BL20A0300. Suurjännitetekniikka

Transkriptio

1 BL20A0300 Sähköpurkaukset Jarmo Partanen 1

2 Sähköpurkaukset Eriste jänniterasituksessa Kun jännite vaikuttaa eristeen yli niin sen läpi kulkee vuotovirta Kun jännitettä nostetaan niin lopulta jännite eristyksen yli romahtaa ja virta kasvaa suureksi - > tapahtuu läpilyönti täydellinen purkaus eristeen läpi; läpilyönti purkaus kahden eristeen rajapinnalla; ylilyönti ei täydellistä purkausta; osittaispurkaukset, korona Kaasuissa tapahtuvan purkaukseen vaikuttaa monia ilmiöitä, mallintaminen/ennustaminen vaikeata kiinteissä aineissa ja nesteissä mallintaminen vielä vaikeampaa 2

3 Sähköpurkaus kaasussa Edellytys 1: vapaat elektronit taustasäteily (kosminen, radioaktiivinen, valo, ultravioletti) huoneenlämpöisessä ilmassa n ioniparia / m 3 (negatiiviset varaukset lähinnä ioneja) Edellytys 2: kenttäionisaatio elektronituotanto törmäyksissä on suurempi kuin niiden poistuminen sieppauksen ja diffuusion kautta elektronit kertautuvat yli kriittisen määrän I 3 U

4 Vapaat elektronit Vapaita elektroneja tuottavat: avaruussäteily + radioaktiivinen säteily Vapaita elektroneja poistavat: rekombinaatio diffuusio attachment kaasut kiinteät, eristeet, nesteet röntgensäteily + + ultraviolettisäteily + + valo törmäysionisaatio terminen ionisaatio metallit 4

5 Elektronien törmäysionisaatio Elastiset törmäykset e - Epäelastiset törmäykset ennen jälkeen e - e - + e - Keskimääräinen vapaa matka 1 lm i n Q i Q = törmäysvaikutusala i Ionisaatioehto: eel m W i viritys W i ionisaatio 5

6 Törmäysionisaatio Kaasussa on vapaita elektroneja. Kun kaasuun vaikuttaa sähkökenttä E niin elektronit liikkuvat sähkökentän suuntaan, samalla elektronin liike-energia W kasvaa. Liikkuva elektroni törmää lopulta atomiin, keskimääräinen törmäysenergia riippuu kiihdyttävästä jännitteestä ja kiihdytysmatkasta. Vapaa matka kuvaa matkaa, jonka elektroni ehtii keskimäärin kulkea kahden törmäyksen välillä. Elektronin keskimääräinen nopeus on 30 kv/m sähkökentässä 150 mm/ s (ilman sähkökenttää 0,5 mm/ s) Atomin ionisoitumisen ehtona on, että liike-energia on riittävä E > U i > W i /e U i ionisaatiojännite, W i ionisaatioenergia 6

7 Townsendin purkaus dx levyn pinta-ala A 0 e - x x+dx d Elektronivuon tiheys (elektroneja/a) kohdassa 0 on N 0. Matkalla dx kenttäionisaatio kasvattaa elektronien määrää dn = Ndx 7

8 Townsendin purkaus Kohdassa x elektronien määrä N N dn N Ratkaisuksi saadaan x 0 0 dx N N 0 e d tai i i 0 e d = Townsendin 1. ionisaatiokerroin 8

9 Townsendin Riippuu kentänvoimakkuudesta Riippuu kaasun ominaisuuksista Riippuu kaasun paineesta elektronin vapaa matka Suurella paineella vapaa matka pieni, törmäystodennäköisyys suuri Pienellä paineella vapaa matka pitkä, törmäystodennäköisyys pieni Ape Anodille tuleva virta Virran kasvu rajallinen Bp / E i i tämä ei ole läpilyönti! 0 e d e - E 9

10 Townsendin Anodille tuleva virta i = i 0 (1 + N) Jokaista katodilta lähtenyttä elektronia kohti on syntynyt N kpl uusia elektroneja N = e d Katodille saapuu jokaista sieltä lähtenyttä elektronia kohti N kpl positiivisia ioneja N kpl uusia elektroneja = Townsendin 2. ionisaatiokerroin Anodille saapuva virta i = i 0 (1 + N + N + 2 N ) Virta voi kasvaa äärettömän suureksi, jos N 1 e d 1 10

