Technika vysokých napětí. Elektrická pevnost

Podobné dokumenty
TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ. Elektrická pevnost

VYSOKONAPĚŤOVÉ ZKUŠEBNICTVÍ. Izolační systémy a jejich charakteristiky

Plazma. magnetosféra komety. zbytky po výbuchu supernovy. formování hvězdy. slunce

Technika vysokých napětí. Elektrické výboje v elektroenergetice

TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ. #4 Elektrické výboje v elektroenergetice

Přednáška 4. Úvod do fyziky plazmatu : základní charakteristiky plazmatu, plazma v elektrickém vf plazma. Doutnavý výboj : oblasti výboje

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Nesamostatný výboj TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

1. Paschenův zákon. p = A exp Bp )

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

V nejnižším energetickém stavu valenční elektrony úplně obsazují všechny hladiny ve valenčním pásu, nemohou zprostředkovat vedení proudu.

Senzory ionizujícího záření

Plazma v technologiích

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ. Katedra elektroenergetiky a ekologie DIPLOMOVÁ PRÁCE

DIELEKTRIKA A IZOLANTY

Plazmové metody. Elektrické výboje v plynech

ELEKTRICKÝ PROUD ELEKTRICKÝ ODPOR (REZISTANCE) REZISTIVITA

DOUTNAVÝ VÝBOJ. 1. Vlastnosti doutnavého výboje 2. Aplikace v oboru plazmové nitridace

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE

Polovodičové diody Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Numerické modely klouzavých výbojů ve střídavém elektrickém poli

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Samostatný výboj TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Mol. fyz. a termodynamika

Ionizační manometry. Při ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizovány všechny molekuly, ale jenom část z nich n i = γn ; γ < 1.

Elektrická pevnost izolačních systémů

Mgr. Ladislav Blahuta

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ

Elektrostatické pole. Vznik a zobrazení elektrostatického pole

TERMIKA II. Stacionární vedení s dokonalou i nedokonalou izolací; Obecná rovnice vedení tepla; Přestup a prostup tepla;

Úvod do elektrokinetiky

Charakteristika a mrtvá doba Geiger-Müllerova počítače

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V LÁTKÁCH

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ

vodič u něho dochází k transportu el. nabitých částic, který je nevratný, dochází ke vzniku proudu a disipaci energie

Šíření tepla. Obecnéprincipy

Referát z atomové a jaderné fyziky. Detekce ionizujícího záření (principy, technická realizace)

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE

12. Elektrochemie základní pojmy

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ

r W. Shockley, J. Bardeen a W. Brattain, zahájil epochu polovodičové elektroniky, která se rozvíjí dodnes.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA TECHNOLOGIÍ A MĚŘENÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Pravděpodobnostní charakter jaderných procesů

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

Detektory. požadovaná informace o částici / záření. proudový puls p(t) energie. čas příletu. výstupní signál detektoru. poloha.

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ. (40) Zveřejněno N

1 Zatížení konstrukcí teplotou

ELEKTRICKÝ NÁBOJ A ELEKTRICKÉ POLE POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Struktura a vlastnosti kovů I.

U BR < 4E G /q -saturační proud ovlivňuje nárazovou ionizaci. Šířka přechodu: w Ge 0,7 w Si (pro N D,A,Ge N D,A,Si ); vliv U D.

4. Stanovení teplotního součinitele odporu kovů

Vnitřní magnetosféra

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ. Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

13. Spektroskopie základní pojmy

Test vlastnosti látek a periodická tabulka

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

III. Stacionární elektrické pole, vedení el. proudu v látkách

Výroba tablet. Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob. Lisování tablet. POMOCNÉ LÁTKY (kluzné látky, rozvolňovadla) LÉČIVÉ LÁTKY

FYZIKA II. Petr Praus 6. Přednáška elektrický proud

Relativní chybu veličiny τ lze určit pomocí relativní chyby τ 1. Zanedbáme-li chybu jmenovatele ve vzorci (2), platí *1+:

