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)

2. 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)

3. Technika pomiarów wysokonapię-ciowych

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

2. 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.

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

Współczynnik tłumienia pola ele..i magn.

E_z, H_z - natęż.pola na zewn.hali

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=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 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.na orbicie 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 1 elektronu)-gdy en.ma taką wartość, że elektron oddala się tak daleko, że traci więź z jądrem i atom staje się jonem +

Townsend stwierdził badając ten dryf ładunków, że wraz ze ↑ nap. ↑ gęstość prądu w zewn. obwodzie pomiarowym.

Od zera do U₁ przy małym E. między elektrodami następuje spływ ładunków swobodnych do elektrody o przeciwnym znaku i osiągnięty zostaje punkt nasycenia prądu.

Od U1 do U2 - ↑ U przyspiesza tylko ruch cząstek, ale nie prowadzi do zwiększenia się ich liczby (proc.jonizacji jest 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 cząstkami 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, co powoduje 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 prędkość rekombinacji 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; wielokrotnie 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 gromadzona 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 przestrzeni. 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

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 na drodze międzyelektrodowej `a'; γ-wsp. jonizacji powierzchniowej

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

U0-nap.początkowe,nap.kryt.rzeskoku

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

Przy wzroście p, zwiększa się gęstość gazu w danej komorze, tzn.cząstki są bardziej upakowane, więc zmniejsza się też średnia droga swobodna pomiędzy zderzeniami, stąd trzeba zwiększyć napięcie aby mogło dojść do przeskoku.

Przy zmniejszaniu ciśnienia p, cząstki się oddalają, zwiększa się średnia droga swobodna oraz prędkość ładunków i ułatwione jest jonizowanie, w ten sposób potrzeba mniejszego napięcia aby spowodować przeskok.

Przy przekroczeniu p min przy zmniejszaniu ciśnienia zaczyna brakować cząstek potrzebnych do jonizacji, wobec tego wytrzymałość elektryczna wzrasta. Zatem dla p=0 U_o= ∞ jednak tak nie jest ponieważ z materiału wyrywane są cząstki, które są materiałem do jonizacji.

Nap.przeskoku zależy od:

• rodzaju gazu

• gęstości powietrza (p,υ, [^oC],[Pa])

współcz.korekcyjny uwzgl. gęstość pow. δ= ((273+20)/(273+ υ))*(p/1013)

• zapylenie przestrzenie międzyelektrodow.

• stopień niejednorodności pola elektryczn.

• rodzaj napięcia (sieciowe, stałe, udarowe) Napięcie stałe i przemienne ma takie same skutki, przy tych samych wartościach, natomiast nap.udarowe jest ok.1000 razy szybsze od półokresu sinusoidy. Procesy przy nap.udarowym zachodzą trudniej, bo trwa bardzo krótko, dlatego nap.udarowe ma większą wartość dla przeskoku.

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=(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:

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

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

4. 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.

Mechanizm kanałowy (strimerowy) od 10 - 1000mm - nie wystarczy tylko wywołać lawiny elektronów (przyczyną pojawienia się cząstek jest jonizacja wywołana przez proces rekombinacji). 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. Grubszy warkocz plazmy.

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

a) 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.

b) 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)

c) Teoria międzyelektrodowej wymiany cząsteczek Elektron, który dostał 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)

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 :

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

6. szybkość przemieszczania 100-2000 km/s

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

8. prąd wyładowania wstępnego około 100A

9. kanał wyładowania : zygzakowaty.

10. Kanał słabo widoczny

11. Średnica kanału wyładowań wstępnych od 1 cm.

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:

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

13. czas trwania wyładowania 60-100 μs

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

15. stromość naratsania fali 500 A/μs

16. napięcie między ziemią a chmurą 10-100 MV

17. moc chwilowa wyładowania 700*10¹² W

18. energia wyładowania od 4 do 200 kWh

19. 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

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 wzdłuż powierzchni ziemi

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

gdy E< 1 kV /cm, swobodne wyładowanie spływające do ziemi

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 odgromowe:

1. stosowanie linek odgromowych (pod przewodami fazowymi);

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

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

1. instalowanie odgromników→ zgaszenie łuku elektrycznego, przerwanie prądu

Ograniczniki przepięć:

a) iskiernikowy - składa się ze stosu zmiennooporowego (dla małego napięcia materiał jest dobrym izolatorem, a po przekroczeniu granicznego nap. materiał staje się przewodnikiem). Wada - po opadnięciu napięcia, materiał zmiennooporiwy nie odzyskuje właściwości izolacyjnych, dlatego stosuje się dodatkowo iskierniki. Jak opada napięcie iskiernik przerywa obwód i prąd nie płynie.

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

b) beziskiernikowy - materiałem zmiennooporowym jest tlenek cynku zamiast SiC jak w przypadku tego pierwszego. Gdy napięcie spada, materiał powraca do stanu izolacyjnego.

