Der elektrische Durchschlag von Gasen

Der elektrische Durchschlag von Gasen
Gase als Isolierstoffe
Gase bilden eine wichtige Klasse
von Isolierstoffen in der Hochspannungstechnik
Luft
als „natürlicher Isolator“ in jeder Isolieranordnung vorhanden
• gewollt: Umgebungsmedium
• ungewollt: Einschlüsse, Blasen, Spalte
SF6
wichtigstes Isoliergas nach Luft
• Hochspannungsleistungsschalter (Isolier- und Löschmedium)
• gasisolierte Schaltanlagen (GIS)
• gasisolierte Leitungen (GIL)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
-1-
Der elektrische Durchschlag von Gasen
SF6 - Fakten
Beginn der großtechnischen Produktion: 1953
Von 1953 bis 1995 ca. 120.000 t produziert
davon 50.000 t für die Schalttechnik
davon 25.000 t in die Umwelt emittiert
heutige Leckraten von Schaltgeräten < 1%/a
Energietechnik: zzt. weniger als 10% der Gesamtemission
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
-2-
Der elektrische Durchschlag von Gasen
SF6 - Fakten
SF6
CO2
23.900-faches Treibhauspotential
GWP100 ggü. CO2
ca. 90.000 t befinden sich insgesamt
in der Atmosphäre (1995)
CO2-Emission allein
in 1995 betrug
23 Mrd. t
Lebenszeit dort beträgt 3200 Jahre
SF6 ist mit nur ca. 0,06% am globalen Treibhauseffekt beteiligt
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
-3-
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Gase als Isolierstoffe
Mischgase
hauptsächlich N2-SF6-Gemische
• offenbar ein Optimum bei 80% N2, 20% SF6
• dabei noch 70% der elektrischen Festigkeit von reinem SF6
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
-4-
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Gase als Isolierstoffe
Eigenschaften
- niedrige Durchschlagfeldstärken
+ niedrige Verluste
+ niedrige Leitfähigkeit
Luft (Normaldruck): Êd ≈ 30 kV/cm
+ frequenzunabhängiges εr = 1
Luft (1,6 MPa): Êd ≈ 200 kV/cm
+ hohe Verfügbarkeit
SF6: Êd,SF6 ≈ 3 x Êd,Luft
+ kostengünstig (Luft: kostenfrei)
+ in hoher Reinheit herstellbar
+ sehr homogen (keine Risse, Einschlüsse, .....)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
-5-
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Erscheinungsformen von Gasentladungen
g
I1
U1
Steigern einer angelegten Spannung an homogener Anordnung ......
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
-6-
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Erscheinungsformen von Gasentladungen
freie Ladungsträger immer vorhanden
durch Photoionisation
„Fremdionisation“
Generation
Rekombination
Vorstrom durch Abwanderung der
verbleibenden freien Ladungsträger
an die Elektroden
keine Erzeugung neuer Ladungsträger
ohmsches Verhalten
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
-7-
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Erscheinungsformen von Gasentladungen
Alle durch Fremdionisation
erzeugten freien Ladungsträger
wandern an die Elektroden ab
Immer noch keine Erzeugung
neuer Ladungsträger
Stromdichte nur von Fremdionisation
abgängig
In freier Luft:
JSättigung: ca. 10-18 A/cm2
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
-8-
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Erscheinungsformen von Gasentladungen
Alle durch Fremdionisation
erzeugten freien Ladungsträger
wandern an die Elektroden ab
Erzeugung neuer Ladungsträger
durch Stoßionisation und Sekundärprozesse
Entladung jedoch noch unselbständig,
weil weniger Ladungsträger neu
erzeugt werden als an die Elektroden
abwandern
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
-9-
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Erscheinungsformen von Gasentladungen
Erreichen der Zündspannung
Im Mittel erzeugt jedes an der Kathode
startende Elektron bis zu seinem
Abwandern an die Anode mindestens
ein neues Elektron
Selbständige Entladung
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 10 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Erscheinungsformen von Gasentladungen
nach Erreichen der Zündspannung ....
g
Stromkreis ohne Strombegrenzung:
• homogenes Feld
• niedriger Vorwiderstand
I1
U1
• Spannungszusammenbruch
• vollständiger Durchschlag
• Zündspannung Uz = Durchschlagspannung Ud
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 11 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Erscheinungsformen von Gasentladungen
I2
nach Erreichen der Zündspannung ....
U2
g
Stromkreis mit Strombegrenzung:
• inhomogenes Feld
• homogenes Feld mit hohem Vorwiderstand
I1
U1
• Vorentladungen bzw. Teilentladungen
• sichtbares Glimmen
• Zündspannung Uz = TE-Einsetzspannung Ue
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 12 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Gasentladungskennlinie
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
(doppelt-logarithmische Darstellung!)
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 13 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Bogenentladung
Bei Speisung aus einer Quelle, die für lange Zeit eine konstante Leistung
abgeben kann:
Lichtbogen
• fallende Strom-Spannungskennlinie
• thermisches Gleichgewicht zwischen
zugeführter elektrischer Leistung und
Wärmeabgabe durch Strahlung,
Konvektion, Wärmeleitung
• größere Kühlleistung --> höherer Spannungsbedarf
Lichtbögen entstehen bei Wechsel- und Gleichspannungsüberschlägen
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 14 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Bogenentladung
Bei Speisung aus einer Quelle mit begrenztem
Energieinhalt (Kondensatoren, elektrostatische
Entladungen):
Funken(entladung)
Funkenentladungen entstehen bei Stoßspannungsüberschlägen und Blitzen
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 15 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Gasentladungskennlinie
(lineare Darstellung!)
Arbeitspunkte
stabile Arbeitspunkte
instabiler Arbeitspunkt
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 16 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Gasentladungskennlinie
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Arbeitspunkte
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
(lineare Darstellung!)
- 17 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Bohr‘sches Atommodell
Ein Atom besteht aus einem positiv geladenen Atomkern
mit Protonen (positiv geladen) und Neutronen (neutral) sowie negativ
geladenen Elektronen, die auf Schalen in energetisch definierten
Abständen vom Kern kreisen.
Ordnungszahl: Anzahl der Protonen
Massenzahl: Anzahl der Protonen
und Neutronen
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 18 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Bohr‘sches Atommodell
Ein Elektron kann sich nur auf bestimmten, diskreten Kreisbahnen
aufhalten. Diese diskreten Kreisbahnen werden auch Energieniveaus
genannt. Die Bahnen sind konzentrisch um den Atomkern
angeordnet. Jede Bahn wird mit einem Buchstaben (K, L, M, ...)
bezeichnet.
