kp_loeng3

Kõrgepingetehnika

Ü. Treufeldt. TTÜ elektroenergeetika instituut 63

3. Lahendused vedelates ja tahketes dielektrikutes ning siseisolatsiooni karakteristikud

3.1 Siseisolatsiooni üldiseloomustus 3.1.1 Siseisolatsiooni liigid Siseisolatsioon on seadmete tahke, vedela või gaasilise isolatsiooni sisemised osad, mis on kaitstud atmosfääri ja muude välistingimuste mõju eest. Nõuded siseisolatsiooni materjalidele:

- elektriline tugevus - väikesed kaod - termiline stabiilsus - mehaaniline tugevus - tule- ja plahvatuskindlus - odavus

Kasutatavad siseisolatsiooni materjalid:

• tahked (polümeerid, epoksiidid, vilk) • vedelad (trafoõli, sünteetilised vedelikud) • gaasid (SF6) • kombineeritud

Siseisolatsiooni liigid:

• õlitäiteline isolatsioon • paber-õliisolatsioon • tahke isolatsioon • gaasisolatsioon

Siseisolatsiooni eripärad:

• ei sõltu atmosfääritingimustest • tahke isolatsiooni läbilöök põhjustab jääva rikke • isolatsiooni vananemine (v.a. gaasiloatsioon)

Isolatsiooni vananemist kirjeldab joonisel 3.1 esitatud volt-sekundkarakteristik.

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.1 Isolatsiooni vananemist näitav volt-sekundkarakteristik Vananemisel on 5 iseloomulikku staadiumi:

A. Puhtelektriline läbilöök (analoogiline gaaside läbilöögiga)

B. Puhtelektrilise läbilöögi aeg on palju väiksem, kuid mehaanilised ja keemilised protsessid ei jõua veel vallanduda

C. Läbilöögipinge vähenemine on seotud juhtivate sillakeste tekkimisega

D. Läbilöögipinge vähenemine toimub • materjali võimalike termiliste kahjustuste tõttu • materjali elektriline vananemine

E. Dielektriku materjali pikaajaline vananemine elektriliste, mehaaniliste ja termiliste mõjude toimel

Isolatsiooni vananemismehhanismid ja soovitatavad diagnostikameetodid

Seade Vananemismehhanism Diagnostikameetod

Trafod Isolatsiooni niiskumine, osalahendused

Õli analüüs, tanδ

Osalahenduste mõõtmine

Mõõtetrafod Paber-õliisolatsiooni vananemine Õli gaasianalüüs, tanδ

Elegaasjaotlad Osalahendused Osalahenduste mõõtmine

Paber-õlikaablid Osalahendused Osalahenduste mõõtmine

Plastkaablid Dendriidid (“elektripuud”) Osalahenduste mõõtmine

Läbiviik-isolaatorid

Isolatsiooni niiskumine, osalahendused

Osalahenduste mõõtmine, tanδ

Kondensaatorid Osalahendused Osalahenduste mõõtmine

10-6 10-4 10-2 1 102 104 106 108 s

t

Ull

A B C D E

Kõrgepingetehnika


3.1.2 Osalahendused Osalahendused tekivad tahkete dielektrikute gaasitühimikkudes (gaasimullides) või vedelate dielektrikute kihististes. Gaasitühemikud võiva tekkida dielektriku valmistamisel või käidus. Tavaliselt ei ületa gaasitühimiku suurus 1 mm ja moodustab dielektrikust tühise osa. Osalahendused tekivad esmalt just gaasimullides, sest:

• Gaasimulli elektriline tugevus on väiksem tahke dielektriku elektrilisest tugevusest.

• Elektrivälja tugevus on gaasimulli sees suurem kui teda ümbritsevas dielektrikus erineva dielektrilise läbitavuse tõttu

Osalahenduste arenemist aitavad selgitada joonised 3.2 ja 3.3.

Joonis 3.2 Gaasimulliga dielektrik ja selle aseskeem Klemmile rakendatakse vahelduvpinge u

tUu m ωsin=

Kondensaatorile Ct (tühikule) langeb sellest pinge ut

tUu tmt ωsin= ,

kus vastavalt mahtuvuslikule pingete jagunemisele

tb

bmtm

CC

CUU

+=

tühimik

u

Ca

Cb

Ct

R ll

a

b

b a

t

Kõrgepingetehnika


ll on tühimikku modelleeriv lahendi, mille läbilöögipinge Ull võrdub tühimiku läbilöögipingega. R imiteerib tühimikus tekkiva lahenduskanali takistust. Oletame, et mingil ajahetkel t1

llt Uu =

ja toimub esimene tühimiku läbilöök e. esimene osalahendus tühimikus. (aseskeemil lühistub lahendi ll )

Kuna bC

Rω

1<< , siis hakkab tühimikule rakendunud pinge tu järsult langema

( bRC -ahela ajakonstandiga 10-8…10-9 s, s.t. praktiliselt hetkeliselt) kuni kaare kustumispingeni Uk . Edasisel käsitlusel kasutatakse mõisteid:

