Rozvoj průrazu v transformátorovom oleji

Rozvoj prierazu v transformátorovom oleji 35 ROZVOJ PRIERAZU V TRANSFORMÁTOROVOM OLEJI THE DEVELOPMENT OF BREAKDOWN IN TRANSFORMER OIL Jozef Kúdelík Elektrotechnická fakulta –, Katedra fyziky Žilinská univerzita v Žiline, Veký diel, 010 26 Žilina Abstrakt Podmienky, pri ktorých nastáva prieraz na rozhraní izolácií kvapaliny a materiálu, napríklad v transformátore, hrajú dôležitú úlohu pri projektovaní takýchto izolácií. Poiatoné štádia rozvoja prierazu sú vysvetlené na základe rozvoja streameru v kanálikoch nižsej hustoty. Celkový priebeh prierazu v transformátorovom oleji je možné interpretova pomocou RLC obvodu a závislý na parametroch vonkajšieho obvodu. Summary The conditions under which breakdown of composite liquid - solid insulation can be occurred, e.g. in transformer, play an important role in designing of such insulation. The initial state of breakdown development is explained based on development of streamers in cavitations. The whole breakdown development in transformer oil is represented by RLC circuit and it depends on the parameters of outer circuit. 1. ÚVOD Kvapalné dielektriká sú vaka svojim vlastnostiam užitonejšie a efektívnejšie izolané materiály ako pevné alebo plynné. Jedným z dôvodov je, že hustota kvapalného a pevného materiálu je obyajne 10 3 -krát väšia ako plynu a odtia z Paschenovho zákona [1] vyplýva, že majú podstatne vyššiu dielektrickú pevnos, rádu 10 7 V/cm. Taktiež, kvapalina rovnako ako plyn vypa celý izolaný priestor a súasne rozptyuje teplo prúdením. Olej je 10 krát efektívnejší v celkovej schopnosti prestupu tepla v transformátore vzhadom na vzduch alebo dusík. Kvapalné dielektriká sa používajú hlavne ako impregnaná látka vo vysoko napäových kábloch a kondenzátoroch i ako náplne do transformátorov, vypínaov okruhov at. Ich využitie je tiež pri prestupe tepla v transformátoroch, zhášaní oblúka a pri vypínaní obvodov. Petrolejový olej (transformátorový olej) je najbežnejšie používané kvapalné dielektrikum. Nežiadúcim javom pri používaní kvapalných dielektrík vo vemi vysokých poliach je prieraz. Cieom výskumu v tomto lánku je podrobnejšie sa zaobera procesmi prebiehajúcimi pred vznikom a poas priebehu prierazu v kvapalných dielektrikách so zameraním sa na transformátorový olej ITO 100. 2. TEORETICKÁ AS Na popis prierazu v kvapalných dielektrikách existujú dva základné teoretické modely: elektrónová a termálna teória. Poda elektrónovej teórie sú voné elektróny v kvapalnej fáze urýchované silným elektrickým poom. Urýchované elektróny ionizujú zrážkami okolité molekuly, o vedie k zvýšeniu potu voných elektrónov, t.j. ku vzniku elektrónovej lavíny a po prekroení ich kritickej koncentrácie k jej prechodu do streameru. Táto teória je takmer identická s teóriou vzniku streamerov v plynoch a vemi dobre vysvetuje rozdielnu džku streamerov pri kladnej a zápornej koróne, pozorovanú napr. v [2]. V termálnej teórii [3, 4] sa predpokladá, že elektrónové lavíny sa rozvíjajú v parách vzniknutých, alebo už predtým existujúcich bubliniek. Tieto bublinky vznikajú vaka objemovému zahrievaniu kvapaliny – bu silným tokom iónového prúdu v dielektriku, alebo lokálnemu zahrievaniu prúdom elektrónov emitovaných poom z mikroskopických nerovností na anóde. Prúdy presahujú hustoty 1 A/cm 3 a