Επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή μονωτικών υλικών σε ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο υπό κρουστικές υψηλές τάσεις: επίδραση της υγρασίας

Abstract

The surface dielectric strength of insulating materials in a non-uniform electric field under impulse voltages is investigated with emphasis given on the influence of humidity. Research on interactions between electrical discharges and insulating surfaces is of great importance, not only from the physical but also from the applications standpoints. In addition, the surface dielectric strength of insulators determines to a great extent the reliability of high voltage systems. Outdoor insulation systems, comprising of air gaps together with ceramic or polymeric insulators, are often subject to high voltage transients, thus their efficient design requires knowledge of the surface dielectric behaviour of insulators under such conditions. Interactions between electrical discharges and insulating surfaces involve multiple physical processes many of which are not yet fully understood. Moreover, minimal data are available in literature concerning the effects of atmospheric conditions on flashover. Thus, in the present study surface impulse flashover along smooth cylindrical insulating surfaces bridging a 12 cm long rod-plane gap is investigated; the insulating surface material, the waveshape and polarity of the applied impulse voltage, as well as absolute humidity were considered as influencing parameters. The main conclusions of the thesis are summarized as follows. The initial corona in the presence of an insulator initiates earlier, under lower voltage and is associated with lower charge, because of the electric field enhancement near the rod tip. However, near threshold inception conditions the initial corona inception field decreases with the insulating surface material permittivity, a fact that can be attributed to enhanced photo-ionisation around the rod tip. Under positive lightning impulse voltages the flashover voltage is lower in the presence of an insulating surface. Flashover is closely related to secondary corona inception, the spark channel develops away from the insulating surface, a behaviour found characteristic for polymeric insulating surfaces but not for the case of porcelain. Under positive switching impulse voltages the flashover voltage is higher in the presence of an insulating surface. Flashover is closely related to streamer arrival at the earthed plane. Under positive impulse voltages, flashover voltage increases with increasing absolute humidity. The inhibitory effect of humidity on flashover voltage is similar to that observed for the pure air gap for the cases where the spark channel develops away from the insulating surface. The effect of humidity is reduced when the spark channel develops close to the insulating surface. In general, for insulating arrangements where at flashover the spark channel adheres to the insulator surface the IEC atmospheric conditions correction procedure could be optimized by considering a reduced humidity correction factor. Under negative impulse voltages, the flashover voltage is lower in the presence of an insulating surface, a fact that could be attributed to the lower average field required for surface streamers to cross the full gap. Negative corona development is favoured by the insulating surface, the spark channel adheres to the surface of the insulator. The effect of humidity on flashover voltage is minimal, the IEC atmospheric conditions correction procedure yields satisfactory results.

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η επιφανειακή διηλεκτρική αντοχή μονωτικών επιφανειών σε ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο υπό κρουστικές υψηλές τάσεις με έμφαση στην επίδραση της απόλυτης υγρασίας. Η σπουδαιότητα της έρευνας που αφορά αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρικών εκκενώσεων και διηλεκτρικών επιφανειών είναι πολύ μεγάλη, όχι μόνο από θεωρητική σκοπιά αλλά και λόγω των πολλών και σημαντικών πρακτικών εφαρμογών. Τα συστήματα εξωτερικών μονώσεων καταπονούνται συχνά από υπερτάσεις που εμφανίζονται στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, συνεπώς ο βέλτιστος σχεδιασμός τους απαιτεί τη γνώση της επιφανειακής διηλεκτρικής συμπεριφοράς των μονωτήρων υπό αυτές τις συνθήκες. Ο μηχανισμός επιφανειακής διάσπασης είναι ιδιαίτερα σύνθετος, με πολλούς και συχνά αντικρουόμενους παράγοντες επίδρασης. Η επίδραση των ατμοσφαιρικών συνθηκών στις επιφανειακές εκκενώσεις είναι ένα αντικείμενο το οποίο ακόμη δεν έχει διερευνηθεί συστηματικά. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, διερευνήθηκε ο μηχανισμός επιφανειακής διάσπασης λείων κυλινδρικών μονωτικών επιφανειών που γεφυρώνουν διάκενο αέρα ράβδου - πλάκας μήκους 12 cm υπό κρουστικές υψηλές τάσεις, λαμβάνοντας υπόψη ως παραμέτρους επίδρασης το υλικό της μονωτικής επιφάνειας, το εύρος, την κυματομορφή και την πολικότητα της επιβαλλόμενης τάσης και ιδιαίτερα την απόλυτη υγρασία. Τα κυριότερα συμπεράσματα στα οποία καταλήγει η διατριβή συνοψίζονται ως εξής. Η αρχική κορώνα παρουσία μονωτήρα στο διάκενο εμφανίζεται νωρίτερα, υπό χαμηλότερη τάση έναυσης και με μικρότερο φορτίο, λόγω της ενίσχυσης του ηλεκτρικού πεδίου στην περιοχή κοντά στην ακίδα. Ωστόσο, σε συνθήκες οριακής εμφάνισης διαπιστώθηκε μείωση του πεδίου έναυσης με τη διηλεκτρική σταθερά του υλικού, γεγονός που μπορεί να αποδοθεί σε ενίσχυση του φωτοϊονισμού γύρω από την ακίδα. Υπό θετικές εξωτερικές κρουστικές τάσεις η τάση διάσπασης μειώνεται παρουσία μονωτήρα. Η διάσπαση συνδέεται στενά με τη δευτερεύουσα κορώνα, ο ηλεκτρικός σπινθήρας αναπτύσσεται μακριά από την επιφάνεια του μονωτήρα, συμπεριφορά χαρακτηριστική για τα πολυμερή υλικά αλλά όχι για την περίπτωση της πορσελάνης. Υπό θετικές εσωτερικές κρουστικές τάσεις, η τάση διάσπασης αυξάνεται παρουσία μονωτήρα. Η διάσπαση συνδέεται στενά με τη διάσχιση του διακένου από τα νημάτια της εκκένωσης. Υπό θετικές κρουστικές τάσεις αύξηση της απόλυτης υγρασίας οδηγεί σε αύξηση της τάσης διάσπασης. Η αναχαιτιστική επίδραση της υγρασίας στη διάσπαση είναι παρόμοια με αυτή στο απλό διάκενο αέρα όταν ο σπινθήρας αναπτύσσεται μακριά από την μονωτική επιφάνεια, ωστόσο εμφανίζεται ασθενέστερη όταν αυτός ακολουθεί την μονωτική επιφάνεια. Γενικότερα, σε συστήματα μονώσεων όπου ο σπινθήρας κατά τη διάσπαση ακολουθεί τη μονωτική επιφάνεια η ισχύουσα διαδικασία διόρθωσης της τάσης διάσπασης σε κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες θα μπορούσε να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας ένα μειωμένο συντελεστή επίδρασης της υγρασίας. Υπό αρνητικές κρουστικές τάσεις, η τάση διάσπασης μειώνεται παρουσία μονωτήρα, γεγονός που οφείλεται στο χαμηλότερο μέσο πεδίο που απαιτείται για την πλήρη διάσχιση του διακένου από τα νημάτια της εκκένωσης. Η ανάπτυξη της αρνητικής κορώνα ευνοείται από την παρουσία της μονωτικής επιφάνειας, ο σπινθήρας κατά τη διάσπαση ακολουθεί την επιφάνεια του μονωτήρα. Η επίδραση της απόλυτης υγρασίας στην τάση διάσπασης είναι ασήμαντη, η ισχύουσα διαδικασία διόρθωσης της τάσης διάσπασης σε κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες κρίνεται ικανοποιητική.