MECHANIZMY PRZEBICIA W DIELEKTRYKACH:

Wyróżnia się trzy podstawowe mechanizmy w zależności od czasu oddziaływania naprężeń:

mechanizm elektryczny lub przebicia istotnego, następujący v czasie krótszym niż 1 s;

• mechanizm cieplny, następujący w czasie niezbędnym do wystąpienia skutków niestabilności cieplnej, czyli ł-MO⁴ s;

• mechanizm jonizacyjno-starzeniowy, następujący w wyniku stopniowej degra­dacji właściwości izolacyjnych dielektryka.

Mechanizm elektryczny (przebicia istotnego) występuje wówczas, gdy: dielektryk jest czysty i jednorodny, nie ma możliwości powstawania wyładowań zewnętrznych i są kontrolowane warunki środowiskowe, a więc gdy rozwój wyładowania zależy wyłącznie od właściwości materiału i temperatury. Wyładowanie to ma charakter elektronowy, a do jego wystąpienia niezbędne jest natężenie pola rzędu 10³ kV ■cm"¹ i obecność co najmniej jednego elektronu w paśmie przewodnictwa. Pole zewnętrzne musi zapewnić elektronowi energię niezbędną do przedostania się do tego pasma (np. z pułapki) i dodatkowy przyrost energii AW niezbędny do osiągnięcia stanu jonizacji zderzeniowej. Warunek AW>0 stanowi kryterium przebicia i jest speł­niony przy krytycznej wartości E_k natężenia pola zewnętrznego. Wzrostowi poła do wartości E_k towarzyszy wzrost temperatury (T_e elektronów i T_d struktury dielek­tryka) do wartości krytycznej T_k = T_e > T_d. Zwiększa się liczba elektronów w paśmie przewodnictwa. W temperaturze T_k jest ich tak dużo, że wyraźnie zwiększa się prze­wodność dielektryka i zmniejsza jego wytrzymałość. Dochodzi do tzw. przebicia wysokotemperaturowego.

W innych przypadkach zaistnienie tego mechanizmu jest niepewne. Kontrowersyjną w nim sprawę stanowi brak uzależnienia naprężenia krytycznego od wymiarów układu, a zwłaszcza cd grubości dielektryka. W rzeczywistości taka zależność występuje. Próbę jej wyjaśnienia stanowi odmiana mechanizmu elektrycz­nego, występująca pod nazwą przebicia lawinowego lub strimerowego, w którym — zamiast uprzednio zakładanej równowagi energetycznej — występuje intensyfika­cja niestabilności prądowej aż do uzyskania przez dielektryk stanu całkowitej prze­wodności. Duży wzrost prądu może być związany: z nasileniem zjawiska tunelo­wego (teoria Zenera), z przekroczeniem krytycznej liczby zderzeń jonizujących w lawinie (teoria 40 generacji R. Strattona), ze zwielokrotnieniem poprzez lawiny katodowego prądu emisji (teoria Forlaniego), z oddziaływaniem ładunku przestrzen­nego w postaci dziur i pułapek (teoria 0'Dwyera).

F Mechanizm cieplny występuje wówczas, gdy dielektryk rozgrzewa s.ę pod wprywem prądów upływu i strat polaryzacyjnych, a więc gdy dostarczone do mego ciepło Q_t staje się większe niż ciepło Q₂ oddane przez układ do otoczenia^ ten. *₍

Zaznaczone na krzywych punkty określają stan równowagi (Qt = 0) odpowiednio: stabilnej T_t i niestabilnej T₂. Ciepło Q_l jest w uproszczeniu ciepłem Joule'a, wydzielonym w jednostce czasu z objętości dielektryka w ilości proporcjonalnej do kwadratu natężenia pola elektrycznego £²

rysunku 2.37b przedstawiono różne poziomy temperatury T ustabilizowanej w Zależności od natężenia pola E. Osiągnięcie jego wartości krytycznej E_k prowadzi do gwałtownego wzrostu temperatury T> T_k i oznacza przebicie dielektryka. Krzy­wa 1 odpowiada stopniowanej zmianie warunków ustalonych przez skokowe pod­wyższanie napięcia U i wynikającego z niego natężenia pola E. Na poziomach tem­peratury 7*! i T₂, w chwili przełączenia napięcia z U_l na U₂ i z U₂ na 6'₃, występuje stan równowagi cieplnej.

W temperaturze krytycznej T_k napięcie doprowadzone jest równe napięciu przebicia cieplnego

/(Krzywe 2 i 3 na rys. 2.37b charakteryzują wzrost temperatury T, gdy naprę­żenie E szybko wzrasta i przekracza wartość krytyczną, co odpowiada naprężeniu przy napięciu udarowym

Mechanizm jonizacyjno-starzeniowy występuje wówczas, gdy wytrzymałość dielek­tryka maleje wskutek wyładowań niezupełnych (zewnętrznych i wewnętrznych) lub pod wpływem starzenia cieplnego i elektrochemicznego.