• osalahenduse kustumistegurit ll

k

U

U=η

• pingehüpet kllt UUU −=∆

Katseliselt on leitud, et 8,0...5,0=η

Joonis 3.3 Tühimikule rakenduva pinge muutumine

t

u tUu tmt ωsin=

ut ∆Ut

∆Ut

∆Ut

∆Ut

∆Ut

2Um t

Ull

Ull

Uk

Uk

t1 t2

Kõrgepingetehnika


Pärast esimese osalahenduse kustumist (hetkel t1) hakkab tühimikule rakenduv pinge ut jälle tõusma vastavalt valemile

ttmt UtUu ∆−= ωsin

Teise osalahenduse protsess kulgeb analoogiliselt kuni teise kustumiseni, ning ajahetkel t2 hakkab pinge uuesti tõusma seekord vastavalt valemile

ttmt UtUu ∆−= 2sinω

Niimoodi protsess jätkub kuni pingekõvera tUu tmt ωsin= amplituudini e.

veerandperioodini. Edasi positiivsel poolperioodil pinge enam ei tõuse ja osalahendusi ei teki. Poolperioodil tekkivate osalahenduste arv:

t

ktmT

U

UUn

∆

−=

222

Ühel ajaühikul esinevate osalahenduste arv:

( )ηη

−

−=

−

−==

1442 2

ll

ktm

kll

ktmT

U

UUf

UU

UUffnn

Vähim võimalik osalahenduste arv ajaühikus (kui lltm UU = ):

fn 4=

Pinge edasisel suurendamisel kasvab ajaühikus tekkiv osalahenduste arv hüppeliselt:

...1284 fff →→ Osalahenduste alguspingeks nimetatakse kogu dielektrikule rakendatud vahelduvpinge u efektiivväärtust, mille juures algavad osalahendused:

b

tblla

C

CCUU

+⋅=

2lg

Muud osalahenduse karakteristikud: Ühel osalahendusel mahtuvusel Ct neutraliseeritav laeng

tt UCQ ∆=∆

Kõrgepingetehnika


Osalahenduste keskmine võimsus

nQUP llOL2

1 η+∆=

Osalahenduste keskmine vool:

lg

2

aU

PI OL

OL =

Tegelikes konstruktsioonides on tühimike arv ja suurus juhuslik. Seega on ka osalahenduste protsessi iseloomustavad parameetrid juhuslikud suurused ja võivad väliselt sarnastes konstruktsioonides olla täiesti erinevad. Osalahenduste alguspingeks loetakse sel juhul kõige väiksemat tühimiku osalahenduse alguspinget. Osalahenduste mõju:

• lahenduskanali kiired elektronid pommitavad dielektriku väikest pinda • dielektriku väike osa (10-14…10-15 cm3) kuumeneb kuni mitmesaja

kraadini • selles osas dielektrik laguneb, tekivad (ka keemiliselt aktiivsed)

kõrvalproduktid • korduvatel osalahenduste tagajärjel tekivad dielektrikus kohalikud

süvendid • edasi koonduvad lahendused süvendisse ja tekivad “puukujulised” kanalid

ja lõhed • aja jooksul “puu” kasvab kuni dielektriku täieliku läbilöögini • isolatsiooni riknemise kiirus sõltub osalahenduste intensiivsusest ja

dielektriku materjalist

Kõrgepingetehnika


3.2 Vedeliku läbilöök 3.2.1 Vedeliku läbilöögi mehhanism Põhilised isoleervedelikud on mineraalsed ja sünteetilised õlid, trafoõlid Vedeliku läbilöögimehhanism ei ühti gaaside läbilöögiteooriaga:

• molekulide lähedus • suurem viskoossus • lisandite oluline mõju

Lisandid:

• tahked • vedelad • gaasilised

Joonis 3.4 Dipooli liikumine ebaühtlases väljas ja sillakeste tekkimine Sillakesed • Dipooli positiivsed ja negatiivsed laengud on võrdsed ja ühtlases väljas

selline dipool ei liigu.

• Mitteühtlases väljas on nende laengute asukohas väljatugevus erinev ja suurema tugevusega väljas asuvale dipooli otsale mõjub suurem jõud.

• Kuna tahke lisandi dielektriline läbitavus on suurem kui õlil (εT = 7..8, εõ = 2,2 ), hakkab dipool liikuma suurema väljatugevuse suunas.

• Dipooli otste lähedal tekib välja täiendav mitteühtlus, mistõttu dipoolid liituvad ja moodustavad piki elektrivälja jõujooni kulgevaid ahelaid e sillakesi.

• Sillakesed juhivad voolu ja nende temperatuur tõuseb

trafoõli

Kõrgepingetehnika


• Dipoolide liikumine paneb ka õli liikuma. Õli liikumine raskendab sillakeste tekkimist

Külmemissioon katoodi pinnalt

• Elektroodide teravate nurkade lähedal on väljatugevus suur

• Katoodi nurga lähedale moodustub elektronide pilv

• Elektronid liiguvad anoodi poole ja põhjustavad põrkeionisatsiooni

• Põrkumisel molekulidega tekivad ka gaasilised laguproduktid

Läbilöögi kanal on gaasiline. Gaasi tekitavad: • sillakeste ja nende ümbruse kõrge temperatuur – vedelik aurustub • elektronide tekitatud laguproduktid – ka gaasilised Läbilöögikanalis tekib sisuliselt gaaslahendus – striimerid, liidrid 3.2.2 Vedeliku läbilöögi põhilised seaduspärasused Õli läbilöögi mehhanism on oluliselt keerukas. Põhilised tulemused saadakse katseliselt. Õli läbilöögikatsete standardelektroodid on joonisel