11 Sekundäärinen ionisaatio Townsendin 2. ionisaatiokerroin Katodille saapuva ioni voi irroittaa katodin pinnasta elektronin. Tämän tapahtuman todennäköisyys on (Townsendin 2. ionisaatiokerroin) N N0 N 1 d Townsendin läpilyöntikriteeri: e e d 1 1 d i e 1 d 0 i0 e 1 Tämä purkausmekanismi voi johtaa läpilyöntiin, ts. se on itseään ylläpitävä! N N e d 1 kun d >> 1 11

12 Sekundäärinen ionisaatio 12

13 E b U d b Townsendin läpilyöntikriteeri tasoelektrodivälissä U b = läpilyöntijännite e d 1 1 läpilyöntikriteeri Ape Ape Bp / E Bpd / U b U b ln Bpd Apd ln(1 1 ) eli U b = f(pd) Paschenin laki 13

14 Paschenin laki U b = f(pd) Kaasueristeet Homogeeninen kenttä Vakiolämpötila Voimassa kun pd < 5 kpam Voidaan selittää townsend-teorialla On olemassa jännite, jota pienemmällä jännitteellä läpilyönti ei ole mahdollinen, ilmalla n. 240 V (teh.arvo) 14

15 Paschenin laki Ilman Paschen-käyrä lämpötilassa 20 C. U b = huippuarvo. 15

16 Paschenin laki Ilma; 30 kv/cm Eräiden kaasujen läpilyöntilujuus vaihtojännitteellä (huippuarvo) homogeenisessa sähkökentässä elektrodivälin pituuden funktiona vakiopaineessa (1013 mbar) ja vakiolämpötilassa (20 C). 1) SF 6. 2) Ilma. 3) H 2. 16

17 Paschenin laki Läpilyöntijännitteellä U b on minimiarvo pd:n funktiona du d( pd) B Apd ln ln(1 1 ) B 2 Apd ln ln(1 1 ) 0 ln Apd ln(1 1 ) 1 e ( pd) min ln(1 1 ) A B ( U b ) min 2,718 ln(1 1 ) A Ilma (U b ) min = 352 V (pd) min = 0,73 Pa m 17

18 Läpilyönti epähomogeenisessa sähkökentässä Pitkillä elektrodiväleillä Townsend-mekanismi ei riitä selittämään läpilyönnin kehittymistä. (Läpilyönnin kehittyminen liian nopeaa ja purkauskanava haarautuu, vrt. esim. salamapurkaus) 1. Edellytys jossakin elektrodivälin kohdassa ylittyy kriittinen kentänvoimakkuus ja syntyy Townsend-tyyppinen vyöry 2. Edellytys alkuperäinen vyöry voi muuttua itsenäisesti eteneväksi kanavapurkaukseksi 18

19 Läpilyönti epähomogeenisessa sähkökentässä Yksittäinen elektronivyöry Kanavapurkausmekanismi (streamer) pitkässä elektrodivälissä 19

20 Läpilyönti epähomogeenisessa sähkökentässä Elektronivyöry vääristää sähkökenttää kulkutiellään voi syntyä edellytykset vyöryn etenemiselle myös sellaiselle alueelle, jossa kriittinen kentänvoimakkuus ei alunperin ylittyisi 20

21 Läpilyönti epähomogeenisessa sähkökentässä Osittaispurkauksille alttiita vikapaikkoja eristeessä. a) Sisäisiä kaasuonteloita. b) Ontelo eristeen ja metallin rajapinnalla (elektrodilla). c) Ontelo eristeiden rajapinnalla. d) Eristeessä olevan metallihiukkasen tai muun vieraan hiukkasen ja varsinaisen eristeen rajapinta. e) Jo kehittynyt sähköpuu. a a b c Pintapurkauksia eristyksen pinnalla. a) Elektrodin reuna-alueella. b) Terävän elektrodin vieressä. c) Sarjaeristyksessä kiinteän eristeen pinnalla. 21

22 Läpilyönti epähomogeenisessa sähkökentässä a) Koronapurkauksia terävässä kärjessä. b) Koronapurkauksia pienessä epätasaisuuspisteessä muuten tasaisella pinnalla. Eristysrakenteessa oleva ontelo ja kokonaisuutta kuvaava kolmikapasitanssimalli. 22

