Technika Wysokich Napięć wykorzystywana jest w:

1. inżynierii fizycznej (akceleratory i separatory cząstek elementarnych, mikroskopy elektronowe,aparatura rentgenowska,spawarki elektronowe, działa jonowe)

1. ochrona środowiska (elektrofiltry, rozpylacze aerozoli, generatory ozonu do uzdatniania wody)

1. procesach przemysłowych (malowanie elektrostatyczne, napylanie metali, przemysł tekstylny)

główną dziedziną wykorzystania IWN jest Elektroenergetyka

Główne grupy problemów:

1. Układy izolacyjne (linie napowietrzne EHV/UHV; linie kablowe AC/DC; przekładniki; maszyny wirujące; kondensatory)

1. Przepięcia i ochrona przeciwprzepię-ciowa (mechanizmy i statystyka przepięć atmosf.; przepięcia łączeniowe; ochrona przeciwprzep. Budowli, linii przesyłowych i rozdzielczych, stacji energetycznych; koordynacja izolacji; oddziaływanie silnych pól elektrycznych na środowisko)

1. Technika pomiarów wysokonapię-ciowych

1. urządzenia probiercze (symulacje): transf.probiercze AC, zasilacze DC, gen. udarów napięciowych i prądowych

1. aparatura do pomiarów μA,mV: dzielniki U, boczniki prądowe; aparatura diagnostyczna: oscyloskopy nanose-kundowe, cyfrowa aparatura do akwizycji danych i archiwizacji. Musi być odporna na zakłócenia zewnętrzne (ekranowanie,klatki Faradaya), by mogła mierzyć b.małe wielkości.

1. Urządzenia dodatkowe: iskierniki ochronne; deszczownice, komory klimatyzacyjne; zabezpieczenia przeciw-pożarowe; urządzenia dźwiękowe.

Współczynnik tłumienia pola ele..i magn.

Odporność ukł. elektronicznych na impulsy elektromagnetyczne (prądowe, napięciowe, pola elektromagn.)

Podział materiałów:

przewodniki
(czyste metale: Al.,Cu, Ag,Au,, Fe,Stopy,MOS,stal)

półprzewodniki0 (przewodnictwo dziurowe bądź elektronowe)

ρ∈(10^-2-10⁸)Ωm

mat.izolacyjne

mat.polarne: ferromagnetyki; piezoelektryki (na ich pow.pojawiają się ładunki pod wpływem naprężeń); piroelektryki (pojawia się na nich ładunek na skutek działania temp.); elektrety (mat. o trwałej polaryzacji elektrycznej - elektr.odpowiednik magnesu trwałego)

mat.elektroizolacyjne:

gazy (naturalne:powietrze, azot, tlen, wo-dór, aron, hel, neon; syntetyczne: SF₆ ,fre-ony,halony);ciecze dielektryczne(oleje) :na-turalne(rycynowy,rzepakowy);mineralne (naftowy,parafinowy,aronatyczne); synte-tyczne ciała stałe: nieorganiczne (szkło, mi-ka,ceramika,azbest);organiczne (natural-ne:seluloza,kauczuk,parafina;syntetyczne:polietylen,polichlorek winylu, polityren, żywice apoksydowe, gumy syntety- czne);mieszane: żywice, folie, emalie

Materiały elektroizolacyjne:

Pow.atmosferyczne (najpopularniejszy czynnik izolujący) Zalety: powszechne występowanie, najtańszy, niepalny, duża rezystywność ρ=10⁶Ω. Wady: działa korodująco w obecności wilgoci, utlenianie oraz starzenie mat.izolacyjnych, wytrzy-małość zależy od wielu czynn: gęstości, ciśnienia,temp,wilgoci,zapalenia, stopnia niejednorodności pola elektrycznego. AZOT - stosowany jako izolacja wysko-nap.urządzeń elektr.:C wzorcowe i pomia-rowe, generatory elektostat. Zalety: stoso-wany tam, gdzie nie można powietrza,bo korozja nie przyspiesza proc. Starzenia, niepalny, tani, nietoksyczny, wytrzymałość elektr~=powietrzu.Wady: wytrz.elektr zal. od gęstości (ciśnienia i temp.)

TLEN - przyspiesza starzenie

CO₂ - w powietrzu 0,03%;b.trwały chemicznie;niepalny;nietoksyczny;tani;stosowany w aparaturze rozdzielczej;aparatura pomiarowa (kondensatory ↑ U) stos. W podwyższ. ciśnieniu; stosowana gdzie musi być wytworzona atmosf. Obojętna; 80% wytrz.powietrza.

