Durchschlag in Flüssigkeiten
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Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 1 Durchschlag in Flüssigkeiten Übersicht 1. Einleitung 2. Entladungsmechanismen in Öl 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag 4. Dielektrische Eigenschaften 55. Arten von Isolierflüssigkeiten g 6. Anwendung von Isolierflüssigkeiten Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 2 1. Einleitung Geschlossene Theorie Für den Durchschlag in flüssigen Isolationsmedien existiert keine geschlossene Theorie Schwierigkeit Flü i Isolierstoffe Flüssige I li t ff beinhalten b i h lt oftmals ft l eine i Vi Vielzahl l hl von St Stoffen ff mit it unterschiedlichen Eigenschaften, dazu kommt… • Veränderungen g in der Zusammensetzung g • Verunreinigungen • Alterungserscheinungen Verunreinigungen g und Durchschlagsverhalten g wird massgeblich g durch die Art Das Leitungsund Stärke der Verunreinigung beeinflusst • Gas/Wasser in Flüssigkeit • Feststoffe F t t ff in i Flü Flüssigkeit i k it (F (Faserbrückendurchschlag) b ü k d h hl ) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 3 1. Einleitung A Anwendung d von flüssigen flü i Isolierstoffen I li t ff Einsatzbeispiele: - Transformatoren - Wandler - Leistungsschalter - Kondensatoren K d t - Imprägnierungen Vorteile: V t il - Hohe elektrische Festigkeit (im Vergleich zu Luft) - Hohe Wärmeleitfähigkeit (Konvektion) Nachteile: - Hohes Gewicht - Festigkeitsminderung durch Alterung und Verschmutzung - Bedingt dichtes Gehäuse - Brennbarkeit (bei Öl) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 4 2. Entladungsmechanismen in Öl V Verschleierte hl i t Gasentladung G tl d Ablauf 1) Vermutlich gibt es Gebiete niedriger Dichte im Öl (leichtflüchtige Ölkomponenten oder im Öl gelöste Fremdgase) 2)) dort sind Stossionisation und Entladungsaufbau wie im Gas möglich 3) Stromstärke führt auf lokale Erwärmung, was zu mehr Gas führt 4) Feldverzerrung durch die Entladung im Gasbläschen führt auf Feldüberhöhung, welche zur Entladung im Öl führt Wegen g der Gasentladung: g „Verschleierte Gasentladung“ Hinweis auf Gasentladung: Druckabhängigkeit der Festigkeit! Vorlesung Hochspannungstechnologie (Küchler S. 210) FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 5 2. Entladungsmechanismen in Öl F Faserbrückenüberschlag b ü k üb hl Ablauf 1) durch Alterung: Alterung Ablösung von Fasern und Partikel von Papierisolierungen, Papierisolierungen Barrieren etc. ins Öl 2)) die Fasern sind i.d.R. hygroskopisch, yg p durch das Wasser steigt g r stark 3) die damit stark polaren Fasern bewegen sich in Richtung hoher Feldstärke (Elektroden) und bilden Faserbrücken 4)) durch d hh hohe h LLeitfähigkeit: itfähi k it Starke St k Erwärmung, E ä Wasser W und d niedrigsiedende i di i d d Flüssigkeitskomponenten verdampfen Durchschlag Bemerkung: g Kann auch als lokaler Wärmedurchschlag gedeutet werden Abhilfe: Barrieren (Küchler S. 209) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 6 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag F Feuchtigkeit hti k it Lösung Mit zunehmender relativen Feuchte reduziert sich die Festigkeit g dramatisch Emulsion Lösungsvermögen von Wasser in Öl überschritten Reduktion der Festigkeit auf 15-20%! (Beyer S. S 158) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 7 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag F Feuchtigkeit hti k it absolute Ölfeuchte: V hält i von Wassermasse Verhältnis W zu Ölmasse Öl i einem in i V Volumen: l wabs mH 2O mÖL und wird meist in ppm (parts per million) angegeben. Ein ppm entspricht d h 1/1000 daher / g Wasser W pro 1 kg k Öl. Öl relative Ölfeuchte: Verhältnis von absoluter Ölfeuchte zur Sättigungsölfeuchte. wrel wabs . wsat Die relative Ölfeuchte ist daher stark temperaturabhängig. p gg Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 8 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag T Temperatur t Bedeutung der Temperatur Maximale Löslichkeit von Wasser in Öl ist temperaturabhängig: Absolute Feuchte in ppm bei Sättigung als Funktion der Öltemperatur p für ein Mineralöl mit geringen Aromatengehalt (ca. 