Jede Schale kann nur mit einer Höchstzahl von 2·n2 Elektronen
besetzt werden (n = Schalennummer):
K=2
L=8
M = 18 (tatsächlich wird nach Belegung mit 8 Elektronen bereits
die N-Schale aufgefüllt)
N = 32
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 19 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Ordnungszahl
Name
Bohr‘sches Atommodell
Besetzung der Schalen
K ... N mit Elektronen
K
L
M
N
1
Wasserstoff (H)
1
2
Helium (He)
2
3
Lithium (Li)
2
1
4
Beryllium (Be)
2
2
5
Bor (B)
2
3
6
Kohlenstoff (C)
2
4
7
Stickstoff (N)
2
5
8
Sauerstoff (O)
2
6
9
Fluor (F)
2
7
10
Neon (Ne)
2
8
11
Natrium (Na)
2
8
1
12
Magnesium (Mg)
2
8
2
13
Aluminium (Al)
2
8
3
14
Silizium (Si)
2
8
4
15
Phosphor (P)
2
8
5
16
Schwefel (S)
2
8
6
17
Chlor (Cl)
2
8
7
18
Argon (Ar)
2
8
8
19
Kalium (K)
2
8
8
1
20
Calcium (Ca)
2
8
8
2
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 20 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Bohr‘sches Atommodell
Für jede Bahn, auf der das Elektron den Atomkern umkreist, hat das
Elektron eine bestimmte Energie. Auf der K-Schale, die dem Atomkern
am nächsten ist, kommt dem Elektron die geringste Energie zu. Um
das Elektron auf eine weiter außen liegende Bahn zu bringen, muss
ihm Energie zugeführt werden. Die Energie eines Elektrons darf keine
Werte annehmen, die es auf einen Ort zwischen den erlaubten
Bahnen bringen würde
Wenn sich das Elektron auf der innersten Bahn befindet und die
geringste Energie hat, so befindet sich das Atom im Grundzustand.
Durch die Zufuhr von Energie kann das Elektron auf eine größere
Bahn springen und einen höheren Energiezustand annehmen; dieser
wird angeregter Zustand genannt.
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 21 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Bohr‘sches Atommodell
Wenn das Elektron von einem angeregten Zustand auf eine weiter
innen liegende Bahn springt, wird ein definierter Energiebetrag
freigesetzt und in Form eines Lichtquants emittiert. Der Energiebetrag
entspricht der Differenz der Energien des höheren und des
niedrigeren Energiezustands.
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 22 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Bohr‘sches Atommodell
Wasserstoff (H)
1 Elektron in der K-Schale
Helium (He)
2 Elektronen in der K-Schale (--> voll besetzt)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 23 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Bohr‘sches Atommodell
Lithium (Li)
2 Elektronen in der K-Schale
1 Elektron in der L-Schale (--> angefangen)
Neon (Ne)
2 Elektronen in der K-Schale (rot)
8 Elektronen in der L-Schale (--> voll besetzt)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 24 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Bohr‘sches Atommodell
Natrium (Na)
2 Elektronen in der K-Schale
8 Elektronen in der L-Schale
1 Elektron in der M-Schale (--> angefangen)
Argon (Ar)
2 Elektronen in der K-Schale (rot)
8 Elektronen in der L-Schale
8 Elektronen in der M-Schale (--> voll besetzt)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 25 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Bohr‘sches Atommodell
Ladung qe eines Elektrons = Elementarladung e
qe = e = -1,6·10-19 As
Ruhemasse eines Elektrons
me = 9,11·10-28 g
Masse nimmt mit der Geschwindigkeit zu:
m=
Bei v → c (Lichtgeschwindigkeit): m → ∞
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
me
1 − (v/c)
- 26 -
2
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Bohr‘sches Atommodell
Ladung eines Protons entspricht der Ladung eines Elektrons, jedoch positiv
qp = e = 1,6·10-19 As
Ruhemasse eines Protons
mp = 1,673·10-24 g = 1836·me
Ruhemasse eines Neutrons
mn = 1,675·10-24 g ≈ mp = 1836·me
Protonen und Neutronen sind fast 2000 mal schwerer als Elektronen!
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 27 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Ionisierung
Ionisierung = Abspaltung eines Elektrons von einem Atom (Molekül)
durch äußere Energiezufuhr (Fremdionisation, Zusammenstöße)
Entstehung mindestens eines freien Elektrons und eines positiven Ions
(Atom- bzw. Molekülrest)
Ionisierungsenergie muss überschritten werden
Ionisierungsenergie höher für weiter innen liegende Schalen
Ionisierungsenergie gering, wenn Schale schwach besetzt
Ionisierungsenergie hoch, wenn Schale komplett (Edelgase)
oder fast komplett (Halogene) besetzt
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 28 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Anregung
Anregung = Anheben eines Elektrons auf eine weiter außen gelegene Schale
(auf ein höheres Energieniveau) durch äußere Energiezufuhr
Anregungsenergie muss überschritten werden
Angeregter Zustand sehr kurzlebig: ca. 10 ns (Ausnahmen bis zu 10 ms)
Danach fällt Elektron auf niedrigeres Energieniveau zurück unter
Aussendung eines Lichtquants
Durch mehrstufige Anregung ist Ionisierung möglich
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 29 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Ionisierung
Schalenbelegung, Ionisierungs- und Anregungsenergien der ersten 20 Elemente des Periodensystems
sowie von Wasserdampf und SF6
Ordnungszahl
Name
Besetzung der Schalen
K ... N mit Elektronen
K
L
M
N
1. Ionisie1. Anrerungsgungsenergie
energie (eV)
(eV)
Bemerkung
1
Wasserstoff (H)
1
13,6
10,2
2
Helium (He)
2
24,59
19
3
Lithium (Li)
2
1
5,39
4
Beryllium (Be)
2
2
9,32
5
Bor (B)
2
3
8,3
6
Kohlenstoff (C)
2
4
11,26
7
Stickstoff (N)
2
5
14,53
6,3 (für N2)
8
Sauerstoff (O)
2
6
13,62
7,9 (für O2) elektronegativ
9
Fluor (F)
2
7
17,42
10
Neon (Ne)
2
8
21,56
Edelgas
elektronegativ
16,6
Edelgas
11
Natrium (Na)
2
8
1
5,14
12
Magnesium (Mg)
2
8
2
7,65
13
Aluminium (Al)
2
8
3
5,99
14
Silizium (Si)
2
8
4
8,15
15
Phosphor (P)
2
8
5
10,49
16
Schwefel (S)
2
8
6
10,36
17
Chlor (Cl)
2
8
7
12,97
elektronegativ
18
Argon (Ar)
2
8
8
15,76
Edelgas
19
Kalium (K)
2
8
8
1
4,34
20
Calcium (Ca)
2
8
8
2
6,11
H2O (Dampf)
12,7
7,6
SF6
15,6
6,8
elektronegativ
1 eV = e · 1V = 1,6·10-19 Ws
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 30 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Anlagerung, Elektronegativität
Anlagerung = „Einfangen“ eines freien Elektrons, dadurch Bildung
eines negativen Ions
Elektronenaffinität = Maß für die Neigung zur Anlagerung
Gase mit hoher Elektronenaffinität werden als elektronegativ bezeichnet
Elektronenaffinität abhängig von Besetzung der äußeren Schale:
• sehr hoch, wenn Schale bis auf ein Elektron besetzt ist: H, F, Cl
• hoch, wenn Schale bis auf zwei Elektronen besetzt ist: O, S
• niedrig, wenn Schale bis auf drei Elektronen besetzt ist: N
In chemischen Bindungen geht die Elektronenaffinität zurück, jedoch
zählt z.B. SF6 immer noch als elektronegatives Gas