Joonis 3.5 Õli läbilöögikatsetustel kasutatavad standardelektroodid

R = 25 mm

∅ = 36 mm

2,5 mm

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.6 Veesisalduse mõju õli elektrilisele tugevusele 1) väheviskoosne õli 2) viskoosne õli

Väheviskoosne õli:

• vee molekulaarne lahustumine kuni kontsentratsioonini 61050 −⋅≈C osa vett

• vesiemulsioon alates kontsentratsioonist 61050 −⋅≈C osa vett Viskoosne õli:

• vee molekulaarne lahustumine kuni kontsentratsioonini 610100 −⋅≈C osa vett

• vesiemulsioon alates kontsentratsioonist 610100 −⋅≈C osa vett Vesiemulsioon → minitilgakesed → dipoolid → sillakesed → läbilöök

E

CH2O

0 40 80 120 160 *10-6 osa vett

cm

kV

400

200

300

100

1 2

E

CH2O

0 40 80 120 160 *10-6 osa vett

cm

kV

400

200

300

100

1 2

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.7 Temperatuuri mõju õli elektrilisele tugevusele 1) kuiv õli 2) niiske õli

• Kuiva õli elektriline tugevus hakkab temperatuuri tõustes üle 80°C langema

seoses mõnede fraktsioonide aurustumisega • Niiske õli

– temperatuuril – 40 ….0°C on vee emulsioon asendunud tahkete osakestega

– temperatuuril 0…80°C emulsioon asendub osaliselt molekulaarse lahusega

– temperatuuril üle 80°C hakkavad fraktsioonid aurustuma

E

T

-40 0 40 80 100 °C

cm

kV

200

120

160

80

40

1

2

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.8 Õli volt-sekund karakteristik Voltsekund karakteristiku murdekoht vastab sillakeste tekkimise ajale 1≈t ms

Joonis 3.9 Aktiivse õlimahu mõju õli elektrilisele tugevusele Aktiivne õlimaht – elektroodide vahele jääv õli, mille maht sõltub oluliselt elektroodide pindalast. Mida suurem on elektroodide pindala, seda tõenäosem on juhtivate osakeste leidumine elektroodide vahel ja seda madalam on läbilöögipinge ja õli elektriline tugevus.

t 0,1 102 104 106 108 µs

160

240

80

kVmax U

0

Vt 10-3 10-1 101 103 cm3

E

100

200

50

cm

kV

0

150

Kõrgepingetehnika


3.3 Õli-barjäär isolatsioon Puhtalt õlivahemike elektriline tugevus on suhteliselt mitte väga kõrge, eriti tugevalt mitteühtlase välja korral: 5,0…7,5 kV/cm. Seepärast kasutatakse nn. õli-barjäär isolatsiooni:

• katmine • isoleerimine • barjäärid

Peamiselt kasutatakse kaablipaberit või pappi. Katmine

Joonis 3.10 Elektroodi katmine • Katte paksus 1…2 mm • Elektrivälja kuju praktiliselt ei muutu • Takistab püsivate sillakeste moodustumist elektroodide vahele • Suurim efekt esineb võrgusageduslikul pingel niiskusega ja

(tselluloosi)kiududega saastatud õlis • Isolatsiooni elektriline tugevus suureneb nõrgalt mitteühtlases väljas

70…100%, tugevalt mitteühtlases väljas 10…15% • Impulsspingete juures katmise mõju ei avaldu

õli

Õhuke paberkate

Pingestatud läbiviikjuht

Paagi maandatud sein

Kõrgepingetehnika


Isoleerimine • Tahke isoleerkihi paksus kuni mõnikümmend millimeetrit • Kasutatakse eeskätt tugevalt mitteühtlases väljas • Elektrivälja kuju muutub ühtlasemaks

Joonis 3.11 Elektroodide isoleerimine

• lahendus saab alguse õlivahemikus

• pärast õlivahemiku läbilööki rakendub kogu pinge tahkele dielektrikule:

- kui tahke dielektrik on õhuke, järgneb täielik läbilöök

- kui tahke dielektrik on piisavalt paks, siis läbilööki ei toimu, kuid korduvad õli läbilöögid võivad muuta tahke dielektriku kasutuskõlbmatuks

• seepärast loetakse isoleeritud elektroodide vaheliseks läbilöögipingeks õlivahemiku läbilöögipinget vaatamata sellele, et täielikku läbilööki ei toimunud

õli maandatud konstruktsioon

Tahke isolatsioon Pingestatud juht

E

õli

Kõrgepingetehnika


Barjäärid

• Paigaldatakse tavaliselt tugevalt mitteühtlases väljas väikese kõverusraadiusega elektroodi lähedusse.

