kp_loeng1

ELEKTROENERGEETIKA INSTITUUT

KÕRGEPINGETEHNIKA Loengukonspekt aines AEK 3011

Ülo Treufeldt

Tallinn, 2010

Kõrgepingetehnika

Ü. Treufeldt. TTÜ elektroenergeetika instituut 2

Õppeaine sisu: 1. Sissejuhatus 2 h 2. Lahendused gaasides 8 h

2.1 Välisisolatsiooni üldiseloomustus 2.2 Füüsikalised protsessid ioniseeritud gaasides 2.3 Lahendus ühtlases väljas 2.4 Lahendus mitteühtlases väljas 2.5 Sädelahendus impulsspingel 2.6 Lahenduspinged gaasides 2.7 Pindlahendus 2.8 Isolaatorid 2.9 Koroona

3. Lahendused vedelates ja tahketes dielektrikutes ning siseisolatsiooni karakteristikud 8 h 3.1 Siseisolatsiooni üldiseloomustus 3.2 Vedeliku läbilöök 3.3 Õli-barjäär isolatsioon 3.4 Paber-õli isolatsioon 3.5 Tahkete dielektrikute läbilöök 3.6 Trafode, kondensaatorite ja kaablite isolatsioon

4. Kõrgepingelabori seadmed ja kõrgepinge mõõtmine 4 h 4.1 Isolatsiooni katsetamine 4.2 Isolatsiooni profülaktika 4.3 Kõrgepinge prooviseadmed 4.4 Kõrgepinge mõõtmine

5. Atmosfääri liigpinged 8 h 5.1 Välk 5.2 Kaitse välgu otselöögi vastu 5.3 Maandurid 5.4 Liigpingepiirikud 5.5 Liinide piksekaitse 5.6 Alajaamade piksekaitse

6. Siseliigpinged elektrisüsteemides 8 h 6.1 Siseliigpingete üldiseloomustus 6.2 Kommutatsiooni liigpinged 6.3 Liigpingete piiramine

7. Isolatsiooni koordinatsioon 2 h 7.1 Õppeaine kokkuvõte 7.2 Isolatsiooni elektrilise tugevuse ja mõjuvate pingete kooskõlastamine

Kõrgepingetehnika


Põhiõpikud

1. M. Kalifa. High Voltage Engineering – Theory and practice.

Markel Dekker Inc., 1990. 2. M. Aro, J. Elovaara, M. Kartunen, K. Nousiainen, V. Palva.

Suurjännitetekniikka. Otatieto OY, Jyväskylä. 1996. 3. B. B. Базуткин, В. П. Ларионов, Ю. С. Пинталь. Техника высоких напряжений. Москва, 1986.

4. A. J. Pasini, K. D. Smalling. High Voltage Power Equipment Engineering. Penn Well Publishing Company, USA, 1994, 170 pp.

5. M. Abdel-Salam, H. Anis, A. El-Morhsedy, R. Radwan. High Voltage Engineering – Theory and practice. Second edition. Markel Dekker Inc.

Kõrgepingetehnika


1. SISSEJUHATUS

1.1 Ülevaade ajaloost Universum 13 700 000 000 Päikesesüsteem ja Maa 4 550 000 000 Bakterid 3 800 000 000 Ainuraksed 1 500 000 000 Loomorganismid 600 000 000 Liikide arvu suu kasv 500 000 000 Selgroogsed 380 000 000 Dinosauruste väljasuremine ja imetajate võidukäik 65 000 000 Inimese ilmumine 4 000 000 1 000 000 Inimtegevuse jäljed 10 000 Tsivilisatsioonide algus 5 000 Teaduse- ja tehnikaajastu 200 Arvutite ajastu 60 (40)

Kõrgepingetehnika


1.2 Kõrgepinge ajalugu

2250 e.Kr Dendera tempel

1300 e.Kr seaduselaegas

1170 e.Kr. “piksevardad” Midnet Abu templil

1745 – 1753 Georg Richmanni (1711 – 1753) elektri mõõtmine,

lohekatsed

1752 Benjamin Franklin – lohekatsed ja piksevarras

1855 esimene eestikeelne füüsikaõpik

1882 esimesed generaatorid Narvas ja Tallinnas

1913 3 kV kaabelvõrk Tallinnas

1918 15 kV EÜL Kunda – Rakvere

1924 35 kV EÜL Ellamaa – Tallinn

1931 55 kV EÜL Narva – Püssi

1950 110 kV EÜL Ahtme – Tallinn

1961 220 kV EÜL Balti EJ – Veskimetsa

1962 330 kV EÜL Balti EJ – Valmiera

Kõrgepingetehnika


Dendera tempel (30 miili Luxorist põhja poole)

