Rozvoj průrazu v transformátorovom oleji

Roz oj p ie azu ans o má o o om oleji 35 ROZVOJ PRIERAZU V TRANSFORMÁTOROVOM OLEJI THE DEVELOPMENT OF BREAKDOWN IN TRANSFORMER OIL Joze Kúdelík Elek o echnická akul a –, Ka ed a yziky Žilinská uni e zi a Žiline, Veký diel, 010 26 Žilina Abs ak Podmienky, p i k o ých nas á a p ie az na ozh aní izolácií k apaliny a ma e iálu, nap íklad ans o má o e, h ajú dôleži ú úlohu p i p ojek o aní akých o izolácií. Poia oné š ádia oz oja p ie azu sú ys e lené na základe oz oja s eame u kanálikoch nižsej hus o y. Celko ý p iebeh p ie azu ans o má o o om oleji je možné in e p e o a pomocou RLC ob odu a zá islý na pa ame och onkajšieho ob odu. Summa y The condi ions unde which b eakdown o composi e liquid - solid insula ion can be occu ed, e.g. in ans o me , play an impo an ole in designing o such insula ion. The ini ial s a e o b eakdown de elopmen is explained based on de elopmen o s eame s in ca i a ions. The whole b eakdown de elopmen in ans o me oil is ep esen ed by RLC ci cui and i depends on he pa ame e s o ou e ci cui . 1. ÚVOD K apalné dielek iká sú aka s ojim las nos iam uži onejšie a e ek í nejšie izolané ma e iály ako pe né alebo plynné. Jedným z dô odo je, že hus o a k apalného a pe ného ma e iálu je obyajne 10 3 -k á äšia ako plynu a od ia z Pascheno ho zákona [1] yplý a, že majú pods a ne yššiu dielek ickú pe nos, ádu 10 7 V/cm. Tak iež, k apalina o nako ako plyn ypa celý izolaný p ies o a súasne ozp yuje eplo p údením. Olej je 10 k á e ek í nejší celko ej schopnos i p es upu epla ans o má o e zhadom na zduch alebo dusík. K apalné dielek iká sa použí ajú hla ne ako imp egnaná lá ka o ysoko napäo ých kábloch a kondenzá o och i ako náplne do ans o má o o , ypínao ok uho a . Ich yuži ie je iež p i p es upe epla ans o má o och, zhášaní oblúka a p i ypínaní ob odo . Pe olejo ý olej ( ans o má o o ý olej) je najbežnejšie použí ané k apalné dielek ikum. Nežiadúcim ja om p i použí aní k apalných dielek ík o emi ysokých poliach je p ie az. Cieom ýskumu om o lánku je pod obnejšie sa zaobe a p ocesmi p ebiehajúcimi p ed znikom a poas p iebehu p ie azu k apalných dielek ikách so zame aním sa na ans o má o o ý olej ITO 100. 2. TEORETICKÁ AS Na popis p ie azu k apalných dielek ikách exis ujú d a základné eo e ické modely: elek óno á a e málna eó ia. Poda elek óno ej eó ie sú oné elek óny k apalnej áze u ýcho ané silným elek ickým poom. U ýcho ané elek óny ionizujú z ážkami okoli é molekuly, o edie k z ýšeniu po u oných elek óno , .j. ku zniku elek óno ej la íny a po p ek oení ich k i ickej koncen ácie k jej p echodu do s eame u. Tá o eó ia je akme iden ická s eó iou zniku s eame o plynoch a emi dob e ys e uje ozdielnu džku s eame o p i kladnej a zápo nej ko óne, pozo o anú nap . [2]. V e málnej eó ii [3, 4] sa p edpokladá, že elek óno é la íny sa oz íjajú pa ách zniknu ých, alebo už p ed ým exis ujúcich bubliniek. Tie o bublinky znikajú aka objemo ému zah ie aniu k apaliny – bu silným okom ióno ého p údu dielek iku, alebo lokálnemu zah ie aniu p údom elek óno emi o aných poom z mik oskopických ne o nos í na anóde. P údy p esahujú hus o y 1 A/cm 3 a ene giu 10 7 W/cm 2 [5]. Ani jeden z u