Przebicie czysto jonizacyjne może wystąpić w stosunkowo krótkim czasie i może być rezultatem kumulacji przebić częściowych. Warunkiem powsta­nia wyładowania niezupełnego jest istnienie w przestrzeni międzyelektrodowej lo­kalnych niejednorodności zmiennego pola elektrycznego, związanych najczęściej z wnękami, szczelinami i wtrącinami wypełnionymi gazem lub cieczą (rys. 2.38a i b). Jeżeli przyjąć, że przenikalność elektryczna wtrącany s_t jest mniejsza niż przenikalność

elektryczna s₂ sąsiadującego z nią dielektryka, to naprężenie £\ we wtrąci-nie, większe niż naprężenie E₂ w dielektryku stałym, może łatwo przekroczyć war­tość krytyczną już przy napięciu roboczym U_a układu i zapoczątkować wyładowanie. Podział napięcia U_a na szeregowo połączone pojemności C_al wtrąciny i C_ai styka­jącego się z nią wycinka dielektryka stałego wynika z zależności:

Aby we wtrącinie wystąpiło krytyczne naprężenie E_lk = U_alla_t (rys. 2.39), napięcie U_a musi osiągnąć v. rtość krytyczną

"^"przypadku istnienia wewnętrznych wtrącin gazowych początek wyła­dowania odbywa się w nieco innych warunkach niż przy szczelinach zewnętrznych, głównie z uwagi na brak styczności z elektrodą metalową. O złożoności zjawisk mogą świadczyć przedstawione na rys. 2.40 przebiegi napięć i prądu w układzie zasilanym napięciem sinusoidalnym. Linią przerywaną U_cal przedstawiono przebieg napięcia, jakie wystąpiłoby na wtrącinie, gdyby nie było w niej wyładowań. Gdy U_cal osiąga wartość U_z, wówczas następuje zapłon, napięcie spada i przy wartości napięcia U_g wyładowanie we wtrącinie gaśnie. Jeżeli napięcie dalej wzrasta, to mogą powtórzyć się kolejne zapłony. Jeżeli natomiast napięcie U_a doprowadzone do układu maleje, to napięcie na wtrącinie zmienia znak i przy wartości — U_z powoduje zapłon. Z kolei następuje podskok napięcia do wartości ~U_g> -U„, wyładowanie gaśnie i napięcie powraca do wartości - U, powodującej zapłon. Proces ten powtarza się tak długo, jak długo napięcie U_a maleje. Przy jego ponownym wzroście zapłony przenoszą się do napięcia + i7₂ i rozpoczyna się nowy cykl wyładowań, związanych z ko­lejnym okresem sinusoidalnego przebiegu napięcia,

Rys. 2.40. Przebiegi napięcia (a) i prądu (b) przy wyładowaniach niezupełnych

W dielektrykach pochodzenia mineralnego kanaliki powodują wytopienie materiału, a w dielektrykach pochodzenia organicznego — jego zwęgle­nie o właściwościach przewodzących. Pod-wpływem wyładowań może także następo­wać rozkład chemiczny dielektryka ze zmianą jego właściwości

Starzenie jonizacyjne jest związane z długim czasem oddziaływania wyładowań niezupełnych, występujących przy stosunkowo niedużych wartościach natężenia pola, w granicach kilku procent wytrzymałości istotnej. Przy większych bowiem natężeniach, intensywne wyładowanie niezupełne szybko przekształca się w kanał i zapoczątkowuje szybko rozwijające się przebicie elektryczne.

W procesie długotrwałego starzenia jonizacyjnego można wyróżnić dwa przypadki:

— starzenie bez wykrywalnej erozji;
starzenie z erozją przechodzącą w drzewienie.

Okres starzenia bezerozyjnego t jest okresem iniciacji rozwoju kanału i zgodnie z ogólną zależnością

t^CE~" (2-117)

(gdzie C i n — współczynniki zależne od rodzaju dielektryka i warunków starzenia) może być bardzo długi, jeżeli wartość natężenia pola E znajdować się będzie na granicy minimalnego natężenia początkowego wyładowań niezupełnych, określo­nej przez napięcie początkowe jonizacji U_}.

Okres starzenia erozyjnego jest okresem szybkiej degradacji dielektryka i niewiele zależy od intensywności wyładowań, określonej przez liczbę zapłonów (impulsów) w jednostce czasu.

Starzenie cieplne polega na pogłębianiu się zmian chemicznych dielek­tryka pod wpływem temperatury. Intensywność procEsu starzenia charakteryzują: krzywa degradacji, krzywa życia i czas życia t_t układu. Krzywa degradacji jest zależ­nością wielkości przyjętej do oceny stanu zestarzenia (np. wytrzymałości elektrycz­nej) od czasu starzenia, przy stałej intensywności narażeń. Krzywa życia określa za­leżność intensywności narażeń od czasu starzenia na poziomie krytycznym wielkości służącej do oceny stanu zestarzenia. Czas życia jest to czas, po którym wartość wielkości służącej do oceny stanu zestarzenia dielektryka zmaleje do poziomu uznanego umownie za krytyczny.

