Transcript Var_17es_szigetelo_folyamatai

VIVEM111
Váltakozó áramú rendszerek II.
(3+0+0 f 4k)
2013
készítette
Dr.Berta István egyetemi tanár és
Dr Szedenik Norbert egyetemi docens
Dr. Horváth Tibor professzor emeritusz és
Dr. Németh Endre egyetemi docens
könyvei és előadásai felhasználásával
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamos Energetika Tanszék
A szigetelésekben
végbemenő fizikai
folyamatok
Villamos jelenségek
szigetelőanyagokban
Villamos jelenségek
Nagy térerősségek esetén
Átütés, átívelés
Kis térerősségek esetén
Vezetés
Polarizáció
Vezetés
Szigetelőanyagok villamos vezetése
 
J
E
γ: fajlagos vezetőképesség, 1/ Ωcm
: fajlagos (térfogati) ellenállás, Ωcm
Szigetelőanyagok villamos vezetése
• Vezetés
gázokban
I.
arányos szakasz
II. telítési szakasz
III. elektron lavina
(A = 100 cm2, a = 1 cm, homogén erőtér)
Vezetés gázokban
Töltéshordozók: elektronok, ionok
Nagy a külső ionozó hatások szerepe
N = 103…104 ion/cm3
Normál levegőben:
E = 10 V/cm → j = 10-15…10-16 A/cm2
Szigetelőanyagok villamos vezetése
• Vezetés folyadékokban
– Ionos vezetés
J  q i
dN
dt
qi: egy ion töltése
dN/dt: a térerősség irányába mozgó
ionok száma egységnyi idő alatt
Vezetés folyadékokban
Töltéshordozók: ionok
Fajlagos vezetőképesség:
γ = Ae-B/T
ahol: A, B: anyagtól függő állandók
T:
hőmérséklet, K
   oe
a (  o )
szigetelő folyadékok esetén: γ < 10-6 1/Ωcm
Szigetelőanyagok villamos vezetése
• Vezetés folyadékokban
– Disszociáció
Szigetelőanyagok villamos vezetése
• Vezetés folyadékokban
– Szennyezés hatása
Szigetelőanyagok villamos vezetése
• A vezetés
hőmérséklet• 1 szi
függése
–1
–2
–3
– 1 szilikonolaj
– 2 pentaklór-difenil
– 3 transzf. orolaj
Szigetelőanyagok villamos vezetése
• A vezetés
térerősségfüggése
– a.) technikai
tisztaságú
– b.) extrém
tisztaságú
Szilárd szigetelőanyagok villamos
vezetése
• Vezetés kristályos anyagokban
– a.) lyukvezetés telített kristályban
– b.) ionvezetés telítetlen kristályban
– c.) ionvezetés metastabil helyek útján
Szilárd szigetelőanyagok villamos
vezetése
• Vezetés amorf anyagokban
– Nincs általános összefüggés
– Hasonló a folyadékokéhoz
Szilárd szigetelőanyagok villamos
vezetése
• A vezetés
hőmérsékletfüggése
– Kristályos anyagok
Szilárd szigetelőanyagok villamos
vezetése
• A vezetés
hőmérsékletfüggése
– Amorf anyagok
Szilárd szigetelőanyagok villamos
vezetése
• A vezetés
hőmérsékletfüggése
– Keramikus anyagok
Szilárd szigetelőanyagok villamos
vezetése
• A vezetés
hőmérsékletfüggése
– PVC különböző
mennyiségű
lágyítóval
Szilárd szigetelőanyagok villamos
vezetése
Töltéshordozók: ionok
Fajlagos vezetőképesség:
γ = Ae-B/T
ahol: A, B: anyagtól függő állandók
T:
hőmérséklet, K
Fajlagos vezetőképesség:
γ = aebE
ahol: a, b: anyagtól függő állandók
E:
térerősség
Polarizáció
A polarizáció
• A polarizáció makro-jellemzői
A polarizáció
Q = Qo + ΔQ = Qsz + Qk
Qsz: szabad töltések
Qk: kötött töltések
A polarizáció
• A polarizáció makro-jellemzői
A polarizáció
Q = Qo + ΔQ = Qsz + Qk
Q   Q sz
Q  Q sz  Q k 
E 
U
a