DOUTNAVÝ VÝBOJ. Další technologie využívající doutnavý výboj

Fakulta biomedic ınsk eho inˇzen yrstv ı Teoretick a elektrotechnika Prof. Ing. Jan Uhl ıˇr, CSc. L eto 2017

způsobují ji volné elektrony, tzv. vodivostní valenční elektrony jsou vázány, nemohou být nosiči proudu

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ

Výroba tablet. Lisovací nástroje. Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob. Lisování tablet. Horní trn (razidlo) Lisovací matrice (forma, lisovnice)

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Gas Discharges. Overview of Different Types. 14. listopadu 2011

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Využití plazmových metod ve strojírenství. Metody depozice povlaků a tenkých vrstev

ELEKTRONICKÉ PRVKY TECHNOLOGIE VÝROBY POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ

Polovodičové senzory. Polovodičové materiály Teplotní závislost polovodiče Piezoodporový jev Fotonové jevy Radiační jevy Magnetoelektrické jevy

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE

Výpočtové nadstavby pro CAD

VÝKONOVÉ TRANZISTORY MOS

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Fyzikální metody nanášení tenkých vrstev

Kovy - model volných elektronů

ρ = 0 (nepřítomnost volných nábojů)

Chemická kinetika. Chemické změny probíhající na úrovni atomárně molekulové nazýváme reakční mechanismus.

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

Základní zákony a terminologie v elektrotechnice

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V PLYNU, SAMOSTATNÝ A NESAMOSTATNÝ VÝBOJ

Výukový materiál zpracován v rámci projektu EU peníze školám Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/

Integrovaná střední škola, Hlaváčkovo nám. 673, Slaný

Kapitola 3.6 Charakterizace keramiky a skla POVRCHOVÉ VLASTNOSTI. Jaroslav Krucký, PMB 22

ÚVOD DO TERMODYNAMIKY

2. Elektrotechnické materiály

Přednáška č. 5: Jednorozměrné ustálené vedení tepla

Měření charakteristik fotocitlivých prvků

Základní experiment fyziky plazmatu

VYBRANÉ DOSIMETRICKÉ VELIČINY A VZTAHY MEZI NIMI

Na základě toho vysvětlil Eisnstein vnější fotoefekt, kterým byla platnost tohoto vztahu povrzena.

7. Elektrický proud v polovodičích

Transkript:

Elektrická pevnost

Izolační systémy Izolant Rozdělení izolantů podle skupenství Plynné Kapalné Pevné Rozdělení izolantů podle obnovení izolačních schopností Samoobnovitelné (self-restoring) Nesamoobnovitelné (non-self-restoring) Elektrická pevnost 2

Elektrická pevnost plynů Ionizace Ionizace je proces, při kterém je elektron uvolněn z atomu. Původně neutrální atom má pak kladný náboj (kladný iont) Ionizační energie atomu (molekuly) E i je energie potřebná pro uvolnění elektronu z jeho normálního stavu v atomu Elektrická pevnost 3

Ionizační procesy Nárazová ionizace (jednoduchá kolize) Excitace 1 2 m ev 2 > E i M + e M + + 2e M + e M + e Excitovaná molekula M* může vyzářit foton s energií h M M + hυ Elektrická pevnost 4

Postupná ionizace Ionizační procesy M + e M + + 2e Fotoionizace Ionizace dopadem fotonu o frekvenci a energii h větší než ionizační energie molekuly M + hυ M + + e Tepelná ionizace, povrchová ionizace Elektrická pevnost 5

Přeskok v plynech Townsendova teorie přeskoku v plynech Lavinový mechanismus (avalanche mechanism) Jeden volný elektron mezi elektrodami, dostatečně veliké elektrické pole Jednoduchá kolize (simple collision) volného elektronu vytvoří 2 volné elektrony a jeden kladný ion Elektrony a kladné ionty vytvářejí elektronovou lavinu Elektrická pevnost 6