edených modelo šak nedokáže popísa še ky ja y pozo o ané elek ických ýbojoch, nap . ozdielnu ýchlos ší enia sa s eame o p i kladnej a zápo nej ko óne. A p e o iež exis ujú „bublino é“ modely, k o ých ionizácia a ná as p údu zaínajú k apaline a sp ie odné zah ie anie edie ku zniku bubliniek. V ých o modeloch [6, 7, 8, 9] sa p edpokladá, že e málne p ocesy sú dominan né p e asy µs a äšie a p e ela í ne slabé elek ické polia, za ia o elek óno é p ocesy h ajú dôleži ejšiu úlohu p i k a ších asoch a äších poliach. Pop i p ocesoch p ebiehajúcich p ies o e nesmieme zabudnú aj na mechanizmy (Lippmanno ja , Auge o e ek ), k o é p ebiehajú na ozh aní medzi k apalinou a ko o ými elek ódami p i ysokom elek ickom poli [10]. Ma on [11, 12] skúma iež expe imen álne o bu, esp. ýs a bu elek ického kanála, k o ý o í d áhu elek ického p ie azu. Rozp aco al elek o- yzikálne zdô odnenie ýs a by odi ého kanála (p echod od s eame o ého ýboja k ýboju leade o ému) na báze aso ej zmeny koncen ácie nosio elek ického náboja zá islos i od polohy. Tie o ja y š uduje za súasnej in e akcie elek ického a magne ického poa p os edí jednosme nom aj s ieda om (50 Hz). Vo s ojich p ácach poukazuje na i de ino ané e apy mechanizmu ýboja ámci pozo o aného in e alu 500 ns: p edp ie azo ý, 36 Ad ances in Elec ical and Elec onic Enginee ing p ie az a pos p ie azo ý s a , k o ý má silne oscilaný cha ak e . 3. EXPERIMENTÁLNA APARATÚRA A VÝSLEDKY Ob ázok 1 p eds a uje schema ický nák es expe imen álnej apa a ú y, k o ý obsahuje ysokonapäo ý jednosme ný zd oj TESLA BS 221, elek ódo ý sys ém, elek ickú a op ickú diagnos iku. Polguo é elek ódy mali polome 25 mm a ich zdialenos bola me aná s p esnosou 0.01 mm. Ako dielek ická k apalina sa použí al no ý ans o má o o ý olej - ITO 100. Apliko ané napä ie bolo me ané jednou ysokonapäo u sondou na anóde a d uhou na ka óde a p úd p os edníc om Pea son cie ky (110A) s aso ým ozlíšením 20 ns. P iebeh p údu a napä í bol zaznamená aný pomocou 200 MHz digi álneho osciloskopu Tek onix TDS 2002. Lase o é s e lo (10 mW, 650 nm) bolo okuso ané spojnou šošo kou ( 1 = 7 cm) do medzielek ódo ého p ies o u a alšou d ojicou šošo iek ( 1 = 7 cm, 2 = - 20 cm) na ienidlo. Výsledný ob az ýbojo ej medze y na ienidle bol zaznamená aný pomocou CCD kame y a digi álneho o oapa á u. Ob . 1. Expe imen álna apa a ú a Fig. 1. Expe imen al se up P i pos upnom z yšo aní napä ia na elek ódach možno od 20 – 30% hodno y p ie azného napä ia pozo o a kanáliky p epojujúce elek ódy, k o é sú neus ále pohybe. T a akých o kanáliko , os e lených lase om a zachy ených na ienidle pomocou sús a y šošo iek p i napä í 1,2 kV a zdialenos i elek ód 0,4 mm, je zob azený na Ob .2. aso ý p iebeh elek ických cha ak e is ík p ie azu je znázo nený na Ob . 3. P iebeh p ie azo ého p údu možno popísa cha ak e is ickým lmený sínuso ým p iebehom. Podobné p iebehy p ie azo ého p údu ans o má o o om oleji me al iež Ma on [11, 12] s iným ypom p údo ej sondy, o ode Timoshkin [13] a o zduchu Kijonka [14]. Ampli úda a pozo o aná doba p údu na as ali s na as ajúcim zápalným napä ím. Me anie bolo usku onené iež p e ôzne medzielek ódo é zdialenos i (0.05, 0.15, 0.20 a 0.03 mm) [15, 16]. Bol pozo o aný podobný p iebeh p ie azo ého p údu ako na Ob . 