Dielektrick ý prieraz v magnetických kvapalinách

Dielektrický prieraz v magnetických kvapalinách

Doktorand: RNDr. František HerchlŠkoliteľ: RNDr. Milan Timko, CSc.

Ústav experimentálnej fyziky, SAV

Motivácia

prítomnosť magnetitových častíc v transformátorovom oleji zlepšuje jeho tepelné aj izolačné vlastnosti

nečistoty v izolačnej kvapaline môžu tvoriť klastre spájajúce elektródy →skrat→zníženie elektrickej pevnosti

v magnetickom poli môžu vzniknúť klastre Fe3O4 častíc a dochádza ku tvorbe mostov

0 50 100 150 200

0

50

100

150

200

250

300

Ave

rage

Le

ngt

h [

m]

Time [s]

= 0.015

= 0.02

Agregácia Fe3O4 častíc v magnetickom poli 10mT

Priemerná dĺžka klastrov v závislosti od času aplikácie B=10mT

Predpokladáme: v dostatočne veľkom elektrickom poli môže dôjsť ku tvorbe klastrov

Experiment Príprava magnetickej kvapaliny:

magnetit: zrážacia reakcia Fe2+ a Fe3+ solí (FeCl3 ,FeSO4 ) v alkalickom prostredí (NH4OH)

surfaktant: kyselina olejová

nosič: ITO 100

0 100 200 300 400 500 600 7000

2

4

6

M [

Am

2 /kg

]

B [mT]

0.0019 0.019

Magnetizácia vzoriek v závislosti od magnetického poľa

Parametre častíc: metódou Chantrella a Popplewella z magnetizačných kriviek nameraných na VSM magnetometri

Dm= 6.9nm 9.1nm

= 0.42 0.48

Φ = 0.0019 0.019

3

183

21

0

0´

S

i

S

Bvm IHI

TkD

S

im I

H003ln

3

1

Meranie kapacity a činiteľa strát pomocou Scheringovho mostíka Tettex 2818 pri frekvencii 50Hz

pomocou medených elektród bol vytvorný doskový kondenzátor, ktorý sme vložili do nádobky s magnetickou kvapalinou

permitivita MK :

chyba merania: ±1%

magnetické pole: do 40mT

elektrické pole: 0.5 – 2.5MV/m

0CCr

0,05 0,10 0,15 0,20 0,252,10

2,12

2,14

2,16

2,18

2,20MF = 0.0019

B=0mT B=40mT B||E B=40mT BE

r

E[MV/m]

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

2

3

4

5MF = 0.019

r

E[MV/m]

B=0mT B||E B=40mT BE B=40mT

Výsledky

Permitivita MK pri nízkej koncentrácii sa s rastúcou E skoro nemení

V nenulovom magnetickom poli dochádza ku zmene permitivity → magnetodielektrický efekt

v BE sa permitivita zväčšuje (vznik klastrov orientovaných kolmo na E)

v B||E sa permitivita zmenšuje (vznik klastrov orientovaných rovnobežne s E)

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

0,28

0,32

0,36

0,40MF = 0.0019

B=0mT B=40mT B||E B=40mT BE

tg(

)

E[MV/m]

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5MF = 0.019

B=0mT B=40mT B||E B=40mT BE

tg

E[MV/m]

Permitivita MK s 10 krát väčšou koncentráciou sa zväčšila pri zvyšovaní E dvakrátM.M.Radulescu, J.Magn.Magn.Materials 85 (1990) 144magnetické častice obalené kyselinou olejovou sú záporne nabité a obklopené opačne nabitými iónmi → v dôsledku väčšej veľkosti častíc a väčšej koncentrácii dochádza ku zhlukovaniu → rast permitivity v el. poli

Stratový činiteľ pomaly rastie pri nízkej koncentrácii MK a pri koncentrácii 1.9% dochádza ku jeho dvojnásobnému zmenšeniu pri zvyšovaní E

Záver

MK s koncentráciou 0.19% je dielektricky stabilná vo veľkých elektrických poliach (0.5 – 2.5MV/m)

V MK s desaťnásobne vyššou koncentráciou dochádza ku vytváraniu klastrov v poliach 0.5 – 2.5MV/m

Stav práce

0 2 4 6 8 10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

5,0 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0-2

-1

0

1

2

3

4

5Inductive probe voltageMF = 0.0025 d=0.1mm B=0mT

Vol

tage

[kV

]

Time[s]

1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1-4

-3

-2

-1

0

1

2

Inductive probe voltageMF = 0.0025 d=0.1mm B=0mT

Vol

tage

[kV

]