Townsendův první ionizační proces Townsendův první ionizační koeficient α Počet elektronů vytvářených jedním elektronem na jednotku délky ve směru elektrického pole n x je počet elektronů ve vzdálenosti x od katody Počet elektronů na délce x: n x = α n x Počet elektronů v elementu dx: dn x = α n x dx n x x dn x dx Elektrická pevnost 7

Townsendův první ionizační proces Po úpravě integrujeme na obou stranách rovnice: n x x dn x න = α න dx n x 0 n 0 a dostáváme výraz ln n x n 0 = αx, který lze přepsat do konečného tvaru: n x = n 0 e αx Elektrická pevnost 8

Townsendův první ionizační proces Uvažujme anodu ve vzdálenosti x=d od katody, pak počet elektronů n d dopadajících na anodu za jednu sekundu je: n d = n 0 e αd Každý elektron opouštějící katodu vytváří v průměru (n d n 0 ) nových elektronů. n 0 Budeme-li hovořit o proudu, pak lze přechozí rovnici přepsat ve smyslu proudů jako: I = I 0 e αd Elektrická pevnost 9

Townsendův první ionizační proces Zlogaritmujeme-li obě strany předchozí rovnice, dostáváme rovnici přímky: ln I = ln I 0 + αx Ln I Experimentálně zjištěný průběh Z provedených experimentů je však zřejmé, že proud narůstá mnohem rychleji Elektrická pevnost 10 x

Townsendův druhý ionizační proces Proud navíc je dán přítomností kladných iontů a fotonů Kladné ionty uvolňují (release) elektrony při kolizi s molekulami plynu a dopadem (impact) na katodu Stejně tak i fotony uvolňují elektrony při kolizi s molekulami plynu a dopadem na katodu Elektrická pevnost 11

Townsendův druhý ionizační proces Nechť n 0 je počet elektronů uvolněných z katody UV radiací a n + počet elektronů uvolněných z katody po dopadu kladného iontu Townsendův druhý ionizační koeficient počet elektronů uvolněných z katody po dopadu jednoho kladného iontu Pak počet elektronů dosahujících anody je dán vztahem: n = (n 0 + n + )e αd Elektrická pevnost 12

Townsendův druhý ionizační proces Počet elektronů uvolněných z plynu je: n n 0 + n + Ke každému elektronu náleží právě jeden kladný iont a předpokládáme, že každý kladný iont uvolní elektronů z katody Počet elektronů uvolněných z katody je pak: n + = γ n n 0 + n + n + = γ(n n 0) 1 + γ Elektrická pevnost 13

Townsendův druhý ionizační proces Dosazením n + z předchozí rovnice do výrazu pro n dostáváme: n = n 0 + γ n n 0 e αd = n 0 + γn 1 + γ 1 + γ eαd n 0 e αd n = 1 γ e αd 1 Ve smyslu proudů má výsledný vztah tvar: I = I 0 e αd 1 γ(e αd 1) Elektrická pevnost 14

Townsendův druhý ionizační proces Ln I S rostoucím koeficientem γ je nárůst proudu rychlejší Elektrická pevnost 15 x

Podmínka samostatného výboje Zvyšujeme napětí mezi elektrodami a hledáme podmínku, kdy proud poroste nad všechny meze: Proud se zvyšuje podle odvozeného vztahu: I 0 e αd I = 1 γ(e αd 1) Případ, kdy proud roste nad všechny meze, nastává za podmínky: 1 γ e αd 1 = 0 γ e αd 1 = 1 γe αd 1 Elektrická pevnost 16

Podmínka samostatného výboje Při γe αd < 1 je výboj nesamostatný (potřebuje vnější generaci nosičů náboje), pro γe αd 1 je výboj samostatný Při zvyšování napětí se proud zvyšuje až do proudu nasycení (rekombinace), při dalším zvýšení napětí již začnou převažovat ionizační procesy (Townsendova oblast T 1, T 2 ), při dosažení Townsendova kritéria se výboj stává samostatný Elektrická pevnost 17