H₂ - używany w turbogen jako czynnik chłodzący (ma dużą pojemność cieplną). Wady:wybuchowy, hermetyczne zamyka-nie, łatwopalny

Hel - gaz szlachetny do urządzeń kriogenicznych (b.niskie temp.) eksperymentalne kable energetyczne

Freony i Halony - są to gazy elektroujemne, wykazują powinowactwo elektronowe czyli są zdolne do przyłą-czania pojedynczych elektronów. Wytrz. 2,5*>od pow. Wady: nieprzyjazność dla środowiska nat; ograniczona wytrzymałość na ↓ temp, przy kontakcie z ogniem wydziela się trujący gaz: fozgen

SF₆ - sześcioflorek siarki - elektroujemny, nietoksyczny,b.trwały (do 800^oC), bdb gasi łuk elektr. (wyłączniki ciśnieniowe), nie wywołuje korozji.Wady: 6* cięższy od pow.; pod wpływem wyładowań elektr, rozpada się na związki trującei powodujace korozję (SF₄,S₂F₁₀), b.drogi i trudny w uzyskiwaniu

Próżnia-b.rozrzedzony gaz p
10^-3Pa; duża wytrz.elektryczna (brak nośników) 5-10*>pow.Wykorzystywany w wyłącz. i aparaturze rozdzielczej średnich nap.

Wyładowania elektr gazów (wytrz.gaz)

Gdy mamy ostry kształt elektrod na ich końcach silne lokalne natężenie pola (łatwiejszy przeskok), zmniejsza się wytrz, elektr. nasycamy więc izolację gazem.

1. wg Bohra elektron porusza się wokół jądra atomowego po orbicie, nie prom.

1. Sposród możliwych orbit stacjonarnych są dozwolone te, które są równe stałej Planca
   

1. Każdej z określonych orbit dozwolo-nych odpowiada energia potencjalna (odległość) i energia kinetyczna (ruch po orbicie). Kwant wyprom.en. νh=W₁-W₂=ΔW ν-f prom. fali fotonu; W1-en.atomu z elektronem na orbicie dalej od jądra; W2-en.naorbicie bliżej

Atom pobudzony - gdy en.dostarczona jest mała i elektron przesuwa się na dalszą orbitę ok.10^-8s (wraca=kwant en.)

Atom zjonizowany(atom.+bez 1elektronu)-gdy en.ma taką wartość, że elektron oddala się tak daleko, że traci więź z jądrem i atom staje się +

Townsend stwierdził badając ten dryf ładunków, że wraz ze ↑ nap. ↑ gęstość prądu w zewn. obwodzie pomiarowym. Do U₁ przy małym nap. między elektrodami następuje spływ ładunków swobodnych do elektrody (wzrost gęstości prądu).

Od U1 do U2 - ↑ U przyspiesza tylko ruch cząstek, ale nie prowadzi do zwiększenia się ich liczby (proc.jonizacji stabilny)

Od U₂ do U_j cząstki w zewn.polu elektr. rozwijają coraz ↑ en. I dochodzi do zderzeń nieelastycznych jonów z cząstkami obojętnymi.Powstają nowe pary jon-elektron.

Powyżej Uj gwałtowny wzrost ilości cząstek (lawina elektronowa)

Procesy jonizacji i dejonizacji

1. obszar między elektrodami (j.przestrzenna)

1. fotojonizacja - j.cząstek obojętnych (rozpad na jony po pochłonięciu en.):wewnętrzna (samoistna)-promienio-wanie z wyładowaniem iskrowym; zewnętrzna (niesam.) np. prom. kosm.i ziemskie;

1. j.zderzeniowa:polowa-en.kinet.jonów ↑ pod wpływem b.silnego pola elektr.; termiczna-pod wpływem ↑ temp.; fotoelektronowa - ↑ en. Jonów dzięki prom. γ,UV itp.

1. na pow. Elektrod (j.powierzchniowa)

Elektrony pojawiają się w gazie na skutek emisji z elektrod.Pracy wyj. - konieczna do wyrwania elektronu z elektrody. Te en. może pochodzić od: nagrzewania metalu elektrody - termoemisja;silne pole elektr - autoemisja;naświetlanie pow. Metalu promieniowaniem o różnej f i dł - fotoemisja;bombardowanie pow. Metalu jonami lub częstaki obojętnymi - zderzeniowa emisja

Dyfuzja - proces odwrotny - rozproszenie ład. Swobodnych z obszaru o większej koncentracji do mniejszej koncentr. (bez zmiany ich liczby).Wspoł. dyfuzji: D=(U_qkT)/q=(l_jC_j)/3 (Uq-ruchliwość cząste q - łąd.cząstki; kT-stan ośrodka w którym dyfuzja ma miejsce; k-stała Boltzmana=1,38*10^-23 [J*K^-1]; T - temp. bezwzględna[K] Dla jonu +(-): D=0,045 [cm²/s]; dla elektronu D=225[cm²/s]

Rekombinacja - proces odwrotny - łączenie się elektronów i jonów + z utworzeniem cząstki obojętnej, ci powo-duje zmianę koncentracji (dn_q/dt)=-α_qn_q² (α_q-współ.rekomb) dla jonów =10^-7-10^-6[cm³/s];dla elektr. = 10^-14-10^-8[cm³/s]. Po czasie t koncentracja ładunku zmaleje do wartości n_q(t)=n_o/(1+α_qn_ot). Na prędkośćR. Wpływa temp. i ciśnienie.

