindkettõt megelõzték modellkísérletek, elméleti számítások. Az alkalmazott szerkezetkutatási módszerek közé sorolhatók a molekulaspektroszkópia területérõl a tömegspektrometria (MS) és Fourier transzformált infravörös spektroszkópia (FT-IR), elválasztástechnikai módszerek közül gázkromatográfiás (GC) és nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiás (HPLC) módszerek korszerû eredményeit használtam fel, valamint a két elõzõ nagy területet összekötõ, mindinkább elõtérbe kerülõ csatolt technikák: gázkromatográfia-tömegspektrometria (GC-MS) és folyadékkromatográfia-tömegspektrometria (LC-MS).
 

A kén-hexafluorid gáz plazmakémiai reakciói

A kén-hexafluorid gázt szigetelõként alkalmazó elektromos berendezésekben feszültségváltáskor létrejövõ kisülés indukálta folyamatok és mechanizmusaik megértésére modellberendezést terveztem, ezáltal a nagyfeszültségû elektromos térben lejátszódó valamennyi reakció ellenõrzött körülmények között vizsgálható.

Gázkromatográfiás elválasztáson alapuló módszereket dolgoztam ki a plazmakémiai reakciók során keletkezõ bomlástermékek izolálására és kvalitatív/kvantitatív analízisére, adott energiamennyiség betáplálásánál és ismert gázösszetétel esetén. Ezek a bomlástermékek a következõek: tionil-fluorid, szulfuril-fluorid, kén-dioxid, szén-tetrafluorid, szilicíum-tetrafluorid, nitrogén-trifluorid.

Minden mért bomlástermékre a betáplált energia függvényében mol/J egységben megadott képzõdési hozamot számoltam, és ezáltal a különbözõ irodalomban található értékek összehasonlíthatóak, bizonyos esetekben ez az átszámolás elvégezhetõ, így a különbözõ kísérleti körülményekbõl adódó eltérések kiküszöbölhetõvé válnak. A nitrogén-trifluorid képzõdési hozamára utaló adatot nem találtam az irodalomban, ennek kiszámítása új eredményként pontosabb képet nyújt a lejátszódó folyamatok sebességérõl, illetve a teljes mechanizmusról.

A mérések igazolták, hogy a plazmakémiai lebomlás más betáplált energia mennyiségek esetén más útvonalat követ és bizonyos koncentrációérték felett független a jelenlévõ levegõ és vízgõz szennyezõ koncentrációitól.
 

A cellulóz bomlása

Folyadék-folyadék extrakción alapuló módszert fejlesztettem kétszer-desztillált víz extrahálószerként való felhasználásával a furánszármazékok szelektív, hatékony és gazdaságos kinyerésére az olajmátrixból. Az eredményeket összehasonlítottam az irodalomban található és nemzetközi szabvány ajánlása alapján elvégzett szilárd fázisú extrakció, valamint annak általam továbbfejlesztett változatának eredményeivel, és a folyadék-folyadék extrakciós módszer szelektívebbnek, gyorsabbnak és a feladat megoldására alkalmasnak bizonyult.

Kimértem a napjainkban széleskörben használt ultraibolya detektort alkalmazó folyadékkromatográfiás eljáráson alapuló furánvegyület-meghatározás analitikai paramétereit. Olajminták esetén ez a módszer csak egyetlen furánszármazék megbízható mérésére alkalmazható.

Az irodalomban használt egyetlen furánvegyület meghatározása helyett az extrakciós, illetve elválasztástechnikai-analitikai eredmények alapján módszert sikerült kifejleszteni mind a hat keletkezõ furánvegyület megbízható kvantitatív és kvalitatív meghatározására folyadékkromatográf/tömegspektrométer csatolt technika alkalmazásával.

A folyadékkromatográf/tömegspektrométer alkalmazásával megbízhatóan kimutatható furánvegyületek pontosabb hibadiagnosztikát tesznek lehetõvé, hiszen az egyes olajban megjelenõ komponensek minõsége és mennyisége alapján megkülönbözethetõvé válik természetes depolimerizációs folyamat és a fellépõ elektromos hiba jelenléte.
 