Na napięcie średnie stosuje się iskierniki wydmuchowo-szczelinowo-śrubowe - fibra pod wpływem wysokiego U zostaje wyrzucany pod ciśnieniem gaz, który przerywa udar

Piorunochron - składa się ze zwodu pionowego i przewodu doprowadzającego. Są piorunochrony pasywne i aktywne.

Psywne:

a)

Wzdłuż krawędzi dachu na najwyższym punkcie umieszcza się zwód pionowy. Od zwodu prowadzony jest przewód do uziomu (np.linki, drutu, fundamentu).

b)

Zwód poziomy - dla dachów płaskich obgradza się go drutem.

Aktywne (ściąga piorun do piorunochronu)

Umieszcza się dodatkowy element na zwodzie pionowym lub maszt z urządzeniem o autonomicznym źródle na dachu płaskim.

Wyładowania elektryczne w cieczach

Rola olejów (transformatory , wyłączniki , kondensatory)

-impregnacja izolacji stałej

-czynnik chłodzący

-element gaszący łuk elektryczny

Materiały izolacyjne :

-oleje roślinne , mineralne, syntetyczne

-zdejonizowana woda

-ciecze czyste, ciecze techniczne czyste , ciecze zanieczyszczone

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.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

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. ( papier , szkło , porcelana , tworzywa sztuczne)

Mechanizm elektryczny (elekrtonowy) (mech.przebicia istotnego)-rozwija się w czasi <=1s.Wystepuje w materiale czystym i jednorodnym o dużej wytrzymałości istotnej (właściwej) 40-1500 [kV/mm].W urządzeniach technicznych mamy [5 (kable) - 50 (kondensatory) ] 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. Występuje prąd przebicia bezpowrotnie niszczący materiał stały. Nat.kryt.E_K=C*exp[ΔW/(2kT_k)] C-stała charakteryzująca dany dielektryk 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 (jonizacyjny)

Rozwija się w czasie bardzo długim (nawet kilka lat) Jest charakterystyczny dla zanieczyszczonych ciał stałych (pęcherzyki powietrzne , wtrąciny stałe)

E₁*ε₁= E₂*ε₂

Wyładowania niezupełne obejmują część przestrzeni izolacyjnej nie powodują zwarcia układu elektrod , a po czasie powodują trwałe uszkodzenia izolacji i w efekcie do wył. zupełnego -zwarcia elektrod.

Gdy zanieczyszczenie ma formę ciała stałego linie sił pola elektrycznego albo omijają element lub wnikają do tego zanieczyszczenia - lokalne zwiększenie zagęszczenia pola następuję wzrost wypalania się form ….. ?

Jest to mechanizm długotrwały !!!!

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. Pojawiją się pod wpływem tego jony Podział z tych jonów:

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).Trwa to b. długo. 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

1. 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

2. rezystancja wewnętrzna materiału Ri (INTRINSING)

Stos. żródło nap. stałego 100V i mierzymy prąd pomiędzy elektrodami. Stos. Galwanometr, gdyż prąd rzędu nano.

3. Rezystywność skrośna
(VOLUME)

- pomier U i I => wyliczamy R

- pomiar r => wyliczamy S

- pomiar l => wyliczamy
ze wzoru

4. rezystancja powierzchniowa RS (SURFACE)- mierząc U i I obliczamy R

Na wartość rezystancji wpływa: materiał, warunki zewnętrzne

5. Hydrofobowość - niezwilżające się materiały pod wpływem wilgoci ;Θ>90

6. Hydrofilność - zwilżające się materiały; Θ<90

Energia adhezji

γ-napięcie powierzchniowe

7. Higroskopijność - gdy chłonie wodę lub wilgoć całą swoją objętością. Np. papier, preszpan, żywice termoutwardzalne

Ic - Pr. Ładowania z polaryzacją elektronową i jonową

Ia - Pr. Absorpcji

Iu - Pr. Przewodzenia

8. Przenikalność elektr. - wpływa na pojemność

a) Układ z dielektrykiem gazowym

b) z dielektrykiem ciekłym

ε_w - przenikalność elektryczna względna (dla próżni = 1)

9. współczynnik stratności dielektrycznej tgδ

I=I_A + I_C + I_U

- dla DC I_A i I_C zanika po krótkim czasie i pozostaje tylko prąd płynnościowy

- dla AD I_A i I_C pojawiają się i znikają w zależności od + lub - połówki sinusoidy

Ico - Prąd ładowania poj. geom. Idealnej czyli inaczej kondensatora próżniowego

Icd - składowa pojemnościowa pojawia się po wprowadzeniu materiału izolacyjnego

Ipd - składowa czynna potrzebna do pokrycia strat energi związanej z polaryzacją

Iq - składowa czynna zwiazana z przewodzeniem dielektryka

im mniejszy tym lepiej bo tzn. że materiałowo jest dobrym izolatorem

Uj - napięcie jonizacji (pojawiają się dodatkowo jony n elektrody)

---