Nośniki ładunku elektrycznego (są konieczne do wystąpienia przeskoku)

Elektrony:m=9,1*10^-31kg; e=-1,59*10^-19C; Elektrony są bardzo ruchliwe (duży stosunek masy do ładunku) i dlatego to one biorą udział w przewodzeniu.

W=(3/2)kT - en.kinet. jest const. Dla wszystkich cząstek w stanie równowagi.

ν=√[(zW)/m] - prędkości nie są równe

ν=11[cm/μs] - dla elektronu

Jony lekkie - atomy pozbawione co najmniej 1-elektronu (dodatnie; wielokro-tnie zjonizowane; ujemne)

Jony ciężkie - powstają przez ugrzęźnięcie w cząstkach o znacznie większych gaba-rytach (kurz,wilgoć)

Proton - 1800x cięższy od elektronu.

Średnia droga swobodna - odległość jaką cząstka przebywa między 2-ma kolejnymi zderzeniami po linii prostej. Zależy od temp. i ciśnienia τ=1/(√2δN). δ=Πd²

Przy większym ciśnieniu następuje więcej zderzeń

Zderzenia jonizujace - jeśli cząstka o pręd-kości ν zderzy się z inną obojętną to w rezultacie może zajść j.cząstki obojętnej (wielokrotna jonizacja). Warunek: en.cząstki ruchomej>en.cząstki obojętnej (mν²)/2>=W_j

Zderzenia pierwszego rodzaju - jonizacja wstępna na skutek przyrostu en.wewn. danej cząstki o en.W_j albo W wzbudz. Kosztem dwóch zjawisk ΔW_k - strata en.kinetycznej;νh-en.promieniowania:

1. e+Ek+cz.oboj.niepob.=j”+”+2e

1. e+Ek+cz.o.n.=cz. pobudzona.+1e

1. 2cz.o.n.+Ek=cz.n.o.+jon+1e

1. mech.schodkowy jonizacji-en.potrzebna do zjonizowania danej cząstki groma-dzona jest w efekcie kilku zderzeń,które wcześniej nie spowodowały zjonizowania

Zderzenia drugiego rodzaju - przekazywanie en. wewn. jonizacji W_j lub W_w przez cząstkę do otaczającej prze-strzeni. Ma to miejsce w formie νh lub ΔW_k: a) e+cz.pob.=cz.n.o.+e+Ek;

b) 2cz.pob+Ek=cz.n.o.+j+e

Prawdopodobieństwo jonizacji w zależności od en.elektronów

Przy b.dużych en. (i prędkościach) czas zderzenia b. się skraca

Nap.krytyczne gazowego układu izolacyjnego

Przebicie - w ciałach stałych i cieczach (przeskok-gazy).

Nap. krytyczne-nap. przy którym rozpo-czyna się wyładowanie. W zależności od układu elektrod:

1. ukł. elektrod płaskich (pole jednorodne)

Townsend stwierdził, że po przeskoku pierwszy elektron wyrwany z powierzchni jednej elektrody w przestrzeni między elektrodami przyspiesza i zderza się z cząstką gazu. Warunek powstania wyładowania elektronowego jest odpowiednia wielkość współ, Townsenda (współ. pierwotnej jonizacji elektronowej)

α=1/λ_e*exp(-λ_j/λ_e) λe-średnia droga swobodna elektronu pomiędzy kolejnymi zderzeniami (niekonieczna jonizacja cząstki) λe=(akT)/(Πr_o²p);λj - droga na której elektron nabiera en. koniecznej do spowodowania zderzenia jonizującego λj=Uj/E;α - wyraża liczbę zderzeń elektronu, które prowadzą do jonizacji w czasie gdy elektron przebywa drogę 1cm α=A*p*exp[-B(E/p)^-1]

A, B - stałe charakt. dla gazu; T-temp[K]; k-stała Boltzmana 1,38*10^-23 J/K; R-praca 1 mola gazu przy ogrzewaniu go o 1K; Uj-nap. powodujące jonizację w gazie; p-ciśnienie gazu; a - odstęp elektrod; r_o- promień cząstki

Aby spowodować powielające się zjawisko jonizacji:

αa>=ln(1+(1/γ)=N_k Nk-krytyczna liczba zderzeń jonizujących spowodowanych przez jeden elektron za drodze międzyelektrodowej `a'; γ-wsp. jonizacji powierzchniowej

Prawo Paschen'a Uo=(Bap)/[ln(Aap/Nk)]

