Zagadnienia TWN - podawane na wykładzie 13.01.2015r.

1. Wyposażenie lab WN

W wyposażeniu hali powinny znajdować się stanowiska probiercze napięć udarowych, przemiennych i stałych, umożliwiające przeprowadzenie badań wysokonapięciowych urządzeń elektroenergetycznych i urządzeń wysokiego napięcia. Na wyposażenie tych stanowisk składają się urządzenia probiercze (zespół probierczy napięć przemiennych, zasilacze napięć stałych, generatory udarów napięciowych, piorunowych i łączeniowych, generatory udarów prądowych) i aparatura pomiarowa (iskierniki pomiarowe, woltomierze elektrostatyczne, woltomierze wirnikowe, dzielniki napięcia, boczniki, transformator Rogowskiego, oscyloskopy, mierniki wartości szczytowej, mostki pomiarowe, kondensatory wzorcowe, mierniki wyładowań niezupełnych, klidongrafy, elektrometry, urządzenia analogowe do badań rozkładu pola, urządzenia optoelektroniczne, urządzenia cyfrowej rejestracji impulsów). Aparatura i jej połączenia wymagają w większości przypadków skutecznego lokalnego ekranowania. Oprócz przestrzeni przeznaczonych na urządzenia stanowisk probierczych i aparaturę pomiarową jest wymagane dodatkowe miejsce na urządzenia pomocnicze, jak: komory do badań specjalnych, urządzenie do wytwarzania sztucznego deszczu, urządzenia transportowe itp.

Do podstawowych zagadnień eksploatacyjnych należy zapewinienie właściwych odstępów między urządzeniami. Mają one na celu niedopuszczenie do powstawania niekontrolowanych przeskoków, zagrażających bezpośredio lub pośrednio bezpieczeństwu urządzeń i personelu oraz niedopuszczenie do sprzężeń pojemnościowych między różnymi urządzeniami uziemnionymi, mających wpływ na wyniki prób.

2. Wytrzymałość elektryczna powietrza. Od czego zależy. Co to jest wykres Paschena.

Największa wartość natężenia pola elektrycznego, jaka może istnieć w dielektryku (izolatorze) bez wywołania przebicia. Jednostką wytrzymałości elektrycznej jest V/m.

Zależy od:
temperatura, czas działania pola elektrycznego, szybkość narastania pola elektrycznego, grubość warstwy dielektryka, częstotliwość przyłożonego pola elektrycznego.

Wykres Paschena – Charakterystyka U=f(p). Zależność między napięciem przeskoku a ciśnieniem (ewentualnie pomnożonym przez odległość między elektrodami).

3. Mechanizmy przeskoku w gazach (do opisania) "Tawsenda"?.

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=(λ_e)exp(-λ_j/λ_e)

Założenia: za wszystkie zjawiska odpo-wiedzialny jest pierwszy elektron wyrwany z elektrody; nowe nośniki powstają 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)=1, gdzie γ-współ. j. powierzchniowej γ∈(10^-3-10^-5)

W czasie badań stwierdzono, że:

1. nie tłumaczy dlaczego wyładowanie ma kształt zygzakowaty (wg Townsenda miała być prostoliniowa);

2. nie tłumaczy skąd się biorą bardzo szybkie wyładowania 10^-8s (niezgodność z teorią Towna.)

3. pominął rolę ładunku przestrzennego (chmury dodatnie i ujemne ładunku)

   Moek i Rather ograniczyli mechanizm Towsenda do 1-10mm między elektrodami i wprowadzili dodatkowe 4 mechanizmy.

4. Rezystywność (opisać ze schematem i wzorami x3.

Rezystywność (konduktywność) materiałów izolacyjnych (dielektryków)

koncepcja ładunków swobodnych w 1cm^3 materiału

1cm^3 pow. (1013hPa i 20ºC)

v_i=2,7*10¹⁹

q_i – ładunek przenoszony przez nośnik

v_i – prędkość przemieszczania się nośników

n_i – liczba rodzajów ładunków: kationy (j⁺), aniony (j^-), elektrony (e^-)

v = Ui*E

Ui – ruchliwość ładunku, E – natężenie pola

-konduktywność elektryczna –(odwrotność) - przewodność elektryczna właściwa

Konduktywność i rezystywność zależą od:

- struktury materiału (gęstość, jednorodność, obecności defektów)

- wielkość i rodzaj zanieczyszczeń

- natężenie pola elektrycznego

- czynniki dysocjujące (pojawienie się ładunków, woda, temperatura)

- promieniowanie jonizujące

5. tg Δ, sens fizyczny, jak się wyznacza.