10%, untere Kurve) und für Aromate (100%, obere Kurve) (Küchler S. 210) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 9 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag Öl Ölspaltweite lt it Elektrische Festigkeit von Ölspalten unter Wechselspannung (1 Minute, 50 Hz) als Funktion der S lt it für: Spaltweite fü (1) isolierte Elektroden und entgastes g Öl (2) isolierte Elektroden und gasgesättigtes Öl ( ) bl (3) blanke k Elektroden l k d und d entgastes Öl (4) blanke Elektroden und gasgesättigtes Öl (Küchler S. 211) Unterteilung mit Pressspanbarrieren in kleinere Spalten Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 10 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag F Fremdgase d Löslichkeit: Henry-Gesetz Konzentration des gelösten Gases cF ist dem Partialdruck des Gases pG proportional (K(T): temperaturabhängige Konstante) cF K T pG Einbringung g (TE) an Spitzen p oder • Teilentladungen schon vorhandenen Gasblasen: Nebst anderen Produkten bildet sich Wasserstoff asse sto ((Festigkeit est g e t < a alss bei be Luft!) u t!) • Fehler beim Füllen, unzureichende Entgasung des Füllöls • Alterung Freies Gas Extremer Festigkeitsverlust, Festigkeitsverlust an Gasblasen oder -schichten setzt wiederum TE ein Vorlesung Hochspannungstechnologie (Beyer S. 146) FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 11 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag F Fremdgase d Ursache für Gase in Transformatoröl (Öl/Papier Isoliersystem): • Abbauprodukte des Öls: •Wasserstoff, H2 •Methan CH4 •Methan, •Äthan, C2H6 •Äthylen, C2H4 •Acetylen, A et len C2H2 •Abbauprodukte des Papiers: •Kohlenmonoxid, hl d CO •Kohlendioxid, CO2 •Furane (incl Derivate) Diese Gase können als Indikatoren für Fehlertypen, bzw. Alterung herangezogen werden ( Diagnosemessungen) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 12 4. Dielektrische Eigenschaften Gl i h t Gleichstromleitfähigkeit l itfähi k it Ladungstransport durch positive und negative Ionen (und bei höheren Feldstärken durch Elektronen). Ionen entstehen durch Dissoziation von Verunreinigungen und Alterungsprodukten Stromdichte Im Gleichfeld E gilt für die Stromdichte J q n b E q : Ladung b : Mobilität n : Ionendichte Wenn keine Sättigung oder Ionisation vorhanden, dann ist die Leitung ohmsch h h und d die di spezifische ifi h Leitfähigkeit L itfähi k it q n b k konstant t t Mobilität Die Mobilität (aka mittlere Beweglichkeit) kann durch die Formel für viskose Reibung FR 6 r v abgeschätzt werden zu FR : Reibungskraft v : Geschwindigkeit q : Viskosität b r : Radius der Ionen 6 r Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 13 4. Dielektrische Eigenschaften Gl i h t Gleichstromleitfähigkeit l itfähi k it Abhängigkeit von der Beanspruchungsdauer Gleichstromleitfähigkeit ist abhängig von der Beanspruchungszeit (Bsp. eines Isolieröles): Leitfähigkeit A: Orientierung g von Dipolen B: freie Ladungsträger C: Verarmung von Ladungsträgern D: Gleichgewicht von produzierten zu abgesaugten Ionen. Beanspruchungsdauer (Beyer S. 148) Gleichstromleitfähigkeit B i h B entspricht Bereich t i ht der d AC-Leitfähigkeit AC L itfähi k it (50 ( Hz) H ) und d ist i t künftig kü fti z.T. T mit it „DC-Leitfähigkeit“ gemeint Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 14 4. Dielektrische Eigenschaften Gl i h t Gleichstromleitfähigkeit l itfähi k it Abhängigkeit von der Temperatur Im Bereich der ohmschen Leitfähigkeit kann die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit durch 0e F k T : Leitfähigkeit F : Stoffkonstante T : Temperatur Nichtlinearität (Wien ( Effekt)) Bei höheren Feldstärken kommt es zum überproportionalen p p Anstieg g der Stromdichte. Erfolgt bei umso niedrigeren Feldstärken, jje höher die Temperatur p ist. Stromdichte beschrieben bes hrieben werden erden (V (Van n tt‘Hoffs Hoffsches hes Gesetz). (Beyer S. 149) Elektrisches Feld Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 15 4. Dielektrische Eigenschaften Gl i h t Gleichstromleitfähigkeit l itfähi k it Abhängigkeit von Verunreinigungen und Alterungsprodukten Gase Bei gelösten Gasen ist kein Einfluss feststellbar. feststellbar