Vízklaszterek olajokban

Kísérleti mérésekkel több mint száz, mûködõ transzformátorból vett olajminta esetén meghatároztam az olajban lévõ vízkoncentráció és annak legfontosabb, szigetelését jellemzõ paramétere, az átütési szilárdság közti összefüggést. A kimért pontokra illesztett egyenes alapján egy olyan modellt dolgoztam ki, ami ezt a jelenséget szerkezeti változások alapján magyarázza. Ezt az elgondolást a késõbbiekben kísérletileg is igazolni lehetett.

A strukturális változások magyarázatának megalapozására elméleti kémiai számolásokat végeztem, Hatree-Fock kvantumkémiai módszer segítségével a vízmolekula és az õt körülvevõ szénhidrogénláncok távolságát meghatároztam (0.3 nm) adott geometria esetén.

Az elméleti számítások alátámasztására különféle geometriai modell segítségével számolásokat végeztem el két izolált vízmolekula távolságának meghatározására a vízkoncentráció függvényében. Ezek közül az egyik, az ún. „szalag-modell”, valamint az olaj sûrûségét alapul vevõ empirikus számolások eredményei jó egyezést mutatnak. A számolt távolságok 27.0 nm, illetve 30.1 nm.

A víz/olaj rendszer szerkezetének kísérleti meghatározására Fourier transzformált infravörös spektroszkópiát alkalmaztam. A kísérleti eredmények igazolták az elmélettel már megjósolt tényt, hogy a víz (a vizsgált koncentráció-tartományban) klaszterek formájában oldódik az olajban és ezek tagszáma a mindenkori vízkoncentráció függvénye.

A különbözõ tagszámú klaszterek létének FT-IR spektroszkópiával történõ kísérleti igazolását sikerült megerõsíteni a teljes dipólus momentum számolási módszerekkel. A klaszterek dipólus momentum értékei ugyanis felelõsek a klasztert körülvevõ szénhidrogén-molekulák polarizációjáért és ezáltal a vezetési tulajdonság módosulásáért. A modell alapján számolt eredmények jó egyezést mutattak a spektroszkópiás eredményekkel.
 

Összefoglalás

A nagyfeszültségû berendezések szigetelése állandó kölcsönhatásban áll az egyéb elektromos részekkel és változásaik révén az egész egység érzékeny és gyors állapotjelzõ rendszerének tekinthetõ. A szigetelések paramétereinek nyomon követésébõl származó eredmények a teljes berendezés jellemzésére vonatkozó információkat tartalmazzák, és megfelelõ felhasználásuk átfogó képet nyújt azok állapotáról üzemelés közben, sõt bizonyos esetekben ez a közvetett állapotjellemzés az egyetlen ellenõrzõ módszer, amely adatokat szolgáltat anélkül, hogy a berendezést átvizsgálás céljából üzemen kívül kellene helyezni. A berendezések általános vizsgálatára az elektromérnöki szemléletmódnak megfelelõen eddig fizikai és mechanikai méréseket alkalmaztak. Az utóbbi idõben az analitikai kémia módszereinek nagyarányú fejlõdésének, valamint a tudományok között húzott határvonalak eltûnésének következtében lehetõség van igen hasznos kémiai információk gyûjtésére is. A kémiai módszerekbõl származó eredmények ugyanis sok esetben magyarázatot adnak az eddig csak tapasztalatból ismert folyamatokra és az ezen adatokat figyelembevevõ állapotfelmérés magasabb szintû lehetõséget ad a berendezések mûködésének alaposabb megértésére, növelve az üzemeltetés biztonságát, hatékonyságát és gazdaságosságát.

Introduction and scientific background

The insulating system of the high voltage electrical devices is one of the most important structural component and in the same time the most exposed one. There is a permanent interaction between the insulation material and electrical parts of the equipment, therefore the insulation behaves as a sensitive warning system of any change occurring during the operation. Any faults eventuate in insulation or electrical components influence the safe and efficient operation. Monitoring the insulation frame the obtained data characterises the whole unit, the assessment of the device can be accomplished based of this. More, in some cases this indirect supervision is the only methodology to have information about the condition without taking out of operation the whole electrical device. The control of the insulation is usually performed by various type of measurement used electrical engineering and physics. The completion of these with the application of the latest methods of analytical chemistry give an entire overlook and a better understanding of the actual condition, trend in ageing and life prediction.
 

Results and discussion

Each main type and wide ranging insulation material was examined, both by performing model experiments or analysing real-world cases. The research can be divided based on the state (gas, liquid, solid) of insulation materials.