Współczynnik strat dielektrycznych tg  – wielkość niemianowana charakteryzująca dielektryki. Wartość tę wyznacza tg  – tangens kąta strat dielektrycznych, czyli stosunek natężenia składowej rzeczywistej (czynnej)  do składowej urojonej (biernej)  prądu elektrycznego płynącego przez dielektryk w zmiennym polu elektrycznym:

Zależność współczynnika strat dielektrycznych wyznaczają też konduktywność i przenikalność elektryczna ośrodka:

gdzie:

•  – pulsacja

•  – konduktywność

•  – przenikalność elektryczna

Wartość współczynnika zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury i natężenia pola elektrycznego, w którym dielektryk się znajduje.

6. Współczynnik przenikalności względnej epsilon

Przenikalność poszczególnych ośrodków często określa się poprzez bezwymiarową wartość przenikalności względnej, oznaczanej ε_r. Wielkość ta wskazuje, ile razy przenikalność (bezwzględna) ośrodka jest większa od przenikalności próżni:

Współczynnik ε_r, zwany dawniej stałą elektryczną ośrodka, przyjmuje wartości od 1 (dla próżni i silnie rozrzedzonych gazów) do dziesiątek tysięcy (dla ferroelektryków).

7. Materiały izolacyjne stosowane w urządzeniach energetycznych.

Materiały elektroizolacyjne:

Pow.atmosferyczne (najpopularniejszy czynnik izolujący) Zalety: powszechne występowanie, najtańszy, niepalny, duża rezystywność ρ=10¹⁶Ωm. 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. w kondensatorach wzorcowe i pomiarowe, generatory elektostat. Pozbawiony wilgoci stos.w ukł. o podwyższonym ciśnieniu oraz w tzw. wysokotemperaturowych urządzeniach kriogenicznych (kable kriogeniczne- nadprzewodniki). Zalety: stosowany tam, gdzie nie można powietrza,bo korozja nie przyspiesza proc. starzenia, niepalny, tani, nietoksyczny, wytrzymałość elektr porównywalne do powietrza. Wady: wytrz.elektr zal. od gęstości (ciśnienia i temp.)

TLEN – przyspiesza starzenie i korozje – nie używany raczej

CO₂ – w powietrzu 0,03%;b.trwały chemicznie;niepalny;nietoksyczny;tani;stosowany w aparaturze rozdzielczej;aparatura pomiarowa (kondensatory pomiar. Wzorcowe, kilowoltomierze elektrostat.) stos. w podwyższ. ciśnieniu; stosowana gdzie musi być wytworzona atmosf. obojętna; 80% wytrz.powietrza.

H₂ – używany w turbogenerat. jako czynnik chłodzący (ma dużą pojemność cieplną). Wady:wybuchowy, hermetyczne zamykanie, łatwopalny

Hel – gaz szlachetny do urządzeń kriogenicznych (b.niskie temp.) , stos.w nadprzewodnictwie jako czynnik chłodzący, mała wytrzymałość, eksperymentalne kable energetyczne

Freony i Halony CFC - są to gazy elektroujemne, są zdolne do przyłączania pojedynczych elektronów z powietrza.. Wytrz. 2,5*>od pow. Wady: nieprzyjazność dla środowiska nat; ograniczona wytrzymałość na ↓ temp, przy kontakcie z ogniem wydziela się trujący gaz: fozgen. Stos. w aparaturze łączeniowej.

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) gaz cieplarniany, b.drogi i trudny w uzyskiwaniu

Próżnia–b.rozrzedzony gaz p10^-3Pa; duża wytrz.elektryczna (brak nośników) 5-10*>pow.Wykorzystywany w wyłącz. i aparaturze rozdzielczej średnich nap.

8. Materiały przewodzące i jaką rolę spełniają w konstrukcji kabla, transformatora..

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

9. Powstanie wyładowań atmosferycznych.

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)

Dwa rodzaje burz :

- burza frontowa – czołowa

front zimny wypiera ciepły ku górze, gdzie gromadzi się para i tworzy się chmura burzowa. Burza ta charakteryzuje się niewielką ilością piorunów.