23 Koronapurkaukset Koronapurkauksia esiintyy ilmaeristyksissä johtimen pinnalla esiintyviä purkauksia ilman, että ne johtavat täydelliseen purkaukseen aiheuttavat radio- ja TV-häiriöitä sekä tehohäviöitä syttymisjännitteeseen vaikuttavat säätila; kosteus, ilmanpaine, huurre johtimen poikkipinta johtimen pinnan tasaisuus 23

24 Sähköpurkaukset - Ilma ilmaa käytetään eristyksenä yleensä kiinteän eristyksen rinnalla; rajapintailmiöt keskeisiä jännitelujuus tilastollinen suure jännitelujuus riippuu rasitusajasta jännitelujuus riippuu elektrodivälin rakenteesta jännitelujuus riippuu säätekijöistä paine, lämpötila, kosteus jännitelujuus ei kasva lineaarisesti elektrodivälin funktiona (Paschenin laki) syöksyjännitteen polariteetti vaikuttaa 24

25 Ilma Jännite-aika-ominaiskäyrän määrittäminen standardimuotoisilla (1,2/50 s) salamasyöksyjännitteillä. 25

26 Ilma Tanko-taso- ja tankokipinävälien jännitelujuuden riippuvuus testauspulssin ajasta huippuarvoon positiivisella kytkentäsyöksyjännitteellä. 26

27 Ilma Tanko-taso- ja tankokipinävälien jännitelujuus. a) Salamasyöksyjännite. b) Kytkentäsyöksyjännite. 27

28 Ilma Muotokertoimien arvoja erilaisilla ilmaeristeisillä vaihemaa-eristysrakenteilla. 28

29 U b p T Olosuhteista riippuvat läpilyöntilujuuden korjauskertoimet Paineen vaikutus otetaan huomioon tiheyskorjauskertoimen avulla U 0 101,3 10 p t 293 U mitattu U 0 = jännitekestoisuus normaaliolosuhteissa (p 0 = 101,3 kpa, t 0 = 20 C) Myös kosteudella on oma korjauskertoimensa 29

30 Olosuhteista riippuvat läpilyöntilujuuden korjauskertoimet Läpilyöntijännitteen ja koronan syttymisjännitteen riippuvuus paineesta eräillä kaasuilla hyvin epähomogeenisessa sähkökentässä positiivisella tasajännitteellä. koronan syttymisjännite U i läpilyöntijännite U b 30

31 Ympäristöolosuhteiden vaikutus ilmaeristyksen läpilyöntilujuuteen Kosteus lisää ilman läpilyöntilujuutta vesimolekyylit ovat heikosti elektronegatiivisia Kosteus kuitenkin yleensä pienentää rajapinnan ylilyöntilujuutta kosteuskerros, lika tulee johtavaksi... Sade alentaa ilmaeristysrakenteen jännitelujuutta vesipisaroitten varaukset, valuva vesi Likaisuus yhdessä kosteuden tai jääpeitteen kanssa alentaa ylilyöntilujuutta voimakkaasti jääpeite kuivana kuitenkin varsin hyvä eriste) 31

32 Ympäristöolosuhteiden vaikutus ilmaeristyksen läpilyöntilujuuteen Sateen jännitelujuutta alentava vaikutus vaihtojännitteellä likaantumattomalla eristinketjulla. 32

33 Suljetut kaasueristykset Ilmaeristys vaatii suuret eristysvälit, joten kytkinlaitoksilla suuri tilan tarve Miten pienentää johtimien välejä? suljettu ilmaeristys paineen nosto elektronegatiiviset kaasut 33

34 Elektronegatiiviset kaasut Sitovat elektroneja (F, O, cl, N) Molekyylit raskaita Näkökohtia: sähkölujuus nesteytymislämpötila alhainen myös suurilla paineilla kemiallinen passiivisuus SF 6 34

35 Elektronegatiiviset kaasut Eräiden elektronegatiivisten kaasujen ominaisuuksia. kaasu sähkölujuus normaalipaineessa verrattuna ilmaan Hiilitetrakloridi, CCl 4 6,3 76 Seleenifluoridi, SeF 4 4,5 49 Nesteytymispiste o C Etyylijodidi, C 2 H 5 J 3 72 Freon, CCl 2 F 2 2,5-30 Rikkiheksafluoridi, SF 6 2,