energiu 10 7 W/cm 2 [5]. Ani jeden z uvedených modelov však nedokáže popísa všetky javy pozorované v elektrických výbojoch, napr. rozdielnu rýchlos šírenia sa streamerov pri kladnej a zápornej koróne. A preto tiež existujú „bublinové“ modely, v ktorých ionizácia a nárast prúdu zaínajú v kvapaline a sprievodné zahrievanie vedie ku vzniku bubliniek. V týchto modeloch [6, 7, 8, 9] sa predpokladá, že termálne procesy sú dominantné pre asy µs a väšie a pre relatívne slabé elektrické polia, zatia o elektrónové procesy hrajú dôležitejšiu úlohu pri kratších asoch a väších poliach. Popri procesoch prebiehajúcich v priestore nesmieme zabudnú aj na mechanizmy (Lippmannov jav, Augerov efekt), ktoré prebiehajú na rozhraní medzi kvapalinou a kovovými elektródami pri vysokom elektrickom poli [10]. Marton [11, 12] skúma tiež experimentálne tvorbu, resp. výstavbu elektrického kanála, ktorý tvorí dráhu elektrického prierazu. Rozpracoval elektro-fyzikálne zdôvodnenie výstavby vodivého kanála (prechod od streamerového výboja k výboju leaderovému) na báze asovej zmeny koncentrácie nosiov elektrického náboja v závislosti od polohy. Tieto javy študuje za súasnej interakcie elektrického a magnetického poa v prostredí jednosmernom aj striedavom (50 Hz). Vo svojich prácach poukazuje na tri definované etapy mechanizmu výboja v rámci pozorovaného intervalu 500 ns: predprierazový, 36 Advances in Electrical and Electronic Engineering prieraz a postprierazový stav, ktorý má silne oscilaný charakter. 3. EXPERIMENTÁLNA APARATÚRA A VÝSLEDKY Obrázok 1 predstavuje schematický nákres experimentálnej aparatúry, ktorý obsahuje vysokonapäový jednosmerný zdroj TESLA BS 221, elektródový systém, elektrickú a optickú diagnostiku. Polguové elektródy mali polomer 25 mm a ich vzdialenos bola meraná s presnosou 0.01 mm. Ako dielektrická kvapalina sa používal nový transformátorový olej - ITO 100. Aplikované napätie bolo merané jednou vysokonapäovu sondou na anóde a druhou na katóde a prúd prostredníctvom Pearson cievky (110A) s asovým rozlíšením 20 ns. Priebeh prúdu a napätí bol zaznamenávaný pomocou 200 MHz digitálneho osciloskopu Tektronix TDS 2002. Laserové svetlo (10 mW, 650 nm) bolo fokusované spojnou šošovkou (f 1 = 7 cm) do medzielektródového priestoru a alšou dvojicou šošoviek (f 1 = 7 cm, f 2 = - 20 cm) na tienidlo. Výsledný obraz výbojovej medzery na tienidle bol zaznamenávaný pomocou CCD kamery a digitálneho fotoaparátu. Obr. 1. Experimentálna aparatúra Fig. 1. Experimental setup Pri postupnom zvyšovaní napätia na elektródach možno od 20 – 30% hodnoty prierazného napätia pozorova kanáliky prepojujúce elektródy, ktoré sú neustále v pohybe. Tvar takýchto kanálikov, osvetlených laserom a zachytených na tienidle pomocou sústavy šošoviek pri napätí 1,2 kV a vzdialenosti elektród 0,4 mm, je zobrazený na Obr.2. asový priebeh elektrických charakteristík prierazu je znázornený na Obr. 3. Priebeh prierazového prúdu možno popísa charakteristickým tlmený sínusovým priebehom. Podobné priebehy prierazového prúdu v transformátorovom oleji meral tiež Marton [11, 12] s iným typom prúdovej sondy, vo vode Timoshkin [13] a vo vzduchu Kijonka [14]. Amplitúda a pozorovaná doba prúdu narastali s narastajúcim zápalným napätím. Meranie bolo uskutonené tiež pre rôzne medzielektródové vzdialenosti (0.05, 