 
→
Q
aC
D 
Q


Q
a  o
Q
A

A

Q sz
A o

 sz
o
a

P 
Q sz
 1
Q k  Q 1 - 
  
→
 Qk
Q
Qk
A
k
→
 o E   sz
A polarizáció
Q = Qo + ΔQ = Qsz + Qk
σ = σ sz + σ k
D = o E + P
mivel D =  o E
o E + P = o E
P = ( - 1) o E
A polarizáció
M = Qk a = σ k A a = P V
P=M/V
a térfogategységre jutó dipólusmomentum
A polarizáció
• A polarizáció fajtái
– Elektroneltolódási polarizáció
 = 10-14 – 10-16 s
A polarizáció
• A polarizáció fajtái
– Ioneltolódási polarizáció
 = 10-12 – 10-13 s
A polarizáció
• A polarizáció fajtái
– Ioneltolódási polarizáció (báriumtitanát)
A polarizáció
• A polarizáció fajtái
– Hőmérsékleti ionpolarizáció
 = 10-2 – 10-4 s
A polarizáció
• A polarizáció fajtái
– Állandó dipólusok
A polarizáció
• A polarizáció egyéb fajtái
– Hőmérsékleti orientációs polarizáció  = 10-6 – 10-10 s
– Rugalmas orientációs polarizáció
 = 10-10 – 10-13 s
A polarizáció
• A polarizáció fajtái
– Elektrétek és ferroelektromos anyagok
• Báriumtitanát εr hőmérsékletfüggvénye
A polarizáció
• A polarizáció egyéb fajtái
– Határréteg polarizáció
A polarizáció
• A polarizáció egyéb fajtái
– Téröltéses polarizáció
A polarizáció
• D eltolás és polarizáció alakulása
A polarizáció
• A komplex permittivitás összetevőinek frekvenciafüggése
A polarizáció
• A permittivitás változása a frekvencia
függvényében
Szigetelőanyagok helyettesítő
kapcsolása
Ci/Co = Δi/ o
i = Ri Ci
Szigetelőanyagok helyettesítő
kapcsolása
Egyenfeszültségen fellépő visszatérő
feszültség
Váltakozófeszültségen fellépő jelenségek
Szigetelőanyag egyszerűsített fazorábrája
Veszteségi tényező:
tg  
Iw
Ic

I pw  I v
I f  I pc
Váltakozófeszültségen fellépő jelenségek
tg  
Veszteségi tényező
anyag
104 tg δ
csillám
2-5
PE
2–5
trafó olaj
20
porcelán
150
PVC
1000 - 1500
Iw
Ic
Váltakozófeszültségen fellépő jelenségek
Áramsűrűségek fazorábrája
Váltakozófeszültségen fellépő jelenségek
S  UI
Ic
látszólagos teljesítmény
P  UI w  UI cos  hatásos teljesítmény
Iw
Q  UI c  UI sin 
meddő teljesítmény
Csak Ic számítható könnyen:
φ
Iw
I w  I c tg    C U tg 
P   C U tg 
2
Ic
I c   CU
dielektromos veszteség
Váltakozófeszültségen fellépő jelenségek
Szigetelőanyag vesztesége
dielektromos veszteség
P   C U tg 
2
P  ( 2  f )(  o
fajlagos veszteség
p
térfogati veszteségi szám
p 
'
P
V
p
E
A
2
2
)( a E ) tg 
a
2
  o E tg 
 
o
tg 
A dielektromos veszteség
homogén erőtérben:
'
2
P  pV  p E V
inhomogén erőtérben:
P 
 p dV 
 p E dV
V
V
'
2
Váltakozófeszültségen fellépő jelenségek
Példa szigetelőanyag veszteségére
a)
f = 50 Hz,  = 4, tg δ = 50.10-4
p = P / V = 5,6.10-4 W/cm3
b)
f = 1 MHz,  = 3, tg δ = 25.10-4
p = P / V = 0,42 W/cm3
Váltakozófeszültségen fellépő jelenségek
Reális szigetelés gyakorlati (egyszerűsített)helyettesítő
kapcsolásai
Párhuzamos helyettesítő kapcsolás
Soros helyettesítő kapcsolás
Váltakozófeszültségen fellépő jelenségek
Párhuzamos helyettesítő kapcsolás
Iv 
Iv
tg  
Ic
P 
2
U
U
I c   C pU
és
Rp