36 SF 6 -kaasun sähkölujuus Perustuu SF 6 kaasun elektronegatiivisuuteen 2,5 3 kertainen verrattuna ilmaan Edellyttää rakenteita, joissa sähkökenttä jakautuu mahdollisimman tasaisesti Ei riipu merkittävästi ylijännitteen jyrkkyydestä 36

37 SF 6 -kaasun sähkölujuus Rikkiheksafluoridin kemiallinen rakenne. 37

38 SF 6 -kaasun sähkölujuus ILMA SF % 12 % 38

39 SF 6 -kaasun sähkölujuus SF 6 -kaasulle lämpötilassa 25 C mitattu Paschen-käyrä tasa- ja vaihtojännitteellä (huippuarvo). 39

40 Paschenin käyrät SF6-kaasulle Paschenin käyrät SF 6 -kaasulle tasa- ja vaihtojännitteellä (huippuarvo) paineen ja elektrodivälin muuttuessa. 40

41 Sähköpurkaukset, SF 6 Salamasyöksyjännitteellä mitatut SF 6 - eristysrakenteen jännite-aika-ominaiskäyrät vaihtelualueineen. Katkoviivalla on esitetty 1,27 m ilmavälin vastaava käyrä. 41

42 SF 6 -kaasun ominaisuuksia Ei korrodoi Myrkytön Palamaton Hajuton Tiheys n. 5-kertainen ilmaan verrattuna Molekyylipaino 146 typellä N 2 28, hapella O

43 SF 6 -kaasun nesteytyminen Huoneenlämmössä SF 6 nesteytyy n. 22 bar paineessa Keskijännitekatkaisijoissa tavallisesti käytetyillä paineilla nesteytymislämpötilat -35 C C Miten nesteytyminen vältetään? lämmitys pienemmät täyttöpaineet seoskaasut, esim. N 2 43

44 SF 6 ja seoskaasut Miksi seoskaasua? alempi nesteytymislämpötila pienempi herkkyys epäpuhtauksille kustannussäästö Haittoina jännitelujuuden ja valokaaren katkaisukyvyn aleneminen 44

45 Vaatimukset seoskaasulle 1) Kemiallinen passiivisuus 2) Edullisuus Jalokaasut (he, ne, argon) hyviä, mutta liian kalliita Vety halpaa mutta räjähdysaltista Ilma halpaa mutta sisältää epäpuhtauksia sekä aktiivista happea ja kosteutta Typpi täyttää hyvin molemmat ehdot ja onkin yleisesti käytössä (esim. 60/40 % SF 6 /N 2 ) 45

46 SF 6 -kaasun hajoamistuotteet Hajoamistuotteet ovat sekä myrkyllisiä että korrodoivia jotkin myrkyllisistä yhdisteistä ovat hajuttomia mutta mukana aina myös haiseva SOF 2 Pistävä rikin haju on varoitus, ilmassa voi olla myrkkyjä! Hajoamistuotteita syntyy valokaaren vaikutuksesta osittaispurkauksissa kaasun kuumentuessa Haitallisia yhdisteitä synnyttävät kaasun kosteus ja epäpuhtaudet (happi, elektrodimetallihöyry, eristemateriaaleista peräisin oleva orgaaninen aines) 46

47 Turvalliset menettelytavat Poistu heti, jos tuntuu pistävää hajua sekä silmien ja limakalvojen ärsytystä; ilmassa voi olla myrkkyjä! Järjestä kunnollinen tuuletus Palaa vikapaikalle vasta perusteellisen tuuletuksen jälkeen tai kunnollisen hengityssuojan/suodattimen kanssa Tarkista, että ilman happipitoisuus on riittävä ennen kuin tulet vikapaikalle Huolto- ja korjaustöiden ajaksi on järjestettävä kunnollinen tuuletus Avatun kojeiston kanssa työskenneltäessä on estettävä paljaan ihon ja silmien joutuminen kosketuksiin hajoamistuotteena syntyneen pölyn kanssa 47