0.15, 0.20 a 0.03 mm) [15, 16]. Bol pozorovaný podobný priebeh prierazového prúdu ako na Obr. 3. Z porovnania priebehu prierazových prúdov pri rovnakom aplikovanom napätí, ale rôznej elektródovej vzdialenosti sa zistilo, že hodnoty prúdových impulzov a ich charakteristických hodnôt závisia hlavne na zápalnom napätí. Obr. 2. Obraz výbojovej medzery pri aplikovanom napätí 1,2 kV a vzdialenosti elektród 0,4 mm. Fig. 2. The picture of discharge gap at the applied voltage 1,2 kV and gap distance 0,4 mm. Priebeh prierazového prúdu má podobné charakteristiky, aké by sme mohli pozorova v sériovom RLC elektronickom obvode [17]. Priebeh prúdu v takomto obvode sa dá popísa pomocou funkcie danej vzahom: ( ) ( ) teItI t ω τ sin /− = 0 , (1) priom odpovedajúce hodnoty R, L a C daného RLC obvodu sú vyjadrené na základe , , I 0 a U z pomocou nasledovných vzahov: ω 0 I U L Z = , τ L R2 = , )( 22 1 − + = τω L C (2, 3, 4) Z predpokladu, že RLC obvod môže reprezentova priebeh prierazového prúdu, môžeme použi vzahy (2, 3, 4) k ureniu jeho zodpovedajúcich hodnôt: R, L a C. Namerané priebehy prierazového prúdu poas prierazu pri danom zápalnom napätí U Z boli interpolované funkciou (1) v programe Origin, oho výsledkom boli zodpovedajúce hodnoty funkcie: ,  a I 0 . Z analýzy vypoítaných príslušných hodnôt pre rôzne medzielektródové vzdialenosti a hodnoty zápalného napätia, pri ktorých nastal prieraz, sa zistilo, že vypoítaná kapacita C a induknos L poas prierazu sú približne konštantné s hodnotami 252±8 nF, 3,31±0.16 H, v danom poradí. Vypoítaná hodnota odporu nebola konštantná Rozvoj prierazu v transformátorovom oleji 37 a klesala od 4  po 1  so stúpajúcim zápalným napätím. -400 -200 0 200 400 600 I Prúd, Napätie [ A, V/diel] as [ 3 µ s/diel] ∆ U Obr. 3. Priebeh prierazového prúdu a napätia medzi elektródami pri zápalnom napätí 2810 V v ITO 100 a vzdialenosti elektród 0,2 mm. Fig. 3. Development of breakdown current and voltage across gaps at voltage 2810 V in ITO 10 and gap distance of 0,2 mm. Na základe predchádzajúcich výsledkov boli zmerané pomocou programovateného RLCmetra (FLUKE PM6306) charakteristiky experimentálnej aparatúry s olejom a prívodného vedenia. Z nameraných údajov vyplýva, že prívodné vedenie možno nahradi sériovým obvodom R V L V a výbojku s olejom paralelným obvodom R o C o . Nameraná hodnota induknosti vedenia a kapacity oleja sa menila v rámci 10% pri zmene meracej frekvencie a zodpovedajúce hodnoty boli L V = 2,75 F a C o = 4,2 pF. Hodnota odporu prívodného vedenia R V sa menila okolo hodnoty 4,5 , zatia o odpor oleja R o sa výrazne menil s meracou frekvenciou, od nemeratenej hodnoty klesal k hodnote niekokých Ohmov pri frekvencii 1MHz. Na Obr.3 je tiež znázornený priebeh napätia medzi elektródami U - toto napätie zodpovedá rozdielu napätia na anóde a katóde. Z priebehu napätia je zrejmé, že napätie po prieraze pri zápalnom napätí 2810 V prudko poklesne a opä s tlmenými osciláciami klesá na nulu na rovnakom asovom intervale ako prierazový prúd. Z porovnania priebehu napätia medzi elektródami voi napätiam na jednotlivých elektródach bol pozorovaný fázový posun zhruba 90 0 . Zotavenie zdroja po prieraze a opätovný rast napätia na pôvodnú hodnotu, pri ktorej nastal prieraz, trvá i niekoko desiatok sekúnd. Na základe práce Kijonka [14] môže by vypoítaná energia prierazu v transformátorovom oleji a zodpovedajúca hodnota výbojového kanála R e . Zodpovedajúce hodnoty energie prierazu W, vypoítané integráciou meraných hodnôt prierazového prúdu a napätia (Obr. 3), a hodnoty energie prúdu W I , vypoítané ako integrál štvorca zmeraného prierazového prúdu, ako funkcia asu sú zobrazované na Obr. 4. 