TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroenergetiky

TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACHTECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACHFakulta elektrotechniky a informatikyFakulta elektrotechniky a informatiky

Katedra elektroenergetikyKatedra elektroenergetiky

Vplyv elektrického a tepelného poľa na vznik čiastkových výbojov

Vplyv elektrického a tepelného poľa na vznik čiastkových výbojov

Karol Marton, Juraj Kurimský, Jozef Balogh, Marek BogaKarol Marton, Juraj Kurimský, Jozef Balogh, Marek Boga

ELEKTROENERGETIKA 2007ELEKTROENERGETIKA 2007 4. Medzinárodné vedecké sympózium4. Medzinárodné vedecké sympózium

Vysoké Tatry – Stará LesnáVysoké Tatry – Stará Lesná

OBSAHOBSAH

1.1. ÚVOD ÚVOD

2.2. SÚČASNÉ PSÚČASNÉ PÔÔSOBENIE SOBENIE ELEKTRICKÉHO A TEPELNÉHO POĽA ELEKTRICKÉHO A TEPELNÉHO POĽA NA DEFEKTNÉ MIESTONA DEFEKTNÉ MIESTO

3.3. EXPERIMENTÁLNE SLEDOVANIE EXPERIMENTÁLNE SLEDOVANIE VÝBOJOVEJ AKTIVITY PRI SÚČASNOM VÝBOJOVEJ AKTIVITY PRI SÚČASNOM PÔSOBENÍ PÔSOBENÍ EE A A TT POĽA POĽA

4.4. ZÁVERZÁVER

1.1. ÚVODÚVOD

V jednoduchých a zložitých izolačných systémoch je V jednoduchých a zložitých izolačných systémoch je mechanizmus výbojovej činnosti v extrémne malých objemoch mechanizmus výbojovej činnosti v extrémne malých objemoch plynných uzáverov odlišný.plynných uzáverov odlišný.

Modelovanie procesov v defektnom mieste izolácie viedlo k Modelovanie procesov v defektnom mieste izolácie viedlo k separátnemu skúmaniu napäťových, prúdových, tlakových a separátnemu skúmaniu napäťových, prúdových, tlakových a teplotných pomerov v mikropriestore.teplotných pomerov v mikropriestore.

Výskum realizovaný na modifikovanom Boeningovom modeli Výskum realizovaný na modifikovanom Boeningovom modeli napäťovom a prúdovom modeli vyvinutom na oddelení TVN napäťovom a prúdovom modeli vyvinutom na oddelení TVN KEE.KEE.

Polarizačné a vodivostné pomery v mikropriestore izolácie silne Polarizačné a vodivostné pomery v mikropriestore izolácie silne ovplyvňujú javy v defektnom mieste.ovplyvňujú javy v defektnom mieste.

Skúmanie bolo realizované separátne v mieste výboja Skúmanie bolo realizované separátne v mieste výboja (bleskoistka) ako aj v modeli s bleskoistkou v obvode R a C (bleskoistka) ako aj v modeli s bleskoistkou v obvode R a C uloženom v prostredí o definovanej teplote.uloženom v prostredí o definovanej teplote.

Výsledky boli konfrontované s modelovými dutinami v Výsledky boli konfrontované s modelovými dutinami v homogénnom elektrickom poli (Paschenov zákon) a v homogénnom elektrickom poli (Paschenov zákon) a v nehomogénnom poli (redukovaný Paschenov zákon).nehomogénnom poli (redukovaný Paschenov zákon).

2. SÚČASNÉ PÔSOBENIE 2. SÚČASNÉ PÔSOBENIE EE A A TT POĽA NA POĽA NA DEFEKTNÉ MIESTODEFEKTNÉ MIESTOPrvý model defektného miesta bol popísaný autormi ARMAN-Prvý model defektného miesta bol popísaný autormi ARMAN-

om a STAR-om v r. 1936:om a STAR-om v r. 1936:

k

cik

t

R

Ui

exp

Pre takýto typ modelu bol odvodený vzťah pre Pre takýto typ modelu bol odvodený vzťah pre prúdový impulzprúdový impulz