U0-map.początkowe,nap.kryt.rzeskoku

W stałej temp. i parametrach gazu nap. początk. wyładowań jest funkcją a*p

U_omin=(B/A)*N_k*e - nap. początkowe min. wyładowań

1. Im bardziej a*p różni się od wart.(ap)_min tym większe jest nap. jonizacji

1. Wart. min. a*p zależy od param. badanego gazu

1. Jeżeli nap. przyłożone do ukł. elektrod będzie < U_omin to przeskok w danym ukł. nie wystąpi ani przy dowolnie zbliżonych do siebie elektrodach, ani przy dowolnie ↓ ciśnieniu

Powietrze - U_omin=350V_max(250Vsk) dla (ao)=0,73hPa*cm;przy1013hPa →a=7,5μm

N₂-Uomin=250(177) dla(ap)=0,89hPa*cm

H₂-Uomin=280(190) dla (ap)=1,5hPa*cm

↑p↓λe↓λj↑Uo przy a=const

↓p↓liczba nośników↑Uo przy a=const.

W tym układzie U_o=U_p

1. dwie kule ekscentryczne (pole umiarkowanie niejednorodne)

Wpływ na nap. przekoku mają: warunki atmosferyczne; rodzaj elektrod; współ. korekcyjny δ=U_pδ/U_pN (nap. przeskoku w danych war. atmosf./Nap. przeskok. w war. znam.)

↑t↑prędkość poruszania cząstki→↓U_p by zainicjować przeskok.

1. ukł. ostrzowy-pole niejednorodne

Uo<<Up świeceni; snopienie (widzenie iskier o pewnej długości); przeskok (w formie iskry lub łuku)Up=14+3,16a [kV] dla a>8cm.

Wilgotność ma duży wpływ na uzyskanie nap. przeskoku. Wokół elektrod występują elektrony, które grzęzną w cząstkach wilgoci i stąd im ↑ wilgotność tym ↑ nap. przeskoku. Wilgotność normalna Wo=11[g/m³] Do pomiaru wilgoci służy higrometr. Jeżeli ma on skalę wyrażoną w % to: W=ρ*W_n[g/m³] ρ-wilgotność wzgl.; Wn-wilg. bezwzględna w stanie nasycenia

Uwzględniając wilgotność:

U_pWo=Upn[1+kw(w-11)] [kV]

w- wart. wilgoci podczas pom. nap.; Kw-wspól. zależny od rodzaju nap. i jego wys.

Napięcie udarowe o kształcie znormalizowanym jest to udar piorunowy

T₁-czas trwania czoła (osiągnięcie U_max)

T₂-czas do osiągnięcia wart.U_max/2 liczony na grzbiecie udaru. Określony udar zapisujemy: T1/T2

Przeciwdziałanie udarom: różki odgromne; linki odgromowe; odgromniki (ograniczniki przepięć).

Zapylenia - nie może być zbyt duże

Rodzaj ukł. elektrod - ukł. w którym wystę-puje p. niejednor., umiark. jednor. i jednor

Obecność ciał obcych w pobliżu ukł. elektrod - mają duży wpływ na nap. przeskoku.

Rodzaj badanego gazu - duży wpływ (czy jest to gaz zwykły, czy elektroujemny wyłapujący nośniki, elektrony)

Rodzaj przyłożonego nap. (~ czy udarowe)

Mechanizm wyładowań w gazach

Mechanizm Townsend'a - mechanizm przeskoku generacyjnego

Cecha charakt. jest to, że wyst. przy małym iloczynie ap, w obszarze 100-1000hPa*cm

Pojawia się coraz więcej nośników w proc. Jonizacji zderzeniowej α=(1/λ_e)exp(-λ_j/λ_e)

Założenia: za wszystkie zjawiska odpo-wiedzialny jest pierwszy elektron wyrwany z elektrody; nowe nośniki po-wstają w czasie j. zderzeniowej; nie występują ładunki przestrzenne pomiędzy elektrodami

Opis: pod wpływem zewn. źródła jonizacji z katody następuje wybicie n_o elektronów w ciągu 1s.Pod wpływem zewn. pola elektrony są przyspieszane i powodują jonizację zderzeniową z cząstkami neutralnymi w przestrzeni między elektrodami. Pojawiające się cząstki Δn powodują pojawienie się następnych cząstek przewodzących w kolejnych zderzeniach. n=(n_o+Δn)e^αa Kryterium przeskoku wg Townsend'a: γ* e^αa =1, gdzie γ-współ. j. powierzchniowej γ∈(10^-3-10^-5)

W czasie badań stwierdzono, że:

1. nie można pominąć ładunku przestrzennego;

1. istnieją przeskoki o 10^-8s (niezgodność z teorią Towna.)

1. iskra przeskoku ma kształt zygzaka (wg Townsenda miała być prostoliniowa)

Rozszerzono więc teorię przeskoku poprzez dołożenie mechanizmu kanałowego, który w zależności od odległości między elektrodami dzieli się na dwie części.