Kõrgepingetehnika


Bareljeefid Dendera templi seintel

Kõrgepingetehnika


Vana Testament ja tsivilisatsioonid

3000 a. e.Kr. – Sumerid ja semiidid

2000 a. e.Kr. – Juudi rahvas Eufrati äärest Kaananimaale

1700 a. e.Kr. – Osa juudi rahvast siirdus Egiptusesse

Algas „Egiptuse vangipõlv“

1300 a. e.Kr. – Põgenemine Egiptuse vangipõlvest

Mooses, Siinai mägi, Seaduselaegas

1250 a. e.Kr. – Palestiina tagasivallutamine

1000 – 960 a. e.Kr. – Juudi riigi hiilgeaeg, Taavet ,

pealinn Jeruusalemm

960 - 925 a. e.Kr.– Saalomon, Tempel, Riigi jagunemine:

- Iisrael (pealinn Samaaria)

- Juuda (pealinn Jeruusalemm)

722 a. e.Kr. – Assüüria vallutab Iisraeli

587 a. e.Kr. – Babüloonia vallutab Juuda

Nebukadnetsar II, Paabeli vangipõlv

539 a. e.Kr. – Pärsia vallutas Mesopotaamia (Kyros II),

juudi rahvas sai tagasi kodumaale,

Vana Testamendi koostamise algus

2 – 3 saj. e.Kr. – Vana Testamendi lõplik valmimine

Kõrgepingetehnika


Seaduselaeka välimuse rekonstruktsioon

Kõrgepingetehnika


1.3 Standardpinged

Standard EVS-IEC 60038:2007 (IEC 60038:2002 - Standard Voltages) Põhimõisted:

• nimipinge • võrgu suurim ja vähim talitluspinge • seadme suurim lubatud kestevpinge

Standard EVS-IEC 60038 määrab kindlaks elektrivõrkude ja seadmete nimipingete ning seadmete suurimate lubatavate kestevpingete soovituslikud väärtused. Üle 1000 V kolmefaasilised võrgu ja seadmete nimipinged jagatakse kolme rühma:

• keskpinged 1 kV < U ≤ 35 kV • kõrged pinged 35 < U ≤ 230 kV • ülikõrged pinged 245 < U

Nimipingete jada ja vastavad seadmete suurimad lubatavad kestevpinged: Keskpinged

Võrgu nimipinge, kV 3* 6* 10 (15) 20 35

Seadmete suurim lubatav kestevpinge, kV

3,6* 7,2* 12 (17,5) 24 40,5

* mittesoovitatavad kommunaal-jaotusvõrkudes

Kõrged pinged

Võrgu nimipinge, kV (45) 66 110 132 (150) 220


(52) 72,5 123 145 (170) 245

Ülikõrged pinged

Võrgu nimipinge, kV 330


363

Kõrgepingetehnika


Nimipingete areng

Joonis 1.1 Nimipingete areng maailmas ja Eestis

1890 1910 1930 1950 1970 1990

20-30 110

220

380

kV 1000

800

600

400

200

EESTI

MAAILM

500

750

1150

15 35 55

110

220

330

Un

Aasta

Kõrgepingetehnika


1.4 Isolatsiooni liigitus ja elektriline tugevus Välisisolatsioon:

- õhkvahemikud ja tahke isolatsiooni õhuga kontaktis olevad pinnad Siseisolatsioon:

- seadmete sisemine, välistingimuste eest kesta või korpusega kaitstud isolatsioon

Välis- ja siseisolatsiooni läbilöögid • siseisolatsiooni läbilöök – pöördumatud muutused • välisisolatsiooni läbilöök – mööduvad muutused

Isolatsiooni elektriline tugevus sõltub:

- materjalist

- keskkonnast

- pinge mõjumise ajast

- jahutustingimustest

- radiatsioonist

- ja muudest teguritest Joonis 1.2 Elektrilise tugevuse sõltuvus pinge suurusest ja mõjumise ajast

U

Uatm

Usis

Um

Isolatsiooni elektriline tugevus

Mõjuvad pinged

t

50 µs 10 ms ms

20-30 aastat ms

Kõrgepingetehnika


1.5 Liigpingete liigitus tekkepõhjuste järgi

• atmosfäärilised liigpinged Uatm t < 50…100 µs I < 200…400 kA U – on statistiline suurus