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 R e W I W Energia [ J ] as [ 3 µ s/diel] 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 R e [ Ω ] 410 m Ω Obr. 4. Hodnoty energie prierazu W, energie prúdu W I a zodpovedajúce hodnoty odporu výbojového kanála R e ako funkcia  asu pre zápalné napätie 2550 V. Fig. 4. Values of breakdown energy W, values of current energy W I and corresponding values of resistance of breakdown R e as a function of time for the voltage 2550 V. Zodpovedajúca hodnota odporu prierazového kanála vypoítaná ako W/W I je tiež zobrazená na tomto obrázku. Z jeho priebehu možno vidie, že hodnota odporu sa ustáli asi po 2 s na hodnote 410 m a je menšia ako hodnota odporu R vypoítaná z priebehu prierazového prúdu. S narastajúcou hodnotou zápalného napätia hodnota odporu R e výbojového kanála klesala. 4. DISKUSIA Pri postupnom zvyšovaní jednosmerného napätia na elektródach pozorujeme viacero procesov a na základe získaných výsledkov sa dá rozvoj prierazu popísa nasledovne. Pri pomalom zvyšovaní a nízkom jednosmernom napätí pozorujeme rôzne útvary, hlavne guovitého tvaru a rôznej vekosti, prechádzajúce od jednej elektródy k druhej. Jedná sa o presun nábojových zhlukov a možných neistôt vplyvom elektrického poa. Pri dosiahnutí 20 – 30 % hodnoty prierazného napätia sa objaví kanálik s priemerom niekoko mikrometrov, ktorý premosuje obidve elektródy. Tento kanálik nie je stabilný, mení svoju polohu a rozmer, ale nezaniká. S alším zvyšovaním napätia poet kanálikov rastie (vi Obr. .2), priom ich tvar tiež nie je stály, menia sa a neustále sú v pohybe. Poet a rozloženie kanálikov závisí v znanej miere od vzdialenosti elektród a aplikovaného napätia. Pri väšej vzdialenosti elektród sú viac sústredené okolo osi elektród. Tieto kanáliky sú pozorované vaka svojej nižšej hustote oproti okolitému prostrediu, o spôsobuje rozptyl svetla laseru na danom rozhraní. Pri napätí vyššom ako je prierazné napätie sú kanáliky vemi zhustené a pozorujeme prieraz. Prieraz je sprevádzaný mnohými procesmi ako sú: zvukový efekt, svetelný záblesk, tlaková a akustická vlna, prierazový prúd prechádzajúci obvodom a alšie. Po prieraze pozorujeme množstvo bublín rôzneho rozmeru. Niekedy je následne po prieraze 38 Advances in Electrical and Electronic Engineering pozorovaný i druhý prieraz podporený prítomnosou silného priestorového náboja. Teraz si podrobnejšie rozoberieme priebeh prierazu, ke napätie na elektródach ponorených v transformátorovom oleji presiahne hodnotu prierazného. V tomto predprierazovom stave v medzielektródovom priestore existuje vea kanálikov nižšej hustoty oproti hustote oleja (Obr. 2), v ktorých sa môžu rozvíja elektrónovej lavíny a po prekroení ich kritickej koncentrácie vytvori primárne streamery (ionizané vlny) šíriace sa medzi elektródami [2, 7, 8]. S približovaním primárneho streameru ku katóde pole pred jeho hlavou silne rastie. Poas prierazového stavu primárny streamer