Wasser Leitfähigkeit wird ird von on Wasser erheblich beeinflusst: spezifischer Widerstand als Funktion des absoluten Wassergehalts w (Beyer S. 149) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 16 4. Dielektrische Eigenschaften Di l kt i h Verlustfaktor Dielektrischer V l tf kt tan t Definition Der dielektrische Verlustfaktor tan ist definiert aus dem Verhältnis der Wirkleistung zur Blindleistung einer an Spannung liegender Kapazität Wirkleistung Wi kl i t UI sin i Iw tan Blindleistung UI cos I b Ib 90° Bemerkungen: I I Iw U U • ist der so g genannte Verlustwinkel • Im englischen Sprachraum ist auch der dissipation factor cot (= tan) und der power factor f tor cos gebräuchlich gebrä hli h • Die dielektrische Verlustleistung ist Pdiel U 2C tan und damit ein Mass für die dielektrischen Verluste und der damit verbundenen Erwärmung des Dielektrikums Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 realer l Kondensator Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 17 4. Dielektrische Eigenschaften Di l kt i h Verlustfaktor Dielektrischer V l tf kt tan t Beschreibung der Leitfähigkeitsverluste Die Leitungsverluste können mit dem Ersatzschaltbild erfasste werden: Bemerkung: q gg Damit ist noch keine Frequenzabhängigkeit von erfasst. Verlustleistung konst., Blindleistung ändert! r , taanL Der Strom ist dann: 1 I jC p U R p D it iistt der Damit d Verlustfaktor V l tf kt durch d h Leitungsverluste L it l t 1 I w Rp U 1 tan L Ib C p U C p Rp Rp Cp tanL Frequenz f Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 r Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 18 4. Dielektrische Eigenschaften P l i ti Polarisationsverluste l t Bis jetzt haben wir die kapazitiven Verschiebungsströme und die Gleichströme angeschaut. Dabei war E t P t const. + Zur Erinnerung: D t r oE t oE t P t – – + Vorlesung Hochspannungstechnologie – + + – + – + – t D + + + – + – K Kapazitiv iti FS09 – J + – ot E – DC Kapazitiv + + – – + – – r ist zeitabhängig! Verzögerte P ergibt Verluste! + VakuumFeld Neu Bei „schnellen“ Änderungen bzw. „trägen Dipolen“ hat P aber eine andere Zeitabhängigkeit als E: E t P t const. P ist verzögert. + t P – – – DC J Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 19 4. Dielektrische Eigenschaften P l i ti Polarisationsverluste l t Zeitabhängigkeit der Polarisation Da die verschiedenen Polarisationsmechanismen mit Verschiebungen von Masse verbunden sind, kann die Polarisation dem elektrischen Feld nicht instantan erfolgen die P0larisation ist zeitabhängig. Die Zeit , welche zur Ausrichtung von Ladungen und Dipolen erforderlich ist, nennt man Relaxationszeit. (Küchler S. 243) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 20 4. Dielektrische Eigenschaften P l i ti Polarisationsverluste l t Polarisation im Zeitbereich P setzt sich ii.d.R. d R aus mehreren Polarisationsmechanismen zusammen: P t Pi t Polarisationsverluste W W i Schrittantwort Bei einem Sprung von E(t) wird i.d.R. t Pi t 1 Pi Pi t i t angesetzt, wobei i : Zeitkonstante/Relaxationszeit ist g Pi t Pi 1 exp p t i Lösung: R1 Co Ersatzschaltbild Verhalten von Pi mit Ri und Ci mit i Ri Ci nachbildbar. Vorlesung Hochspannungstechnologie R2 … RDC C1 C2 … K Kapazitiv iti ot E FS09 t P DC J Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 21 4. Dielektrische Eigenschaften P l i ti Polarisationsverluste l t Polarisation im Frequenzbereich Komplexe Permittivität Die verzögerte Polarisation äussert sich im Frequenzbereich durch die o : Dielektrizitätskonstante komplexe Permittivität p relative Permittivität r o r j r o r : komplexe r‘ : Realteil von r r‘‘ : Imaginärteil von r Frequenzabhängigkeit E seii nur eine Es i P Polarisationsmechanismus l i ti h i vorhanden: h d P = Pi Dann ergibt die Lösung P t P 1 exp t im Frequenzbereich: r r rs r 1 j : Relaxationszeit rs : Realteil von r bei f << fRelaxation r : Realteil von r bei f >> fRelaxation Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 22 4. Dielektrische Eigenschaften P l i ti Polarisationsverluste l t Polarisation im Frequenzbereich Real- und Imaginärteil Real r r rs r 1 j ergibt Beispiel p Mit = 5 s, rs = 2.2, r = 1 r r