Mechanizm kanałowy (strimerowy) - nie wystarczy tylko wywołać lawiny elektronów (przyczyną pojawienia się cząstek jest jonizacja wywołana przez proces rekombinacji). Odstęp między elektrodami do kilku cm (3;5) do 1m. Kwanty powodują powstanie lawin. Następuje wciąganie lawin bocznych w lawinę główną i połączenie się ich. Ten kanał plazmowy (strimer) rozwija się w kierunku przeciwnym niż porusza się lawina. Równanie wyładowania kanałowego:

α*xK=17,7+lnxK

Mechanizm strimerowo-liderowy - przy odległościach elektrod > 1m. Wewnątrz lawiny następuje wzrost temp. Gdy nastąpi przekroczenie temp. jonizacji termicznej następuje przekształcenie strimera w lider. Lider - zjonizowana plazma. Lider skokowo zmienia swoją długość przez przyłączanie poprzedzających strimerów.

Mechanizm próżniowy - gdy zaczynamy zwiększać próżnię w układzie elektrodowym (ze ścianek i elektrod zaczynają być wyrywane cząstki i to one tworzą plazmę)

Mechanizm emisji polowej -przy b. dużym nat. pola i przy niskich temperaturach.

Dwojaki sposób inicjowania przeskoku: prąd emisji elektronowej - prąd o b.dużej gęstości elektronów powodujący promieniowanie mikroostrze (kształtu niciowego)- odparowu-je co prowadzi do przeskoku.; inne zjawisko - elektrony dochodzą do przeciwnej elektrody, rozgrzewają jej powierzchnię (anoda) i emituje ona jony tworzące plazmę - mechanizm anodowy.

Mechanizm makrocząsteczkowego (bryłowego) bombardowania elektrod

Następuje oderwanie się bryłki i uderzenie w przeciwną elektrodę oraz odparowanie samej bryłki lub miejsca w które uderzyła.Cranberg ocenił, że U_p=C*a^0,5 C-stałe materiałowe (rodzaj materiału elektrod, stan powierzchni, niejednorodność pola, rodzaj U)

Teoria międzyelektrodowej wymiany cząsteczek Elektron, który distał się do przestrzeni między elektrodami uderzając w anodę powoduje wybicie kilku nowych cząstek, które są przyspieszane w przestrzeni międzyelektrodowej.Za każdym odbiciem pojawia się coraz więcej cząsteczek

α_p*γ_c+η_nη_p>=1; α_p- liczba j.+ uwolniona z anody przez 1elektron;γ_c-liczba elektronów wtórnych wyemitowanych z katody na skutek uderzenia jonu +;η_n- liczba j.- uwol-nionych z katody przez j.+; η_p- liczba j.+ uwolnionych z anody przez j.-;

Wyładowania atmosferyczne (piorunowe)

Na całej kuli ziemskiej jest ok.2000 burz w każdej chwili. W każdej sekundzie uderza ok.100 piorunów. Średnia liczba dni burzowych w roku:~13 Kołobrzeg (30Tatry)

Aby nastąpiło wyładowanie:- ciepłe masy powietrza,wilgotne→chmury Cumulonim-busy (b.duże burzowe chmury,wysokość 15km) powstają na dwa sposoby: burza frontowa (czołowa, klimat umiarkowany, prędkość ok.50km/h, niewielka ilość pio-runów);Burza termiczna (klimat zwrotniko-wy,gorący,wilgotny,duże masy wilgotnego powietrza wyrywane są ku górze, kształt kowadła, wysokość10-15km,podstawa do 1km,duża liczba piorunów, b.wolna lub b.szybka 100km/h)

Benjamin Franklin badał burze i udowodnił, że mają charakter elektryczny (1752 pioruno)

Teoria rozdziału Simpsona - na skutek ruchów konwekcyjnych nastepuje rozrywanie kropel wody, pojawia się pył wodny, w kótrym gęszczą się ładunki (tj. odwrotnie niż w rzeczywistości, bo - na górze, a + na dole)

Teoria Wilsona- (teoria influencyjna) Krople wody opadając wewnątrz chmury gromadzą ładunek ujemny. W dolnej części chmury tworzą pole pierwotne i dlatego w górze tworzy się +

Teoria Findeisen'a (elektryzacja kryształów lodu) Kryształ lodu rozrasta się coraz bardziej i pod wpływem tego zaczynają pękać i następuje powstanie ładunków- na dole a + na górze.