3. Z po o nania p iebehu p ie azo ých p údo p i o nakom apliko anom napä í, ale ôznej elek ódo ej zdialenos i sa zis ilo, že hodno y p údo ých impulzo a ich cha ak e is ických hodnô zá isia hla ne na zápalnom napä í. Ob . 2. Ob az ýbojo ej medze y p i apliko anom napä í 1,2 kV a zdialenos i elek ód 0,4 mm. Fig. 2. The pic u e o discha ge gap a he applied ol age 1,2 kV and gap dis ance 0,4 mm. P iebeh p ie azo ého p údu má podobné cha ak e is iky, aké by sme mohli pozo o a sé io om RLC elek onickom ob ode [17]. P iebeh p údu akom o ob ode sa dá popísa pomocou unkcie danej zahom: ( ) ( ) eI I ω τ sin /− = 0 , (1) p iom odpo edajúce hodno y R, L a C daného RLC ob odu sú yjad ené na základe , , I 0 a U z pomocou nasledo ných zaho : ω 0 I U L Z = , τ L R2 = , )( 22 1 − + = τω L C (2, 3, 4) Z p edpokladu, že RLC ob od môže ep ezen o a p iebeh p ie azo ého p údu, môžeme použi zahy (2, 3, 4) k u eniu jeho zodpo edajúcich hodnô : R, L a C. Name ané p iebehy p ie azo ého p údu poas p ie azu p i danom zápalnom napä í U Z boli in e polo ané unkciou (1) p og ame O igin, oho ýsledkom boli zodpo edajúce hodno y unkcie: ,  a I 0 . Z analýzy ypoí aných p íslušných hodnô p e ôzne medzielek ódo é zdialenos i a hodno y zápalného napä ia, p i k o ých nas al p ie az, sa zis ilo, že ypoí aná kapaci a C a induknos L poas p ie azu sú p ibližne konš an né s hodno ami 252±8 nF, 3,31±0.16 H, danom po adí. Vypoí aná hodno a odpo u nebola konš an ná Roz oj p ie azu ans o má o o om oleji 37 a klesala od 4  po 1  so s úpajúcim zápalným napä ím. -400 -200 0 200 400 600 I P úd, Napä ie [ A, V/diel] as [ 3 µ s/diel] ∆ U Ob . 3. P iebeh p ie azo ého p údu a napä ia medzi elek ódami p i zápalnom napä í 2810 V ITO 100 a zdialenos i elek ód 0,2 mm. Fig. 3. De elopmen o b eakdown cu en and ol age ac oss gaps a ol age 2810 V in ITO 10 and gap dis ance o 0,2 mm. Na základe p edchádzajúcich ýsledko boli zme ané pomocou p og amo a eného RLCme a (FLUKE PM6306) cha ak e is iky expe imen álnej apa a ú y s olejom a p í odného edenia. Z name aných údajo yplý a, že p í odné edenie možno nah adi sé io ým ob odom R V L V a ýbojku s olejom pa alelným ob odom R o C o . Name aná hodno a induknos i edenia a kapaci y oleja sa menila ámci 10% p i zmene me acej ek encie a zodpo edajúce hodno y boli L V = 2,75 F a C o = 4,2 pF. Hodno a odpo u p í odného edenia R V sa menila okolo hodno y 4,5 , za ia o odpo oleja R o sa ý azne menil s me acou ek enciou, od neme a enej hodno y klesal k hodno e niekokých Ohmo p i ek encii 1MHz. Na Ob .3 je iež znázo nený p iebeh napä ia medzi elek ódami U - o o napä ie zodpo edá ozdielu napä ia na anóde a ka óde. Z p iebehu napä ia je z ejmé, že napä ie po p ie aze p i zápalnom napä í 2810 V p udko poklesne a opä s lmenými osciláciami klesá na nulu na o nakom aso om in e ale ako p ie azo ý p úd. Z po o nania p iebehu napä ia medzi elek ódami oi napä iam na jedno li ých elek ódach bol pozo o aný ázo ý posun zh uba 90 0 . Zo a enie zd oja po p ie aze a opä o ný as napä ia na pô odnú hodno u, p i k o ej nas al p ie az, á i niekoko desia ok sekúnd. Na základe p áce Kijonka [14] môže by ypoí aná ene gia p ie azu ans o má o o om oleji a zodpo edajúca hodno a ýbojo ého kanála R e . Zodpo edajúce hodno y ene gie p ie azu W, ypoí ané in eg áciou me aných hodnô p ie azo ého p údu a napä ia (Ob . 