Starzenie elektrochemiczne jest związane z rozwojem w dielektryku reakcji chemicznych w obecności pola elektrycznego i zależy od: rodzaju dielektryka, rodzaju napięcia, zanieczyszczeń, wilgoci i temperatury. Czynnik sprzyjający stano­wią małe zmiany napięcia, pod wpływem którego następuje w dielektryku segregacja jonów na: metaliczne —biorące udział w tworzeniu dendrytów (dróg przewodzących) i niemetaliczne — biorące udział w tworzeniu związków degradujących dielektryk. Wpływ wilgoci jest znacz:. ', zwłaszcza w dielektrykach organicznych, gdyż jej pene­tracja sprzyja powstawaniu kanałów podobnych do kanałów mechanizmu joniza­cyjnego.

WYŁADOWANIA W DIELEKTRYKACH:

Wyładowania pełzne

Związane są one z utratą właściwości izolacyjnych przez powierzchnie materiałów organicznych pod wpływem wyładowań elektrycznych niezupełnych, wilgoci i tem­peratury.

Wyładowania niezupełne powodują postępującą erozję powierzchni. Ślady wyładowań charakteryzują się zwęgleniem i hydrofilnością, a więc wzrostem prze­wodności.

Wilgoć i temperatura powodują stopniową zmianę struktury materiału w warstwie powierzchniowej, a w jej wyniku

ścieżki przewodzące podobne do śla­dów pełznych, nawet przy braku oddziaływania pola elektrycznego.

Wyładowania podtrzymywane

Wyładowania te stanowią szczególny rodzaj wyładowań powierzchniowych nic-* zupełnych, powstających w ukośnym układzie dielektryków pod wpływem ładunku przestrzennego, przy zaniku zmieniającego się okresowo napięcia zewnętrznego.

rys. 2.57. przebieg napięcia (c) odpowiadający powstawaniu wyładowań

Przekrój i schemat zastępczy skłonnego do wyładowań powierzchniowych układu przedstawiono na rys. 2.57a,b. Gdy na elektrodzie A tego układu pojawi się napięcie f/₁ (rys. 2.57c) wystarczające do zapoczątkowania wyładowań niezupeł­nych, wówczas na sąsiedniej powierzchni dielektryka zostaje rozmieszczony ładunek przestrzenny, który przeciwdziała rozwojowi wyładowania. Wypadkowe natężenie pola £ jest równe różnicy natężeń E_u i E_t, wywoływanych odpowiednio doprowa­dzonym napięciem U i ładunkiem przestrzennym. Gdy napięcie U zmaleje do zera, również składowa E_u będzie równa zeru. Dzięki rezystancji powierzchniowej R_s ładunek przestrzenny utrzymuje się i wyładowanie jest podtrzymywane przez skła­dową Ei. Ponowny wzrost napięcia (krzywa przerywana na rys. 2.57c) przywróci składową E_u. Wyładowanie znika i pojawi się dopiero wówczas, gdy napięcie osiąg­nie wartość równą podwójnej wartości wstępnego napięcia początkowego.

Wyładowania ślizgowe.

Układ dielektryka uwarstwionego typu przepustowego(rys) C₀>>C'

1,2 - elektrody; 3 - dielektryk stały; 4 - wyładowanie

Elektroda 2 jest bardziej rozległa niż elektroda 1. elektrody przedzielone są dielektrykiem stałym o większej przenikalności niż otaczający je dielektryk. Po przyłożeniu do tego układu napięcia powstaje pole elektryczne niejednostajne. Niejednostajność ta spowodowana jest małymi wymiarami elektrody 1 oraz różnicą przenikalności dielektrycznych powietrza i dielektryka stałego. Jeżeli napięcie doprowadzone do układu będzie się stopniowo zwiększać, to przy pewnym napięciu U₀ w pobliżu krawędzi elektrody mniejszej powstanie wyładowanie świetlice, gdyż tu skupiają się linie sił pola elektrycznego. Natężenie pola elektrycznego o dielektryku otaczającym ma wówczas wartość równą natężeniu początkowemu E₀. Napięcie początkowe U_0śl, przy którym pojawią się wyładowania przy elektrodzie mniejszej, zależy od pojemności skrośnej kondensatora C₀ który tworzą elektroda 2 i umyślona elektroda Y o pow. 1cm².

U_0śl=1.5*10^-5/(C₀*0.45) [kV_m] C₀-pojemnosc skrośna [F/cm²]. Przy dalszym wzroście napięcia świetlenie rozprzestrzenia się a wyładowania skupiają się w kanaliki trzymając się powierzchni dielektryka stałego. Wyraźniejsze kanały noszą nazwę iskier ślizgowych. Poruszaj się z charak. trzaskiem. Aby podwyższyć napięcie początkowe iskier ślizgowych należy zmniejszyć pojemność skrośną C. Osiągnąć to można przez pogrubienie dielektryka stałego oraz przez powiększenie drogi iskier przez miejscowe pogrubienie w postaci żeber lub kloszy. Żebra i talerze zatrzymują wyładowania ślizgowe przez zmniejszenie pojemności C.

Rozwój wyładowania po izolatorze

1-żebro, 2-iskra wyładowania

3-mała elektroda 4-duża elektroda

5-porcelana

Aby wykluczyć możliwość powstania wyładowania ślizgowego na pow. izolatorów współpracujących z olejem stosuje się metalizowane kieszenie.