• Laengud “takerduvad” barjääri ja elektriväli ühtlustub

• Barjääri kaugus “teravikust” on võrgusagedusel 15…25% elektroodide vahekaugusest

• Impulsspingete jaoks paigaldatakse barjäär vahetult terava elektroodi juurde

• Nõrgalt mitteühtlases väljas takistab barjäär elektroodidevaheliste “sillakeste” moodustumist

Joonis 3.11 Barjäärid õliisolatsioonis Barjäärid võivad õliisolatsiooni elektrilist tugevust võrgusageduslikule pingele tõsta kuni 2…2,5 korda. Impulsspingetaluvust barjäärid oluliselt ei tõsta Barjääre võib olla ka mitu. Barjääri (või barjääride summaarse) paksuse suurendamine tõstab elektrilist tugevust kuni barjääri paksus moodustab 25…30% elektroodide vahekaugusest. Edasisel barjääri paksuse suurenemisel hakkavad lahendused arenema mööda barjääri pinda ja elektriline tugevus enam ei suurene.

1,0 s’

s

2,5

U

Ub

s

s'

2,0

1,5

0 0,25 0,5 0,75 1,0

Kõrgepingetehnika


Barjäärisolatsiooni osalahendused

Joonis 3.12 Trafo mähise õli-barjäär isolatsiooni osalahendus

• Osalahendused õlivahemikus põhjustab barjääri pinnal suure välja ebaühtluse. Seetõttu võivad ümber kaare tabamispunkti barjääris tekkida roomelahendused.

• Roomelahendus areneb nii barjääri pinnal kui ka barjääri pindmistes kihtides.

• Roomelahendus lagundab õli ja tekitab gaase.

• Üksik roomelahendus tekitab paberbarjääri sisse gaasitühikuid – nn “valgeid jälgi”

• Korduvad roomelahendused tekitavad barjääri barjääri sees juhtivad söestunud roomejälgi – nn “musti jälgi”

Trafo mähis

Paberbarjäär

Õli

Õli

Kõrgepingetehnika


3.4 Paber-õli isolatsioon Normaalselt paber-õli isolatsioonis gaasitühemikke ei esine. Erandiks on vaid eriti viskoosse õli-kampol seguga immutatud paber. Eristatakse kolme paber-õli isolatsiooni tüüpi:

Joonis 3.13 Paber-õli isolatsiooni tüübid a) lehtisolatsioon b) ülekattega lintisolatsioon c) ülekatteta lintisolatsioon

Paber-õli isolatsioonis võib esineda kahte tüüpi osalahendusi: • algosalahendused • kriitilised osalahendused Algosalahendused tekivad vahetult paberi pinna mikrokonarustelt õlikihti tungivatest laviinidest. Algosalahenduse energia ja laeng on väike ( q = 10-15…10-13 ) ja selle poolt tekitatud gaasi kogus väga väike – 10-15…10-13 cm3. Vähene gaasi kogus lahustub kiiresti õlis ja järgmine algosalahendus toimub jälle õlikeskkonnas.

a)

b)

c)

Kõrgepingetehnika


Kuid algosalahenduste tekitatud laguproduktid jäävad isolatsiooni sisse ja aja jooksul (mitme tunni kuni mitme aasta vältel) halvendavad isolatsiooni kvaliteeti. Algosalahendused arenevad eeskätt elektroodi terava serva ääres (näiteks paber-õli kondensaatorid). Seepärast vaadeldakse algosalahenduste võimsust elektroodi serva ühe pikkusühiku kohta sõltuvalt väljatugevusest.

Joonis 3.14 Paber-õli kondensaatori algosalahenduste võimsus elektroodi serva ühe cm kohta (50 Hz, isol. paksus 50 µµµµm)

Rakendatava pinge kasvamisel elektrivälja tugevus ja algosalahenduste intensiivsus ja võimsus kasvab. Selle tulemusel õli lagunemisest tingitud gaaside tekke kiirus suureneb Rakendatud pinge mingi kriitilise väärtuse juures gaaside tekkimiskiirus ületab nende lahustumiskiiruse ja isolatsiooni sisse moodustuvad märgatavad gaasitühemikud, milles hakkavad kohe toimuma võimsad osalahendused – nn. kriitilised osalahendused. Kriitiliste osalahenduste toimel hakkab gaasitühemike arv laviinitaoliselt kasvama ja õli tõrjutakse paberist ja vahekihtidest välja. Lahendusprotsesside intensiivsus kasvab hetkeliselt 103…104 korda ja eralduv energia on paberi purustamiseks piisav. Sõltuvalt isolatsiooni paksusest saabub isolatsiooni täielik läbilöök mõne sekundi kuni mõne tunni jooksul.

10-7

Palg cm

W

E

10-8

10-9

10-10 12 16 20 24

mm

kV

Kõrgepingetehnika


Kui kriitilised osalahendused kestavad lühikest aega ja ei viigi isolatsiooni täieliku läbilöögini, siis edaspidi algavad kriitilised osalahendused juba väiksema pinge korral. Gaasi kontsentratsiooni kasvu paber-õli isolatsioonis arvutatakse valemiga:

õli

ag

V

tPC lgγ

=

kus: γ - gaasi maht, mis eraldub ühikulise energiaga osalahendusel, γ = (2…8).10-4 cm3/J; Võli – õli maht isolatsioonis; t – algosalahenduste toimeaeg Paber-õli Isolatsiooni vananemine koosneb kahest etapist:

1) algosalahenduste toimel toimub gaasikontsentratsiooni kasv kuni küllastuseni, mis viib gaasitühemike ja kriitiliste osalahenduste tekkimiseni

küllastusaeg: lga

õlikgk

P

VCt

γ= ,

kus Cg k on küllastuseks (gaasitühemike tekkeks) piisav gaasi kontsentratsioon

2) kriitiliste osalahenduste toimel toimub isolatsiooni lõhkumine kuni

täieliku läbilöögini Paber-õli isolatsiooni eluea pikendamiseks kasutatakse nn. gaasikindlaid õlisorte. Paber-õli isolatsiooni ohustavad ka algosalahenduste tekitatud mittegaasilised laguproduktid, mis suurendavad dielektrikuskadusid (tanδ). Suurte tanδ väärtuste korral isolatsiooni soojuslik tasakaal kaob ja toimub nn. soojuslik läbilöök.