Obecná podmínka samostatného výboje Pro obecný případ lze kritérium stanovit z překročení kritické koncentrace elektronů v čele laviny e xc<d 0 α dx = N kr kde N kr je kritická koncentrace elektronů v lavině která vede k iniciaci striméru ( 10 8 ) a x c je dráha potřebná k dosažení této koncentrace. Kritérium lze přepsat do tvaru: x c <d න 0 α dx = Ln N kr 18 20 Elektrická pevnost 18

Paschenův zákon (Paschen s law) Z Townsendova kritéria můžeme vyvodit vztah mezi přeskokovým napětím, tlakem a vzdáleností elektrod Koeficienty a jsou závislé na velikosti elektrického pole E a tlaku p (při konstantní teplotě!) Tyto závislosti lze vyjadřit jako: α = f E p 1 a γ = f p 2 kde f 1 a f 2 jsou obecné funkce. E p, Elektrická pevnost 19

Paschenův zákon V homogenním poli platí pro velikost intenzity elektrického pole vztah : E = U d Po dosazení pro poměry α/p a γ/p dostáváme: U U α = pf 1 pd a γ = f 2 pd Tyto závislosti dosadíme do podmínky samostatného výboje pak: f 2 U pd epdf 1 U pd 1 = 1 Existuje pouze jedna hodnota napětí U při dané hodnotě součinu pd a teplotě T, pro kterou platí uvedená rovnice a tou je přeskokové napětí U p Elektrická pevnost 20

Přeskokové napětí v homogenním poli Předpokládáme, že = konst. (tj. nemění se s tlakem a velikostí el. pole) a teplota T = konst. Z podmínky pro samostatný výboj můžeme psát: αd = Ln 1 + 1 γ Dále předpokládáme, že funkce f 1 = Ae Bpd Up. A a B jsou konstanty a U p je přeskokové napětí. Pak pdae Bpd U p = Ln 1 + 1 γ Po úpravách dostáváme pro přeskokové napětí : Bpd U p = Apd Ln Ln 1 + 1 γ Tato funkce nabývá minima (Stoletovův bod) pro hodnotu pd pd min = e A Ln 1 + 1 γ Elektrická pevnost 21

Přeskokové napětí v homogenním poli Příklad experimentálně zjištěné a vypočítané závislosti U p =f(pd). (A=109,5 cm -1 kpa -1, B=2738 Vcm -1 kpa -1, =0,025) Elektrická pevnost 22

Přeskoková napětí pro vybrané plyny při pokojové teplotě Electrodes: Parallel plates Temperature: 300 K (23 C) Frequency: 400 Hz Elektrická pevnost 23

Strimérový mechanizmus Townsendova teorie nedokáže vysvětlit všechny děje z experimentálního pozorování, např. tvar výboje, kratší čas výstavby výboje (discharge development) Townsendova teorie je validní pouze v případech, kdy není významně narušeno vnější elektrické pole prostorovým nábojem (space charge) laviny (pro vzduch αd 20 tj. e 20 = 5 10 8 elektronů pd < 26,7 kpa cm) Pro ostatní případy se musí uvažovat vliv pole prostorového náboje laviny na vnější elektrické pole -> strimérový (streamer) mechnizmus elektrického výboje Elektrická pevnost 24

Prostorový náboj laviny Centra pozitivního a negativního náboje jsou v lavině odděleny z důvodu rozdílné pohyblivosti iontů a elektronů Dipólový náboj pak posiluje výsledné elektrické pole v čele a týlu laviny a zeslabuje v centrálním regionu Anoda Anoda E 0 E 0 E - E + - + E=E 0 +E E 0 externí elektrické pole E vlastní elektrické pole laviny Katoda Katoda Elektrická pevnost 25

Strimér orientovaný k anodě (záporný strimér) Působením pole prostorového náboje dochází k intenzivní ionizaci před čelem laviny -> při okamžité rekombinaci nosičů náboje dochází k emisi fotonů a následné fotoionizaci, která spouští sekundární laviny Vzhledem k vyšší hodnotě intenzity el. pole se sekundární lavina na dráze r vytvoří mnohem rychleji než lavina původní Elektrická pevnost 26