Joonis 1.3 Liini liigpingete esinemise tõenäosus pinge suuruse järgi

Atmosfääriliste liigpingete piiramine: • piksekaitsetrossid liinidel • piksekaitsesüsteemid hoonetel ja alajaamades • liigpingepiirikud

• siseliigpinged Usis < (3…3,5) Un isolatsiooni varu on piisav kuni 220 kV-ni üle 220 kV – oluline on siseliigpingete piiramine

Piksekaitsetrossita

Piksekaitsetrossiga

P(U)

1,0

0,1

0,0

0,001 0,5 1,0 2,0 4,0 8,0

U

MV

Kõrgepingetehnika


1.6 Isolatsioonile mõjuvate liigpingete klassid ja kujud

(IEC 60071) Pingeklassid: Madalsageduslikud liigpinged

Kestev liigpinge Ajutine liigpinge (TOV)

Joonis 1.4 Madalsageduslikud liigpinged

T1 T2

T1 = 0,02 s (f1 = 50 Hz) T2 ≥ 3600 s = 1 h

t

U

T1 T2

0,1 s < T1 = 0,002 s (10 < f1 < 500 Hz) 0,03 s ≤ T2 ≤ 3600 s = 1 h

t

U

Kõrgepingetehnika


Transientliigpinged Lauge tõusuga impulss Järsu tõusuga impulss Väga järsu tõusuga võnkuv impulss

Joonis 1.5 Transientliigpinged

20 µs < T1 ≤ 5000 µs T2 ≤ 20 ms

T1

T2

t

U 1,0

0,5

1,0

0,5

0,1 µs < T1 ≤ 20 µs T2 ≤ 300 µs

T1

T2

t

U

T1

3 ns < T1 ≤ 100 ns 0,3 MHz < f1 < 100 MHz 30 kHz < f2 < 300 kHz T2 ≤ 3 ms

T2

t

U 1,0

0,5

f1

f2

Kõrgepingetehnika


1.7 Võrgu maandamisviisid

Joonis 1.6 Võrgu maandamisviisid: a. isoleeritud neutraaliga võrk b. resonantsmaandatud võrk c. jäikmaandatud võrk

1.7 Isolatsiooni koordinatsioon Isolatsiooni koordinatsiooniks nimetatakse liigpingete statistilise iseloomu hindamise, kaitseseadmete valiku ja isolatsiooni konstruktsiooni ning parameetrite leidmise sidumist ühtseks terviklikuks ülesandeks.

a b

c

Kõrgepingetehnika


2. LAHENDUSED GAASIDES

2.1 Välisisolatsiooni üldiseloomustus Välisisolatsioon – õhkvahemikud ja seadmete tahke isolatsiooni õhuga kontaktis olevad pinnad, mis alluvad elektrivälja ning muude välistingimuste (saast, niiskus, kahjurid jms) mõjule. Välisisolatsioonile mõjuvad tegurid:

• õhurõhk p • temperatuur T • absoluutne niiskus H

Välisisolatsiooni pindadele mõjuvad lisaks: • sademed • saastumine • tuul

Välisisolatsiooni normaaltingimused: P = 101,3 kPa = 760 mmHg T = 20°C

H = 11 g/m3 Isolatsioonis kasutatavad gaasid

Gaas Keemiline koostis

Elektriline tugevus õhu suhtes

Õhk *) 1,0 Lämmastik* N2 1,0 Eelegaas* SF6 2,5 Freoon* CCl2F2 2,5

* ei ole välisisolatsioon *)Õhu parameetrid: Atmosfääri kogukõrgus ~1000 km (99% - 40 km, 50% - 5,5 km) Õhu tihedus 1,225 kg/m3 Rõhk 101325 Pa Molekulide keskmine vabateepikkus 6,6.10-8 m = 66 nm Põhigaasid: ~78 % N2, ~20,9 % O2, ~0,93 % Ar, ~0,0375 % CO2 Lisandgaasid: Püsivad He, Ne, Kr, Xe, H2, H2O

Ebapüsivad CO, CH4, O3, ‘CH’, NO2, NH3, SO2 (Eluiga õhus mõnest päevast kuni aastateni)

Kõrgepingetehnika


Saastunud piirkondades: CO, ‘CH’, SO2, NOx Gaaslahenduse liigid:

• huumlahendus

• sädelahendus

• kaarlahendus

• koroona Pindlahenduse liigid:

• kuivlahendus

• märglahendus

• saastlahendus

2.2 Füüsikalised protsessid ioniseeritud gaasides 2.2.1 Üldmõisted Aatomi planetaarmudel

• aatomi raadius 10 nm • tuuma raadius 10-4 nm • prootoni ja neutroni raadiused 10-5 nm • elektroni raadius 5*10–6 nm

Elektron:

• seisumass m0 = 9*10-28 g • negatiivne laeng q = 1,6021892 ·10-19 C (kulonit)

Prootoni ja neutroni seisumassid = 1837 m0 Liikuva osakese mass suureneb (märgatav alates potentsiaalist: elektronidel 10 kV, ioonidel 1 MV):

2

0

1

−

=

c

v

mmv

Osakeste energia saab muutuda diskreetselt kvantide kaupa: hWW ν=− 21 ,

Kõrgepingetehnika


kus: νννν - on kvanti iseloomustava elektromagnetilise võnkumise sagedus, 1/s h – on Plancki konstant: 34106,6 −⋅=h J s Aatomi ergastatud olek kestab 10-8 – 10-10 s Mitmekordne ja astmeline ergastus Metastabiilne ergastus kestab 10-2 s. Metastabiilne orbiit → suurima võimaliku energiaga orbiit Ioniseerimene – elektroni ja aatomituuma vahelise sideme katkemine Ionisatsioonienergia Wi

qUW ii ⋅= Ionisatsioonipotentsiaal Ui

q

WU i

i =

Mõnede gaaside ionisatsiooni- ja ergastusenergiad Gaas Cs aur H H2 N N2 O O2 He

iW , eV* 3,9 13,6 15,4 14,5 15,5 13,6 12,5 24,6

eW , eV 1,4 10,2 11,2 6,3 6,1 9,1 7,9 19,8

* eV – elektronvolt on energia, mis seondub elektroni liikumisega elektriväljas kahe punkti vahel, mille potentsiaalide vahe on 1 V 2.2.2 Ionisatsiooni liigid. Rekombinatsioon Mahuionisatsioon:

• põrkeionisatsioon iWmv

≥2

2

(valemis on ladina “vee”)

• fotoionisatsioon iWh ≥ν (valemis on kreeka “nüü”)

kus h on Plancki konstant: 34106,6 −⋅=h J s

• termiline ionisatsioon e termoionisatsioon

(T = 3700…16000°C, 1…100 eV; 20°C juures 0,04 eV)

1. põrked intensiivsel soojusliikumisel

2. fotoionisatsioon kuuma gaasi kiirgusest

Kõrgepingetehnika


Ionisatsioon elektroodide pinnalt Mõnede metallide väljumistöö Wv (väikseim energia, mis on vajalik elektroni väljumiseks tahkest ainest) Metall Al Ag Cu Fe Wv , eV 2,7 3,1 3,9 3,9

• termoelektroonne emissioon

• katoodi pommitamine positiivsete ioonidega

• fotoefekt

• külmemissioon Rekombinatsioon Ioonne rekombinatsioon = + ioon ja – ioon Elektroonne rekombinatsioon = + ioon ja elektron Ühes kuupmeetris gaasis rekombineerub 1 sekundi jooksul nr laengukandjaid:

−+= nnn rr α 1/(s*m3) kus: rα – rekombinatsioonitegur, õhul 9106,1 ⋅=rα m3/s;

+n – positiivsete laengukandjate kontsentratsioon, 1/m3;

−n – negatiivsete laengukandjate kontsentratsioon, 1/m3.

Kui nnn == −+ , siis 2nn rr α= Rekombinatsioonil eralduv energia: ki WWh ∆+=ν

kus: Wi on ionisatsioonienergia ja ∆Wk on põrkel toimuv summaarse kineetilise energia muutus

Kõrgepingetehnika


2.2.3 Osakeste keskmine vaba tee pikkus

Joonis 2.1 Elektroni liikumine põrkest põrkeni Keskmine vaba tee pikkus:

inin

λλ 11

=∑=

( ) Nrr 2

0

1

+=π

λ

kus N on aatomite arv ruumiühikus, 1/cm3, õhu normaaltingimustel N = 2,77*1019

r on osakese raadius:

• elektronidel: rr <<0 Nr 2

1

πλ =

• ioonidel: rr ≈0 Nr 24

1

πλ =

Õhus normaaltingimustel on osakeste keskmine vaba tee pikkus ligikaudselt λ = 0,66*10-5 cm.