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 31 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Ionen
Die Ladung von Ionen entspricht der Ladung der abgegebenen oder
angelagerten Teilchen: Vielfaches der Elementarladung mit
entsprechendem Vorzeichen
Die Ruhemasse entspricht der des entsprechenden Atoms (Moleküls)
M ... Molekulargewicht
mp ... Ruhemasse eines Protons
mion = M · mp
mion = (1836 .... 106) · me
Beispiel SF6: M = 146
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
mion,SF6 = 146 · 1836 · me = 268 000 · me
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 32 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Freie Ladungsträger
Es sind praktisch immer freie Ladungsträger in einem Gasraum enthalten:
• freie Elektronen
• positive Ionen
• negative Ionen
Ursache: Fremdionisation
• Korpuskularstrahlung (α-Strahlung, β-Strahlung)
• kurzwellige elektromagnetische Strahlung
UV-Strahlung, γ-Strahlung, Höhenstrahlung
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 33 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Eigenschaften der Gase
Freie Ladungsträger
Ionenkonzentration in atmosphärischer, feldfreier Luft: 1000 Ionen/cm3
mittlere Lebensdauer: 18 s
Ladungsträgerkonzentration in atmosphärischer Luft
über dem Meeresspiegel
in 5.000 m Höhe
bei Regen und Nebel
bei Gewitter
Anzahl freier Elektronen
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
ca. 600 pos. Ionen/cm3
ca. 500 neg. Ionen/cm3
ca. 2350 pos. Ionen/cm3
ca. 2000 neg. Ionen/cm3
etwa Verdoppelung der obigen Werte
ca. 15 000 pos. Ionen/cm3
ca. 12 000 neg. Ionen/cm3
< 10 Elektronen/cm3 (geringe Anzahl wegen häufiger
Anlagerung an neutrale Moleküle)
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 34 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Erscheinungsformen von Gasentladungen
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 35 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Entladungen
Übersicht
Unselbständige Entladung
•
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
•
Mittlere freie Weglänge
•
Vorstromdichte
•
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
•
Ionisierungskoeffizient
Selbständige Entladungen
•
Rückwirkungskoeffizient
•
Generationenmechanismus (Townsend-Mechanismus)
•
Paschengesetz
•
Streamermechanismus (Kanalentladung)
•
Durchschlagentwicklung im stark inhomogenen Feld
•
Durchschlagsentwicklung bei Stoßspannung
•
Luftdichtekorrektur, Einfluss der Luftfeuchte
•
Durchschlagverhalten in SF6
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 36 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
Ohne Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes führen alle
Gasteilchen ungeordnete thermische Bewegungen aus.
Richtungsänderung durch Stöße mit anderen Gasteilchen
Keine Vorzugsrichtung
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 37 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
Anlegen eines elektrischen Feldes:
⇒ geladene Teilchen (Elektronen, Ionen) werden in bzw. gegen Feldrichtung
beschleunigt.
Kraftwirkung auf das Teilchen:
E
F
F=q·E
Zuwachs an kinetischer Energie:
x
x
0
0
E
F
ΔW = ∫ F ( x)dx = q ⋅ ∫ E( x)dx =q ⋅ ΔU
1 eV = e · 1V =
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
1,6·10-19
Ws
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
dx
ΔU
- 38 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
Zusammenstoß von Ladungsträgern mit Gasmolekülen:
Ion Æ Gasmolekül
• elastischer Stoß mit m1 ≈ m2
• Abbremsung
• starker Energieverlust
m2
m1
Elektron (W < Wi) Æ Gasmolekül
• elastischer Stoß mit m1 << m2
• kaum Energieverlust
• Richtungsänderung
Elektron (W >= Wi) Æ Gasmolekül
• unelastischer Stoß
• Ionisierung
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 39 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
Resultierende Driftgeschwindigkeit v
v=±b·E
b ... Beweglichkeit
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 40 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
Feldstärkeabhängigkeit der Beweglichkeit
Für Ionen und Großionen praktisch feldstärkeunabhängig:
bi = const. ≈ 1 ... 2 (cm/s)/(V/cm)
bg = const. ≈ 10-4 ... 10-1 (cm/s)/(V/cm)
bis zu Feldstärken von E/d ≈ 70 kV/cm
d ... Luftdichte
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 41 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
Feldstärkeabhängigkeit der Beweglichkeit
Für Elektronen stark feldstärkeabhängig:
be = const. ≈ 18 000 (cm/s)/(V/cm)
für E/d <≈ 3 ... 4 V/cm
be ≈ 500 (cm/s)/(V/cm)
für E/d = 30 kV/cm
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 42 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
Feldstärkeabhängigkeit der Beweglichkeit
Teilchenbeweglichkeit in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke
Links: Elektronenbeweglichkeit in Stickstoff (N2) bei 1 bar und 20 °C
Rechts: Beweglichkeit von Argonionen (Ar) bei 1 bar und 20 °C
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 43 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
Driftgeschwindigkeit bei Erreichen der Durchbruchfeldstärke (≈ 30 kV/cm)
v=±b·E
vi ≈ 1...2 (cm/s)/(V/cm) · 30 000 V/cm = 0,3 ... 0,6 mm/µs
ve ≈ 500 (cm/s)/(V/cm) · 30 000 V/cm = 150 mm/µs
Schlussfolgerungen:
Bei Erreichen der Durchbruchfeldstärke ist die Geschwindigkeit
von Elektronen mindestens 250 mal größer als die von Ionen.
Ionen und Großionen beeinflussen den Durchschlag bestenfalls durch
ihre Anwesenheit, nicht durch ihre Bewegung.
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 44 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
Bedeutung von 150 mm/µs .....
Genormte Blitzstoßspannung 1,2/50
T1 = 1,2 µs
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
T2 = 50 µs
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 45 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Mittlere freie Weglänge
Definition:
λm = dx/z
dx ... zurückgelegte Strecke
z ... Zahl der dabei erfolgten Zusammenstöße
Modellvorstellung:
Gas mit zwei Typen von Teilchen:
„A“ mit Radius rA
„B“ mit Radius rB
Teilchen A sehr viel schneller als B ⇒ A bewegt sich, B ruht
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 46 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Mittlere freie Weglänge
Teilchen A beschreibe folgende Bahn:
Zusammenstöße zwischen A und B nur innerhalb des Wirkungsquerschnitts
oder Stoßquerschnitts as möglich:
as = π · (rA + rB)2
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 47 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Mittlere freie Weglänge
as
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
dx
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 48 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Mittlere freie Weglänge
as
dx
Teilchen A stößt mit allen Teilchen B zusammen,
die sich in dem Volumen des Zylinders befinden.