Strimér orientovaný ke katodě (kladný strimér) Pimární lavina zanechá v prostoru mezi elektrodami excitované molekuly -> vyzáření fotonů při návratu do základního stavu -> fotoionizací vznikající sekundární laviny jsou vtahovány do zbytku původní laviny -> postupný růst stiméru t 1 + - + - + - + + ++ + - - + + hν Anoda Anoda + + - + + - - - - + - + - - - + + - + + + + + + + + + - - + + + + + - - + + t 2 >t 1 t 2 Katoda hν Katoda Elektrická pevnost 27

Vývoj výbojů v plynu U b (V) Korona Townsendovy výboje Oblast nasyceného proudu U (V) Temné výboje Doutnavé výboje Oblouk Townsendova oblast Přeskokové napětí Přechod mezi doutnavým výbojem a obloukem I (A) Oblast počáteční ionizace 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 100 10 3 I (A) Elektrická pevnost 28

Stupeň homogenity elektrického pole Ke kvantifikaci nehomogenity elektrického pole se využívá tzv. stupeň homogenity pole η = E o E max, kde E 0 je střední hodnota intenzity elektrického pole a E max je maximální hodnota intenzity elektrického pole. Zřejmě platí E o = U d pak: η = U de max Elektrická pevnost 29

Stupeň homogenity elektrického pole Elektrická pevnost 30

Polaritní jev (Polarity effect) Pro nehomogenní pole je rozdíl v elektrické pevnosti (electric strength) mezi kladnou a zápornou polaritou Při kladné polaritě je v prostoru kolem hrotu silné elektrické pole, ze kterého jsou rychle odsávány elektrony k anodě; pomalejší kladné ionty pak zmenšují elektrickou pevnost Při záporné polaritě je proces opačný, v oblasti kolem anody se vytvoří bariéra zeslabující elektrické pole Elektrická pevnost 31

Polaritní jev Elektrická pevnost 32

Vliv bariéry Aplikací bariéry dochází k homogenizaci elektrického pole v blízkosti hrotu Existuje optimální poloha bariéry, kdy je el. pevnost největší Elektrická pevnost 33

Optimální poloha bariéry Elektrická pevnost 34

Volba plynného izolantu Nejužívanější plynné izolanty pro vysokonapěťová zařízení jsou vzduch a SF 6 Relativní elektrická pevnost vztažená (pro SF 6 =1) Elektrická pevnost 35

Kapalné izolanty Izolační oleje Přírodní Syntetické Minerální oleje Nejpoužívanější kapalné izolační medium, dobré izolační vlastnosti, stárnutí (oxidace, navlhání), hořlavý, pomalý biologický rozklad Pravidelná kontrola stavu, případná regenerace Silikonové oleje Výborné izolační vlastnosti, nehořlavé, odolné oxidaci až do 150 C, hlavní nevýhodou je horší absorbce plynů a velká absorpce vody Estery nehořlavé, rychlá biologická odbouratelnost Elektrická pevnost 36

Kapalné izolanty Přeskokové napětí závisí na mnoha faktorech (typ a počet částic, obsah vody v kapalině, vzdálenost, objem, povrch a tvar elektrod, homogenita pole ) Tato hodnota mívá výrazný rozptyl (statistical spread) pro delší časy namáhání neexistuje jednotná teorie jež by tuto problematiku uspokojivě vysvětlila Pro velmi krátké časy namáhání odpovídá přeskokům v plynech (impulse breakdown, electronic breakdown) Přeskoky v kapalinách 37

E p (kv/mm) Kapalné izolanty 40 30 20 Impulzní průraz Čistě elektrický, streamerové přeskoky Vláknové můstky Kontaminace vodou, plynování 10 Intrinsický přeskok Weak-link přeskok 10-9 10-6 10-3 10 0 10 3 10 6 10 9 t(s) Přeskoky v kapalinách 38