Metalizowana kieszeń izolatora porcelanowego

1- kieszeń 2,3 - elektrody

4 - pow. metalizowana

W izolatorach przepustowych typu kondensatorowego zmniejszenie wyładowań ślizgowych uzyskuje się przez obniżanie naprężenia przy krawędzi elektrody, od której wyładowanie się rozpoczyna. Zmniejszenie naprężenia uzyskuje się przez wprowadzenie ekranów sterujących.

Rys. 2.59. Zależność napięcia przeskoku od drogi1 — bez wyładowań ślizgowych; 2 — przy wyładowaniach ślizgowych; JAhi — napięcie początkowe wyładowań ślizgowych

IZOLATORY

Podział izolatorów:

L liniowe

a)S- stojące

b)K-wiszące kołpakowe

c)P- wiszące pionowe

d)T-trakcyjne

S stacyjne

a)W- wsporcze

b)P- przepustowe

P- przepusty aparatowe

a)T- transformatorowe

b)P- przekładnikowe

c)W- wyłącznikowe

d)C- kondensatorowe

osłonowe

aparatowe różne

ze względu na warunki środowiskowe

-wnętrzowe

-napowietrzne

Ze względu na wytrzymałość

-przebijalne

-nieprzebijalne

Izolatorem nazywamy układ konstrukcyjny, który elektrycznie izoluje a równocześnie mechanicznie łączy części urządzenia elektrycznego znajdujące się względem siebie pod napięciem.

Przykład oznaczenia klasyfikacyjnego

a/ izolatora liniowego/L/, stacyjnego /S/, pniowego /P/, na napięcie znamionowe 20 kV /20/:

IZOLATOR LSP 20

b/ izolatora stacyjnego /S/wsporczego /W/, przeciwzabrudzeniowego /Z/, pniowego /P/, o wytrzymałości mechanicznej' na zginania 4 KN / 4/, na napięcie- znamionowe 110 kV /110/ i udarowe napięcie probiercze 550 kV/550/
i udarowe napięcie probiercze 550 kV /55C/ •

IZOLATOR SWZP 4/110/550

c/ izolatora przepustowego /P/,transformatorowego /T/,na

napięcie znamionowe 10 kV /10/ i prąd znamionowy 250A /250/

IZOLATOR PI 10/250.

Podział na izolatory wnętrzowe i napowietrzne wynika, z warunków środowiskowych w jakich pracują izolatory. W zależności od własności elektrycznych, izolatory dzielicie się na przebijalne i nieprzybijalne

Izolator nieprzebialny jest to taki izolator w którym długość najkrótszej drogi przebicia przez materiał izolacyjny jest co najmniej równa połowie drogi przeskoku w powietrzu. Izolatorami nieprzebijalnymi są izolatory liniowe Stojące pniowe oraz wiszące długopniowe wykonane jako zwykłe lub przeciwzabrudzeniowe oraz jako sta­cyjne pniowe.

Izolator Liniowy wiszący długo pniowy

1-izolator porcelana

2-kit

3-kołpak

4-podkładka

5-zawleczka

6-łocznik

Do izolatorow przebialnych zalicza się izolator kołpakowy

konstrukcja izolatora kołpakowego

1-talerze porcelanowe

2-powierzchnia grysikowana

3-powierzchnie stożkowe okuć

4-powłoki dylatacyjne

5-spoiwo cementowe

6-podkładka elastyczna

7-zawleczka

8-odstep dylatacyjny

9-szkliwo

10-obszar największych naprężeń

Izolatory liniowe służą do zamocowania przewo­dów napowietrznych linii elektroenergetycznych i odizolowania ich od konstrukcji słupów.

Izolatory stacyjne izolują i mocują przewody w stacjach rozdzielczych.

Izolatory przepustowe służą do przeprowadze­nia przewodu wysokiego napięcia przez ściany budynku, pokrywę lub obudowę aparatu /wyłącznika, transformatora itp./

Izolatory wsporcze izolują od konstrukcji wspor­czej i służą do mocowania szyn zbiorczych wysokiego napięcia.

Izolatory napowietrzne narażone są oprócz działania sił mechanicznych i naprężeń elektrycznych na wpływy atmosferycz­ne /nagrzanie słońcem, deszcz, śnieg-grad. Mgła, deszcz, za­brudzenia typu przemysłowego obniżają wytrzymałość na skutek zmniejszania rezystywności powierzchniowej. Aby uniezależnić się w pewnym stopniu od ich wpływu stasuje się izolatory w wykonaniu specjalnym tżw.przeciwzabrudzeniowe .Izolatory tego typu są tak wykonane, ze w dużym stopniu zwiększona jest droga upływu umożliwione jest samooczyszcza­nie się izolatorów oraz: wytworzenie takich powierzchni izola­tora, które nie ulegają zabrudzeniu, uzyskuje sie to przez wprowadzenie podwójnych kloszy

w izolatorach LKZ wykonanie kloszy w kształcie spirali w izolatorach pniowych, zwiększenie rozmiarów kloszy w izolatorach LKZ wykonanie kloszy w kształcie spirali w izolatorach pniowych, zwiększenie rozmiarów kloszy.