rs r 2 1 , rs r r 2 1 25 2.5 2 r` rs r`` 1.5 r 1 m = 1/ 0.5 0 3 10 10 4 Vorlesung Hochspannungstechnologie 5 6 10 10 10 Kreisfrequenz FS09 7 10 8 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 23 4. Dielektrische Eigenschaften P l i ti Polarisationsverluste l t Polarisation im Frequenzbereich EErsatzschaltbild t h ltbild Die Kombination von Leitungsverluste und Polarisationsverluste können mit dem Ersatzschaltbild erfasst werden. R Die Kapazität ist nun also komplex o : Dielektrizitätskonstante r : komplexe relative Permittivität r‘ : Realteil von r r‘‘ : Imaginärteil von r C r Co 1 I j r j r Co U R 1 I also w Co U , I b Co U R Womit der Verlustfaktor tan tan L tan P C Iw 1 r I b rCo R r ergibt. Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 24 4. Dielektrische Eigenschaften P l i ti Polarisationsverluste l t Polarisation im Frequenzbereich Verlustfaktor V l tf kt durch d h Polarisationsverluste P l i ti l t Kombination von 2 tan P r r r rs r r 1 j 1 ergibt rs r tan P 2 0 rs r r` r`` m = 1/ Beispiel Mit = 5 s, rs = 2.2, r = 1 tan P 0.4 0.2 0 3 10 10 Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Bemerkung rs 81 , r n 2 1.33 1 332 1.8 18 W Wasser Mikrowelle bei f 2.5 GHz rs 1 r m 4 5 6 10 10 10 Kreisfrequenz 7 10 8 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 25 4. Dielektrische Eigenschaften P l i ti Polarisationsverluste l t Polarisation im Frequenzbereich Gesamter G t V Verlustfaktor l tf kt ist tan tan L tan P r`` 1 rs r 2 rs o rs r Beispiel Typische Werte für Mineralöl: = 5 s, s rs = 2.2, 2 2 r = 1 = 510-11 S/m Bemerkung: Feuchtigkeit erhöht tanL und tanP 0 10 10 tan r` 2 10 10 1 0 -1 -2 tan tanP -3 10 -1 0 L 1 2 3 4 5 6 7 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Frequenz f [Hz] Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 26 5. Arten von Isolierflüssigkeiten I li öl auff Mineralbasis: Isolieröle Mi lb i Mineralöle Mi löl Anwendung Mineralöle sind die am häufigsten verwendeten Isolieröle. Wegen dem grossen im Transformatorenbau verwendeten Vol men werden Volumen erden sie auch a ch Transformatorenöle genannt. Bestandteile: 40 - 60% Paraffine 30 - 50% Naphtene h 5 - 20% Aromate 1% Olefine Eigenschaften (Küchler S. 289) • Paraffine verhindern das Fliessen bei tiefen Temperaturen Verwendung bei tiefer Temperatur: Hohe Anteile an Naphtenen • Aromate führen bei Zutritt von O2 und Licht zu beschleunigter Alterung, haben dafür so genannte Gasfestigkeit (Bindung von Wasserstoff) Wenn Isolation hermetisch abgeschlossen (Kondensatoren, (Kondensatoren Durchführungen) werden hohe Aromatenanteile verwendet Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 27 5. Arten von Isolierflüssigkeiten I li öl auff Mineralbasis: Isolieröle Mi lb i Mineralöle Mi löl Eigenschaftswerte von Mineralölen (bei 20°C und einem Wassergehalt < 10 ppm) Durchschlagfeldstärke Ed eff = 200...350 kV/cm Dielektrizitätszahl r 2,2 bei 50 Hz Dichte = 0,9 g/cm3 dielektrischer Verlustfaktor tan ~ 10-3 bei 50 Hz Leitfähigkeit = 10-9 S/m (feucht); = 10-13 S/m (trocken) Verlustfaktor (bei 50 Hz) tan = 10-1 (feucht); tan = 10-3 (trocken) Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 28 5. Arten von Isolierflüssigkeiten S th ti h Isolierflüssigkeiten Synthetische I li flü i k it Stoffe • reine Kohlewasserstoffe: Polyisobuten, Verwendung bei Massekabeln • Askarele (polychlorierte Biphenyle, PCB) heute verboten !! • Silikonflüssigkeiten: Hoher Flammpunkt, aber teuer Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 29 6. Anwendung von Isolierflüssigkeiten Öl P i K b l Öl-Papier-Kabel Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 30 6. Anwendung von Isolierflüssigkeiten D Durchführungen hfüh Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 31 6. Anwendung von Isolierflüssigkeiten Öl B Öl-Board-Isolation d I l ti beim b i Leistungstransformator L i t t f t Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 32 Literatur Kapitel Küchler: N° Titel Kommentar 3.3.1 Entladungen in Flüssigkeiten wichtig 4 Di l kt i h S Dielektrische Systemeigenschaften t i h ft wichtig i hti 5.4 Isolierflüssigkeiten empfohlen Vorlesung Hochspannungstechnologie FS09