Kõrgepingetehnika


Pinge lühiajalisel mõjumisel isolatsiooni vananemist praktiliselt ei toimu. Mõned lühiajalistel pingetel katseliselt leitud paber-õli isolatsiooni karakteristkud on joonistel 3.14 ja 3.15.

Joonis 3.15 Paber-õli kondensaatori elektrilise tugevuse sõltuvus isolatsioonikihi paksusest d erineva paksusega paberite korral

1) paberi paksus 15 µm 2) paberi paksus 10 µm

Mitu kihti õhemat paberit (kõver 2) annab suurema elektrilise tugevuse, kuna paberis esinevate juhtivate osakeste kattumise tõenäosus ja ühes paberis oleva juhtiva osakese osakaal isolatsiooni kogupaksuses on sel juhul väiksem. Rohkem kui 5…6 kihilise isolatsiooni korral hakkab elektrilist tugevust vähendama nn. ääreefekt. Paber-õli isolatsiooni elektriline tugevus sõltub ka rõhust. Rõhu suurendamine vähendab osalahenduste teket tänu õli suurenevale võimele lahustada gaase. Seega rõhu suurenemisel paber-õli isolatsiooni elektriline tugevus kasvab (joonis 3.15)

Joonis 3.15 Kaablipaberist lintisolatsiooni (1) ja kondensaatoripaberist lehtisolatsiooni (2) elektrilise tugevuse sõltuvus ülerõhust Pü

160 mm

kVE

120

80

40 0 40 80 120 µm

d

2

1

E

100 mm

kV

80

60

40 0 0,3 0,6 1,2 MPa

Pü

2

1

Kõrgepingetehnika


3.5 Tahkete dielektrikute läbilöök Tahkete dielektrikute elektriline tugevus sõltub oluliselt dielektriku vananemisest. Joonis 3.16 Tahke dielektriku elektrilise tugevuse sõltuvus pinge kestusest

3.5.1 Elektriline läbilöök Elektriline läbilöök toimub tahke dielektriku elektrilist tugevust ületava välja toimel. Pinge mõjumise lühikese aja tõttu ei jõua osalahendused ja isolatsiooni vananemine lahendust mõjutada. Seega toimub tahke dielektriku elektriline läbilöök üldjoontes analoogiliselt gaaslahendusega:

• vabade elektronide kiirendamine • elektronide hulga kasv põrkeionisatsiooni tagajärjel • laviinide teke • striimeri teke

Erinevused gaaslahendusest:

• väike vaba tee pikkus • suurem põrgete arv • aine agregaatoleku muutus lahenduskanalis • tahke aine kristallvõre mõju põrekionisatsiooni iseloomule

E

101

102

103

104

105

106

10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 s

Elektriline läbilöök

Elektromehaaniline läbilöök

Soojuslik läbilöök

Dendriidid ja vesipuud

t

mm

V

Kõrgepingetehnika


Nimetatud erinevused teevad dielektriku elektrilise tugevuse teoreetilise arvutamise praktiliselt võimatuks Tahkete dielektrikute elektrilist tugevust hinnatakse põhiliselt katsetulemuste alusel empiiriliste valemite ja graafikutega Katsetulemustel leitud läbilöögipinge on juhuslik suurus, millele leitakse vastav jaotusseadus (jaotusfunktsioon, matemaatiline ootus, jaotustihedus jms). Katsetamine on kulukas, kuna tahke dielektrik läbilöögi tagajärjel tavaliselt rikneb ja igaks katseks tuleb kasutada uut objekti. Tahke dielektriku elektriline tugevus sõltub oluliselt:

• isolatsiooni konstruktsioonist • valmistamistehnoloogiast • kasutatavatest materjalidest • materjalide puhtusest

3.5.2 Elektromehaaniline läbilöök Elektrilisele läbilöögile lisanduvad elektromehaanilised jõud koosnevad peamiselt kondensaatorefektist põhjustatud elektrostaatilistest jõududest. Mõningate konstruktsioonide puhul võivad lisanduda ka elektrodünaamilised jõud. Elektrostaatilised jõud tekivad elektroodide ja dielektriku laengute vahel. Elektrodünaamilised jõud tekivad liikuvate laengute e. voolude toimel. Elektromehaaniliste jõudude toimel võib tahke dielektrik:

• deformeeruda • praguneda (mikropraod) • osaliselt või täielikult puruneda

Seega soodustavad tahkele dielektrikule mõjuvad mehaanilised jõud läbilöögipinge alanemist ja isolatsiooni vananemist.