Obr. 1: Náhradná schéma modelu poruchy v izoláciiObr. 1: Náhradná schéma modelu poruchy v izolácii

pričom časová konštanta pričom časová konštanta kk zohľadňuje RC prvky obvodu v tejto forme: zohľadňuje RC prvky obvodu v tejto forme:

ba

cbcabak CC

CCCCCCR

Ca

Cb

Cc

R

Vývoj modelov: Gemant – Philipoff, Vývoj modelov: Gemant – Philipoff, dvojrozmerný, dvojrozmerný, Boeningov, Boeningov, viacčlánkový,viacčlánkový,priestorový, priestorový, prúdový.prúdový.

alebo v zjednodušenom tvare:alebo v zjednodušenom tvare:

Pôvodne Arman a Star analyzovali Pôvodne Arman a Star analyzovali prechodné javy, vznikajúce na prechodné javy, vznikajúce na modeli. modeli. Týmto odpovedá priebeh:Týmto odpovedá priebeh:

Obr.2 Prúdové impulzy ako Obr.2 Prúdové impulzy ako odozva odozva na napäťové zmeny počas výboja na napäťové zmeny počas výboja (Arman a Star)(Arman a Star)

11

TEORETICKÁ INTERPRETÁCIA NAPÄŤOVÉHO A PRÚDOVÉHO MODELU

TEORETICKÁ INTERPRETÁCIA NAPÄŤOVÉHO A PRÚDOVÉHO MODELU

C 3 C 1

C 2

U

U 2

U 1

C 3

C 2

C 1

R

GI

i

i2

i1

a) element kapacity s defektom

a) element kapacity s defektom

b) náhradný modelb) náhradný model

Základná schéma (Gemant, Philipoff)Základná schéma (Gemant, Philipoff)

Napäťový model (modifikovaný Böningom)Napäťový model (modifikovaný Böningom)Napäťový model (modifikovaný Böningom)Napäťový model (modifikovaný Böningom)

uu

u u

u u

A BC

C

C C

C

ii

T S 1

T S 2

R

R

R

R

G I

t= 0

33

55

44

4

4 1

1

11

2

2

2

3 D IG .O S C .

xx

C

C

C12

R

R

G I

n 3

D IG .O S C .

u K S

xx

Prúdový model defektného miestaPrúdový model defektného miesta

Oba modely umožňujú použiť toroidnú sondu na snímanie napäťových, prip. prúdových impulzov

Mnohočlánkový model podľa Kučinského

Napäťovému prechodnému javu po zapálení výboja v dutine Napäťovému prechodnému javu po zapálení výboja v dutine odpovedá prúdový impulz odpovedá prúdový impulz ii22, ktorému predchádza pri zmene , ktorému predchádza pri zmene napätia v oblasti prechodu nulou prechodný jav prúdový napätia v oblasti prechodu nulou prechodný jav prúdový ii11 o o nízkej amplitúde s dlhšou dobou trvania nízkej amplitúde s dlhšou dobou trvania 11. Obe zložky prúdov . Obe zložky prúdov je možné analyzovať Fourierovým rozvojom, ktorého je možné analyzovať Fourierovým rozvojom, ktorého výsledkom je: výsledkom je:

40

1

2

1 i

i40

1

2

1 i

i

Podstatný je prúd i2, ktorý považujeme za výpovedeschopnú veličinu, majúcu tvar

i

i (t)1

i(t)

1= 42

1

2

u (t)c

t 0

IN F L . B O D

-U 0

i (t)2

t

S ca le6 5 m V /d iv

T im e sc a le2 n s /d iv

2

1

21

21 ln

mt

2

1

21

21 ln

mt

z podmienky di/dt = 0, pričom Iz podmienky di/dt = 0, pričom I00 ≠≠ 0 bude: 0 bude:

Priebehu odpovedá matematické Priebehu odpovedá matematické vyjadrenie:vyjadrenie:

210 expexp

tt

ii

210 expexp

tt

ii

Čo znamená, že v nanosekundovej oblasti dokážeme z Čo znamená, že v nanosekundovej oblasti dokážeme z tvaru krivky usudzovať o zmenách, odohrávajúcich sa tvaru krivky usudzovať o zmenách, odohrávajúcich sa počas zmien pomerov (E a T) na procesy v plynnom počas zmien pomerov (E a T) na procesy v plynnom uzávere, odpovedajúcom mikroobjemu v izolačnom uzávere, odpovedajúcom mikroobjemu v izolačnom systéme.systéme.