Teoria Elster-Gaitel'a Transfer ładunków (duże krople wody opadając w polu ziemi polaryzowały się z rozdziałem ładunku + na dole - na górze. Następowała wyniama ładunków między kroplami (krople + szły na górę, a - na dół)

Teoria Vonnegut'a (jony - są wciągane w obszar chmu z zewnątrz

Jeżeli wartość przekroczy 1kV/cm to zaczyna się wyładowanie wstępne strimerowo-liderowe:

1. kierunek od chmury do ziemi (40% liderów do ziemi,60% między chmurami);

1. szybkość przemieszczania 100-200 km/s

1. skokowy ruch podczas poruszania się (skoki co 50m w czasie 50μs)

1. prąd rzędu kilkudziesięciu do kilkuset A

1. zygzakowaty tor przemieszczania się

Z chmur wybiega lider i na wysokości od.50m nad ziemią wychodzi drugi z ziemi i kanałem porusza się w kierunku chmury.

Wyładowanie główne - ruch odwrotny w kanale zjonizowanym:

1. prędkość 10tys-100tys km/s (śr.30tys)

1. czas trwania 60-100μs

1. prąd w kanale 500-200kA (śr.20kA)

1. stromość naratsania fali 500A/μs

1. napięcie 10-100MV

1. moc chwilowa 700*10¹²W

1. energia wyładowania do 200kWh

1. wyładowania wielokrotne (max.40;odstęp 0,01-1s; całkowity czas trwania 1,5s)

Pioruny krótko i długotrwałe

Kształt nap.udaru piorunow. (fala trójkątne)

Udar znormalizowany musi mieć kształt 1,2/50μs(nastepne wyładowania 0,3/10μs) Tolerancja czoła ±30;grzbietu ±20%

Prawdopodobieństwo wystąpienia prądów i czas pomiędzy piorunami wielokrotnymi:

Inne formy wyładowań atmosferycznych

Czarne krasnale (fontanny) - dodatnie wyładowanie doziemne - gdy wyładowanie powstanie między górą chmury a ziemią (wysokość kilkadziesiąt km)

Piorun płaski - wyładowanie wybiegające spoza obrysu chmury nawet do 15km

Ognie św.Elma- zjawisko pojawiające się w formie świecących miotełek o dł. Kilku cm (z wieżyczek kościoł., metalowych konstrukcji)

Piorun kulisty - zjawisko w formie świecącej kuli o φ ok. kilku do kilkunastu cm. Są to kule zjonizowanego gazu (N₂;O₂), która powstała jako odgałęzienie boczne wyładowania głównego

Najbardziej podatne na uderzenia pioruna są sieci wysokich nap.~110kV.Zabezpieczenia:

1. stosowanie linek odgromnych (pod przewodami fazowymi);

1. teren stacji rozdzielczej chroniony (pręty pionowe wyższe od najwyższych elementów stacji)

1. wokół izolatorów istaluje się tzw.armaturę (okucia) - iskierniki, toroidalne pierścienie, aby łuk paił

1. instalowanie odgromników→zgaszenie łuku elektrycznego, przerwanie prądu

Odgromniki:

SiC (węgliki spiekane/) -materiał o różnej rezystancji w zależności od napięcia panującego - przy zbyt dużym U zaczyna przewodzić (przy U_N sieci - nie przewodzi) i później następuje ucięcie udaru i sprowadzenie go do ziemi

Z_nO (tlenki cynku) - stos.zmiennooporowy; nie ma konieczności stosowania dodatkowo iskierników tak jak w SiC

1. ograniczniki gazowe dmuchowe - fibra pod wpływem wysokiego U zostaje wyrzucany pod ciśnieniem gaz, który przerywa udar

1. piorunochron - składa się ze zwodu pionowego i przewodu doprowadzającego. Są piorunochrony płaskie i aktywne.

Wyładowania elektryczne w cieczach

Ciecze izolacyjne

Oleje izolacyjne - suciwa izolacji papierowej, w wyłącznikach do gaszenia łuku, transformatorach. Zadania: nasycanie izolacji papierowej (chłodzenie i gaszenie)

Oleje syntetyczne - PCB (chlorowane dwufenyle);Oleje mineralne (z ropy naftowej);Oleje roślinne (rycynowy - kondensatory impulsowe i udarowe); Woda zdejonizowana (bez ładunków elektr.) - w laboratoryjnych głowicach kablowych);Skro[plone gazy o niskiej temp. (hel,azot)

Stopnie przebicie (zależnie od stopnia czystości):ciecze czyste (laboratoryjne: b.duża wytrzymałość elektryczna istotna); ciecze technicznie czyste (stosowane w praktyce); ciecze zanieczyszczone (gdy urządz. Jest długo eksploatowane).

Mechanizm elektrodowy przebicia cieczy izolacyjnej - występuje tylko w cieczach czystych, za zjawisko przebicia odpowiedzialna jest lawina elektronowa. Lawina rozwija się z jakiegoś opiłka na elementach izolacyjnych. Pierwszy elektron zostaje przyspieszony, zwielkrotnia się ilość cząstek przez zderzanie i następuje przebicie cieczy.En.pierwszego elektronu musi spełniać równanie, by powstało zderzenie jonizujące: e*E*λ>ν*h*C (νh - kwant en. potrzebnej do zjonizowania cząsteczki cieczy; C-stała zależna od parametrów cieczy:masa, gęstość, budowa atomowa.