In the case of gas phase insulation (sulphur hexafluoride gas) the mechanism of spark induced plasmachemical reaction¹ was investigated. As analytical chemistry methods various type of gas chromatography and gas chromatography-mass spectrometry were used for separation and quantification of the decomposition products. The process was followed by laboratory scaled model experiments. Based on the analytical results formation rates for each isolated compound were calculated and compared with data avaiable in literature. The summary of them is listed in Table. 1.

The depolimerization of solid insulation (paper) was identified by an indirect method: measuring the oil soluble, stable degradation by-products in oil (listed in Table 2.), and from the amount and varying type the actual state of cellulose insulation was determined.

New extraction (optimised liquid-liquid extraction) and quantitation method (LC/MS) is suggested for isolation, separation and qualitative-quantitative measurement of the six most important decomposition products². Data are compared with the results of the currently used standard method, including solid phase extraction followed by HPLC/UV determination³.

The structure of the liquid insulation (mineral oil) was examined to explain the non-expected change in electrical properties. Based on theoretical calculation, set up of geometrical model and experimental measurements revealed that the different structure of water clusters are responsible for the modified insulation properties, water is dissolved in oil in form of clusters. The Fourier transform infrared spectra⁴ of three characteristical real-world oil sample are presented in Figure 1.

The size and type of clusters depend on the water concentration, and the change in conductivity is due to the rate of polarization of the oil depending from the total dipole moment of a certain cluster.
 
 

Table 2. The structural formulae, relative molecular masses, concentrations and chromatographic parameters of furanic compounds
Furanic compounds and abbreviation	Structural formula	Rel. molecular weight	Concentration in spiked oil sample (m g/g)	Retention time (min)	Ion monitored (m/z)
3-furoic acid methyl ester (3-FAME)		126	5.3	3.89	127
2-acetyl -furan  (2-ACF)		110	3.1	4.35	11
5-hydroxymethyl- 2-furaldehyde  (5-HMF)		126	4.6	5.05	127
2-furfuryl alcohol  (2-FOL)		98	5.0	6.61	81
2-furaldehyde (2-FAL)		96	5.0	6.85	97
5-methyl-2-furaldehyde  (5-MEF)		110	5.1	9.25	111

Publications

1. Orsolya Kóréh, Tamás Rikker, Gábor Molnár, Kornél Torkos, József Borossay: Study of Decomposition of Sulphur Hexafluoride Gas by Gas Chromatography/Mass Spectrometry. Rapid Communication on Mass Spectrometry, 11, 1643-1648 (1997)

2. Orsolya Kóréh, Krisztina Ludányi, Károly Vékey, Eszter Jávorszky, Eszter Molnár, Kornél Torkos, József Borossay: Determination of Furanic Compounds in Insulating Oil by High Performance Liquid Chromatography/Mass Spectrometry Using Atmospheric Pressure Chemical Ionization Interface. Rapid Communication on Mass Spectrometry, 12, 1515-1519(1998)

3. Orsolya Kóréh, Kornél Torkos, M. Bashir Mahara, József Borossay: Extraction and Quantitation of Furanic Compounds Dissolved in Oils. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 228/1-2/ (1998)

4. Orsolya Kóréh, Kornél Torkos, M. Bashir Mahara, József Borossay, Vladislav Izvekov: Study of Water Cluster in Insulating Oils by Fourier Transformed Infrared Spectroscopy. IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulations (in press)

5. Kóréh Orsolya, Rikker Tamás, Molnár Gábor, Torkos Kornél, Borossay József: Kén-hexafluorid gáz plazmakémiai bomlásának vizsgálata gázkromatográf-tömegspektrométer csatolt rendszerrel. Magyar Kémiai Folyóirat (beküldött kézirat)

6. Gábor Molnár, Sándor Gaál, Orsolya Kóréh, József Borossay: Comparison of The Thermal Desorption Spectra and Exoemission Spectra of BeO:TiO₂ and BeO:Li Thermally Stimulated Exoelectron Emission Detectors. Rapid Communication on Mass Spectrometry,11, 683-685 (1997)
 

Vissza a tartalomjegyzékhez Back to Contents

Vissza a PhD-tézisek tartalomjegyzékhez Back to PhD theses list

http://www.kfki.hu/chemonet/ http://www.ch.bme.hu/chemonet/