1. Parametry materiałowe
a) rodzaj dielektryka: stały (papier, preszpan, PE, XLPE, szkło), ciekły (oleje, estry naturalne) gazowe (powietrze, SF6, N2,CO2) b) grubość dielektryka c) natężenie pola elektrycznego (kształt elektrod) E=β∙Ua Układ płaski β = 1, brak wyładowań wstępnych Układ ostrzowy β=100, wyładowania wstępne d) rodzaj napięcia : AC (Vsk), DC (Vśr), Imp(Vmax)
2. Rezystywność materiałów dielektycznych
ρ=1γ -jaki opór stanowi dany materiał, prąd przewodzenia zależy od przepływu j+, j-, e-
Jp=i=1mni∙qi∙ϑ- gęstość przewodzenia
ϑ=Vi∙E stąd Jp=E∙i=1mni∙qi∙Vi
Gamma zależy od materiału, czasu trwania i natężenia pola, ilości zanieczyszczeń.
a) rezystywność skrośna:
R=ρVl/S ρV=RS/l=RS/g [Ω(m)m] gdzie R=U/I – z pomiarów g- grubość próbki, S- pole powierzchni mniejszej elektrody ρV to jeden z najważniejszych parametrów izolatorów, dla najlepszych izolatorów ρV jest rzędu 1015-1016[Ωm], np. polietylen, teflon.
b) rezystywność wnętrzowa
najlepsze materiały izolacyjne odznaczają się rezystancją wnętrzową rzędu MΩ-GΩ i większe. Rezystancję wnętrzową oznaczamy Ri=U/I[Ω]
c) rezystywność powierzchniowa
Rs=U/I ρs=Rsd/l [Ω]
jeżeli dielektryk jest suchy i czysty to Rs jest bardzo duża, jeżeli jest wilgotny na powierzchni to Rs mocno maleje
Z rezystywnością związane są
Hydrofilność- zwilżające się materiały Θ<90
Hydrofobowość- niezwilżające się materiały pod wpływem wilgoci ;Θ>90
Higroskopijność – gdy chłonie wodę lub wilgoć całą swoją objętością (papier, preszpan, żywice termoutw.)
3. Przenikalność elektryczna.
ΦE=D∙dS=i=1nqi
z dielektrykiem ciekłym
εw – przenikalność el. względna (dla próżni = 1)
4. Współczynnik stratności tg delta 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
5. Wytrzymałość elektryczna układów
Gazy:
Pow.atmosferyczne (najpopularniejszy czynnik izolujący) Zalety: powszechne występowanie, najtańszy, niepalny, duża rezystywność r=1016Wm. Wady: działa korodująco w obecności wilgoci, utlenianie oraz starzenie mat izolacyjnych, wytrzymałość zależy od wielu czynników: gęstości, ciśnienia, temp, wilgoci, zapylenia, 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. wysokotemp. 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.)
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; przy kontakcie z ogniem wydziela się trujący gaz: fozgen. Stos. w aparaturze łączeniowej.
SF6 –elektroujemny, nietoksyczny, b.trwały (do 800oC), bdb gasi łuk elektr. (wyłączniki ciśnieniowe), nie wywołuje korozji. Wady: 6* cięższy od pow.; pod wpływem
wyładowań elektr, rozpada się na związki trujące i powodujace korozję (SF4,S2F10) gaz cieplarniany, b.drogi i trudny w uzyskiwaniu
Próżnia–b.rozrzedzony gaz p10-3Pa; duża wytrz.elektryczna (brak nośników) 5-10*>pow.Wykorzystywany w wyłącz. i aparaturze rozdzielczej średnich nap.
6. 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 Uo= ∞ 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 przestrzeni międzyelektrodowej
stopień niejednorodności pola 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.
Uomin=(B/A)*Nk*e – nap. początkowe min. wyładowań
1) Im bardziej a*p różni się od wart.(ap)min tym większe jest nap. jonizacji
2) Wart. min. a*p zależy od param. badanego gazu
3) Jeżeli nap. przyłożone do ukł. elektrod będzie < Uomin to przeskok w danym ukł. nie wystąpi ani przy dowolnie zbliżonych do siebie elektrodach, ani przy dowolnie ¯ ciśnieniu
7. Przeskok elektryczny w gazach. Townsend stwierdził badając ten dryf ładunków, że wraz ze wzrostem nap. rośnie 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 Uj cząstki w zewn. polu elektr. rozwijają coraz większą energię. I dochodzi do zderzeń nieelastycznych jonów z cząstkami obojętnymi. Powstają nowe pary jon-elektron.Powyżej Uj gwałtowny wzrost ilości cząstek (lawina elektronowa)
Jeżeli wartość pola w chmurach przekroczy 1kV/cm to zaczyna się wyładowanie wstępne strimerowo-liderowe:
Wyładowanie pierwotne :
kierunek od chmury do ziemi (40% liderów do ziemi,60% między chmurami);szybkość przemieszczania 100-2000 km/s, podczas poruszania się (skoki co 30m w czasie 50ms), prąd wyładowania wstępnego około 100A, kanał wyładowania : zygzakowaty, Kanał słabo widoczny, 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: prędkość 10tys-100tys km/s (śr.30tys km/s)czas trwania wyładowania 60-100 ms prąd w kanale 500-250 kA (śr.30 kA) stromość narastania fali 500 A/ms napięcie między ziemią a chmurą 10-100 MV moc chwilowa wyładowania 700*1012 W energia wyładowania od 4 do 200 kWh wyładowania wielokrotne (max.40;odstęp 0,01-1s; całkowity czas trwania 1,5s)
Udar piorunowy znormalizowany musi mieć kształt 1,2/50ms (następne wyładowania 0,3/10ms) Tolerancja czoła ±30;grzbietu ±20% Udar prądowy T1/T2 -> 4/10ms ma kształt paraboli(prawie jak piorunowy)
Kształt napięcia udaru piorunowego.
8.Prawdopodobieństwo wystąpienia pioruna o danym prądzie:
9. 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 f 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.
10.Piorunochron – składa się ze zwodu pionowego i przewodu doprowadzającego. Są piorunochrony pasywne i aktywne.
Pasywne:
a) B)
Wzdłuż krawędzi dachu na najwyższym punkcie umieszcza się zwód pionowy. Od zwodu prowadzony jest przewód do uziomu (np.linki, drutu, fundamentu).
Zwód poziomy – dla dachów płaskich ogradza 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.
11.Zabezpieczenia odgromowe:
stosowanie linek odgromowych (pod przewodami fazowymi);teren stacji rozdzielczej chroniony (pręty pionowe wyższe od najwyższych elementów stacji), wokół izolatorów instaluje się tzw.armaturę (okucia) – iskierniki, toroidalne pierścienie, aby łuk palił, instalowanie odgromników® zgaszenie łuku elektrycznego, przerwanie prądu
12.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 UN...
damiano_80