dopadá na katódou a pole v mieste kontakte sa stáva takým silným, že poet elektrónov vyrazených z katódy extrémne narastie a pozorujeme nárast prierazového prúdu spojený s rýchlym poklesom napätia (Obr. 2), keže zdroj neudrží taký vysoký prúd – nie je dostatone tvrdý. Po kontakte primárneho streameru s katódou nastáva prieraz za pretekania vekých prúdov a následného prehrievania kanála za vzniku iskry a sú splnené dostatoné podmienky na štart sekundárneho streameru z katódy v opanom smere k anóde, kanála silne ionizovanej plazmy. Stupe ionizácie jeho kanála je o niekoko rádov vyšší ako kanála primárneho streameru. Vysoký stupe ionizácie je spojený s dostatonou vodivosou kanála (vemi malý odpor) na prenos potenciálu katódy sekundárnym streamerom. Dynamickú zmenu odporu sekundárneho streameru vemi dobre reprezentuje vypoítaná hodnota R e [14] na obr. 4. Hodnoty jeho odporu poas doby svojho rozvoja poklesnú zo svojej poiatonej relatívne vekej hodnoty k minimálnej hodnote vyskytujúcej sa pri prúdovej špike, ke jeho vekos dosahuje niekoko stoviek miliOhmov. V ase dosiahnutia maxima prúdu sa hodnota odporu výbojového kanála stabilizuje a potom sa už nemení. Podobné hodnoty výbojového kanála rádu stoviek m vo vode zmeral Mackersie [9] a vo vzduchu Kijonka [14]. Od tohto asu prierazový kanál – odpor predstavuje as celkového RLC obvodu. Pozorujeme teda tlmené harmonické kmity prierazového prúdu, ktorý je výsledkom vybitia sa kondenzátora – výbojovej aparatúry s transformátorovým olejom v danom obvode. Hodnota odporu prierazového kanála R e je o rád menšia v porovnaní s odporom vedenia R V a aj vypoítanou hodnotou odporu R, a ešte aj klesá s rastom zápalného napätia. Z porovnania týchto odporov je vidie, že fyzikálne procesy v transformátorovom oleji sú dôležité hlavne v poiatoných štádiách rozvoja prierazu a po vybudovaní prierazového kanála už nemajú vplyv na pozorovaný priebeh prúdu. Aj z alších meraní [16] sa ukázalo, že pridanie vonkajšieho odporu má výrazný vplyv na priebeh prúdu - na amplitúdu a dobu trvania. Môžeme teda poveda, že pozorovaný priebeh prúdu a od neho odvodené parametre sú závislé hlavne na parametroch vonkajšieho obvodu. Prechodom prierazového prúdu cez vytvorený prierazový kanál nastáva jeho ohrev následkom intenzívneho Joulovho tepla. Toto teplo spôsobuje radiálny rozvoj prierazového-plazmového kanála do dutiny plnej horúceho ionizovaného plynu s vysokým tlakom. Dutinka v priebehu svojej expanzie vyžaruje intenzívnu rázovú vlnu, ktorá sa okamžite pretvorí na akustický tlakový impulz [15], šíriaci sa do okolitého tekutého prostredia lokálnou rýchlosou zvuku. Doba trvania takéhoto akustického impulzu presahuje stovky mikrosekúnd, zatia o prúdová odozva len pár desiatok mikrosekúnd. Prieraz teda spôsobuje aj silný lokálny ohrev dielektrika Joulovým teplom, o má za následok vznik bublín pozorovaných po každom prieraze. 