Volumen: V = π · (rA + rB)2 · dx
Anzahl Teilchen B je Volumeneinheit (Teilchendichte): nB
Zahl der Zusammenstöße = Anzahl Teilchen B im Volumen
z = π · (rA + rB)2 · dx · nB
⇒ Mittlere freie Weglänge
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
λm =
dx
1
=
z π ⋅ (rA + rB ) 2 ⋅ nB
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 49 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Mittlere freie Weglänge
dx
1
λm =
=
z π ⋅ (rA + rB ) 2 ⋅ nB
= allgemeiner Fall
Annahme: Teilchen B seien Gasmoleküle
Schreibweise: nB = n, rB = r
Fallunterscheidung:
a) Teilchen A sind Elektronen, d.h. rA << r
λm,e
1
=
π ⋅ r2 ⋅ n
b) Teilchen A sind Ionen, d.h. rA ≈ r
λm,i =
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
1
4 ⋅π ⋅ r 2 ⋅ n
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 50 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Mittlere freie Weglänge
λm,e =
1
π ⋅ r2 ⋅ n
λm,i =
1
4 ⋅π ⋅ r 2 ⋅ n
Schlussfolgerung:
Ionen steht nur ein Viertel der mittleren freien Weglänge von Elektronen
zur Verfügung. Sie können daher im elektrischen Feld wesentlich weniger
kinetische Energie aufnehmen als Elektronen.
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 51 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Mittlere freie Weglänge
Zusammenhang zwischen Teilchendichte n, Gasdruck p und
absoluter Temperatur T (universelles Gasgesetz):
n=
p
k ⋅T
k ... Boltzmann-Konstante = 1,37·10-23 Ws/K
Damit:
λm,e =
1
k ⋅T
=
π ⋅r2 ⋅n π ⋅r2 ⋅ p
λm,i =
1
k ⋅T
=
4 ⋅π ⋅ r 2 ⋅ n 4 ⋅π ⋅ r 2 ⋅ p
Schlussfolgerung:
Die mittlere freie Weglänge nimmt mit der absoluten Temperatur zu
und mit dem Gasdruck ab.
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 52 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Mittlere freie Weglänge
Die mittlere freie Weglänge nimmt mit der absoluten Temperatur zu
und mit dem Gasdruck ab.
Je größer die mittlere freie Weglänge, desto niedriger die Durchschlagfeldstärke
Durchschlagspannung sinkt mit der Temperatur, steigt mit dem Druck
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 53 -
Messung hoher Spannungen mit Kugelfunkenstrecken
Luftdichtekorrektur
In Gasen Zunahme der Durchschlagspannung mit der Luftdichte!
Definition der Luftdichte:
δ=
b 273 + 20
b
⋅
= 0, 289 ⋅
1013 273 + ϑ
273 + ϑ
b ... Luftdruck in hPa
ϑ ... Temperatur in °C
Umrechnung erforderlich:
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
ûd = δ·ûd0
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
(für 0,9 ≤ δ ≤ 1,1)
- 54 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Mittlere freie Weglänge
Molekülradius von Luft: r = 0,187 nm
λm,e
k ⋅T
1,37 ⋅10−23 Ws/K ⋅ 293 K
=
=
2
π ⋅ r ⋅ p π ⋅ (0,187 ⋅10−9 ) 2 m 2 ⋅1, 013 bar
unter atm. Normalbedingungen
1 Ws = 1 Nm
1 bar = 105 N/m2
λm,e = 0,361 µm
Tatsächlicher, experimentell gefundener Wert: λm,e = 0,57 µm
Damit Zahl der Zusammenstöße z = 1/(0,57 µm) = 17 544 cm-1
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 55 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Vorstromdichte
• Gasstrecke mit Elektronendichte ne und Dichte positiver Ionen ni
• Anlegen eines homogenen elektrischen Feldes E
⇒ Ladungsträgerströmung mit Stromdichte
r
Zu
J = ni·vi·e - ne·ve·e = (ni·bi + ne·be)·e·E = κ·E
= Dichte des Vorstroms
Sättigungswert JSättigung: ca. 10-18 A/cm2
erreicht bei E = 0,6...1 kV/cm
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 56 -
eru
n
n
Eri
!
ng
vv == ±± bb ·· E
E
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
Elektronen akkumulieren kinetische Energie Wkin abhängig von
• elektrischer Feldstärke
• mittlerer freien Weglänge
(Ionen spielen keine Rolle)
Es kommt zur Ionisierung, wenn die Ionisierungsbedingung erfüllt ist:
Wkin >= Wi
⇒ Entstehung neuer Elektronen (selbständiger Vermehrungsprozess)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 57 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
E
v
n(x)
n(x)+dn
dx
Elektronen-Vermehrung:
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
dn = α·n(x)·dx
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 58 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
α = α(E)
Ionisierungskoeffizient der Elektronen
oder
Erster Townsendscher Ionisierungskoeffizient
= Maß für die von einem Elektron je Längeneinheit neu erzeugten Elektronen
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 59 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
dn = α·n(x)·dx
dn
= α ⋅ dx
n( x )
Integration von x = 0 mit n = N0 Teilchen
bis x = s mit n = N Teilchen
N
s
dn
N
=
ln
∫N n( x) N0 = ∫0 α dx
0
N0...Zahl der Startelektronen
s
∫ α dx
N = N0 ⋅ e 0
im homogenen Feld:
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
N = N 0 ⋅ eα s
Wachstumsgesetz
für
Elektronenlawine
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 60 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
schnelle Elektronen
langsame
Ionen
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 61 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
Δt = 10 ns
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 62 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
Es werden nicht nur Elektronen neu erzeugt, sondern auch wieder angelagert
η = η(E)
Anlagerungskoeffizient
= Maß für die je Längeneinheit angelagerten Elektronen
Elektronegative Gase Æ große Anlagerungskoeffizienten!
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 63 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
αeff = α - η
Effektiver Ionisierungskoeffizient
Damit die Wachstumsgesetze:
s
∫ αeff dx
N = N0 ⋅ e 0
N = N 0 ⋅ eαeff s
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
(homogenes Feld)
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 64 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
• Freie Weglänge weist statistischen Charakter auf
• Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass die tatsächliche freie
Weglänge größer ist als die mittlere Weglänge?