E

e –

λ1 λ2 λ3 λ4 λ5 λ7

r r0

2r r0+r

r0

Joonis 2.2 Osakeste põrkumine

Kõrgepingetehnika


Ionisatsiooniks vajalikke vabu elektrone genereerivad protsessid

Protsess Gaasid Vedelikud ja tahked dielektrikud

Metallid

Kosmiline kiirgus +

Radioaktiivne kiirgus +

Röntgenikiirgus + +

Ultraviolettkiirgus + +

Põrkeionisatsioon + + +

Termiline ionisatsioon + + + 2.2.4 Elektroni vaba tee pikkuse sõltuvus temperatuurist ja rõhust Osakeste arv ruumalaühikus sõltub rõhust p ja temperatuurist T

kT

pN = ,

k – Boltzmanni konstant k = 1,38·10-23 J/K , mis näitab, kui palju suureneb molekuli kineetiline energia gaasi temperatuuri tõusul 1 K võrra)

Siis elektroni vaba tee pikkus on pr

kTe 2π

λ =

ja kui tähistada AkT

r=

2π,

siis pAe

1=λ , ehk pA

e

=λ1

Vabal teekonnal elektriväljas kogub laetud osake (elektron) kineetilist energiat (kiirust).

Kõrgepingetehnika


2.2.5 Ioniseerimiseks piisav vaba tee pikkus. Townsendi I tegur Tõenäosus, et mingil teekonnal x põrget ei toimu n0 on põrkumata osakeste (elektronide) tihedus teekonna algul, kui X = 0 n on põrkumata osakeste (elektronide) tihedus teekonna lõpul, kui X = x

n0 > n

Liikudes veel edasi dx võrra on ühe elektroni ühe põrke tõenäosus λdx

, seega

osakeste tiheduse n korral väheneb teekonna dx põrkumata osakeste arv dn võrra

λdx

ndn=− e λdx

n

dn−=

Integreerides radades n0…n ja 0...x: ∫∫ −=xn

n

dxn

dn

0

1

0λ

saame λx

n

n−=

0ln ehk λ

x

en

n −=

0 , millest λ

x

enn−

= 0

λx

e−

on tõenäosus, et elektron läbib vahemaa pikkusega x ilma põrkumata. Ionisatsiooni toimumine Teepikkusel x, väljas E kogub elektron laenguga q energia qEx Ionisatsioon toimub, kui iWqEx ≥ , Seega ioniseerimiseks vajalik teekond xi

E

U

qE

Wx ii

i =≥

Tõenäosus, et ix≥λ on λix

e−

.

x 0 x + dx

n0 n n - dn X

Kõrgepingetehnika


Townsendi I tegur (John Townsend 1868 - 1957): (1/cm) Põrkeionisatsiooni e. Townsendi I tegurα võrdub ühe elektroni poolt sooritatud ionisatsioonide arvuga, kui see elektron liigub välja suunas ühe pikkusühiku võrra. Teisendused:

Arvestades, et pA=λ1

ja et E

Ux i

i=

saame E

pUA i

epA−

=α Tähistades BUA i = , saame tulemuseks

E

pB

epA−

=α Joonis 2.3 Õhu põrkeionisatsiooni teguri α sõltuvus väljatugevusest E rõhul 760 mm Hg ja temperatuuril 20°°°°C

λλ

αix

e−

=1

60

40

20

0 15 25 35 kV/cm

E

α

Kõrgepingetehnika


2.2.6 Elektronide laviin

• Elektronid laviini algatajaks on vaja vähemalt üht vaba elektroni. • Esimene vaba elektron tekitatakse välise ionisaatori toimel (näit. el.-mag.

kiirguse toimel eraldub katoodist elektron). • Vabal teekonnal elektriväljas elektron kiireneb ja kogub kineetilist

energiat. • Vaba tee lõpeb elektroni ja osakese põrkumisega. • Ioniseerimiseks piisava vaba teepikkuse korral toimub põrkeionisatsioon,

mille tulemusel vabaneb uus elektron ning tekib positiivne ioon. • Protsess kordub nüüd juba kahe elektroniga. • Protsess ereneb progresseeruvalt – tekib elektronide laviin. • Ioonid liiguvad katoodi poole, kuid elektronidest tuhandeid kordi suurema

massi tõttu seisavad nad elektronide liikumisega võrreldes praktiliselt paigal.

Joonis 2.4 Elektronide laviin ja elektriväljad

x E0

E0

n

N

N+ N_

E

E∑

E+ E_

x

x

hνννν

x

s

_0 EEEE ++= +Σ

dx

Kõrgepingetehnika


• Nii kujuneb välja laviini tüüpiline kuju, kus laviini peas liiguvad

elektronid kiiresti anoodi poole, aga sabas paiknevad „aeglaselt“ katoodi poole suunduvad ioonid.