48 Turvalliset menettelytavat Iholle joutunut pöly on pestävä runsaalla vedellä Jos on ryömittävä avatun kaasutilan sisään, on käytettävä suojavaatteita, -käsineitä, -laseja ja hengityssuojaa Peseydy huolellisesti työskenneltyäsi avatun SF 6 -kojeiston kanssa Pöly imuroidaan paperisuodattimen läpi tai pyyhitään kuivalla rievulla Pölyn puhdistukseen käytetyt rievut ja paperisuodattimet neutraloidaan 24 tunnin ajan 3 % soodaliuoksessa Älä tupakoi, syö, juo tai säilytä elintarvikkeita samassa tilassa avatun SF 6 -kojeiston kanssa Käsittele SF 6 -kaasupulloja varoen ja kuljeta niitä vain huolellisesti suljettuna 48

49 Tyhjö Teoriassa täydellinen eriste Käytännössä varauksenkuljettajia metallielektrodeista Pääsovellutus tyhjökatkaisija Läpilyönti tyhjössä: kenttäemissio, terminen emissio (tai molemmat) elektrodipinnoilla epäpuhtaudet 49

50 Tyhjö Breakdown Voltage as a Function of the Electrode Material (across a lmm vacuum gap) Material Steel 122 Stainless steel Breakdown Voltage (kv) 120 Nickel 96 Monel metal 60 Aluminium 41 Copper 37 50

51 Tyhjö vs. muut eristeaineet Tyypillisten eristeiden tasajännitelujuus homogeenisessa sähkökentässä. 51

52 Nestemäiset eristeet Edut: palautuva eristys alhainen permittiviteetti, pienet häviöt hyvä sähkölujuus hyvät jäähdytysominaisuudet impregnointi Huonot puolet: tarvitaan säiliö tarvitaan kiinteitä eristeitä palavat nesteet (muuntajaöljy) 52

53 Läpilyönti nesteissä Läpilyöntiprosessit huonosti tunnettuja! 1) Sähköläpilyönti elektronivyöry läpilyönti kuten kaasuissa? puhtaat, homogeeniset nesteet 2) Kuplaläpilyönti elektronivyöryt kaasukuplissa kanavapurkaus kuplajonoissa 3) Epäpuhtausläpilyönti kiinteän eristeen kuidut metallihiukkaset kosteus Läpilyöntilujuus pienenee nesteiden vanhetessa! 53

54 Kuplat Syntyvät purkausprosesseissa Aiheuttavat purkauksia r E k E Kuplassa vallitseva sähkökentän voimakkuus E k 3 re 2 1 r Kun r 2,2 (muuntajaöljy), E k 1,22 E 54

55 Kuplat 55

56 Kuplat 56

57 Nestemäiset eristeet Eristysnesteet: mineraaliöljy (ns. muuntajaöljy) synteettiset hiilivedyt, esterit, klooratut nesteet, silikonit nesteytetyt kaasut, elektronegatiiviset nesteet, jäähdytysnesteet Käyttökohteet: muuntajat kondensaattorit kaapelit katkaisijat Vaadittavat ominaisuudet: hyvä sähkölujuus, pieni häviökerroin jäähdytyskyky (muuntajat) osittaispurkausten sietokyky (kaapelit, kondensaattorit) pieni viskositeetti (impregnointi) valokaaren katkaisukyky, syttymättömyys (katkaisijat) 57

58 Mineraaliöljy Yleisimmin käytetty eristysneste ns. muuntajaöljy muuntajat, kaapelit, läpiviennit ja katkaisijat edut edullinen haitat: tulenarkuus vaihtelevat ominaisuudet vanheneminen Mineraaliöljyt: valmistus: maaöljystä tislaamalla koostuvat nestemäisistä hiilivedyistä (parafiinit, nafteenit, aromaattiset öljyt) ominaisuuksia voidaan parantaa sopivin kemikaalein 58

59 Muuntajaöljyn läpilyöntilujuus Uutena ja puhtaana yli 60 kv/2,5 mm Läpilyöntilujuus laskee käytössä (epäpuhtaudet, kosteus, vanheneminen) Läpilyöntilujuus riippuu öljyvälin paksuudesta Läpilyöntilujuus riippuu lämpötilasta Vanheneminen: hapettumisen tuloksena saostumista (jäähdytys huononee) tai happamia yhdisteitä (vahingoittavat paperieristyksiä) korkea lämpötila edistää vanhenemista vanhenemisen seuranta (tan, happamuusaste, kaasuanalyysi) 59