Der von einem Elektron im elektrischen Feld zur Aufnahme der
Ionisierungsenergie zurückzulegende Weg λi:
aus der allgemeinen Beziehung: ΔW = q·ΔU folgt
Wi = e·λi·E
λi =
Wi
e⋅E
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 65 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
Mittlere Anzahl Zusammenstöße eines Elektrons auf einem Wegstück dx mit
einem Molekül wird mit dF bezeichnet:
dF =
dx
λm
⇒ Wahrscheinliche Zahl von Zusammenstößen je Längeneinheit:
Z (S ) =
dF
1
=
dx λm
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 66 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
E
v
n(x)
n(x)-dn
n ... Zahl der Teilchen,
die noch keinen Stoß
erfahren haben
dx
Abnahme -dn der Teilchen aus der Gesamtmenge n(x), die nach
Durchlaufen der Strecke dx noch keinen Stoß erfahren haben:
dx
− dn = n( x) ⋅ dF = n( x) ⋅
λm
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 67 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
− dn = n( x) ⋅ dF = n( x) ⋅
dx
λm
dn
dx
=−
n( x )
λm
Integration von x = 0 mit n = N0 Teilchen
bis x = s mit n = N(s) Teilchen
N (s)
∫
N0
s
dn
N ( s)
dx
s
= ln
= −∫
=−
n( x )
N0
λ
λm
0 m
s
−
N (s)
= e λm
N0
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Clausius-Weglängen-Gesetz
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 68 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
s
−
N (s)
= e λm
N0
Clausius-Weglängen-Gesetz
Zahl der an der Stelle s noch
nicht zusammengestoßenen
Teilchen bezogen auf die
Gesamtmenge N0
⇒ Zahl der Elektronen, die die zur Aufnahme der Ionisierungsenergie benötigte
Strecke λi durchlaufen zu können, ohne vorher zusammenzustoßen:
λ
− i
N (λi )
= e λm = F (λi )
N0
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Ionisierungswahrscheinlichkeit
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 69 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
Der Ionisierungskoeffizient α ist die Ionisierungswahrscheinlichkeit,
multipliziert mit der wahrscheinlichen Zahl Zusammenstöße je Längeneinheit
λ
− i
N (λi )
F (λi ) =
= e λm
N0
Z (S ) =
Ionisierungswahrscheinlichkeit
dF
1
=
dx λm
α = Z ( S ) ⋅ F (λi ) =
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Wahrscheinliche Zahl Zusammenstöße je Längeneinheit
1
λm
⋅e
−
λi
λm
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 70 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
In realen Isolieranordnungen:
• Temperaturvariation ggü. T = 293 K ist gering
• Druckvariation ist sehr groß: von Vakuum bis > 1MPa
⇒ Darstellung von α abhängig vom Druck für eine gegebene Temperatur üblich
λi =
Wi
e⋅E
λm,e =
λi ~
k ⋅T
π ⋅ r2 ⋅ p
Damit:
α=
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
1
λm
1
λm
⋅e
−
λi
λm
1
E
→ λi = const. ⋅
~p →
= const. ⋅ p ⋅ e
−
1
λm
1
E
= const. ⋅ p
const .
⋅const .⋅ p
E
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 71 -
(für gegebene Temperatur)
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
α=
1
λm
⋅e
λ
− i
λm
α = A⋅ p ⋅e
−
B
A
const .
−
⋅const .⋅ p
E
= const. ⋅ p ⋅ e
B
(E p)
Bezogen auf den Druck:
α
p
= A⋅e
−
B
(E p)
⎛E⎞
= f⎜ ⎟
⎝ p⎠
Näherungsgleichung für den Ionisierungskoeffizienten
Die Konstanten A und B lassen sich aus Durchschlagversuchen ermitteln.
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 72 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
A
B
Gültigkeitsbereich E/p
(mm bar)-1
kV/(mm bar)
kV/(mm bar)
Luft
645
19
3 bis 14
Luft
1130
27,4
11 bis 45
H2
376
9,8
11 bis 30
N2
977
25,5
8 bis 45
He
210
2,6
2 bis 11
Gas
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 73 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
Für Lawinenbildung muss αeff > 0 sein.
Für Luft ist das bei
E/p >= 25 kV/(cm bar) der Fall,
für SF6 dagegen erst für
E/p >= 88,4 kV/(cm bar)
Grund für die zwei- bis dreimal
höhere elektrische Festigkeit
von SF6 gegenüber Luft!
Effektiver bezogener Ionisierungskoeffizient von Luft (1), Stickstoff N2 (2) und SF6 (3)
in Abhängigkeit von der bezogenen elektrischen Feldstärke
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 74 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
Nachbildung des effektiven
Ionisierungskoeffizienten von SF6
durch eine Geradengleichung
⎡⎛ E ⎞ ⎛ E ⎞ ⎤
= k ⋅ ⎢⎜ ⎟ − ⎜ ⎟ ⎥
p
⎣ ⎝ p ⎠ ⎝ p ⎠0 ⎦
α eff
mit
k = 27,7 kV-1
⎛E⎞
⎜ p ⎟ = 88,4 kV/(cm bar)
⎝ ⎠0
Bezogener Ionisierungskoeffizient (3), bezogener Anlagerungskoeffizient (1) und bezogener effektiver
Ionisierungskoeffizient (2) von SF6 in Abhängigkeit von der bezogenen elektrischen Feldstärke
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 75 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
Bereits berechnet:
Zahl der Zusammenstöße in Luft unter atm. Normalbedingungen: z = 17 544 cm-1
Frage:
Wie groß ist der Ionisierungskoeffizient, d.h. die Zahl der ionisierenden
Zusammenstöße je cm, für ein homogenes Plattenelektrodenfeld bei Erreichen
der Durchbruchfeldstärke von 30 kV/cm?
Konstante A: 645 (mm bar)-1
Konstante B: 19 kV/(mm bar)
−
α = pA e
(aus der Tabelle)
B
E p
= 1, 013 bar ⋅ 645 (mm bar)
−1
−
1,013 bar ⋅19 kV/(bar mm)
⋅e
3 kV/mm
= 10, 7 cm
−1
Von
Von 17
17 544
544 Zusammenstößen
Zusammenstößen je
je cm
cm sind
sind nur
nur knapp
knapp 11
11 ionisierend,
ionisierend, entspr.
entspr.
einem
einem Anteil
Anteil von
von 0,061%.
0,061%. Das
Das reicht
reicht bereits
bereits für
für einen
einen Durchschlag!
Durchschlag!
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 76 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
Frage:
Wieviele Elektronen treffen an der Anode ein, wenn die Lawine mit einem
einzigen Startelektron beginnt?
N = N0 ⋅ e
αx
= 1⋅ e
10,7 cm
−1
.1cm
= 44356
Obwohl
Obwohl jedes
jedes einzelne
einzelne durch
durch Ionisation
Ionisation entstandene
entstandene Elektron
Elektron nur
nur rund
rund
11
11 mal
mal je
je cm
cm ionisiert,
ionisiert, treffen
treffen an
an der
der Anode
Anode 44
44 356
356 Elektronen
Elektronen ein!
ein!