U/R
p
 C pU

1
 R pC p
2
Rp
P   C p U tg 


Rp 
U
Cp 
2
P
P
2
 U tg 
Váltakozófeszültségen fellépő jelenségek
Soros helyettesítő kapcsolás
U R  IR s
tg  
P 
2
U
2
R
Rs

U

Uc
IR s
I/  C s
U c  I /  Cs
  R sC s
2
Rs
P  IU R   C s U cos  tg 
2
UR
és
sin 
2


Cs 
Rs 
P
2
U
2
P
sin 
2
1
 U tg  cos 
2
Váltakozófeszültségen fellépő jelenségek
A párhuzamos és soros helyettesítő kapcsolások összehasonlítása
R s  R p sin
2
Mivel δ kicsi, ezért
R s  R p
Cs  Cp

cos   1
és
1
cos 
2
sin   1
Cs  C p
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
• A vezetésből eredő
veszteségi tényező
frekvenciafüggése
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
A vezetésből eredő
veszteségi tényező
hőmérsékletfüggése
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
• Transzformátorolaj
veszteségi
tényezője a
frekvencia
függvényében
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
• Transzformátorolaj
veszteségi
tényezője a
hőmérséklet
függvényében
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
• 1 – porcelán
• 2 – üveg
• 3 – ólomüveg
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
• 1 – porcelán
• 4 – bórüveg
• 5 – csillám
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
• A PCB
permittvitásának és
veszteségi
tényezőjének
frekvenciafüggése
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
• Transzformátorolaj
veszteségi
tényezője a
hőmérséklet
függvényében
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
• 1 – PVC
lágyítóval
• 2 – vinilidénPVC kopolimer
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
• 1 – PVC
lágyítóval
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
Impregnált papír
– 1 belső kisülés
– 2 szennyezés
– 3 Galton-hatás
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
A térfogati
veszteségi szám
frekvenciafüggése
Váltakozófeszültségen fellépő
jelenségek
A térfogati
veszteségi szám
hőmérsékletfüggése
A veszteségi tényező és a dielektromos állandó mérése
Schering híd
Z n Z1  Z 2 Z x
Z 1  R1
Z x  Rx 
1

1
j C x
 j C a
Z2
R2
1
 j C n
Zn
1
A veszteségi tényező és a dielektromos állandó mérése
Schering híd
R1
R2
 j  C a R1 
R1
R2

Cn
Cn
Cx
 j C n R x
Cx  Cn

Cx
R2
R1
C a R1  C n R x
 R2C a   R2C n
Rx
R1
tg    R 2 C a
  C x Rx
Kisülési jelenségek
Kisülések
Gázokban
Szilárd szigetelőanyagokban
Folyadékokban
Kisülések alaptípusai
Gázkisülések
Térerősség hatására a gázokban folyó áram
Az ütközési ionozás
Townsend elmélet
Wi: ionizációs energia
xi: ionozási út
λ: átlagos szabad úthossz
α: Townsend tényező
Az ütközési ionozás tényezője levegőben
Elektronlavina
Elektronlavina
dn   n dx
dn / n   dx
n

1
dn
n
x
   ( x ) dx
0
x
  ( x ) dx
n  e0
n e
x
n( x )  n oe
x
Szekunder katódemisszió
ne = γni+
Önfenntartó kisülés
n (a )  no e
x
ni   n ( a )  no  no (e
n 2   ni   no (e
n2  no

 (e
x
x
x
 1)
 1)
 1)  1
U-I karakterisztika homogén erőtérben
Paschen-törvény
B a
Uü 
ln
A a

