Osnove visokonapetostne tehnike
Razelektritev
Boštjan Blažič[email protected]‐lj.sileon.fe.uni‐lj.si01 4768 414
2013/14
Dielektrična trdnost in zdržnost izolacije
Izolacijski materiali med elektrodama– plinasti, tekoči, trdni
dielektrična trdnost: jakost električnega polja, ki jo dielektrik zdrži, preden se njegova struktura poruši (V/m)
dielektrična zdržnost: najvišja napetost, ki jo element še zdrži dielektrična trdnost tudi časovno pogojena zdržna napetost: najvišja napetost, ki jo element še zdrži
Testiranje izolacijskih materialov v homogenem polju– odstopanje polja od homogenega polja: faktor izkoristka elektrodne
konfiguracije η (odvisnost od razmerja d/r0, krogelno iskrilo: η = 0,85..1)– računamo s homogenim poljem, ki ga popravljamo s faktorjem η– jakost polja največja na površni elektrode, v točki, ki je najbližja drugi elektrodi
hom
max
1 2hom
max homp
EE
V VUEd d
U E d E d
Razelektritev
Procesi, ki povzročajo dielektrične obremenitve, so hitri: predpostavimo, da je obratovalna napetost v tem času konstantna (enosmerna)
Za razelektritev morajo obstajati gibljivi naboji– ionizacija: proizvodnja nosilcev elektrine (nevtralna molekula odda ali sprejme
elektron) na elektrodah ali v prostoru udarna (trkovna) ionizacija: pospešeni nabiti delec trči z nevtralnim in izbije
elektron‐e fotoionizacija: foton trči v nevtralni delec, povzroči ionizacijo termična ionizacija: pri visoki temp., molekule s trki povzročajo ionizacijo
– lavinska (plazovita) ionizacija: nabiti delec ima dovolj energije, da izbije nevtralnemu delcu dva elektrona zunanja ionizacija ni več potrebna zrak: 3 MV/m, izguba lastnosti izolatorja
– pramenasta ionizacija (streamer): ob močnem polju v plazu pride do razvoja streamer‐jev kot posledica fotoionizacije
– razelektritev v plinih, tekočinah in trdnih dielektrikih podobna– razelektritve: delne (prasketanje, tlenje, korona), popolne (preskok oz. preboj
izolacije – iskra, oblok)
Razelektritev
Razelektritev– ionizacija spremeni izolatorske
lastnosti dielektrika– razelektritve: delne (tlenje oz. korona,
pramen), popolne (preskok oz. preboj izolacije –> iskra, oblok): tlenje (korona): polje je homogeno,
naboj se prazni v okoliški prostor, ne doseže nasprotne elektrode
pramen: polje je šibko nehomogeno, z višanjem napetosti se tlenje pretvarja v pramenasto plazenje (modro svetlikanje), naboj ne doseže nasprotnem elektrode
iskra: polje je nehomogeno, pride do prehodnega tokovnega pulza (energija vira ne more vzdrževati obloka)
oblok: polje močno nehomogeno, s temperaturo pogojena prevodnost
Razelektritev – naraščanje števila nosilcev naboja
Plazovito naraščanje nosilce naboja– predpostavka: v električnem polju en prosti elektron, pospeševanje v polju Ei– pogoj za začetek ionizacije
– generiranje novih delcev
– ionizacijski koeficient: število ionizacijskih parov na enoto razdalje zaradi začetnega elektrona
i e i ionizacijee E e U W
0
x
xx
dn n dx
n n e
n0 ..začetno število prostih elektronovnx ..število prostih elektronov na razdalji xα ..ionizacijski koeficient
255/
(splošna enačba za pline)
8,8 (zrak)E p
Ep fp
ep
Razelektritev v homogenem polju
Plazovita (lavinska) ionizacija v zraku, homogeno polje (Townsendow mehanizem)– začetno število delcev na katodi n0– število delcev prve generacije na anodi:– ioni potujejo na katodo, elektroni na anodo– ioni povzročijo na katodi novo ionizacijo
število ionov: elektroni druge generacije:
– število delcev prve generacije na anodi:– število delcev k‐te generacije:
0 0d
dn n e
0 0 0 1d dn n e n e
0 1dIn n e
0 1d ddIn n e e
2 1( 1) 0 1 ..
1
d kd k
d
n n e M M M
M e
1M 1M 1M
Razelektritev v rahlo nehomogenem polju
Rahlo nehomogeno polje– vpliv prostorske elektrine na polje
hitro elektroni tvorijo negativno glavo plazu (velika gostota naboja) počasni ioni tvorijo razpotegnjen rep
– povečanje polja pred glavo večja ionizacija, oddajanje svetlobe zaradi fotoionizacije pride do generiranja novih plazov (kanal, pramen, streamer)
Primeri razelektritev v nehomogenem polju– Pozitivna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja– Pozitivna konica – plošča, primer kritičnega ojačenja (razvoj streamerjev)– Negativna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja
Razelektritev v nehomogenem polju
Pozitivna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja– neenakomerna razporeditev potenciala
ionizacija, ioni počasnejši od elektronov ob dotiku z anodo se elektroni nevtralizirajo poz. ioni se počasi pomikajo proti katodi• poz. ioni zmanjšajo jakost polja ob pozitivni
elektrodi• poz. ioni povzročijo, da se konica navidezno
pomakne bliže katodi (povečanje polja)
Razelektritev v nehomogenem polju
Pozitivna konica – plošča, primer kritičnega ojačenja (razvoj streamerjev)– jakost polje na koncu oblaka poz. ionov preseže Emin (začetek trkovne ionizacije)
nevtraliziranje pozitivnih ionov prve lavine
– sprožitev druge lavine v prostoru pred oblakom zaradi fotoionizacije ‐> streamer povečanje števila nosilcev elektrine nad 108/cm3
preskakovanje delov poti s svetlobno hitrostjo
– proces se ustavi, ko polje pade pod Emin
ionizacija se odvija daleč v prostor med elektrodama, na področje nizke jakosti E
Razelektritev v nehomogenem polju
Negativna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja– neenakomerna razporeditev potenciala
ionizacija, ioni počasnejši od elektronov (hitro oddaljevanje elekt. od neg. konice) elektroni tvorijo s plinom (npr. kisik) negativne ione negativni ioni pred konico oslabijo polje, lavinski proces ni več mogoč poz. ioni gredo proti konici, poveča se jakost polja ob pozitivni elektrodi
• ponovna tvorba elektronov pred anodo je polje nekoliko povečano zaradi negativnega prostorskega naboja v splošnem je polje enakomernejše – kritična napetost je višja
Razelektritev v nehomogenem polju
Negativna konica – plošča, primer kritičnega ojačenja– lavinska razelektritev pri ostrih konicah– kritično ojačenje lavine lahko vodi do streamerjev
Iskra in električni oblok
Pramenasta razelektritev premosti vso razdaljo– zaradi majhne prevodnosti napetost ne upade v trenutku– več pramenastih razelektritev povzroči termo‐ionizacijo (segrevanje kanala)
povečanje prevodnosti razelektritvene poti povečanje prevodnosti povzroči nadaljnje povečanje toka in razvijanje toplote na konici se pojavi svetlo steblo (plazma) rast svetlega kanala: vodilna razelektritev (iskra ali leader)
– oblok nastane, ko iskra premosti celotno razdaljo med elektrodama