Je preto opodstatnená požiadavka skúmať diferenciálne Je preto opodstatnená požiadavka skúmať diferenciálne zmeny výpovedeschopných veličín pri akejkoľvek zmene zmeny výpovedeschopných veličín pri akejkoľvek zmene fyzikálnych veličín prostredia.fyzikálnych veličín prostredia.

V defektných miestach (plynom vyplnené uzávery) vznikajú tieto zmeny V defektných miestach (plynom vyplnené uzávery) vznikajú tieto zmeny (dochádza k týmto zmenám): (dochádza k týmto zmenám):

Zvyšovaním teploty: stúpa tlak, Zvyšovaním teploty: stúpa tlak,

pohyblivosť častíc klesá, pohyblivosť častíc klesá,

zvyšuje sa koncentrácia (početnosť) častíc, zvyšuje sa koncentrácia (početnosť) častíc,

merná vodivosť stúpa a teplotný koeficient merná vodivosť stúpa a teplotný koeficient narastá. narastá.

Pričom stačíPričom stačí

V menšom teplotnom intervaleV menšom teplotnom intervale

Kde A, B, C sú konštanty.Kde A, B, C sú konštanty.

01

T

01

T

T

BAexp

T

BAexp

00 exp C 00 exp C

a elementárna zmena dipólového momentu za čas bude:a elementárna zmena dipólového momentu za čas bude:

Z toho vyplýva: zmena časovej konštanty, zmena tlaku, zmena Z toho vyplýva: zmena časovej konštanty, zmena tlaku, zmena zápalného napätia.zápalného napätia.

Orientujeme sa na výpovedeschopnú veličinu definovanú Orientujeme sa na výpovedeschopnú veličinu definovanú prúdovými impulzami, zostavíme rovnicu, ktorá zohľadní prúdovými impulzami, zostavíme rovnicu, ktorá zohľadní diferenciálnu zmenu diferenciálnu zmenu icic pri diferenciálnej zmene pri diferenciálnej zmene //T v tejto forme:T v tejto forme:

0exp11

ii

iic tt

T

m

T

m

TT

i

0exp1

1

ii

iic tt

T

m

T

m

TT

i

ii

tmtm

exp1

ii

tmtm

exp1

Rovnica vyjadruje vzájomnú súvislosť medzi elementárnymi Rovnica vyjadruje vzájomnú súvislosť medzi elementárnymi zmenami dipólového momentu zmenami dipólového momentu mmii, časovej konštanty , časovej konštanty i i pri pri malých zmenách T malých zmenách T v pozorovanom objeme. v pozorovanom objeme. Dipólový moment sa stabilizujeDipólový moment sa stabilizuje

i

ic

tmi

dt

dm

exp

i

ic

tmi

dt

dm

exp

Ďalšie pozorované veličiny pri zmene tlaku p v dutine:Ďalšie pozorované veličiny pri zmene tlaku p v dutine:

Relatívna permitivita: Relatívna permitivita:

r - je polomer elektród, deformujúcich pole; d - je vzdialenosť elektród.r - je polomer elektród, deformujúcich pole; d - je vzdialenosť elektród.

01

pr

r

01

pr

r

0

1

p

tg

tg

0

1

p

tg

tg

Zmeny preskokového napätia (zápalného) napätia v Zmeny preskokového napätia (zápalného) napätia v homogénnom poli a nehomogénnom poli podľa redukovaného homogénnom poli a nehomogénnom poli podľa redukovaného Paschenovho zákonaPaschenovho zákonabudebude

d

rdpfuz ;

d

rdpfuz ;

kde A a B sú konštanty, d – vzdialenosť elektród, Tkde A a B sú konštanty, d – vzdialenosť elektród, T00 – 293K, – 293K,

T – teplota prostredia, T – teplota prostredia, – súčet sekundárnych činiteľov. – súčet sekundárnych činiteľov.