Mechanizm jonowy - wystepuje w cieczach technicznie czystych oraz cieczach zanieczyszczonych (zanieczyszczenia zostają rozbite na jony i to one powodują przebicie)

Mechanizm gazowy - występuje j/w. Zanieczyszczenia stanowią tutaj pęcherzyki gazu, które pod wpływem pola elektr. powodują zapoczątkowanie procesu. Następuje lokalne wyładowanie, pojawia się plazma, wzrasta temp. i objętość pęcherzyka. Pęcherzyk zostaje wyciągnięty wzdłuż linii ploa i powoduje to zwarcie elektrod. Warunek: E_k'>=E_o[3ε_w/(1+2ε_w)] Eo-nat.zewn.pola elektr.; εw-wsp.przenikalności leketrycznej względnej danej cieczy izolacyjnej; Ek'-nat.początkujące jonizację; Ek-przebicie krytyczne

ΔU-spadek nap.w pęcherzyku gazu;δ-nap.pow.cieczy;ε_w1-przenik.el.cieczy.izol.; ε_w2-przenik.el.gazu w pęcherzyku;r-prom. początkowy pęcherzyka gazu(im ↑r tym↑E_k)

Mechanizm mostkowy- w cieczach zanieczyszczonych. Zanieczyszczenia stałe: włókna celulozowe z izolacji kablowej.W zewn.polu elektr. te zanieczyszczenia ulegają polryzacji i poruszają się wzdłuż linii pola, usatawiają się jedna za drugą i tworzą tzw.mostek łączący przeciwne elektrody. Wytrzymałość takiego mostka jest dużo mniejsza niż cieczy więc wyładowanie przebiegnie wzdłuż mostka.Mechanizm ten wymaga dużo czasu (musi się nagromadzić dużo zanieczyszczeń).Bardzo duże znaczenie ma stopień zawilgocenia oleju (zwiększa prawdopodob.przebicia).Nat.kryt:

k-stała Boltzmana; T-temp.[K]; ε_w1-wsp.cieczy; ε_w2-wsp.mat. mostka; β-współ.niejednorodności pola; r - promień cząstki zanieczyszczeń

Efekt Barierowy (wpływa na wytrzymałość cieczy) - pomiędzy elektrodami umieszczamy przegrodę z dielektryka stałego.Taka bariera powoduje, że niemo-żliwe jest przemieszczanie cząstek zanieczyszczeń i ustawienie się mostka, chyba, że zanieczyszczenia są po obu stronach bariery

Jak wpływają różne czynniki np. wytrzy-małość elektr.ceczy: Wilgotność

W-rozpuszczalność wody w cieczy izolacyjnej;W_r-granica rozpuszczalności wody w oleju

Temperatura

1. olej zawilgocony - nastepuje zmalenie lepkości oleju, co powoduje zwiększenie ruchliwości cząstek i zanieczyszczeń →wzrost ilości mostków

1. olej zawilgocony - im ↑ temp tym ↑ wydzielanie gazu i wilgoci z oleju (odparowywanie wody) i wzrost wytrzymałości

III- zmniejszczenie wytrzymało-ści, bo coraz mniejsza lepkość, łatwiejsza jest jonizacja, bo większa ruchliwość cząstek

Ciśnienie

Wytrzymałość elektryczna materiałów izolacyjnych stałych

Izolacje stałe należą do kategorii nieregenerujących się.

Mechanizm elektryczny (elekrtonowy) (mech.przebicia istotnego)-rozwija się w czasi <=1s.Wystepuje w materialer czystym i jednorodnym o dużej wytrzymałości istotnej (właściwej) 40-1500 [kV/mm].Pole musi być na tyle duże, aby elektron przeszedł do stanu przewodnictwa i tak aby przyspieszył i spowodował jonizację cząstek. Zaczynają się mnożyć ładunki. Wystepuje prąd przebicia bez[powrotnie niszczący materiał stały. Nat.kryt.E_K=Cexp[ΔW/(2kT_k)] C-stała charatkeryzująca dany dilelektryk stały; ΔW-szerokość pasma poziomów energetycznych dozwolonych;k-stała Boltzmana;T_K-temp. kryt.w lokalnym kanale przewodzenia

Mechanizm cieplny - rozwija się, gdy dielektryk nagrzeje się powyżej temp. otoczenia.Prąd upływu, straty polaryzacyjne(wynikają z ruchu cząstek w zmieniającym się polu)- to przyczyna przebi-cia.γE²+λ(d²T/dx²)>0 γ-przewodność dielektryka;E-zewn.natężenie pola;λ-przewodność cieplna;x-wyróżniony kierunek w którym wzrasta temp.