- burza tropikalna – termiczna

od ziemi odrywa się masa gorącego powietrza, tworząc w górze chmurę burzową. Tego typu burza charakteryzuje się wielką ilością piorunów. ( kilka na minutę).

Benjamin Franklin badał burze i udowodnił, że mają charakter elektryczny (1752 pioruno) i następuje elektryzowanie się chmur – tych teorii jest kilka:

Teoria rozdziału Simpsona – na skutek ruchów konwekcyjnych następuje rozrywanie kropel wody, pojawia się pył wodny, w którym 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 wymiana ładunków między kroplami (krople + szły na górę, a – na dół, na ziemie, bo były przyciągane przez dodatni ładunek ziemski)

Teoria Vonnegut’a jony – są wciągane w obszar chmur z zewnątrz

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

Wyładowanie pierwotne :

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

2. szybkość przemieszczania 100-2000 km/s

3. skokowy ruch podczas poruszania się (skoki co 30m w czasie 50µs)

4. prąd wyładowania wstępnego około 100A

5. kanał wyładowania : zygzakowaty.

6. Kanał słabo widoczny

7. Średnica kanału wyładowań wstępnych od .

Wyładowanie główne (gdy kanał wyładowania wstępnego dotrze do ziemi):

- 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 km/s)

2. czas trwania wyładowania 60-100 µs

3. prąd w kanale 500-250 kA (śr.30 kA)

4. stromość naratsania fali 500 A/µs

5. napięcie między ziemią a chmurą 10-100 MV

6. moc chwilowa wyładowania 700*10¹² W

7. energia wyładowania od 4 do 200 kWh

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

   Pioruny krótko i długotrwałe :

   Kształt nap.udaru piorunow. (fala trójkątne)

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

   Udar prądowy T1/T2 -> 4/10µs ma kształt paraboli(prawie jak piorunowy)

   Prawdopodobieństwo wyładowania o danym prądzie:

   Inne formy wyładowań atmosferycznych

10. Cechy wyładowań wstępnych

Zaczyna się rozwijać, gdy natężenie pola lokalnego pod komorą czynną przekroczy 100V/cm.

-rozwija się między komorami czynnymi wewnątrz chmury albo od chmury ku ziemi

-szybkość przemieszczania się 100-2000km/s

-skokowy ruch 10-100m (średnio 50m) w czasie około 50us.

-prąd kilkaset A(100-1000A)

-kanał słabo widoczny, bardzo wąski o średnicy do 1cm.

-gdy jest 50m od ziemi, z ziemi wyrasta wyładowanie wtórne (główne)

11. Cechy wyładowania głównego.

Ruch od ziemi w kierunku chmury

-prędkość 10000-100000km/s

-czas trwania 60-100us

-rozwija się w kanale wyładowania wstępnego

-prąd do 500000A(średnio 20000A)

-silnie świecący kanał tego wyładowania

-stromość fali prądowej ok.5000A/us

-napięcie 10-100MV

-moc chwilowa ~700TW

-energia ~4-200kWh

-średnica kilka do 10cm (~5cm)

-każdy piorun to piorun wielokrotny, przebiegający w zjonizowanym kanale powietrza, cały jeden cykl może trwać 1,5s (w tym czasie ma miejsce wielokrotny przebieg)

-1,2/50us to tylko czas pierwszego wyładowania, pozostałe są bardziej strome i krótsze (0,2/10us)

12. Mechanizmy przebicia elektrycznego w cieczach izolacyjnych

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.e – ładunek elektronu, E – natężenie pola elektrycznego, λ - średnia droga swobodna między kolejnymi zderzeniami ).

Dla oleju mineralnego E > 1 MV /cm

Olej silikonowy E > 1,2 MV / cm

Benzen E > 1,1 MV / cm

LN₂ E > 1,6 MV / cm

LO₂ E > 2,4 MV / cm

Lh₂ E > 1 MV / cm

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.

Gaz Olej

E₁*εw₁ = E₂*εw₂

~1,0005 ~2,5 : 6

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 (1,38 * 10 ^-23 J/K); 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 jest wyłapywana przez włókna celulozy i potęguje zjawisko przewodzenia prądu elektrycznego. Wzrasta prąd wpływu , rośnie temp sprzyja to wyładowaniu.

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

2. 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

13. Mechanizmy przebicia elektrycznego w dielektryku stałym.