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 77 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Entladungen
Übersicht
Unselbständige Entladung
•
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
•
Mittlere freie Weglänge
•
Vorstromdichte
•
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
•
Ionisierungskoeffizient
Selbständige Entladungen
•
Rückwirkungskoeffizient
•
Generationenmechanismus (Townsend-Mechanismus)
•
Paschengesetz
•
Streamermechanismus (Kanalentladung)
•
Durchschlagentwicklung im stark inhomogenen Feld
•
Durchschlagsentwicklung bei Stoßspannung
•
Luftdichtekorrektur, Einfluss der Luftfeuchte
•
Durchschlagverhalten in SF6
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 78 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Rückwirkungskoeffizient
Bedeutung der positiven Ionen:
• kein Beitrag zur Ionisierung des Gases (Energie zu klein!)
jedoch......
Herausschlagen freier Elektronen aus Kathodenoberfläche
Die dazu aufzuwendende Energie ist die
Austrittsarbeit Wa
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 79 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Rückwirkungskoeffizient
Werkstoff
Austrittsarbeit Wa (eV)
Schalenbelegung, Ionisierungs- und Anregungsenergien der ersten 20 Elemente des Periodensystems
sowie von Wasserdampf und SF6
Besetzung der Schalen
K ... N mit Elektronen
1. Ionisie1. Anrerungsgungsenergie
energie (eV)
(eV)
Cs
0,7 ... 1,9
Ordnungszahl
Al
1,8 ... 4
1
Wasserstoff (H)
1
13,6
10,2
2
Helium (He)
2
24,59
19
3
Lithium (Li)
2
4
Beryllium (Be)
5
Bor (B)
6
7
8
Ag
3,0 ... 4,7
Mo
3,2 ... 4,2
Ni
3,7 ... 5
Cu
3,9 ... 4,8
Fe
Name
K
L
M
N
Edelgas
1
5,39
2
2
9,32
2
3
8,3
Kohlenstoff (C)
2
4
11,26
Stickstoff (N)
2
5
14,53
6,3 (für N2)
Sauerstoff (O)
2
6
13,62
7,9 (für O2) elektronegativ
9
Fluor (F)
2
7
17,42
10
Neon (Ne)
2
8
21,56
3,9 ... 4,8
11
Natrium (Na)
2
8
12
Magnesium (Mg)
2
8
2
7,65
Au
4,3 ... 4,9
13
Aluminium (Al)
2
8
3
5,99
14
Silizium (Si)
2
8
4
8,15
Cr
4,4
15
Phosphor (P)
2
8
5
10,49
16
Schwefel (S)
2
8
6
10,36
Wa ≈ ¼ Wi
Bemerkung
1
elektronegativ
16,6
Edelgas
5,14
17
Chlor (Cl)
2
8
7
12,97
elektronegativ
18
Argon (Ar)
2
8
8
15,76
Edelgas
19
Kalium (K)
2
8
8
1
4,34
20
Calcium (Ca)
2
8
8
2
6,11
H2O (Dampf)
12,7
7,6
SF6
15,6
6,8
elektronegativ
1 eV = e · 1V = 1,6·10-19 Ws
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 80 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Rückwirkungskoeffizient
W = Wa
E
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 81 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Rückwirkungskoeffizient
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 82 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Rückwirkungskoeffizient
W = 2*Wa
E
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 83 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Rückwirkungskoeffizient
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 84 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Rückwirkungskoeffizient
Auslösebedingung zur Erzeugung eines freien Ladungsträgers
durch ein auf die Metalloberfläche auftreffendes Ion:
2·Wa ≤ W = Wi + Wkin ≈ Wi
Ausbeute an freien Ladungsträgern:
Rückwirkungskoeffizient durch positive Ionen γI
bzw.
Zweiter Townsendscher Ionisierungskoeffizient
Zahl der durch positive Ionen ausgelöste n freien Elektronen
γI =
Zahl der auftreffen den positiven Ionen
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 85 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Rückwirkungskoeffizient
Herausschlagen freier Elektronen aus Kathodenoberfläche durch Photonen
Die dazu aufzuwendende Energie ist wiederum die
Austrittsarbeit Wa
"Photoeffekt"
bzw. "Photoemission"
Auslösebedingung zur Erzeugung eines freien Ladungsträgers
durch ein auf die Metalloberfläche auftreffendes Photon:
h·ν ≥ Wa
mit ν = c/λ
Frequenz des
Photons
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
h ... Planck‘sches Wirkungsquantum
= 6,625·10-34 Ws2 = 4,134·10-15 eVs
c ... Lichtgeschwindigkeit = 2,998·108 m/s
h⋅c
λ≤
Wa
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 86 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Rückwirkungskoeffizient
Frage:
Welche Wellenlänge ist zum Herausschlagen eines Elektrons aus einer
Cu-Elektrode erforderlich?
λ≤
h⋅c
Wa, Cu
=
4,135 ⋅ 10
−15
8
eVs ⋅ 2,998 ⋅ 10 m/s
4,8 eV
= 258 nm
Sichtbares Licht: λ = 380 nm ... 750 nm
UV-Licht: λ = 100 nm ... 380 nm
Bestrahlung
Bestrahlung von
von Messfunkenstrecken
Messfunkenstrecken mit
mit UV-Lampen!
UV-Lampen!
(Vorschrift
(Vorschrift IEC
IEC 60052/VDE
60052/VDE 0433
0433 Teil
Teil 2;
2; siehe
siehe auch
auch Abschnitt
Abschnitt 4.2.1)
4.2.1)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 87 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Rückwirkungskoeffizient
Zahl der Photonen etwa proportional der Zahl positiver Ionen
im Bereich der Durchbruchfeldstärke
Definition eines gemeinsamen Rückwirkungskoeffizienten γ möglich:
γ=
Zahl aus der Elektroden oberfläche ausgelöste r freier Elektronen
Zahl positiver Ionen
γ = f(E/p, Elektrodenmaterial, Oberflächenbeschaffenheit, Gasart)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 88 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Rückwirkungskoeffizient
Richtwerte:
Bei atmosphärischen Verhältnissen und Schlagweiten von einigen cm
(Weitdurchschlagsbereich):
Luft: γ ≈ 2·10-6
SF6: γ ≈ 2·10-7
Im Nahdurchschlagsbereich in Luft:
Aluminium: γ ≈ 0,035
Kupfer: γ ≈ 0,025
Eisen: γ ≈ 0,02
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 89 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Generationenmechanismus
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 90 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Generationenmechanismus
Zahl der erzeugten Ionen-
LawiZahl der
Zahl der Elektronen
nen-Nr. Startelektronen
in der Lawine
Elementarladungen
1
1
eαs
eαs − 1
2
γ(e αs − 1)
γ(e αs − 1) ⋅ e αs
γ(e αs − 1) ⋅ e αs − γ(e αs − 1) = γ(e αs − 1) 2
3
γ 2 (e αs − 1) 2
γ 2 (e αs − 1) 2 ⋅ e αs
γ 2 (e αs − 1) 2 ⋅ e αs − γ 2 (e αs − 1) 2 = γ 2 (e αs − 1) 3
4
γ 3 (e αs − 1) 3
γ 3 (e αs − 1) 3 ⋅ e αs
γ 3 (e αs − 1) 3 ⋅ e αs − γ 3 (e αs − 1) 3 = γ 3 (e αs − 1) 4
usw.
usw.
usw.
usw.