60 Läpilyöntimekanismit kiinteissä eristysmateriaaleissa 1) Sähköläpilyönti 2) Lämpöläpilyönti 3) Eroosioläpilyönti 4) Sähkömekaaninen läpilyönti 60

61 Sähköläpilyönti Sysäysionisaatio vapaat elektronit Läpilyöntilujuus mitattavissa laboratorio-olosuhteissa (MV/cm) kontrolloidut olosuhteet pieni koekappale ei yleensä saavuteta käytännössä Läpilyönti n sekunnissa Lujuus riippuu: kemiallisesta rakenteesta dielektrisistä ominaisuuksista 61

62 Eristeen paksuuden vaikutus läpilyöntilujuuteen kv 15 kv/mm 10 5 Läpilyöntijännite Läpilyöntikestävyys 0,1 0,2 paksuus, mm

63 Eroosioläpilyönti Kiinteän eristeen onteloissa Elektronipommitus aiheuttaa: eroosiota kemiallisia muutoksia sulamista hiiltymistä läpilyönti Polymeereissä sähköpuu tai vesipuu (treeing-ilmiöt) 63

64 Lämpöläpilyönti Kappaleesta poistuva lämpömäärä 3 läpilyönti väistämätön 1 ei läpilyöntiä Mahdollisimman tasainen häviökäyrä edullinen Eristyksen paksuntaminen pienentää sähkökentänvoimakkuutta mutta heikentää jäähdytystä 64

65 Lämpöläpilyönti Dielektriset häviöt P r tan C U 0 2 Lämpöä kehittyy enemmän kuin johtuu pois lämpötila nousee jossakin pisteessä häviöt suurenevat ketjureaktio johtaa läpilyöntiin Muodostumisaika s 65

66 Sähkömekaaninen läpilyönti Tasajännite Coulombin voimat p ED 2 E

67 Kiinteiden eristysmateriaalien sähkölujuus Riippuu lämpötilasta enemmän kuin kaasuilla Riippuu rasitusajasta enemmän kuin kaasuilla On tasajännitteellä suurempi kuin vaihtojännitteellä Kun rasitusaika on pitkä, tehollisarvo tulee määrääväksi Kiinteille eristysmateriaaleille ei ole olemassa tarkkoja ja aina päteviä sähkölujuusarvoja, lujuus määräytyy aina rakenteesta ja siinä olevista virheistä ja epäpuhtauksista! 67

68 Kiinteiden eristysmateriaalien sähkölujuus sisäinen elektronivyöry sähkömekaaninen terminen eroosio sähkökemiallinen aika, s Läpilyöntilujuuden riippuvuus rasitusajasta 68

69 Eristeen muisti Kaasu palautuva Kiinteä ei palaudu Neste osittain palautuva 69

70 Erilaisia eristimiä Erilaisia eristimiä. a) Keskijännitejohdon posliinista valmistettu tappieristin (pin insulator). b) Posliinista tai lasista valmistettu lautaseristin (cap and pin insulator). c) Posliinista valmistettu avojohdon tukieristin (line post insulator). d) Avojohdon sauvaeristin (long-rod insulator). e) Avojohdon moniaine-eristin (composite insulator). f) Valumuovista valmistettuja eristimiä PAS-johdon latvarakenteessa. 70

71 Eristinketjun kapasitanssit a) Eristinketjun kapasitanssit. b) Jänniteyhtälöiden muodostaminen kapasitanssiketjun solmupisteelle 71

72 Eristinketjun jännitteenjakauma eri yksikkömäärillä Eristinketjun jännitteenjakauma eri yksikkömäärillä (N =7, 15, 22). a) C v /C e = 0. b) C v /C e = 1,3. (Oletettu, että C e /C s = 3, 14 ja 30, kun N = 7, 15 ja 22). 72

73 Eristimen kestotodennäköisyydet Yksittäisen eristimen kestotodennäköisyyden muuttuminen, kun samanlaisia eristyksiä on asennettu M kappaletta rinnakkain. U 50 on yksittäisen eristimen 50 % ylilyöntitodennäköisyyttä vastaava jännite. s on ylilyöntitodennäköisyysjakauman F(U) keskihajonta. 73