Izolator liniowy dwukołpakowy przeciw zabrudzeniowy

1-kołpak 2-zawleczka 3-podkładka 4-opaska 5-trzon 6-porcelana 7-spoiwo

Rozkład napięć na ogniwach ma wpływ głównie na wyładowania nie­
zupełne i zakłócenia radio-elektryczne. Gdyby w układzie składającym się ze słupa, łańcucha izolatorów i przewodu roboczegowystępowały tylko pojemności ogniw, rozkład napięcia byłby równomierny
tzn. spadki napiecia na poszczególnych ogniwach były by sobie równe.Jednakże w układzie rzeczywistym występują dodatkowe pojemności C_z /doziemne/ oraz pojemności C_p /do przewodu roboczego/. Te pojemności powoduja ze rozklad napiecia wzdłuż łańcucha jest nierównomierny.

Uwzględniając praktyczne wartości pojemności - rozkład napięcia w praktyce jest zbliżony do krzywej 2 i 3 /rys.13.6/ a więc największe napięcia występują na ogniwach najbliżej przewodu roboczego. Nierówność ta szczególnie wpływa na obniżenie udarowego napięcia przeskoku łańcucha, natomiast nia ma większego wpływu na napięcie przeskoku przy 50 Hz.

Rys

Rozkład napiecia na łańcuchu izolatorow wiszących dla przypadkow

Cp=Cz,C=/ 0/model łańcucha izolatora

Charakterystyka 1 Cz>Cp, Co=/0 ,,,:2 :Cz>Cp , Co=/0 -3Cz=Cp , Co=/0 dla układu rzeczywistego charakterystyka 4

Przy napieciu wolnozmiennym następują wyładowania niezupełne

na ogniwach najbardziej naprężanych, przez co natężenie prądu upływosciowego jest współmierne z prądem pojemnościowymi co w konsekwencji wyrównuje rozkład napięcia,wystepuje również przy zawilgoceniu powierzchni izolacyjnej łańcucha podczas deszczu mgły zabrudzenia pyłami przewodzącymi . Zanieczyszczenia zmniejszaja rezystancje izolatorow i w wyniku tego rozkład napiec na łańcuchu jest jest uzależniony od rezystancji poszczególnych ogniw.

Rozkład napięcia na izolatorach liniowych pniowych i wsporczych jest niejednostajny.

Pewne ujednolicenie tego rozkładu uzyskuje się przez odpowied­nie kształtowanie elektrod lub stosowanie ekranów /np. w izo­latorach przepustowych kondensatorowych/. Otrzymanie "rozkładu napięcia bardziej równomiernego zwiększa wytrzymałość powierz­chniową układu izolacyjnego.

Sposobem, który w normalnych, warunkach poprawia rozkład napięć jest sztuczne zwiększenie pojemności C_p do przewodu roboczego przez tzw. ekranowanie ogniw przyległych do przewodu. za pomocą pierścienia metalowego, połączonego z przewodem ro­boczym. Taki sam pierścień u góry będący w cieniu konstrukcji słupa nie ma praktycznie wpływu na rozkład napięcia, lecz wspólnie z dolnym powoduje odsuwanie ewentualnego łuku elek­trycznego od izolatorów.

KABLE

Izolacja kabli

Podział izolacji kabli elektroenergetycznych jest wykonywany z uwzględnieniem: układu faz, rozkładu pola elektrycznego, rodzaju i sposobu wykorzystania materia­łów izolacyjnych oraz szczegółów rozwiązań konstrukcyjnych. Na rysunku 1.27 przedstawiono przekroje podstawowych typów izolacji kabli. Wyróżnia się kable jednofazowe i trójfazowe. W kablach jednofazowych jest promieniowy rozkład pola elektrycznego. Kable trójfazowe mają izolację promieniową (rys. 1.27c), jak również (w kablach na napięcie do 20 kV) izolację rdzeniową (rys. 1.27b). W pierw­szym przypadku izolacja każdej żyły jest ekranowana metalową lub metalizowa­ną powłoką, w drugim zaś powłoka kabla stanowi wspólny ekran dla wszystkich trzech żył.

Ze względu na rodzaj stosowanych materiałów izolacyjnych i sposób ich wykorzystania kable dzieli się na: papierowo-masowe, papierowo-olejowe e nisko­ciśnieniowe, papierowo-olejowe wysokociśnieniowe, papierowo-gazowe wewnf.trz-ciśnieniowe, papierowo-gazowe zewnątrzciśnieniowe, gazowe i kable w izolacji z tworzyw sztucznych.

Izolację papier owo-masową (rys. 1.27b,c) stanowi nawinięta spiralnie na żyłę taśma papierowa (o grubości 0,02-^-0,17 mm i szerokości 12-7-30 mm) nasycona masą z kalafonii i oleju (60-^80%). Dwu-, trzymilimetrowe odstępy między zwojami taśmy umożliwiają zginanie kabla. Izolacja ta znajduje zastosowanie w kablach na napięcie do 60 kV z tym, że w obszarach największego natężenia pola i .-st wymagana taśma możliwie najcieńsza i wykazująca dużą przenikalność elektryczną. Dopusz­czalne naprężenia izolacji wynoszą 60 kV/cm.