• Elektronidest ja ioonidest tekkinud mahulaengud moonutavad elektrivälja. • Laviini peas elektriväli tugevneb ja soodustab ionisatsiooni ning laviini

arenemist. • Laviini keskel elektriväli nõrgeneb ning tekivad

rekombinatsiooniprotsessid ning sellega kaasnev elektromagnetiline kiirgus.

Teepikkusel dx toimub dxnα ionisatsiooni. n – elektronide arv kaugusele x jõudnud laviinis α – Townsendi I tegur

Seega elektronide juurdekasv teekonnal dx on dxndn α=

Integreerides dxn

dn xn

∫∫ =01

α

Saame ∫

=

x

dxen 0

α

Ühtlases väljas on kaugusele x jõudnud laviinis

xen α= elektroni.

Kõrgepingetehnika


2.3 Lahendus ühtlases väljas 2.3.1 Lahenduse kujunemine. Sõltumatu lahenduse tingimus Välisest ionisaatorist sõltumatu lahenduse eelduseks on sekundaarne ionisatsioon, mille allikateks võivad olla:

• laviinist katoodile suunduvad ioonid • laviinist lähtuv katoodi fotoionisatsioon • gaaside segus toimuv fotoionisatsioon

a) Lahendus madalatel rõhkudel Madalatel rõhkudel (p ≤ 1 mmHg) tekitavad sekundaarset ionisatsiooni laviinist katoodile suunduvad ioonid, lüües katoodi pinnast välja elektrone (hõredas gaasis on ioonide vaba tee pikkus selleks piisav). Seda, mitu elektroni lööb pinnast välja üks ioon, näitab nn pinnaionisatsiooni e. Townsend’i III tegur. Laviini pikimal (katoodist anoodini) teekonnal s (joon. 2.4) on elektronide arv

sen α= .

Seega on seal 11 −=− sen α iooni. Sõltumatuks lahenduseks tuleb pinnast välja lüüa vähemalt 1 elektron, seega sõltumatu lahenduse tingimuseks on

Arvestades, et 1>>seα ,

saab sõltumatu lahenduse tingimust lihtsustada

1=seαγ ehk γ

α 1=se ehk

γα

1ln=s

( ) 11 ≥−seαγ

Kõrgepingetehnika


b) Lahendus normaalsel ja normaalsest kõrgematel rõhkudel Joonis 2.5 Lahenduse arenemine normaalsel ja normaalsest kõrgemal rõhul Lahenduse arenemist seletab nn striimerteooria. Lahenduse arenemisel ei ole oluline kas tegu on alalis- või vahelduvvooluga. 1. etapp:

• elektrivälja ja välise ionisaatori toimel vabaneb katoodist esimene

elektron • tekib laviin • alglaviin jätab maha positiivse mahulaengu • elektriväli muutub ebaühtlaseks ja laviini keskosast lähtub

elektromagnetiline kiirgus põhjustab fotoionisatsiooni ja sekundaarseid laviine gaasi mahus

• sekundaarsete laviinide negatiivsed laengud suunduvad positiivsesse mahulaengusse

2. etapp:

• negatiivsed ja positiivsed laengud segunevad ning anoodi lähedal hakkab välja arenema striimer

• laviinide teke jätkub ja striimer hakkab arenema katoodi suunas • striimer on juhtiv • striimeri peasse koguneb sekundaarsete laviinide toimel positiivne

t 1. Etapp 2. Etapp 3. Etapp

LAVIIN STRIIMER PEALAHENDUS

Kõrgepingetehnika


mahulaeng • striimer kujutab anoodi pikendust ja tema ees elektrivälja tugevus

kasvab • protsess intensiivistub • striimeri kasvamiskiirus on umbes 108 cm/s = 1000 km/s

3. etapp:

• striimer läheneb katoodile • striimeri ja katoodi vahele kujumeb eriti tugev elektriväli • tekib eriti intensiivne laviinide teke ja moodustub tihe plasma • tihe plasma → suur vool → kanal kuumeneb → tekib

termoionisatsioon • katooodist anoodini kujuneb välja helenduv kanal, mida nimetatakse

pealahenduseks

Sõltumatu lahenduse tingimus:

1=seαγ

Siin γ on sekundaarse ionisatsiooni tegur, mis võtab arvesse kõiki sekundaarset ionisatsiooni põhjustavaid nähtusi ja omab üldisemat tähendust kui Townsendi III tegur.