Time[s]

Inductive probe voltageMF = 0.0025 d=0.1mm B=0mT

Vo

ltag

e[k

V]

Time[s]

Meracia aparatúraPriebeh prúdových impulzov pri

prieraze

Závislosť prierazného napätia od koncentrácie MK a vzdialenosti elektród

Merania sa robili pri striedavom aj jednosmernom napätí na zdroji

Sledoval sa časový vývoj prierazu (predprierazný stav, prieraz, postprierazný stav)

Vplyv magnetického poľa na prierazné napätie a vývoj prierazu

Merania prierazného napätia a čiastkových výbojov na malom distribučnom transformátore a pri impulznom napätí

Publikácie

MARTON, K. – TOMČO, L. – KOPČANSKÝ, P. – HERCHL, F. – TIMKO, M. – KONERACKÁ, M. The development of electric breakdown in magnetic fluids in combined magnetic and electric fields. In X Sympozjum „ Problemy eksploatacji ukladow izolacyjnych wysokiego napecia“, Krynica, 27-30.9. 2005. PRZEGLAD ELEKTROTECHNICZNY-KONFERENCJE v.3, 1/2005

KOPČANSKÝ, P. - MARTON, M. - TOMČO, L. - KONERACKÁ, M. - TIMKO, M. - POTOČOVÁ, I. - HERCHL, F. The influence of magnetic nanoparticles on DC- and AC-dielectric brekdown in transformer oil-based magnetic fluid. Magnetohydrodynamics Vol. 41 (2005), No.4.

KOPČANSKÝ P., MARTON K., TOMČO L., HERCHL F:, TIMKO M., KONERACKÁ M., POTOČOVÁ I., The influence of magnetic nanoparticles on DC- and AC- dielectric breakdown in transformer oil, Acta Metallurgica Slovaca 13 (2007) 201

L. Tomčo, K. Marton, F. Herchl, P. Kopčanský, I. Potočová, M. Koneracká, and M. Timko, The DC and AC insulating properties of magnetic fuids based on transformer oil, phys. stat. sol. (c) 3 (2006), No. 1, p. 195–198

Karentované časopisy

SKUMIEL, A. – JOZEFCZAK, A. – TIMKO, M. – KOPČANSKÝ, P. – HERCHL, F. – KONERACKÁ, M. – TOMAŠOVIČOVÁ, N. The heating effect in biocompatible magnetic fluid, Intermational Journal of Thermophysics, DOI 10.1007/s10765-006-0138-y

Zborníky

MARTON K., TOMČO L. HERCHL F., KOPČANSKÝ P., DOLNÍK B., TIMKO M., KONERACKÁ M., Priestorové náboje v magnetických kvapalinách pri formovaní sa kanála prierazu, 16th. International Conference DISEE 2006, Zborník príspevkov, s.14

HERCHL F., KOPČANSKÝ P., MARTON K., TOMČO L., TIMKO M., KONERACKÁ M., POTOČOVÁ I., Insulating properties of oil based magnetic liquids, 7th International Conference on NEW DEVELOPMENT TRENDS IN AERONAUTICS, Košice 6.-8.9.2006, Zbornik prispevkov, ISBN 80-8073-520-4

Zaslané články

F.Herchl, P.Kopčanský, M.Timko, M.Koneracká, K.Marton, I.Kolcunová, L.Tomčo, Dielectric properties of magnetic liquids in high electric fields, Acta Physica Polonica

Zborníky

F.HERCHL, P.KOPČANSKÝ, K.MARTON, L.TOMČO, M.TIMKO, M.KONERACKÁ, I.POTOČOVÁ : Insulating properties of oil based magnetic liquids, Euromech Colloquium 470, Recent development in Ferrofluid Research, Dresden, Book of abstracts, p.43

KOPČANSKÝ, P. - MARTON, K. - TOMČO, L. - KONERACKÁ, M. - TIMKO, M. - POTOČOVÁ, I. - HERCHL, F. The influence of magnetic nanoparticles on DC- and AC-Dielectric breakdown in transformer oil-based magnetic fluid. In Proceedings of the Joint 15th Riga and 6th PAMIR International Conference on Fundamental and Applied MHD, Riga Jurmala, Latvia, June 27 - July 1, 2005. Riga: IPUL, MHD, 2005.- p.329-332.

MARTON K., TOMČO L., HERCHL F., KOPČANSKÝ P., TIMKO M., KONERACKÁ M., Tvorba kanála elektrického prierazu v magnetických kvapalinách In: DIAGNOSTIKA 2005, Plzeň 2005, Zborník príspevkov, s.59