Spätosť tlaku a teploty v defektnom mieste pri pôsobení Spätosť tlaku a teploty v defektnom mieste pri pôsobení elektrického poľa vyplýva z kombinácie Paschenovho a Boyle-elektrického poľa vyplýva z kombinácie Paschenovho a Boyle-Mariottovho zákona.Mariottovho zákona.

Upravená rovnica, vyjadrujúca závislosť tzv. zápalného Upravená rovnica, vyjadrujúca závislosť tzv. zápalného napätie od tlaku a teploty bude mať tvar:napätie od tlaku a teploty bude mať tvar:

1

1ln

ln

0

0

T

TdpA

T

TdpB

uz

1

1ln

ln

0

0

T

TdpA

T

TdpB

uz

3. EXPERIMENTY A VÝSLEDKY3. EXPERIMENTY A VÝSLEDKYSnímanie výpovedeschopných veličín:Snímanie výpovedeschopných veličín:- galvanicky a induktívnegalvanicky a induktívne

Obvod defektného miesta: Obvod defektného miesta: - modifikovaný Boeningov model modifikovaný Boeningov model - prúdový modelprúdový model

Rozsah teplôt: -5 °C (268 K) – 20 °C (293 K) – 80 °C (353 K)Rozsah teplôt: -5 °C (268 K) – 20 °C (293 K) – 80 °C (353 K)

Komplexné meracie stanovište: Komplexné meracie stanovište:

Obr. 4

HVTR

UReg

C

C

1

2

E - V MTE 3 DIG.OSC.

PC

PDMODEL UT

ON

NK

CK

ZmMTE 3

Defektné miesto modelované iskriskomDefektné miesto modelované iskriskom

Obr.4 b) spektrálna analýza Obr.4 b) spektrálna analýza Obr.4 Obr.4 a) elektródový systém

Obr 5 Teplotné závislosti zdanlivého náboja a početnosti

048

1216

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Hq

n (

-)

fázový uhol ( o)

t=-5ºC, U test=275 V

048

121620

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Hq

n (

-)

fázový uhol (o)

t=35ºC, U test=275 V

048

1216

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Hq

n (

-)

fázový uhol (o)

t=74ºC, Utest=274 V

Obr. 6 Fázové rozloženie početnosti zdanlivého náboja

0

5

10

500 1000 1500 2000 2500 3000

N (

-)

amplitúda (pC)

t=-5ºC, Utest=275 V

05

10

15

500 1000 1500 2000 2500 3000

N (

-)

amplitúda (pC)

t=35ºC, Utest=275 V

0

5

10

500 1000 1500 2000 2500 3000

N (

-)

amplitúda (pC)

t=74ºC, Utest=274 V

Obr. 7 Amplitúdové spektrá zdanlivého náboja

Obr. 8 Porovnanie citlivosti prúdového modelu (PM) a Boeningovho modelu (BM) defektného miesta v izolácii

4. ZÁVER4. ZÁVER

Vzorky vystavené nízkym teplotám -5 °C vykazujú pri Vzorky vystavené nízkym teplotám -5 °C vykazujú pri nižších nižších

teplotách vyššie hodnoty početnosti a amplitúdy zdanlivého teplotách vyššie hodnoty početnosti a amplitúdy zdanlivého náboja.náboja. Vplyv kondenzácie existujúcich vodných pár v Vplyv kondenzácie existujúcich vodných pár v mikroobjeme.mikroobjeme. Zmena tlakových pomerov v plynných uzáveroch.Zmena tlakových pomerov v plynných uzáveroch.

Požiadavka: Požiadavka: - konfrontácia výsledkov pri zmene teplotykonfrontácia výsledkov pri zmene teploty- v modelovej dutinev modelovej dutine- v obvode dutiny s komplexným modelomv obvode dutiny s komplexným modelom- rozšíriť rozsah meraných teplôtrozšíriť rozsah meraných teplôt

Táto práca vznikla v rámci projektu VEGA č. 1/3142/06 a Táto práca vznikla v rámci projektu VEGA č. 1/3142/06 a projektu APVV-20-006005.projektu APVV-20-006005.

Ďakujem za pozornosť.Ďakujem za pozornosť.