Kõrgepingetehnika


3.5.3 Soojuslik läbilöök Selgituseks lihtne näide: Dielektriku temperatuur igas punktis on θ . Sellele dielektrikule on rakendatud vahelduvpinge U Dielektrikuskadude arvelt tekib dielektrikus soojushulk Qs

δω tan2UCQs = ,

kus: C – isolatsiooni mahtuvus ω = 2πf ≈314 δtan - dielektrikuskadude kaonurga tangens Dielektrikust eraldub ümbritsevasse keskkonda soojushulk Qü ( )üü SkQ θθ −= kus: k – soojusvahetuse tegur S – isolatsiooni pind, millelt soojus kandub ümbritsevasse keskkonda

θü – ümbritseva keskkonna temperatuur Enamik dielektrikute δtan suureneb temperatuuri tõustes.

( )00tantan θθαδδ −= e

Joonis 3.17 Kaonurga tangensi δtan sõltuvus temperatuurist θ

δtan

θ θ0

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.18 Dielektrikus tekkiv ja keskkonda eralduv soojus Qs – dielektrikus erinevatel pingetel (U1, U2, U3) tekkiv soojus Qü – ümbritsevasse keskkonda eralduv soojus

Soojusliku läbilöögi pinge Usl = U3 sõltub soojusvahetuse tingimustest , s.t. seadme ja isolatsiooni konstruktsioonist ja kasutatavatest materjalidest. Soojusliku läbilöögi oht on suurem:

o läbiviikudes o kaablites o kondensaatorites

Kuna soojuslikuks läbilöögiks kulub teatud aeg pinge rakendamisest kuni temperatuuri tõusuni Qü-st Qsl -ni, siis võib ka soojusliku läbilöögi pingest suurema pinge korral U >Usl soojuslikku läbilööki mitte toimuda, kui pinge kestus on nii lühike, et dielektriku temperatuur ei jõua tõusta soojuslikku läbilööki vallandava tasemeni Qsl.

θ θü

Q Qü

U3

U2 U1

θ1 θ2 θsl θes

Qs

Kõrgepingetehnika


3.5.4 Dendriidid ja vesipuud Dendriidid ja vesipuud tekivad tahke isolatsiooni pikaajalisel vananemisel. Põhjused: • pikaajalisest pingestamisest põhjustatud osalahendused • kõrgetest temperatuuridest pika aja jooksul põhjustatud mikropraod Nende põhjuste koosmõjul kujunevad tahkes dielektrikus gaasiga täidetud kanalid, mille seintel võib olla õhuke söestunud kiht ja mis aja jooksul kasvavad üldiselt elektrivälja jõujoonte suunas, kuid materjali ebaühtluse tõttu mõnevõrra juhuslikes suundades tekitades puukujulisi moodustusi. Dendriidid hakkavad arenema kohast, kus elektriväli on eriti ebaühtlane Sageli on dendriitide arenemise põhjustajateks tühemikes tekkivad osalahendused. Dendriidid kasvavad aja jooksul ja lõpuks jõuavad areneda ühelt elektroodilt teiseni põhjustades dielektriku läbilööki. Tahkesse dielektrikusse sattunud veepiisakestest arenevat dendriiti nimetatakse vesipuuks. Vesipuud tekivad tüüpiliselt kaablite PEX-isolatsioonis, eriti kui kaablil puudub piisav pikisuunaline ja põiksuunaline veetihedus. Mikroskoopilised veepiisakesed võivad jääda kaabli isolatsiooni ka isolatsiooni materjali ja kaabli valmistamisel. Materjali puhtusest ja veepiisakeste asukohast lähtuvalt võib esineda erinevat tüüpi vesipuid.

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.19 Vesipuud – tekkimine ja tüübid

Kõrgepingetehnika


3.6 Trafode, kondensaatorite ja kaablite isolatsioon 3.6.1 Trafode isolatsioon Trafode isolatsioon koosneb välis- ja siseisolatsioonist: • Välisisolatsioon: sisseviikude välispinnad + õhk • Siseisolatsioon: trafo paagi sees paiknev isolatsioon:

o peaisolatsioon o pikiisolatsioon

Peaisolatsioon

o mähiste ja paagi vahel o erinevate mähiste vahel o mähiste eri väljavõtete vahel

Pikiisolatsioon – isolatsioon ühe ja sama mähise eri punktide vahel:

o eri keerdude vahel o eri kihtide vahel o eri poolide vahel

Peaisolatsioon on peamiselt õli-barjäärisolatsioon Pikiisolatsioon on tavaliselt paber-õliisolatsioon Barjäärid on paigutatud risti elektrivälja jõujoontega. Trafo elektriväli on keeruka kujuga - kasutatakse mitmeid erinevate barjääritüüpide kombinatsioone. Barjääritüübid:

o silindrilised - silinderbarjäärid o tasapinnalised rõngad - seibbarjäärid o nurkrõngad - nurkbarjäärid

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.20 Trafo siseisolatsiooni barjäärid

UN, kV A, mm B, mm Sil. Arv x pksus, mm

3…6 8…10 20….25 1 x 2

10 10…12 25….30 1 x 3

35 27…30 70….80 1 x 5

110 57…67 110 2 x 6

220 130 260 4 x 6

4

3

B

A

1

2

5

6 1 – südamik 2 – ike 3 – mähis 4 – silinderbarjäär 5 – seibbarjäär 6 – nurkbarjäär