3), a hodno y ene gie p údu W I , ypoí ané ako in eg ál š o ca zme aného p ie azo ého p údu, ako unkcia asu sú zob azo ané na Ob . 4. 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 R e W I W Ene gia [ 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 Ob . 4. Hodno y ene gie p ie azu W, ene gie p údu W I a zodpo edajúce hodno y odpo u ýbojo ého kanála R e ako unkcia  asu p e zápalné napä ie 2550 V. Fig. 4. Values o b eakdown ene gy W, alues o cu en ene gy W I and co esponding alues o esis ance o b eakdown R e as a unc ion o ime o he ol age 2550 V. Zodpo edajúca hodno a odpo u p ie azo ého kanála ypoí aná ako W/W I je iež zob azená na om o ob ázku. Z jeho p iebehu možno idie, že hodno a odpo u sa us áli asi po 2 s na hodno e 410 m a je menšia ako hodno a odpo u R ypoí aná z p iebehu p ie azo ého p údu. S na as ajúcou hodno ou zápalného napä ia hodno a odpo u R e ýbojo ého kanála klesala. 4. DISKUSIA P i pos upnom z yšo aní jednosme ného napä ia na elek ódach pozo ujeme iace o p oceso a na základe získaných ýsledko sa dá oz oj p ie azu popísa nasledo ne. P i pomalom z yšo aní a nízkom jednosme nom napä í pozo ujeme ôzne ú a y, hla ne guo i ého a u a ôznej ekos i, p echádzajúce od jednej elek ódy k d uhej. Jedná sa o p esun nábojo ých zhluko a možných neis ô ply om elek ického poa. P i dosiahnu í 20 – 30 % hodno y p ie azného napä ia sa obja í kanálik s p ieme om niekoko mik ome o , k o ý p emosuje obid e elek ódy. Ten o kanálik nie je s abilný, mení s oju polohu a ozme , ale nezaniká. S alším z yšo aním napä ia poe kanáliko as ie ( i Ob . .2), p iom ich a iež nie je s ály, menia sa a neus ále sú pohybe. Poe a ozloženie kanáliko zá isí znanej mie e od zdialenos i elek ód a apliko aného napä ia. P i äšej zdialenos i elek ód sú iac sús edené okolo osi elek ód. Tie o kanáliky sú pozo o ané aka s ojej nižšej hus o e op o i okoli ému p os ediu, o spôsobuje ozp yl s e la lase u na danom ozh aní. P i napä í yššom ako je p ie azné napä ie sú kanáliky emi zhus ené a pozo ujeme p ie az. P ie az je sp e ádzaný mnohými p ocesmi ako sú: z uko ý e ek , s e elný záblesk, lako á a akus ická lna, p ie azo ý p úd p echádzajúci ob odom a alšie. Po p ie aze pozo ujeme množs o bublín ôzneho ozme u. Niekedy je následne po p ie aze 38 Ad ances in Elec ical and Elec onic Enginee ing pozo o aný i d uhý p ie az podpo ený p í omnosou silného p ies o o ého náboja. Te az si pod obnejšie ozobe ieme p iebeh p ie azu, ke napä ie na elek ódach pono ených ans o má o o om oleji p esiahne hodno u p ie azného. V om o p edp ie azo om s a e medzielek ódo om p ies o e exis uje ea kanáliko nižšej hus o y op o i hus o e oleja (Ob . 2), k o ých sa môžu oz íja elek óno ej la íny a po p ek oení ich k i ickej koncen ácie y o i p imá ne s eame y (ionizané lny) ší iace sa medzi elek ódami [2, 7, 8]. S p ibližo aním p imá neho s eame u ku ka óde pole p ed jeho hla ou silne as ie. Poas p ie azo ého s a u p imá ny s eame dopadá na ka ódou a pole mies e kon ak e sa s á a akým silným, že poe elek óno y azených z ka ódy ex émne na as ie a pozo ujeme ná as p ie azo ého p údu spojený s ýchlym poklesom napä ia (Ob . 