2.3.2 Pascheni seadus Otsitav on sõltumatu lahenduse lävipinge (alguspinge) U. Sõltumatu lahenduse tingimus

γ

α1

ln=s

kus E

pB

epA−

=α (Townsendi I tegur) ja s on elektroodide vahekaugus.

Arvestades, et E = U/s :

γ

α1

ln===−−

U

spB

E

pB

espAespAs

Siit

γ1

ln

spAe U

spB

= ,

Kõrgepingetehnika


Millest

γ1

lnln

spAspB

U =

Pascheni seadus ( )spfU = e. fikseeritud temperatuuril sõltub sõltumatu lahenduse lävipinge rõhust ja elektroodide vahekaugusest. Teades, et A ja B on konstandid ja γ sõltub rõhust:

• madalatel rõhkudel γγγγ = 0,02…0,025 e. 41

ln ≈=γ

α s

• normaalsel ja kõrgemal rõhul γγγγ = 10-9 e. 201

ln ≈=γ

α s

saab joonistada Pascheni kõvera, näiteks õhu jaoks

Joonis 2.6 Pascheni kõver õhu jaoks Selgitus:

• kui p = const., näiteks 760 mmHg, siis sõltub sõltumatu lahenduse lävipinge vahekaugusest

o vähim lävipinge esineb kui s ≈ 5 mm/760 mmHg = 0,0066 mm o väiksemate vahemike korral muutub elektroni teekond lühikeseks,

ionisatsioonide arv väheneb, laviini tekkimine raskeneb ja sõltumatu lahenduse tagamiseks tuleb pinget tõsta

o suuremate vahemike korral tuleb sõltumatut lahendust tagava elektrivälja saavutamiseks rakendada kõrgemat pinget (E = U/s)

• kui s = const, siis sõltub lävipinge rõhust o vähimast väärtusest vasakule kasvab sõltumatu lahenduse

lävipinge, sest õhu hõrenedes ionisatsioonide arv kahaneb ja piisava ionisatsioonide arvu saavutamiseks tuleb pinget tõsta

o vähimast väärtusest paremale rõhu kasvades väheneb keskmine vabateepikkus ja laetud osakestele ioniseerivaks põrkeks piisava kineetilise energia saavutamiseks tuleb pinget tõsta

∼∼∼∼ 250

U

ps

∼∼∼∼ 0,5 cm*mmHg

Kõrgepingetehnika


Temperatuuri muutudes normaalsest erinevaks arvutatakse konstandid A ja B ümber valemitega

T

TAA 0'= ja

T

TBB 0'=

ja Pascheni seadus avaldub nüüd kujul

=

T

spfU

Õhu suhteline tihedus:

0

0p

p

T

T⋅=δ ,

kus p0 = 101,3 kPa ja T0 = 293°K Tulemus: ( )sfU δ=

2.4 Lahendus mitteühtlases väljas 2.4.1 Lahendus nõrgalt mitteühtlases väljas

Mitteühtluse aste keskE

Ek max=

Ühtlane väli : k = 1 Nõrgalt mitteühtlane väli: 1 < k < 2 Tugevalt mitteühtlane väli: k > 4 Sõltumatuks lahenduseks peab alglaviin oma protsesside tulemusel põhjustama vähemalt ühe uue elektroni väljumise katoodist.

Ühtlases väljas oli sõltumatu lahenduse tingimuseks ( ) 11 =−seαγ Sama tingimus mitteühtlases väljas:

110 =

−∫s

dx

eα

γ

Siit sõltumatu lahenduse tingimus

+==∫ 1

1ln

0 γα constdx

s

Kõrgepingetehnika


Proportsionaalsuse printsiip Nõrgalt mitteühtlases väljas on lahenduspinge elektroodide vahelise kauguse s ja õhu suhtelise tiheduse δ korrutise ning vahemiku kõigi geomeetriliste mõõtmete ri ja elektroodide vahelise kauguse s suhte funktsioon

= ...;;;; 321s

r

s

r

s

rsfU δ

Näiteks koaksiaalsed silindrid

=

s

RsfU ;δ

Joonis 2.7 Lahenduspinge koaksiaalsete silindrite korral

Siit tuleneb nn. proportsionaalsuse printsiip. Kui kõiki seadme mõõtmeid suurendada või vähendada k korda ja samas vastavalt vähendada või suurendada rõhku k korda, siis jääb lahenduse lävipinge muutumatuks.