Izolację papierowo-olejową niskociśnieniową stanowi taśma papierowa, impregnowana płynnym olejem o ciśnieniu utrzymywanym na poziomie 0,3-0,6 MPa. Olej jest doprowadzony albo do kanału w przewodzie (rys. 1.27d) albo do przestrzeni międzyprzewodowej (rys. 1.27e). Izolacja ta jest stosowana w kablach na napięcie 52-i-420 kV.

W przypadku izolacji papierowo-olejowej wysokociśnieniowej izolowane papierem, nasycone płynnym olejem, ekranowane i owinięte taśmą metalową żyły są ułożone w rurze stalowej (rys. 1.27f) wypełnionej olejem o ciśnieniu ok. 1.5 MPa. Kable o takiej izolacji mogą być stosowane przy najwyższych napięciach znamiono­wych. Dopuszczalna wartość natężenia pola wynosi 150 kV7cm.

Izolację papierowo-gazową wewnątrzciśnieniową każdej z trzecli żył, ułóż-nych w rurze stalowej lub aluminiowej (rys. 1.27g), stanowi papier nasycony masą kablową. Jest on owinięty ekranem z grafitowego papieru i taśmą miedzianą. Rura jest wypełniona gazem (azotem) o ciśnieniu 1,6 MPa, który wnika do wnętrza izo­lacji papierowej. W przypadku kabla o izolacji papierowo-gazowej zewnątrzciśnie-niowej izolacja papierowo-masowa każdej z ułożonych w rurze żył (rys. 1.27h) jest osłonięta powłoką ołowianą lub polietylenową metalizowaną. Gaz (azot) o ciśnieniu 1 -=-1,6 MPa wypełnia rurę stalową i wywiera nacisk na powłoki żył, co przeciwdziała powstawaniu w nich wtrącin gazowych i zwiększa wytrzymałość elektryczną.

Kable gazowe są wykonane w postaci dwu rur koncentrycznych (powłoki i żyły) rozdziekuych odstępnikami (rys. 1.27i). Przestrzeń między powierzchniami rur jest wypełniona dielektrykiem gazowym (SF₆ lub SF₆+N₂) o ciśnie­niu do 0,5 MPa. Najkorzystniejszy stosunek promieni rur wynosi e v2,l. Wytrzy­małość elektryczna takich kabli zależy od rodzaju i stanu powierzchni odstępników oraz jej ukształtowania.

Rys. 1.27. Przekroje podstawowych typów izolacji kabli: z izolacją promieniową, jednofazowego (a) i trójfazowego (c); z izolacją rdzeniową, trójfazowego (b); olejowego niskociśnieniowego, jednofazowego (d) i trójfazowego (e); olejowego wysokociśnieniowego, trójfazowego (0: gazowego trójfazowego o ciśnieniu wewnętrznym (g) i zewnętrznym (h); gazowego jednofazowego (i) / — żyła; 2 — izolacja; 3 — ekran; 4 — rura stalowa; 5 — powłoka; 6 — taśma metalowa; 7 — odstępnik; 8 — olej; 9 — gaz

WYŁADOWANIA ATMOSFERYCZNE

Przepięcia atmosferyczne

Wyładowania piorunowe wiążą się z istnieniem burz piorunowych. Rozróżnia się dwa podstawowe ich rodzaje: burze frontowe (czołowe) i burze termiczne.

Burze frontowe powstają w klimacie umiarkowanym na granicy zderzają­cych się mas ciepłego i zimnego powietrza lub ciepłego powietrza z pochyłościami terenu (rys. 3.19b). Wilgotne, ciepłe powietrze jest unoszone na duże wysokości, gdzie ulega schłodzeniu, dając zaczątek rozległej chmurze burzowej. Może ona obejmować setki kilometrów i przemieszczać się z prędkością zwykle większą niż 50 km • h-1. Towarzyszy jej nieduża gęstość piorunów.

Rys. 3.19. Szkic powstawania chmury burzowej: a) wysokości charakterystycznych obszarów; b) powstawanie burzy frontowej; c) powstawanie burzy termicznej

Burze termiczne charakteryzują się większą intensywnością wyładowań piorunowych, niż burze frontowe. Powstają one pod wpływem silnego nagrzania i unoszenia dolnych mas wilgotnego powietrza ku górze z zawirowaniami, na wyso­kość do 15 km (rys. 3.19a,c), gdzie następuje jego ochłodzenie. Tworzące się kro­pelki wody ulegają zamarzaniu w temperaturze malejącej do ok. — 40°C. W proce­sach tych formuje się naelektryzowana chmura burzowa, której ładunek tworzy dodatnie i ujemne centra o średniej gęstości rzędu 10^-9 A • s • m^-3.