Ein Durchschlag kann nur erfolgen, wenn jede Folgelawine mindestens
ebenso groß oder größer ist als die vorherige, d.h.:
γ n+1(e αs − 1)n+1 ≥ γ n (e αs − 1)n
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
bzw.
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
γ(e αs − 1) ≥ 1
- 91 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Generationenmechanismus
γ(e αs − 1) ≥ 1
Umformung:
αs ≥ ln (1 + 1/γ) = k
Townsendsche Zündbedingung für das homogene Feld
s
∫ αdx ≥ k
0
Townsendsche Zündbedingung für das schwach inhomogene Feld
Ein Durchschlag kann nur dann erfolgen, wenn die Zahl der ionisierenden
Zusammenstöße einen kritischen Wert k erreicht hat.
k = 2,5 ... 18
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 92 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Generationenmechanismus
Je
Je nach
nach Elektrodenmaterial,
Elektrodenmaterial, Gasart,
Gasart, Feldstärke
Feldstärke und
und Druck
Druck sind
sind
33 bis
bis 18
18 ionisierende
ionisierende Zusammenstöße
Zusammenstöße entlang
entlang der
der Entladungsstrecke
Entladungsstrecke
erforderlich,
erforderlich, um
um einen
einen Durchschlag
Durchschlag einzuleiten.
einzuleiten.
Die
Die Durchschlagentwicklung
Durchschlagentwicklung nach
nach dem
dem Generationenmechanismus
Generationenmechanismus
ist
ist auf
auf kk == α·s
α·s <=
<= 18
18 beschränkt.
beschränkt. Für
Für kk == 18
18 halten
halten sich
sich im
im Lawinenkopf
Lawinenkopf
18 ≈
ee18
≈ 10
1088 Elektronen
Elektronen auf
auf Æ
Æ starke
starke Feldveränderung
Feldveränderung bewirkt
bewirkt anderen
anderen
Durchschlagmechanismus
Durchschlagmechanismus Æ
Æ "Streamer-Mechanismus"
"Streamer-Mechanismus" bzw.
bzw. "Kanalentladung"
"Kanalentladung"
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 93 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Generationenmechanismus
Benötigte Laufzeit für eine 1 bis 2 cm lange Gasstrecke:
ve ≈ 500 (cm/s)/(V/cm) · 30 000 V/cm = 150 mm/µs
vi ≈ 1...2 (cm/s)/(V/cm) · 30 000 V/cm = 0,3 ... 0,6 mm/µs
Elektronen: ca. 100 ns
Ionen: ca. 20 µs
Zu erwartender Stromverlauf:
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 94 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Generationenmechanismus
Tatsächlicher Stromverlauf:
Photoeffekt = ausschlaggebender Mechanismus
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 95 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
Bereits hergeleitet:
α
= A ⋅e
p
−
B
(E p)
⎛E⎞
= f ⎜⎜ ⎟⎟
⎝p⎠
αs ≥ ln (1 + 1/γ)
Ed = Ud/s
Näherungsgleichung für den Ionisierungskoeffizienten
Townsendsche Zündbedingung
Durchschlagfeldstärke - Durchschlagspannung
Einsetzen und Umformen ....
B ⋅p ⋅ s
B ⋅p ⋅ s
=
= f(p ⋅ s)
Ud =
A ⋅p ⋅ s
A ⋅p ⋅ s
ln
ln
k
⎛ 1⎞
ln⎜⎜1+ ⎟⎟
⎝ γ⎠
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Paschengesetz
Paschengesetz
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 96 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
§ Paschengesetz §
Ud ist nur vom Produkt p·s abhängig
(für eine gegebene Temperatur)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 97 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
Berechnung der Durchschlagspannung einer homogenen
Plattenelektrodenanordnung (Rogowski-Profil) bei:
s = 1 cm, p = 1013 mbar, ϑ = 20 °C.
Aus der Tabelle Folie 73: A = 645 (bar·mm)-1, B = 19 kV/(bar·mm).
Von Folie 89: γ = 2·10-6 (Weitdurchschlagsbereich)
B⋅p⋅s
Ud =
ln
A ⋅p ⋅s
⎛
ln⎜ 1 +
⎝
1⎞
⎟
γ⎠
=
19 kV/(bar ⋅ mm) ⋅ 1,013 bar ⋅ 10 mm
ln
645 (bar ⋅ mm)
⎛
−1
ln⎜⎜ 1 +
⎝
⋅ 1,013 bar ⋅ 10 mm
= 30,945 kV ≈ 31 kV
⎞
⎟⎟
−6
2 ⋅ 10 ⎠
1
Bei einer Halbierung der Schlagweite auf s = 0,5 cm und einer Verdoppelung
des Drucks auf p = 2026 mbar würde sich exakt die gleiche Höhe der
Durchschlagspannung ergeben!
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 98 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
Paschenkurve
Nahdurchschlagsbereich
Weitdurchschlags bereich
Paschenkurve von Luft bei 20 °C im homogenen Feld
1) experimentell ermittelte Kurve
2) für den Nahdurchschlagsbereich berechnet mit γ = 0,025 (s. Abschnitt 9.5.1)
3) für den Weitdurchschlagsbereich berechnet mit γ = 2·10-6 (k = 13) (s. Abschnitt 9.5.1)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 99 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
Paschenkurve
Nahdurchschlagsbereich
Weitdurchschlagsbereich
Paschenminimum durch Extremwertbestimmung: dUd/d(ps) = 0
(p·s)min = e·k/A
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Ud,min = B·(p·s)min
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 100 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
Paschenminimum
(p·s)min = e·k/A
Ud,min = B·(p·s)min
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Gas
Ud, min (V)
(p·s)min (bar·µm)
SF6
507
3,5
O2
450
9,3
CO2
420
6,8
Luft
330 … 350
7,3
N2
240 … 250
7,3
H2
230 ...270
14
Ne
129 ... 245
53,2
Ar
94 ... 265
He
155
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
53,2
- 101 -
Bei Normaldruck
(p = 1,013 bar):
s = 7,3 µm
Bei s = 1 cm:
p = 0,73 mbar
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
Paschenminimum
Bei einer Spannung unterhalb
des Paschenminimums ist ein
Durchschlag grundsätzlich
nicht möglich!