2), keže zd oj neud ží aký ysoký p úd – nie je dos a one dý. Po kon ak e p imá neho s eame u s ka ódou nas á a p ie az za p e ekania ekých p údo a následného p eh ie ania kanála za zniku isk y a sú splnené dos a oné podmienky na š a sekundá neho s eame u z ka ódy opanom sme e k anóde, kanála silne ionizo anej plazmy. S upe ionizácie jeho kanála je o niekoko ádo yšší ako kanála p imá neho s eame u. Vysoký s upe ionizácie je spojený s dos a onou odi osou kanála ( emi malý odpo ) na p enos po enciálu ka ódy sekundá nym s eame om. Dynamickú zmenu odpo u sekundá neho s eame u emi dob e ep ezen uje ypoí aná hodno a R e [14] na ob . 4. Hodno y jeho odpo u poas doby s ojho oz oja poklesnú zo s ojej poia onej ela í ne ekej hodno y k minimálnej hodno e ysky ujúcej sa p i p údo ej špike, ke jeho ekos dosahuje niekoko s o iek miliOhmo . V ase dosiahnu ia maxima p údu sa hodno a odpo u ýbojo ého kanála s abilizuje a po om sa už nemení. Podobné hodno y ýbojo ého kanála ádu s o iek m o ode zme al Macke sie [9] a o zduchu Kijonka [14]. Od oh o asu p ie azo ý kanál – odpo p eds a uje as celko ého RLC ob odu. Pozo ujeme eda lmené ha monické kmi y p ie azo ého p údu, k o ý je ýsledkom ybi ia sa kondenzá o a – ýbojo ej apa a ú y s ans o má o o ým olejom danom ob ode. Hodno a odpo u p ie azo ého kanála R e je o ád menšia po o naní s odpo om edenia R V a aj ypoí anou hodno ou odpo u R, a eš e aj klesá s as om zápalného napä ia. Z po o nania ých o odpo o je idie, že yzikálne p ocesy ans o má o o om oleji sú dôleži é hla ne poia oných š ádiách oz oja p ie azu a po ybudo aní p ie azo ého kanála už nemajú ply na pozo o aný p iebeh p údu. Aj z alších me aní [16] sa ukázalo, že p idanie onkajšieho odpo u má ý azný ply na p iebeh p údu - na ampli údu a dobu ania. Môžeme eda po eda, že pozo o aný p iebeh p údu a od neho od odené pa ame e sú zá islé hla ne na pa ame och onkajšieho ob odu. P echodom p ie azo ého p údu cez y o ený p ie azo ý kanál nas á a jeho oh e následkom in enzí neho Joulo ho epla. To o eplo spôsobuje adiálny oz oj p ie azo ého-plazmo ého kanála do du iny plnej ho úceho ionizo aného plynu s ysokým lakom. Du inka p iebehu s ojej expanzie yža uje in enzí nu ázo ú lnu, k o á sa okamži e p e o í na akus ický lako ý impulz [15], ší iaci sa do okoli ého eku ého p os edia lokálnou ýchlosou z uku. Doba ania akého o akus ického impulzu p esahuje s o ky mik osekúnd, za ia o p údo á odoz a len pá desia ok mik osekúnd. P ie az eda spôsobuje aj silný lokálny oh e dielek ika Joulo ým eplom, o má za následok znik bublín pozo o aných po každom p ie aze. 5. ZÁVER Zá e om možno po eda, že boli zme ané p ie azo é cha ak e is iky p e dielek ickú k apalinu – izolaný olej ITO 100. Me al sa oz oj p údu p ie azu a napä ia na elek ódach zá islos i na ase. Na základe expe imen álnych ýsledko je možné ho o i, že p ie az ans o má o o om oleji môže by ep ezen o aný RLC ob odom. Vypoí aný odpo p ie azo ého kanála ádu s o iek m bol y á aný na základe ene gií p ie azu. Pozo o aný p iebeh p ie azo ého p údu a