Ładowanie się chmur:

Ładowanie chmur powodują zmiany stanu skupienia pary wodnej, promieniowanie, pierwotne pole elektryczne, szybkość przesuwania się burz frontowych, chmur względem siebie, temp. Wysokości, zjawisko ładowania się kropel opadających. Wyładowania mogą być pomiędzy chmurami, które powodują przeskok pomiędzy chmurami, wyładowanie doziemne. Jest ono niebezpieczne ze względu na porażenie ludzi i powstawanie pożarów. Wyładowanie odgórne - jest to wyładowanie od chmur, wyładowanie oddolne jest to wyłądowanie do ziemi.

Wyłądowanie może być dodatnie lub ujemne:

• Wyładowanie wstępne rozwijające się skokowo od centrum ładunku w chmurze w kierunku ziemi. wyładowanie wstępne mogą by również rozwijać się w kierunku ziemi. Wyładowanie wstępne mogą również rozwijać się od pow. Ziemi tzw. Oddolne

• Pierwsze główne wyładowanie doziemne rozwijające się od momentu pokonania przez wyładowania wstępne przestrzeni pomiędzy chmurą a ziemią

• Kolejne wyładowania główne występujące w utworzonym kanale piorunowym. Średnio może wystąpić kilka następujących po sobie wyładowań

-składowa pierwsza I_max = 200kA - 100kA

-stromość narastania udaru 20kA/µs - 10kA/µs

-czas trwania czoła 10 µs

-czas do półszczytu 350 µs

-składowa druga I_max =50kA - 25kA

-stromość narastania udaru 200kA/µs - 100kA/µs

-czas trwania czoła 0,25 µs

-czas do półszczytu 100 µs

Długotrwała składowa prądu 400 - 200A

Ochronniki i urządzenia piorunochronne:

Środki ochrony przeciwprzepięciowej i odgromowej można podzielić na dwie grupy:

- ochronniki, tj. środki do ograniczenia oddziaływania napięć i prądów przenoszonych przewodowo;

- urządzenia osłonowe, tj. środki służące do zapobiegania bezpośrednim i elektromagnetycznym oddziaływaniom wyładowań piorunowych.

Do ochronników należą: iskierniki, odgromniki wydmuchowe, odgromniki zaworowe i beziskiernikowe z warystorami, a także kondensatory, dławiki i rezystory oraz różne ich układy

Do urządzeń osłonowych należą: urządzenia piorunochronne złożone ze zwodów, przewodów odprowadzających i uziemień, a także ekrany pomieszczeń, urządzeń i połączeń przewodowych.

Instalacje piorunochronne:

Strefa ochronna - Przestrzeń znajdująca się pod przewodem odgromowym i do której prawdopodobieństwo przedostania się jest małe

Im większe napięcie tym kąt jest niższy.

Iskierniki:

Jest najprostszym ochronnikiem. Składa się z dwu elektrod rozdzielonych dielektrykiem gazowym, zwykle powietrzem. Odstęp elektrod - zwany przerwą iskrową- jest regulowany w zależności od wymaganego poziomu ochrony. Zapłon iskiernika powoduje iskrowe lub łukowe zwarcie elektrod i dwustopniowe ograniczenie napięcia; najpierw do napięcia wywołującego zapłon Uz, a następnie do napięcia obniżonego Uo, wynikającego ze spadków napięć w przerwie iskrowej I i na impedancji Z obwodu iskiernika.

Różne rozwiązania konstrukcyjne iskierników wynikają z ich przeznaczenia i wymaganych właściwości ochronnych. Rozróżnia się iskierniki:

- liniowe i stacyjne (aparatowe)

- prętowe, rożkowe, pierścieniowe i kombinowane

- z elektrodynamicznym przesuwaniem i wydłużaniem łuku

- z regulowanym i nie regulowanym ograniczeniem wpływu biegunowości

- wysko- i niskonapięciowe

- otwarte i obudowane

Są łatwe w montażu, proste w budowie, mały koszt wymiany, charakterystyki nap-czasowe są strome, izolacje transf, charakterystyka jest płaska.

Strefa ochronna - przestrzeń w której jest małe prawdopodobieństwo dostania się wyładowania. Im większe wyładowanie, tym kąt mniejszy.

Ochrona od bezpośredniego wyładowania

a) liniowy rożkowy

Ograniczniki przepięć (ochronniki)

• iskierniki prętowe

a)

b)

Cechy: Urządzenie proste, niski koszt, łatwość wymiany instalacji, nie posiadają układu do gaszenia łuku, charakterystyki nap-czasowe są strome. Stosowane są gdy:

ODGROMNIKI

Odgromnik wydmuchowy

1-elektroda, 2- Zewnętrzna przerwa iskrowa, 3- wew przerwa iskrowa, 8 - element wsporczy i uziemiający

Do rysunku - Najpierw płynie prąd wyładowczy związany z odprowadzeniem łuku do ziemi

- prąd następczy

- 1 oraz 2 dobiera się w zależności od napięcia

- Zawiera element do gaszenia łuku ponieważ jest otwarty, następuje zawilgocenie otworu, charakterystyka stroma