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.21 Kahemähiselise 110 kV trafo isolatsioon 1 – kõrgepingemähis 2 – madalpingemähis 3 – silinderbarjäär 4 – seibbarjäär 5 – nurkbarjäär 6 – vasklindiga kaetud mahtuvuslik papprõngas 7 – mahtuvusliku rõnga ja esimeste mähisekihtide lisaisolatsioon 8 – pikiisolatsioon 9 – isoleerrõngad 10 – trafosüdamik 11 – ike

Joonis 3.22 Poolide ja kihtidevahelise isolatsiooni variante

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.23 Trafo mähise mahtuvusliku kaitse skeem Nõuded trafo isolatsioonile tulenevad impulsspingetest. Impulsspinge frondi suure järskuse tõttu levib liigpinge mööda trafo mähiste-, kihtide- ja keerdudevahelisi mahtuvusi. Peaisolatsioonil sõltub liigpingete jagunemine trafo neutraali maandusviisist: • maandatud neutraaliga trafol esineb suurim peaisolatsioonile rakenduv

impulsspinge umbes 1/3 kaugusel mähise algusest (15 – 20% üle mõjuva pinge)

• isoleeritud neutraaliga trafodel esineb suurim peaisolatsioonile rakenduv impulsspinge mähise lõpus (50…80% üle mõjuva pinge)

Pikiisolatsioonil võib järsu frondiga impulss tekitada kuni 10-kordse normaaltalitluspinge. Trafo mähiste induktiiv- ja mahtuvuslikest takistustest koostatud aseskeem on joonisel 3.24.

1 – silinderbarjäär 2 – mähiste fiksaator 3, 3’, 8 – isoleerpapist vahesilindrid 4 – vasklindiga kaetud

mahtuvuslikud papprõngad 5 – vasklint 6 – täiendav isolatsioon 7 – mähised 9 – mähistest isoleeritud

mahtuvuslikud katkestatud rõngad

10 – mahtuvuslike kaitserõngaste lisaisolatsioon

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.24 Trafo mähise aseskeem

Joonis 3.25 Trafo mähise aseskeem impulsspinge jaoks Olgu mähise pikkus l. Siis avalduvad summaarsed piki- ja põikmahtuvused valemitega:

l

KK i=

lCC i= Süsteemi ebalineaarsust väljendab tegur α :

K

C=α

Pinge väärtus kaugusel x sõltub neutraali maandusviisist. Kui trafo neutraal on maandatud, siis on mähise lõpus on pinge null ja kaugusel x avaldub pinge valemiga

K1 K2 K3 Kn

L1 L2 L3 Ln

C1 C2 C3 Cn

K1 K2 K3 Kn

C1 C2 C3 Cn

U0

Kõrgepingetehnika


( )( )

lsh

xlshUxu

α

α −= 00

Kui trafo neutraal on isoleeritud, siis on mähise lõpus on vool null ja kaugusel x avaldub pinge valemiga

( )( )

lch

xlchUxu

α

α −= 00

Joonis 3.26 Trafo mähise suurimate potentsiaalide ligikaudne määramine

A – maandatud neutraaliga trafo B – isoleeritud neutraaliga trafo

1) pinge algjaotus 2) pinge püsijaotus 3) maksimaalsete potentsiaalide kõver

Mähise pinge omavõnkumiste protsessis tekivad kõrgemad harmoonikud. Kõrgemate harmoonikute amplituudide summa võrdub pinge püsijaotuse ja algjaotuse vahega. Mida suurem on teguri α väärtus, seda suurem on algjaotuse ebalineaarsus ja seda suuremad on mähisesse tekkivad summaarsed potentsiaalid. Seega tuleks peaisolatsioonile rakenduva pinge vähendamiseks suurendada pikimahtuvusi Ki . Pikimahtuvus sõltub mähise tüübist.

1

2

3

1

2

3

1,0

2,0

0 0,5 1,0

1,0

2,0

0 0,5 1,0

0U

U

0U

U

l

x

l

x

A B

Kõrgepingetehnika


Lisaks saab pikimahtuvust suurendada eriliste katkestatud mahtuvusrõngaste abil. Rõngas peab olema katkestatud voolude indutseerimise vältimiseks.

Joonis 3.27 Liigpingete piiramiseks kasutatav katkestatud rõngas 3.6.2 Kondensaatorite isolatsioon Elektrivõrkudes kasutatakse kondensaatoreid • võimsusteguri tõstmiseks • pikkade liinide pikikompensatsiooniks • kõrgepingeliinidele kõrgsagedus-sideseadmete ühendamiseks kõrgepingeliini

külge (sidekondensaatorid) • impulsspinge generaatorites

Joonis 3.28 Kondensaatorisektsioon

a

d

Kõrgepingetehnika


Kondensaatorpatareis ühendatakse mitu kondensaatorisektsiooni jada-, rööp- või segaühendusse vastavalt vajadustele. Kondensaatorisektsiooni salvestatud energia:

atööo V

ECUW

22

22 εε==

kus: Va on isolatsiooni aktiivosa ruumala dlaVa =

Etöö on elektrivälja (töö)tugevus kondensaatori isolatsiooni aktiivosas

Etöö = 12…14 kV/mm mineraalõliga

Etöö = 15…20 kV/mm sünteetiliste vedelikega Kvaliteetsel kondensaatori isolatsioonil on võimalikult suur dielektriline läbitavus ε ja võimalikult väikesed dielektrikuskaod e. tanδ. Dielektrikuskaod on praktiliselt ainus kondensaatori temperatuuritõusu allikas. Ühe sektsiooni mahtuvus:

d

laC o

sεε2

= ,

kus l on elektroodi pikkus 2-ga korrutatakse, kuna elektroodi mõlemad küljed on aktiivsed

d = 60…120 µm 6…8 kihti • õhema isolatsiooni korral langeb lühiajaline elektriline tugevus • paksema isolatsiooni korral tekivad osalahendused kergemini ja

väheneb pikaajaline elektriline tugevus Sektsiooni talitluspinge 0,2...8,0=sU kV Väga oluline on immutusvedeliku dielektriline läbitavus:

• mineraalõlidel ε = 2,1…2,3 • sünteetilistel vedelikel (trikloordifenüül, pentakloordifenüül, nende

segud) ε = 4,8…5,5

Sünteetiliste immutitega paberõli isolatsioonil on keskmiselt 1,5 korda suurem dielektriline läbitavus ja ligikaude 2 korda väiksemad gabariidid kui analoogilisel mineraalõlidel baseeruval paberõli isolatsioonil Sünteetiliste immutusvedelike põhipuudus – suur tundlikkus lisanditele ja mustumisele.

Kõrgepingetehnika


3.6.3 Kaablite isolatsioon Kaablites kasutatavaid isolatsioonimaterjale:

• paberõli • õli • PE – polüetüleen • PELD – madala tihedusega polüetüleen • PEHD – suure tihedusega polüetüleen • PEX/XLPE – ristsillatud polüetüleen • PVC – polüvinüülkloriid • HFFR – halogeenivaba tulekindel polümeerisegu • LSZH – vähese suitsueritusega halogeenivaba plast

Isolatsioonimaterjalide valik:

• kasutustingimused o pinge o koormus o kaod o painded o temperatuurid o niiskus o kemikaalid o UV-kiirgus o turvalisus (näit. tulekindlus)

PVC-isolatsiooni omadusi:

• kasutusala – kuni 1 kV kaablites • eelised:

o inertne o mittemürgine o isekustuv o painduv

• puudused: o põlengul eraldub kloor (kloor + vesi = soolhape) o polaarne – suhteliselt suured kaod – kuumenemine

PEX/XLPE – isolatsiooni omadusi:

• kasutusala – kesk- ja kõrgepingekaablid • eelised:

o halogeenivaba o mittemürgine o külmakindel o kuumakindel

• keskkonnaomadused: o korduvkasutus o heitmed o kasutusiga

• kulutused o ostuhind o käidukulud o korduvkasutus o likvideerimine

Kõrgepingetehnika


o mittepolaarne – väikesed kaod • puudused

o põlev, tuld edasikandev o ei ole korduvkasutatav

Kõrgepingekaablite tüübid:

• paberõlikaablid e. paberkaablid (kuni 35 kV) • õlikaablid (110…220 kV, ka kuni 500 kV) • gaasikaablid (kuni 220 kV) • PEX/XLPE kaablid (kuni 220 kV) • Erikaablid (kuni 400 kV)

Joonis 3.29 Mõned kesk- ja kõrgepingekaablite konstruktsioonid A –10 kV paberõlikaabel, B –35 kV paberõlikaabel, C – madalsurve õlikaabel 110 kV, D – kõrgsurve õlikaabel terastorus 220 kV A ja B: C: D:

1) õlikanal 2) juht 3) pooljuhtekraan 4) paberisolatsioon

0,08…0,12 mm 5) pooljuhtekraan 6) vasetatud tinakest 7…11,13) kaitsekestad 12) teras ja vasktraat-soomus

1) juht (soon) 2) isolatsioon 3) vööisolatsioon 4) täitekiht 5) tinakest 6) soomus 7) korrosioonikaitse 8) pooljuhtiv ekraan

1) juht 2) kaablipaberisolatsioon 3) perforeeritud vasklindid 4) poolümarad

libistustraadid 5) kaabliõli 6) terastoru 7) korrosioonikaitse

A B

C D

Kõrgepingetehnika


Õlikaablite surveastmed: • madalsurvekaablid: ≤0,1 Mpa • kesksurvekaablid: 0,3…0,4 Mpa • kõrgsurvekaablid: 0,7…1,5 MPa

Mõnede kaablitüüpide maksimaalsed tööväljatugevused:

• Viskoosse täitega paberkaablid o 10 kV – 3,2 kV/mm o 35 kV – 4,2 kV/mm

• õlikaablid o madalsurvekaablid – 6…10 kV/mm o kesksurvekaablid – 8…12 kV/mm o kõrgsurvekaablid – ≤ 18 kV/mm

Joonis 3.30 PEX/XLPE isolatsiooniga kaablid

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.31 Tüüpiline paberisolatsiooniga õlikaabel

Joonis 3.32 PEX/XLPE isolatsiooniga kõrgepingekaablid

Kõrgepingetehnika


Joonis 3.33 Plastisolatsiooniga keskpingekaablid

kp_loeng3

Documents