Osnove visokonapetostne tehnike

Razelektritev

Boštjan Blažičbostjan.blazic@fe.uni‐lj.sileon.fe.uni‐lj.si01 4768 414

2013/14

Dielektrična trdnost in zdržnost izolacije

Izolacijski materiali med elektrodama– plinasti, tekoči, trdni

dielektrična trdnost: jakost električnega polja, ki jo dielektrik zdrži, preden se njegova struktura poruši (V/m)

dielektrična zdržnost: najvišja napetost, ki jo element še zdrži dielektrična trdnost tudi časovno pogojena zdržna napetost: najvišja napetost, ki jo element še zdrži

Testiranje izolacijskih materialov v homogenem polju– odstopanje polja od homogenega polja: faktor izkoristka elektrodne 

konfiguracije η (odvisnost od razmerja d/r0, krogelno iskrilo: η = 0,85..1)– računamo s homogenim poljem, ki ga popravljamo s faktorjem η– jakost polja največja na površni elektrode, v točki, ki je najbližja drugi elektrodi

hom

max

1 2hom

max homp

EE

V VUEd d

U E d E d

Razelektritev

Procesi, ki povzročajo dielektrične obremenitve, so hitri: predpostavimo, da je obratovalna napetost v tem času konstantna (enosmerna)

Za razelektritev morajo obstajati gibljivi naboji– ionizacija: proizvodnja nosilcev elektrine (nevtralna molekula odda ali sprejme 

elektron) na elektrodah ali v prostoru udarna (trkovna) ionizacija: pospešeni nabiti delec trči z nevtralnim in izbije 

elektron‐e fotoionizacija: foton trči v nevtralni delec, povzroči ionizacijo termična ionizacija: pri visoki temp., molekule s trki povzročajo ionizacijo

– lavinska (plazovita) ionizacija: nabiti delec ima dovolj energije, da izbije nevtralnemu delcu dva elektrona zunanja ionizacija ni več potrebna zrak: 3 MV/m, izguba lastnosti izolatorja

– pramenasta ionizacija (streamer): ob močnem polju v plazu pride do razvoja streamer‐jev kot posledica fotoionizacije

– razelektritev v plinih, tekočinah in trdnih dielektrikih podobna– razelektritve: delne (prasketanje, tlenje, korona), popolne (preskok oz. preboj 

izolacije – iskra, oblok)

Razelektritev

Razelektritev– ionizacija spremeni izolatorske 

lastnosti dielektrika– razelektritve: delne (tlenje oz. korona, 

pramen), popolne (preskok oz. preboj izolacije –> iskra, oblok): tlenje (korona): polje je homogeno, 

naboj se prazni v okoliški prostor, ne doseže nasprotne elektrode

pramen: polje je šibko nehomogeno, z višanjem napetosti se tlenje pretvarja v pramenasto plazenje (modro svetlikanje), naboj ne doseže nasprotnem elektrode

iskra: polje je nehomogeno, pride do prehodnega tokovnega pulza (energija vira ne more vzdrževati obloka)

oblok: polje močno nehomogeno, s temperaturo pogojena prevodnost

Razelektritev – naraščanje števila nosilcev naboja 

Plazovito naraščanje nosilce naboja– predpostavka: v električnem polju en prosti elektron, pospeševanje v polju Ei– pogoj za začetek ionizacije

– generiranje novih delcev

– ionizacijski koeficient: število ionizacijskih parov na enoto razdalje zaradi začetnega elektrona

i e i ionizacijee E e U W

0

x

xx

dn n dx

n n e

n0 ..začetno število prostih elektronovnx ..število prostih elektronov na razdalji xα  ..ionizacijski koeficient

255/

(splošna enačba za pline)

8,8 (zrak)E p

Ep fp

ep

Razelektritev v homogenem polju

Plazovita (lavinska) ionizacija v zraku, homogeno polje (Townsendow mehanizem)– začetno število delcev na katodi n0– število delcev prve generacije na anodi:– ioni potujejo na katodo, elektroni na anodo– ioni povzročijo na katodi novo ionizacijo

število ionov: elektroni druge generacije:

– število delcev prve generacije na anodi:– število delcev k‐te generacije: 

0 0d

dn n e

0 0 0 1d dn n e n e

0 1dIn n e

0 1d ddIn n e e

2 1( 1) 0 1 ..

1

d kd k

d

n n e M M M

M e

1M 1M 1M

Razelektritev v rahlo nehomogenem polju

Rahlo nehomogeno polje– vpliv prostorske elektrine na polje

hitro elektroni tvorijo negativno glavo plazu (velika gostota naboja) počasni ioni tvorijo razpotegnjen rep

– povečanje polja pred glavo večja ionizacija, oddajanje svetlobe zaradi fotoionizacije pride do generiranja novih plazov (kanal, pramen, streamer)

Primeri razelektritev v nehomogenem polju– Pozitivna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja– Pozitivna konica – plošča, primer kritičnega ojačenja (razvoj streamerjev)– Negativna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja

Razelektritev v nehomogenem polju

Pozitivna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja– neenakomerna razporeditev potenciala

ionizacija, ioni počasnejši od elektronov ob dotiku z anodo se elektroni nevtralizirajo poz. ioni se počasi pomikajo proti katodi• poz. ioni zmanjšajo jakost polja ob pozitivni 

elektrodi• poz. ioni povzročijo, da se konica navidezno 

pomakne bliže katodi (povečanje polja)

Razelektritev v nehomogenem polju

Pozitivna konica – plošča, primer kritičnega ojačenja (razvoj streamerjev)– jakost polje na koncu oblaka poz. ionov preseže Emin (začetek trkovne ionizacije)

nevtraliziranje pozitivnih ionov prve lavine

– sprožitev druge lavine v prostoru pred oblakom zaradi fotoionizacije ‐> streamer povečanje števila nosilcev elektrine nad 108/cm3

preskakovanje delov poti s svetlobno hitrostjo

– proces se ustavi, ko polje pade pod Emin

ionizacija se odvija daleč v prostor med elektrodama, na področje nizke jakosti E

Razelektritev v nehomogenem polju

Negativna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja– neenakomerna razporeditev potenciala

ionizacija, ioni počasnejši od elektronov (hitro oddaljevanje elekt. od neg. konice) elektroni tvorijo s plinom (npr. kisik) negativne ione negativni ioni pred konico oslabijo polje, lavinski proces ni več mogoč poz. ioni gredo proti konici, poveča se jakost polja ob pozitivni elektrodi

• ponovna tvorba elektronov pred anodo je polje nekoliko povečano zaradi negativnega prostorskega naboja v splošnem je polje enakomernejše – kritična napetost je višja

Razelektritev v nehomogenem polju

Negativna konica – plošča, primer kritičnega ojačenja– lavinska razelektritev pri ostrih konicah– kritično ojačenje lavine lahko vodi do streamerjev

Iskra in električni oblok

Pramenasta razelektritev premosti vso razdaljo– zaradi majhne prevodnosti napetost ne upade v trenutku– več pramenastih razelektritev povzroči termo‐ionizacijo (segrevanje kanala)

povečanje prevodnosti razelektritvene poti povečanje prevodnosti povzroči nadaljnje povečanje toka in razvijanje toplote na konici se pojavi svetlo steblo (plazma) rast svetlega kanala: vodilna razelektritev (iskra ali leader)

– oblok nastane, ko iskra premosti celotno razdaljo med elektrodama