Nap.przebicia cieplnego

Cr-stała materiałowa; a-grubość dielektryka; t_k-czas krytyczny do przebicia;α-współ.temperaturowy przewodności; T_o-temp.początkowa; γ_o-przewodność w temp.T_o

Mechanizm wywoływany wyładowaniami niezupełnymi

1. wył.niezup.wewnątrz wtrącin gazowych w materiałach izolacyjnych;

Przy przekroczeniu lokalnego nat.pola E' i lokalnej ΔU' nastepuje przeskok we wtrącinie - wyładowanie niezupełne (nie prowadzi od razu do zwarcia elektrod głównych). Materiał od środka się zwęgli i coraz bardziej powiększają się dziury i z czasem wyładowanie zupełne

1. rozwój kanałów drzewiastych (gdy wtrąciny występują na elektrodach-lokalne wzmocnienie nat.pola E').Pojawiają się tunele drzewiaste, czyli zwęglenia materiału izolacyjnego. W końcu jakiś kanał może dojść do drugiej elektrody i wtedy zwarcie (wyładowanie zupełne)

Mechanizm starzenia elektochemicznego

(rozwija się w b.długim czasie).W obecności pola w dielektryku zachodzą różnego rodzaju reakcje chemiczne zależne od: rodzaju materiału; rodzaju przyłożonego napięcia (_;~;udarowe);obecności zanieczyszczeń, wilgoci; podwyższonej temp. Podział z tych względów na:

1. jony metaliczne (biorą udział w tworzeniu przewodzących dróg)

1. jony niemetaliczne (biorą udział w tworzeniu związków chemicznych które biorą udział w zmianie właściwości dielektryka-degradacja). Pojawiają się pęknięcia i może do nich wniknąć woda. Temp wpływa również na zmiany w dielektryku.

Arrhenius stworzył prawo określające czas życia izolacji w zależności od temp. t=t_o*A*[(T_o-T)/B] A,B-stałe zależne od rodzaju mat.izolacji; t,t_o-czas życia materiału izolacji w temp. początkowej T_o i temp.podwyższonej T

Czas życia izolacji papier-olej (wg Montsin-ger'a)

,gdzie t_oż - czas życia w temp.początkowej charakterystycznej dla danej izolacji;
- temp.pracy w przedziale (100-130^oC); m -stała Montsinger'a=0,0865)

Prawo ośmiu stopni

Każde podwyższenie temp.roboczej izolacji ponad 100^oC o 8^o skraca czas życia izolacji o połowę.

Kable energertyczne - służą do przesyłania en.elektr.z elektrowni do odbiorcy

Przewód - każdego rodzaju element przewo-dzący służący do przewodzenia I elektr.

Kabel - przewód,w którym zastosowano izolację stałą oraz powłokę ochronną służącą do ochrony materiału izolacyjnego przed atmosferą

Kabel:

1. żyła robocza wykonana z bdb przewodnika: aluminium; miedź (lepsza przewodność)

1. żyła w formie wielodrutowej lub litego pręta

1. ekran na żyle roboczej

1. z izolacją - wytłaczana: PE-izolacyjny; guma EPR, PCV, XLPE, taśmy P-O; Grubość izolacji od kilku do dwudziestu kilku mm

1. ekran na izolacji - cienka warstwa z PE przewodzącego, aby wyrównać potencjał na zewnątrz materiału izolacyjnego

1. żyła powrotna - w formie drutów miedzianych, albo wytłoczonego rękawa Al. Lub Pb

1. Poduszka pod pancerzem - usztywnia w formie drutów lub taśm stalowych, aby kabel był bardziej wytrzymały

1. Osłona zewnętrzna przeciwwilgo-ciowa:PE,PCV

Izolatory El-en - urządzenie, które w sposób mechaniczny ma oddzielić 2 elementy systemu pracujące przy różnym potencjale lub oddzielenie toru prądowego od potencjału ziemi.

Materiały: porcelana elektrotechniczna; szkło (b.wysokie U); żywice epoksydowe; two-rzywa sztuczne; izolatory kompozytowe z dwóch elementów: rdzeń w formie włóka szklanego nasyconego żywicą, elastomery: kauczuki, z których wykonuje się klosze izolacyjne.

Podział izolatorów: wysokonapięciowe (liniowe - napowietrzne, wiszące; stacyjne - pracują w stacjach energetycznych i rozdzielniach: wsporcze - do utrzymania szyn zbiorczych; przepustowe - do przeprowadzenia WN przez ściany, przegrody, wnętrza rozdzielni; Osłonowe - wewnątrz których są urządzenia takie jak: przekładniki prądowe i napięciowe, kondensatory, wyłączniki, odgromniki, głowice kablowe); niskonapięciowe (do 1kV) - stojące, odciągowe, trakcyjne

---