1
ln  1  
 

Paschen-görbe levegőre
Az elektronlavina átalakulása homogén erőtérben
Az elektronlavina által
okozott erőtértorzulás
Az anódirányú csatorna fejlődése
A katódirányú csatorna fejlődése
A térerősség változása hengeres elektród körül
n ≥ 108
A pamatos kisülés
kialakulásához szükséges
úthossz
Pamatos kisülés kialakulásához szükséges térerősség
Pamatos kisülés kialakulása pozitív gömbön
Pamatos kisülés kialakulása negatív gömbön
A csatornakisülésben keletkező térerősség
függése a csatornaáramtól
A kisülés fejlődésének képe
A potenciál és térerősség
megváltozása pamatos
kisülés hatására
A csatorna végén lévő pamatos kisülés potenciálviszonyai
A csatorna végén lévő pamatos kisülés potenciálviszonyai
elektron lavina:
E > 30 kV/cm
ütközési ionozás
pamatos kisülés: E = 5…6 kV/cm
ütközési ionozás
foto ionozás
csatorna kisülés: E ≤ 1 kV/cm
foto ionozás
hőionozás
A feszültségviszonyok erősen inhomogén erőtérben
Az átütést megelőző potenciáleloszlás
A térerősség változása
forgási hiperboloid alakú csúcs előtt
Koronakisülés pozitív csúcson
Koronakisülés negatív csúcson
Koronakisülés váltakozó feszültségen
750 kV-os távvezeték térerősségének alakulása
A távvezetéken keletkező
koronaveszteség alakulása
Elektronlavina fejlődése elektronegatív gázban
n e ( x )  n e 0e
(   ) x
A körülmények hatása az átütőfeszültségre
Az elektródok alakjának hatása
inhomogenitási tényező:
f = Emax / Eátl
Az átütési térerősség homogén erőtérben
Az átütőfeszültség változása erősen inhomogén erőtérben
A villamos szilárdság változása gömbök között (r = 6,25 cm)
Az átütőfeszültség rúd-sík és rúd-rúd elrendezésben (DC)
Az átütőfeszültség változása 1,2/50 alakú lökőfeszültséggel
Az átütőfeszültség változása 250/2500 alakú feszültségimpulzussal
Az átütőfeszültség növekedése levegőben a nyomás függvényében
f = 50 Hz
Az átütőfeszültség változása SF6 gázban a nyomás függvényében
f = 50 Hz
A feszültség hullámalakjának hatása SF6 gázban keletkező átütésre
A mérési elrendezés
A feszültség hullámalakjának hatása SF6 gázban keletkező átütésre
Uk: kezdeti egyenfesz (-)
1: 1,2/50
2: negatív egyenfesz
3: f = 50 Hz
4: 250/2500
Az idő szerepe
Egyenfesz,
rúd-rúd,
a = 25 cm
A feszültségnövelés meredekségének hatása
Az idő szerepe
Az átütés késése
Az átütés gyakorisága
Az átütés jelleggörbéjének meghatározása lökőfeszültséggel
A polaritás hatása
Kisülések szilárd szigetelőanyagokban
Tisztán villamos átütés kősókristályban
Az elektronok energiaviszonyai kősókristályban
Porcelán átütőfeszültségének
változása a hőmérséklet
függvényében
Csillámlapok átütőfeszültségének változása
a hőmérséklet függvényében (f= 50 Hz)
Lassú átütési folyamatok
Részkisülés
Treeing
Részkisülés belső üregekben
Részkisülés során
az üreg falán kialakuló töltések
Treeing
Tartós villamos szilárdság
Epoxi átütési jelleggörbéi
1: közös tengelyű hengerek között, 2: tű – síkelektródok között
Az elektródköz 5 mm, f = 50 Hz.
Epoxi átütési jelleggörbéi
különböző átütési valószínűség esetén
Az elektródköz 15 mm,
f = 50 Hz.
Un = 70 kV
Up = 140 kV
Feszültségpróba!
140 kV-on 5 (15) percen belül 10% (20%) kiesik
A maradék 70 kV-on 100 (1000) órán túl esik ki
A feszültségpróba hatása
 t
U ü ( t )  U ü ( t 0 ) 
 t0
r 
tp
t pü

t
/
p
t tü
Up
t  t p 
 Ut
/
p




n





1
n
Kisülések folyadékokban
Gázcsatorna elmélet
Transzformátorolaj átütőfeszültségének változása
a nyomás függvényében
Elektródköz: 5 mm
1: 12,5 mm átmérőjű gömbök között
2: tűelektródok között
f = 50 Hz
Transzformátorolaj átütőfeszültségének változása
a hőmérséklet függvényében
f = 60 Hz
Transzformátorolaj átütőfeszültségének változása
az elektródköz függvényében
Homogén erőtér
f = 50 Hz
Transzformátorolaj átütőfeszültségének változása
az idő függvényében
Folyadékok átütése víz szennyezés esetén
Transzformátorolaj villamos szilárdságának változása
a nedvesség függvényében
f = 50 Hz
Folyadékok átütése szilárd szennyezés esetén
Transzformátorolaj átütőfeszültségének változása
a szennyezés függvényében
1: csak nedvesség
2: csak száraz szálak
3: nedvesség és szálak együtt
f = 50 Hz
KÖSZÖNÖM
A
FIGYELMET!