Teorie přeskoku v oleji Velký gradient el. pole na hrotech elektrod (electrode tips) způsobuje prudký lokální nárůst vodivosti a vytvoření prostorového náboje Při následné redistribuci el. pole vznikají temné výboje, jež tepelně ionizují částice oleje a vytvářejí vodivé kanálky (leadery) V závislosti na stupni homogenity a intenzitě elektrického pole se mohou tyto kanálky rozšířit až k opačné elektrodě (counter-electrode) a způsobit tak přeskok Přeskoky v kapalinách 39

Fáze přeskoku v oleji (1) Bez přiloženého elektrického pole se olej nachází v elektricky neuspořádaném stavu (unordered state) Jedinou výjimku tvoří povrch, na němž se vyskytuje tzv. dvojitá vrstva (double layer), která vzniká v důsledku chybějících vazeb povrchových atomů/molekul okolní pevné látky na rozhraní s olejem Bez elektrického pole + + + + + - - - - - Dvojitá vrstva Neuspořádaný stav Přeskoky v kapalinách 40

Fáze přeskoku v oleji (2) Při aplikování elektrického pole dochází k injekci elektronů do kapaliny Vlivem rozdílnosti struktury povrchu elektrody a přítomnosti vrstev oxidů a nečistot může dosahovat proudová hustota při injektování až ka/mm 2 Pokud je aplikované pole dostatečně silné, dochází k nelineárnímu navyšování vodivosti. Injektované elektrony vytváří v okolí katody záporný prostorový náboj, jež potlačuje další emise elektronů. V okolí anody se naopak pole značně zesiluje vlivem koncentrování odcházejících elektronů Zvýšení elektrického pole Proudové pole Zvýšení vodivosti Drift částic E Vytváření vodivých objemů s nízkou hustotou Přeskoky v kapalinách 41

Fáze přeskoku v oleji (2) K injekci dochází v místech tzv. mikrohrotů (microtip) na povrchu elektrody Na těchto místech vznikají vlivem dodávané energie kanálky, jež se zahřívají a zvyšují tak svojí vodivost Kanálky se kvůli stejnému náboji vzájemně odpuzují a rozdělují do jednotlivých svazků pomyslného trsu (bunch-like structure), viz obrázek Přeskoky v kapalinách 42

Fáze přeskoku v oleji (3) V okolí mikrohrotů je elektrické pole zesíleno až na stovky kv/mm (více než desetinásobek makroskopické elektrické pevnosti) V takto silném poli vznikají mikroskopické nízko-hustotní objemy (low-density volumes), jež se dají považovat prakticky za plynné (gaseous) Podle jedné teorie dochází uvnitř těchto objemů k inicializaci prvotního procesu (initial process) výboje vlivem nárazové ionizace (collision ionization). Podle jiných teorií je prvotní proces následkem porušení povrchového napětí či navýšení vodivosti vlivem proudu Počáteční proces + + + + + + + + + Tvorba nízkohustotních objemů při cca 1 MV/mm + Přeskoky v kapalinách 43

Fáze přeskoku v oleji (4,5) Při nárazové ionizaci dochází ke vzniku dalších nízko-hustotních objemů v okolí původního objemu (ekvivalent strimérové laviny) inicializuje se primární strimér (primary streamer) Uvnitř takto vzniklých objemů se začne šířit sekundární strimér (secondary streamer). Díky vysokým proudovým hustotám dochází k termální ionizaci uvnitř kanálků, čímž se drasticky zvyšuje jejich vodivost jedná se tak prakticky o lidér (leader) Vznik výboje Šíření výbojového kanálu (stupňovitý výboj) Radiální šíření nízkohustotních objemů Primární streamer t Stupňovitý výboj jako sekvence zapalování a zhasínání Sekundární streamer, přechod na leader Přeskoky v kapalinách 44

Fáze přeskoku v oleji (6) Pokud strimér dosáhne opačné elektrody, dojde k terciálnímu výboji (tertiary discharge) uvnitř kanálků (vlastní přeskok) Vysoká proudová hustota tohoto výboje způsobuje vypařování oleje, emisi světla a drastický pokles napětí Hlavní výboj Terciární výboj Přeskoky v kapalinách 45