5. ZÁVER Záverom možno poveda, že boli zmerané prierazové charakteristiky pre dielektrickú kvapalinu – izolaný olej ITO 100. Meral sa rozvoj prúdu prierazu a napätia na elektródach v závislosti na ase. Na základe experimentálnych výsledkov je možné hovori, že prieraz v transformátorovom oleji môže by reprezentovaný RLC obvodom. Vypoítaný odpor prierazového kanála rádu stoviek m bol vyrátaný na základe energií prierazu. Pozorovaný priebeh prierazového prúdu a jeho charakteristiky sú silne závislé od parametrov vonkajšieho obvodu. Z fyzikálneho hadiska sa dá poveda, že pri daných experimentálnych podmienkach celý rozvoj prierazu prebieha v prostredí s nižšou hustotou (kanálikoch) ako má použitá dielektrická kvapalina. Prieraz je spojený s rozvojom elektrónových lavín v kanálikoch za vzniku primárneho a sekundárneho streameru. Prieraz spôsobuje lokálny ohrev kvapaliny spojený so vznikom pozorovaných vzduchových bublín. Poakovanie Táto práca bola podporovaná grantovou agentúrou VEGA z ministerstva školstva Slovenskej republiky pod íslom 1/2017/05 LITERATÚRA [1] MARTIŠOVI, V.: Základy fyziky plazmy, MFIF UK, Bratislava, 2006 [2] SUN. J., SATO, M., CLEMENTS, J. S.: Optical study of active species produced by a pulsed streamer corona discharge in water, Journal of Electrostatics 39, 189-202 (1997) [3] SMIDT, W.F. a kol.: Electronic conduction and breakdown in liquid helium and liquid neon, IEEE Trans. on Diel.and Elect. Insul Vol 10, No. 6, 1012-1021, (2003) [4] LISITSYN, I.V., NOMIYAMA, H., KATSUKI, S., AKIYAMA, H.: Thermal processes in Rozvoj prierazu v transformátorovom oleji 39 a streamer discharge in water, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. 6., No. 3, 351-356, (1999) [5] NAIDU, M.S., KAMARAJU, V.: High voltage engenering, McGrow-Hill, USA 1996 [6] BEROUAL, A.: Electeronic and gaseous processes in the prebreakdown phenomena of dielectric liquids, Journal of Applied Physics 73, 4526-4533, (1993) [7] JONES, H.M., KUNHARDT, E.: Development of pulsed dielectric breakdown in liquids, Journal Physics D: Applied physics 28, 178188, (1995) [8] DEVINS, J. C., RZAD, J., SCHWABE, R. J.: Breakdown and prebreakdown phenomena in liquids, Journal of Applied Physics 52, 45314545, (1981) [9] MACKERSIE, J. W. a kol: Generation of highpower ultrasound by spark discharges in water, IEEE Transactions on plasma science Vol. 33, No. 5, 1715-1724, (2005) [10] LEVIS, T.J.: Breakdown initiating mechanism at electrode interface in liquid, IEEE Trans. on Diel.and Elect. Insul Vol 10, No. 6, 948-955, (2003) [11] MARTON, K a kol.: Predprierazový stav v izolaných kvapalinách v kombinovanom elektrickom a magnetickom poli, Procedings 15th International Conference DISEE 2004, STU Bratislava, 24 – 27, (2004) [12] MARTON, K. a kol.: The development of electric breakdown in magnetic fluids in combined magnetic and electric fields. Casopis : Preglad Elektrotechniczny, Sigma - NOT, Warszawa, Poland , No.1, 161-164 , (2005) [13] TIMOSHKIN, I.V. a kol: Hydrodynamic modelling of transient cavities in fluids genereted by high voltage spark discharge, J. Phys.Appl.Phys. Vol. 39, No. 22, 4808-4817, (2006) [14] KIJONKA, J., PETR, O., ŠIMANDL, L.: Diagnostika energie jiskorového výboje, 32. Sešit Katedry teoretickej elektrotechniky, Vysoká škola báská - Technická univerzita, Ostrava 2005 [15] KÚDELÍK, J., GUTTEN, M.: Diagnostika transformátorového oleja analýzou prierazu a iastkových výbojov, Nové smery v diagnostike a opravách elektrických strojov a zariadení, Žilina, 117-120, (2006) [16] KÚDELÍK, J.: Elektrická diagnostika prierazu v transformátorovom oleji, 34. Sešit Katedry teoretickej elektrotechniky, 2006 ,15-18 [17] IMANEC, P.: Všeobecná fyzika 2, Bratislava, Alfa, 1992