R

r

s

Kõrgepingetehnika


2.4.2 Lahendus tugevalt mitteühtlases väljas Tugevalt mitteühtlane väli tekib näiteks teraviku ja tasapinna vahel. Lahenduse kulg sõltub elektroodide polaarsusest a) teravik on positiivne

Joonis 2.8 Lahendus tugevalt mitteühtlases väljas (teravikuline anood) Positiivse teraviku korral:

• elektronide laviin lähtub alati katoodist (siin tasapinnalt) • elektronide laviinid suunduvad tsapinnalt teravikule (1) • teraviku ette jääb laviinidest maha positiivne mahulaeng (2)

4

4

E

1

2

ANOODSTRIIMER

E

El El

1

2

3

Kõrgepingetehnika


• positiivne mahulaeng tugevdab mahulaengu ees olevat elektrivälja (kõver 2)

• tugevas elektriväljas tekib intensiivne ionisatsioon ja moodustuvad üha uued laviinid (3)

• teraviku läheduses toimub + ja – laengute segunemine ja moodustub nn anoodstriimer

• anoodstriimeri ees püsib positiivse mahulaengu tsoon (4), mis hoiab striimeri ees tugevat elektrivälja (kõver 4) ja striimer kasvab jõudsasti katoodi suunas (108…109 cm/s)

• striimeri lähenemisel katoodile suureneb striimeri ja katoodi vaheline mahtuvus ning striimeri kaudu hakkab kulgema suur mahtuvuslik vool

• suur mahtuvuslik vool kuumutab striimerit ja kutsub esile termoionisatsiooni tekkimise striimerkanalis

• striimerkanal hakkab helenduma ja muutub nn liiderkanaliks • kuna liiderkanal vajab kuumenemiseks aega, siis liiderlahendus areneb

mõnevõrra aeglasemalt (106 cm/s) kui striimer. • liiderkanali lähenemisel katoodile tekib katoodi ja liidri vahel tihe

plasma, millest saab alguse nn pealahendus (väga eredasti helenduv kanal)

• pealahendus areneb teraviku poole kiirusega 109 cm/s b) teravik on negatiivne

• esmane laviin liigub teravikult tasapinnale (1) • mahajäävad positiivsed ioonid liiguvad “aeglaselt” teraviku poole ja

moodustavad teraviku ette positiivse mahulaengu (2) • teraviku ees olev mahulaeng vähendab tasapinna poole jäävat elektrivälja

(kõver 2) • tugev on elektriväli aga terviku lähedal, kus tekivad üha uued laviinid,

mis liiguvad läbi positiivse mahulaengu • positiivsesse mahulaengusse segunevad laviinide elektronid ja

moodustub nn katoodstriimer • katoodstriimer on suhteliselt laialivalguv ja areneb edasi ainult temast

läbitungivate (3) ja tema ees tekkivate (4) laviinide arvelt suhteliselt aeglaselt (10 x aeglasemalt kui anoodstriimer)

• edasi areneb lahendus analoogiliselt positiivse teraviku juhtumiga Selle tulemusel on positiivse terviku korral lahenduspinge tunduvalt madalam: vastavalt:

• 4,5 kV/cm positiivse terviku korral • 10 kV/cm negatiivse teraviku korral • (ühtlase välja puhul oli ca 30 kV/cm)

Kõrgepingetehnika


Joonis 2.9 Lahendus tugevalt mitteühtlases väljas (teravikuline katood)

4

4

KATOODSTRIIMER

E

El El

1

2

E

1

2

3

Kõrgepingetehnika


Ligikaudsed parameetrid: Laviini läbimõõt 0,1 mm, laviini pikkus 1 mm, arenemise kiirus 1,5*107 cm/s Striimeri läbimõõt 0,5 mm, striimeri vool 10 – 20 A, Striimeri arenemise kirus 108 – 109 cm/s Striimeri arenguks vähim vajalik väljatugevus 10 kV/cm Mitteühtlases väljas ei pruugi sõltumatu lahendus alati tähendada läbilööki –tugevalt ebaühtlases väljas võib tekkida nn koroonalahendus. Nõrgalt mitteühtlases väljas Ukor = Uläb Tugevalt mitteühtlases väljas Ukor << Uläb Läbilöögipinge on vahelduvpingel pisut väiksem kui alalispingel. Seda seletatakse jääklaengutega, mis eelmisest poolperioodist jäävad teraviku lähedussse.

kp_loeng1

Documents

tt elektroenergeetika

sltumatu lahenduse

plancki konstant

markel dekker

f1 lt

tegur

townsendi

lt