Typy přeskoku Intrinsický přeskok (intrinsic breakdown) U velmi čistých olejů (kapalin) při impulzních napětích a malém povrchu elektrod Zápalná intenzita pole (inception field strength) se pohybuje kolem 1 000 kv/mm, má velmi nízký statistický rozptyl Kapalina vykazuje homogenní chování (vlastnosti nezávisí na poloze) Přeskoky v kapalinách 46

Typy přeskoku Weak-link přeskok elektrodový (electrode area related) Při krátkých časech namáhání nepromítne se driftování nabitých částic K rozvoji výboje dochází na nedokonalostech povrchu elektrody Kapalina již nevykazuje homogenní chování, tvoří se vodivé kanálky Přeskoky v kapalinách 47

Typy přeskoku Weak-link přeskok objemový (volumerelated) Při delších časech namáhání promítne se driftování nabitých částic Tyto částice dopadají na elektrody a mohou tak inicializovat prvotní proces přeskoku Elektrická pevnost uspořádání tak závisí nejen na objemu kapaliny, ale i na vzdálenosti a rozměrech elektrod Pevnost vykazuje velký statistický rozptyl Přeskoky v kapalinách 48

Typy přeskoku Přeskok přes vláknové můstky (fiber-bridge breakdown) Speciální případ přeskoku při uspořádání olej celulóza (např. transformátory) Jednotlivá uvolněná celulózová vlákna se orientují ve směru pole Vlákna často vytvářejí nerozvětvený řetězec můstek mezi elektrodami (unbranched bridges) Dochází tak ke značné redukci izolačního odporu a elektrické pevnosti Přeskoky v kapalinách 49

Kapalné izolanty Elektrická pevnost 50

Pevné izolanty Základní rozdělení Organické Přírodní Umělé (syntetické) Termoplasty Termosety (reaktoplasty) Elastomery Anorganické Amorfní Krystalické Elektrická pevnost 51

Průrazy pevné izolace Proces průrazu pevné izolace je komplexní jev, který závisí i na době přiložení napětí Základní procesy průrazu: Čistě elektrický průraz -Elektromechanický průraz Tepelný průraz -Elektrochemická eroze Elektrická pevnost 52

Čistě elektrický průraz Nastává ve velmi krátkých časech (10-8 s) při intenzitě elektrického pole v řádech MV/cm Při těchto energiích přechází elektrony ze zcela zaplněného valenčního pásu do vodivostního pásu, kde mohou prostupovat krystalickou mřížkou Elektrická pevnost 53

Vliv nečistot V čistém homogenním dielektriku je valenční pás od vodivostního oddělen velkou energetickou propastí Při běžných teplotách elektrony nezískají dostatečnou energii k přechodu nulová vodivost Prakticky, všechny krystaly obsahují nečistoty a poruchy mřížky Elektrická pevnost 54

Vliv nečistot Atomy nečistot hrají roli pastí pro volné elektrony v energetických hladinách pod vodivostním pásem Při nižších teplotách elektrony zachyceny v pastích, při vyšších teplotách snadnější přechod do vodivostního pásu Elektrická pevnost 55

Tepelný průraz Při napěťovém namáhání izolace je generováno teplo vlivem vodivostního proudu a dielektrických ztrát (polarizace) Vodivost roste s teplotou > kladná zpětná vazba -> tepelný průraz izolantu Elektrická pevnost 56

Dielektrické ztráty Pro činný výkon platí vztah: P d = UIcosφ Z fázorového diagramu pak: Icos φ = Isin δ a I = I c cos δ Kapacitní proud lze vyjádřit jako: I c = UωC Po dosazení dostáváme: P d = U 2 ωctg δ Elektrická pevnost 57

Fourierův zákon q = λ grad T Průtok tepla ve směru osy x v elementu dxdydz za dobu dt Q x1 = λ T x dydzdt Q x2 = λ x T T + x dx dq x = dq x1 dq x2 = λ 2 T x 2 dxdydzdt Ve směru os y a z platí zcela analogické vztahy Tepelný průraz dydzdt Elektrická pevnost 58

