Proposta de configuração para testes e caracterização de dielétricos em condição criogênica para uso em tecnologia de supercondutores

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Proposal for a configuration for testing and characterization of dielectrics in cryogenic conditions for use in superconductor technology

Primeiro orientador

Membros da banca

José Osvaldo Saldanha Paulino
Ivan José da Silva Lopes
Marcelo Azevedo Neves
Estácio Tavares Wanderley Neto

Resumo

Uma das questões mais importantes no desenvolvimento de cabos supercondutores de energia (CSE) com dielétrico frio, bem como outros dispositivos da tecnologia supercondutora de alta temperatura crítica (HTSTec), é o sistema de isolamento elétrico em ambiente criogênico. É desejável medir tanto a rigidez dielétrica, quanto as perdas dielétricas e permissividade elétrica de materiais isolantes em temperaturas criogênicas. Apesar de existirem medições destas características em ambiente criogênico para alguns materiais, ainda existe carência de metodologias e aparatos próprios neste campo de pesquisa, que permitam mais estudos com novas propostas de materiais e a disponibilização de dados para projetos. Nesta tese apresentamos uma contribuição através do projeto de um sistema de medição que permite medir as três grandezas citadas em amostras de materiais dielétricos em temperatura de banho em nitrogênio líquido (77 K), frequência industrial e alta tensão, utilizando eletrodos desiguais (25/75 mm). Tal sistema utiliza os mesmos eletrodos e câmara criogênica para todas as medições, observando padrões nacionais e internacionais. Desta forma somente os circuitos externos de alimentação e medição devem ser alterados para realização da respectiva caracterização. Em um primeiro momento, o arranjo foi concebido com ajuda de simulação computacional, utilizando um software comercial de Método dos Elementos Finitos (MEF), e considerações de projeto. Em etapa posterior, foi realizada a montagem e um teste de conceito do equipamento proposto, onde foram feitas medições das propriedades dielétricas mencionadas em folhas de material dielétrico laminado NKN. Este material é composto por filme de poliimida envolto em duas camadas de poliamida aromática, e foi proposto como alternativa no primeiro projeto de CSE brasileiro. Também foram feitas medições da rigidez dielétrica com eletrodos iguais (6,4/6,4 mm), e de permissividade e tangente de perdas em baixa tensão, utilizado um medidor LCR, ou seja, que mede indutância (L), capacitância (R) e resistência (R). Neste caso, as medições foram em temperatura ambiente e criogênica, envolvendo o próprio NKN e seus constituintes. Resultados obtidos com o teste de conceito são comparados com essas medidas e outras disponíveis na literatura. O conceito de equipamento proposto é funcional, mesmo para um arranjo relativamente simples, e poderá ser empregado em diferentes contextos. Novas medições e aperfeiçoamentos são esperados em propostas futuras.

Abstract

One of the most important issues in the development of cold dielectric superconducting power cables (CSE), as well as other high critical temperature superconducting technology (HTSTec) devices, is the electrical insulation system in a cryogenic environment. It is desirable to measure both the dielectric strength, dielectric losses and electrical permittivity of insulating materials at cryogenic temperatures. Although there are measurements of these characteristics in a cryogenic environment for some materials, there is still a lack of methodologies and apparatus specific to this field of research, which would allow further studies with new material proposals and the availability of data for projects. In this thesis work we present a contribution through the design of a measurement system that allows measuring the three quantities mentioned in samples of dielectric materials at liquid nitrogen bath temperature (77 K), industrial frequency and high voltage, using unequal electrodes (25/ 75mm). This system uses the same electrodes and cryogenic chamber for all measurements, complying with national and international standards. Therefore, only the external power supply and measurement circuits must be changed to carry out the respective characterization. Initially, the arrangement was designed with the help of computer simulation, using commercial finite element method (FEM) software, and design considerations. In a subsequent stage, assembly and a concept test of the proposed equipment were carried out, where measurements of the dielectric properties mentioned were made on sheets of laminated NKN dielectric material. This material is composed of polyimide film wrapped in two layers of aromatic polyamide, which was proposed as an alternative in the first Brazilian CSE project. Dielectric strength measurements were also made with equal electrodes (6.4/6.4 mm), electrical permittivity and loss tangent at low voltage, using an LCR meter (inductance, capacitance and resistance). In this case, the measurements were at room and cryogenic temperatures, involving the NKN itself and its constituents. Results obtained with the concept test are compared with these measurements and others available in the literature. The proposed equipment concept is functional, even for a relatively simple arrangement, and could be used in different contexts. New measurements and improvements are expected in future proposals.

Assunto

Engenharia elétrica, Supercondutores, Dispositivos dielétricos, Método dos elementos finitos

Palavras-chave

Tecnologia supercondutora, Dielétrico criogênico, Rigidez dielétrica, Tangente de perdas, Permissividade elétrica

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