jeho cha ak e is iky sú silne zá islé od pa ame o onkajšieho ob odu. Z yzikálneho hadiska sa dá po eda, že p i daných expe imen álnych podmienkach celý oz oj p ie azu p ebieha p os edí s nižšou hus o ou (kanálikoch) ako má použi á dielek ická k apalina. P ie az je spojený s oz ojom elek óno ých la ín kanálikoch za zniku p imá neho a sekundá neho s eame u. P ie az spôsobuje lokálny oh e k apaliny spojený so znikom pozo o aných zducho ých bublín. Poako anie Tá o p áca bola podpo o aná g an o ou agen ú ou VEGA z minis e s a škols a Slo enskej epubliky pod íslom 1/2017/05 LITERATÚRA [1] MARTIŠOVI, V.: Základy yziky plazmy, MFIF UK, B a isla a, 2006 [2] SUN. J., SATO, M., CLEMENTS, J. S.: Op ical s udy o ac i e species p oduced by a pulsed s eame co ona discha ge in wa e , Jou nal o Elec os a ics 39, 189-202 (1997) [3] SMIDT, W.F. a kol.: Elec onic conduc ion and b eakdown in liquid helium and liquid neon, IEEE T ans. on Diel.and Elec . Insul Vol 10, No. 6, 1012-1021, (2003) [4] LISITSYN, I.V., NOMIYAMA, H., KATSUKI, S., AKIYAMA, H.: The mal p ocesses in Roz oj p ie azu ans o má o o om oleji 39 a s eame discha ge in wa e , IEEE T ansac ions on Dielec ics and Elec ical Insula ion Vol. 6., No. 3, 351-356, (1999) [5] NAIDU, M.S., KAMARAJU, V.: High ol age engene ing, McG ow-Hill, USA 1996 [6] BEROUAL, A.: Elec e onic and gaseous p ocesses in he p eb eakdown phenomena o dielec ic liquids, Jou nal o Applied Physics 73, 4526-4533, (1993) [7] JONES, H.M., KUNHARDT, E.: De elopmen o pulsed dielec ic b eakdown in liquids, Jou nal Physics D: Applied physics 28, 178- 188, (1995) [8] DEVINS, J. C., RZAD, J., SCHWABE, R. J.: B eakdown and p eb eakdown phenomena in liquids, Jou nal o Applied Physics 52, 4531- 4545, (1981) [9] MACKERSIE, J. W. a kol: Gene a ion o high- powe ul asound by spa k discha ges in wa e , IEEE T ansac ions on plasma science Vol. 33, No. 5, 1715-1724, (2005) [10] LEVIS, T.J.: B eakdown ini ia ing mechanism a elec ode in e ace in liquid, IEEE T ans. on Diel.and Elec . Insul Vol 10, No. 6, 948-955, (2003) [11] MARTON, K a kol.: P edp ie azo ý s a izolaných k apalinách kombino anom elek ickom a magne ickom poli, P ocedings 15 h In e na ional Con e ence DISEE 2004, STU B a isla a, 24 – 27, (2004) [12] MARTON, K. a kol.: The de elopmen o elec ic b eakdown in magne ic luids in combined magne ic and elec ic ields. Casopis : P eglad Elek o echniczny, Sigma - NOT, Wa szawa, Poland , No.1, 161-164 , (2005) [13] TIMOSHKIN, I.V. a kol: Hyd odynamic modelling o ansien ca i ies in luids gene e ed by high ol age spa k discha ge, J. Phys.Appl.Phys. Vol. 39, No. 22, 4808-4817, (2006) [14] KIJONKA, J., PETR, O., ŠIMANDL, L.: Diagnos ika ene gie jisko o ého ýboje, 32. Seši Ka ed y eo e ickej elek o echniky, Vysoká škola báská - Technická uni e zi a, Os a a 2005 [15] KÚDELÍK, J., GUTTEN, M.: Diagnos ika ans o má o o ého oleja analýzou p ie azu a ias ko ých ýbojo , No é sme y diagnos ike a op a ách elek ických s ojo a za iadení, Žilina, 117-120, (2006) [16] KÚDELÍK, J.: Elek ická diagnos ika p ie azu ans o má o o om oleji, 34. Seši Ka ed y eo e ickej elek o echniky, 2006 ,15-18 [17] IMANEC, P.: Všeobecná yzika 2, B a isla a, Al a, 1992