Tepelný průraz Celkové sdělené teplo v elementu dxdydz za čas dt je pak: dq = dq x + dq y + dq z = λ 2 T x 2 + 2 T y 2 + 2 T z 2 dxdydzdt Ze zákona zachování energie platí: Teplo přivedené = teplo absorbované + teplo odvedené Uvažujeme-li, že zdrojem tepla je procházející proud, pak: σe 2 dt = c v + λ 2 T + 2 T + 2 T dt x 2 y 2 z 2, kde c v je měrná tepelná kapacita izolantu Experimentální data ukazují, že průrazné napětí závisí na čase přiložení dva limitní stavy: impulzní a ustálený tepelný průraz Elektrická pevnost 59

Tepelný průraz při impulzním namáhání Nárůst tepla je velmi rychlý předpoklad zanedbání tepelného odvodu do okolí σe 2 dt = c v dt = c dt de v de dt Hledáme maximální intenzitu E p v čase t p při které dojde k průrazu, předpokládáme lineární nárůst elektrické intenzity: E = E p t p t Závislost elektrické vodivosti na teplotě lze vyjádřit jako: σ = σ 0 e W kt kde W je aktivační energie a k je Boltzmanova konstanta Elektrická pevnost 60

Tepelný průraz při impulzním namáhání σ 0 e W kte 2 = c v dt de E p t p σ 0 e kte W 2 E p de = c v dt t p σ 0 t E p pe T p න 2 W de = න e ktdt c v E p 0 Za předpokladu, že W>>kT a T p >T o, lze integrál na pravé straně W k vyjádřit jako: T 0 e kt0, pak výsledný vztah pro E W p je: E p = 3c vkt 0 2 σ 0 Wt p T 0 0,5 e W 2kT 0 Elektrická pevnost 61

Tepelný průraz v ustáleném stavu Předpokládáme, že dielektrikum je umístěno mezi velké elektrody, které mají teplotu okolí Velký teplotní spád mezi teplotou uvnitř dielektrika a elektrodami způsobí přenos veškerého generovaného tepla přes elektrody do okolí V rovnici zachování energie můžeme zanedbat člen c v dt dt Elektrická pevnost 62

Tepelný průraz v ustáleném stavu σ σe 2 = k d2 T dx 2 du 2 = k d2 T dx dx 2 σ du dx න du dx dx = k න d2 T dx 2 dx Za předpokladu, že jde o homogenní pole a platí d2 U = 0 dx 2 σ du dt U = k dx dx + konst. Pro zjednodušení konst.=0, počátek x=0 je umístěn uprostřed mezi elektrodami, napětí na elektrodách 1/2U a Elektrická pevnost 63

Tepelný průraz v ustáleném stavu Je-li T max max teplota v x=0, dt ቚ = 0, pak: dx x=0 න 0 U a Aplikované napětí dosáhne průrazného napětí U p pokud T max je rovno kritické teplotě T k Nestabilní případ nastane když T c a U a U p Elektrická pevnost 64 T 0 2 UdU = න Tmax T max U 2 k a = 8 න T 0 σ dt k σ dt

Tepelný průraz v ustáleném stavu Vztah pro průrazné napětí lze pak vyjádřit jako: U p = T c k 8 න T 0 σ dt Elektrická pevnost 65

Elektromechanický průraz Jsou-li pevná dielektrika vystavena silným elektrickým polím, vznikají elektrostatické síly (elektrostrikce), které vedou k deformaci materiálu Je-li d 0 počáteční tloušťka materiálu, který je stlačen na tloušťku d při aplikaci napětí U, pak elektricky vyvolaná kompresní síla je v rovnováze pokud: U ε 0 ε 2 r = Yln d 0, kde Y je Youngův modul pružnosti 2d 2 d Obvykle mechanická nestabilita nastává při d = 0.6, pak nejvyšší d 0 intenzita el. pole před průrazem je : E m = U d 0 = 0.6 Elektrická pevnost 66 Y ε 0 ε r