Odgromnik wydmuchowy jest ochronnikiem iskiernikowym dwuprzerwowm, który ma zdolność samoczynnego gaszenia łuku podtrzymywanego przez prąd następczy po zaniku przepięć. Dwa typowe jego rozwiązania to: rozwiązanie z zewnętrzną przerwą iskrową nad iskiernikiem obudowanym, mocowanym na wsporniku oraz rozwiązanie z zewnętrzną przerwą iskrową pod iskiernikiem obudowanym zawieszonym na przewodzie. Obudowa iskiernika wewnętrznego jest wykonana z materiału silnie gazującego pod wpływem łuku elektrycznego (ebonit, fibra, metapleks). Zapłon łuku w komorze i jej gazowanie prowadzi do wzrostu ciśnienia i do intensywnego wydmuchu zjonizowanych gazów przez dyszę. Wydmuch z kolei zapobiega ponownym zapłonom łuku, który gaśnie przy naturalnym przejściu prądu następczego przez zero.

Aby odgromnik działał skutecznie, w miejscu jego zainstalowania muszą być spełnione następujące warunki:

- w sieci z punktem neutralnym izolowanym lub z kompensacją ziemnozwarciową Id=<I2 oraz Ig<I3'

- w sieci z punktem neutralnym uziemionym przez rezystancję lub reaktancję Id<I1 i Id<I2 oraz Ig>I3'

Przy czym I1,I2 - wartości skuteczne ustalonego prądu zwarcia odpowiednio jedno- i dwufazowego; I3' - wartość skuteczna składowej okresowej początkowego prądu zwarcia trójfazowego

Odgromnik zaworowy

- umieszczony w obudowie porcelanowej

- iskiernik wieloprzewodowy

Odgromnik zaworowy jest ochronnikiem powodującym samoczynne przerwanie prądu następczego w wyniku wzrostu rezystancji jego warystorów przy napięciu roboczym chronionych urządzeń. Charakteryzuje się znacznie większą zdolnością gaszenia łuku i stabilnością zapłonów niż odgromnik wydmuchowy, a ze względu na szczelną obudowę jest mało wrażliwy na oddziaływanie czynników środowiskowych.

BUDOWA: Od spodu znajduje się materiał pochłaniający wilgoć, występują pojemności doziemne i do przewodu aby jednocześnie zapalały się przerwy. Musi być sterowanie iskiernikiem, aby zmienić rozkład napięcia. Całe napięcie rozkłada się na elemencie zmieno-rezystancyjnym (jest to układ ostrzowy o różnej odległości ostrzy, przepływ prądu przez wiele dróg równoległych. Dlatego też charakterystyka prądowo-napięciowa jest nieliniowa.

Pod względem konstrukcji, zasady działania i właściwości ochronnych wyróżnia się dwa zasadnicze rodzaje odgromników zaworowych:

- iskiernikowe z warystorami zawierającymi węglik krzemu (SiC)

- beziskiernikowe z warystorami zawierającymi tlenek cynku (ZnO) lub tlenek innego metalu

Iskierniki wieloprzerwowe odgromnika zaworowego mają za zadanie:

- utrzymać stan bezprądowy odgromnika przy napięciu roboczym układu

- zapewnić stabilny zapłon odgromnika po zjawieniu się przepięć

- ułatwić gaszenie łuku przy prądzie następczym po zaniku przepięć0

Do parametrów określających odgromniki zaworowe iskiernikowe:

- napięcie zapłonu statyczne U_zs (przy f=50Hz) i udarowe U_zu

- najwyższe napięcie robocze URM

- napięcie obniżone U_o

- napięcie gaszenia U_g

- wartość znamionowa I_on i graniczna I_og prądu wyładowczego I_o

Odgromnik zaworowy beziskiernikowy:

- Zamiast karborundu zastosowano tlenek cynku (ZnO)

- mniejsza wysokość

- umieszczony w elemencie foliowym

- nie ma gazów, nie nastąpi rozerwanie elementów

Jeśli jeden z odgromników ulegnie szkodzeniu, to powoduje zmianę napięcia na innych. W wyniku tego wymienia się wszystkie odgromniki.

Przy przepięciach łączeniowych iskierniki dzielone mogą zostać uszkodzone, należy zmniejszyć prąd, stosuje się odgromniki cięższe, posiadają dużą średnicę, gęstość prądu na powierzchni jest mniejsza i mniej się nagrzewa. Dla odpowiednich napięć jest określona odległość instalowania odgromnika aby taka odbita fala nie spowodowała uszkodzenia na transformatorze i aby nie było wyładowań między iskiernikiem a transformatorem.

Jeżeli zwiększamy odległość to w wyniku tego efektem będzie (nie zmieniając średnicy)dążenie wytrzymałości układu do układu nierównomiernego. Każdy układ iskiernika będzie miał charakterystykę układu nierównomiernego.

LINIA DŁUGA:

[Ohm] - impedancja falowa linii

- dla linii napowietrznej do 500Ω

- dla linii kablowej Zn=50Ω

- fala prostokątna, odgromnik musi szybko zadziałać

- każdą inną falę można zastąpić superpozycją al. Prostokątnych

- przy wykonywaniu fali prostokątnej można wykorzystać zjawisko przeskoku przej. zmianie impedancji

przy Z1=500Ω i Z2=50Ω

---