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 102 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
Paschenkurve Luft
p·s = 1 bar·cm
Ud = 31 kV
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 103 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
Paschenkurve SF6
p·s = 1 bar·cm
Ud ≈ 89 kV
p·s = 4 bar·cm
Ud ≈ 330 kV
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 104 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Vergleich Paschenminima Luft, SF6, Argon
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 105 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
Anstieg der Durchschlagspannung beiderseits des Paschenminimums
Weitdurchschlagsbereich
Nahdurchschlagsbereich
Weitdurchschlagsbereich
p ↑ ...... freie Weglänge ↓
s ↑ ...... Feldstärke ↓
Nahdurchschlagsbereich
Anzahl ionisierbarer Moleküle ↓
jedoch keine beliebige Steigerung möglich!
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 106 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Paschengesetz
Paschenkurve
Paschenkurve einer
einer Vakuumschaltröhre
Vakuumschaltröhre
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 107 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Näherungsgleichungen
Für Luft im homogenen Feld unter Normalbedingungen und Schlagweiten
von einigen Zentimetern
Ed ... Durchschlagfeldstärke in kV
C
s … Schlagweite in cm
E d ≈ C1 + 2
C1 = 24,36 kV/cm
s
C2 = 6,72 kV/cm½
Ud = Ed ⋅ s = C1 ⋅ s + C2 ⋅ s
(s ≈ 1 cm ... 10 cm)
Ud = 24,5 ⋅ s + 7 ⋅ s
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 108 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Näherungsgleichungen
Für SF6 im homogenen Feld bei Normaltemperatur und Schlagweiten
von einigen Zentimetern
Udd = [8,84 kV/(bar·mm)]·p·s + 0,5 kV
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 109 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Streamermechanismus
(nach Raether)
Generationenmechanismus nur solange, wie die Anzahl der Elektronen
der ersten Lawine unterhalb eines kritischen Werte verbleibt:
18 ≈ 1088
Nkrkr ≈ e18
Raumladungsfeld ERl
überlagert sich dem
Grundfeld EGr
resultierende Feldstärkeerhöhungen!
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 110 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Streamermechanismus
E
Nel >= Nkr
• Photonenstrahlung, Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit
• Auslösung neuer Lawinen vor, hinter und neben der "Ur"-Lawine
• Zusammenwachsen von Lawinen --> Streamer (kalte Entladung)
• Ausbreitungsgeschwindigkeit 10 cm/µs ... 100 cm/µs
• mehrere parallele Streamer möglich
• schließlich Überbrückung der Strecke durch einen Streamer -->
Plasmakanal, Durchschlag
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 111 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Streamermechanismus
Ein vollständiger Durchschlag kann sich
aus einer einzigen Lawine entwickeln
Zündbedingung für den Streamerdurchschlag:
α ⋅ x kr ≥ 18
Zündbedingung für das homogene Feld
x kr
∫ αdx ≥ 18
Zündbedingung für das schwach inhomogene Feld
0
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 112 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Streamermechanismus
Die Driftgeschwindigkeit von Elektronen im Bereich der
Durchschlagfeldstärke (ca. 30 kV/cm) wurde zu 150 mm/µs
hergeleitet. Mit einem angenommenen Ionisierungskoeffizienten
α = 10,7 cm-1 (s. Zahlenbeispiel von Folie 76) hat die Lawine die
kritische Verstärkung e18 nach der Zeit tkr erreicht:
t kr =
x kr
ve
=
α ⋅ x kr
α ⋅ ve
=
18
−1
10,7 cm ⋅ 15 cm/μs
= 0,11 μs
Die bis dahin durchlaufene Strecke xkr beträgt
x kr =
18
α
=
18
10,7 cm
−1
= 1,68 cm
Schlussfolgerungen ...
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 113 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Streamermechanismus
Schlussfolgerungen ...
Durchschläge
Durchschläge können
können auch
auch bei
bei Schlagweiten
Schlagweiten weit
weit oberhalb
oberhalb
von
von einem
einem bis
bis zwei
zwei Zentimetern
Zentimetern in
in Zeiten
Zeiten von
von wenig
wenig mehr
mehr als
als 100
100 ns
ns erfolgen.
erfolgen.
In
In Luft
Luft bei
bei Normaldruck
Normaldruck und
und Normaltemperatur
Normaltemperatur erfolgt
erfolgt der
der Durchschlag
Durchschlag
nur
nur bei
bei Schlagweiten
Schlagweiten bis
bis etwa
etwa 11 cm
cm nach
nach dem
dem Generationenmechanismus.
Generationenmechanismus.
Bei
Bei Schlagweiten
Schlagweiten von
von mehreren
mehreren Zentimetern
Zentimetern ist
ist immer
immer der
der
Streamermechanismus
Streamermechanismus wirksam.
wirksam.
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 114 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Entladungen
Übersicht
Unselbständige Entladung
•
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
•
Mittlere freie Weglänge
•
Vorstromdichte
•
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
•
Ionisierungskoeffizient
Selbständige Entladungen
•
Rückwirkungskoeffizient
•
Generationenmechanismus (Townsend-Mechanismus)
•
Paschengesetz
•
Streamermechanismus (Kanalentladung)
•
Durchschlagentwicklung im stark inhomogenen Feld
•
Durchschlagsentwicklung bei Stoßspannung
•
Luftdichtekorrektur, Einfluss der Luftfeuchte
•
Durchschlagverhalten in SF6
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 115 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Besonderheiten des schwach inhomogenen Feldes
Zündbedingung für den Generationendurchschlag (Townsend):
αs ≥ ln (1 + 1/γ) = k
Homogenes Feld
k = 2,5 ... 18
s
∫ αdx ≥ k
Schwach inhomogenes Feld
0
Zündbedingung für den Streamerdurchschlag:
α ⋅ x kr ≥ 18
Homogenes Feld
x kr
∫ αdx ≥ 18
Schwach inhomogenes Feld
0
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 116 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Besonderheiten des schwach inhomogenen Feldes
Definition der Feld-Homogenität über den Ausnutzungsfaktor nach Schwaiger:
η = E0/Emax
Homogenes Feld: η = 1 ... 0,8
Schwach inhomogenes Feld: η = 0,8 ... 0,2
Stark inhomogenes Feld: η = < 0,2
η wird daher auch Homogenitätsgrad genannt.
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 117 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Besonderheiten des schwach inhomogenen Feldes
Schwach inhomogenes Feld: Ua = Ud
Erfüllen der Zündbedingung ⇒ vollständiger Durchschlag
U
im schwach
schwach inhomogenen
inhomogenen Feld
Feld
Udd im
grundsätzlich
grundsätzlich niedriger
niedriger
als
als im
im homogenen
homogenen Feld
Feld
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 118 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Besonderheiten des schwach inhomogenen Feldes
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 119 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Besonderheiten des schwach inhomogenen Feldes
Schwach inhomogenes Feld
Homogenes Feld
s
U i = ∫ E i dx
=
Uh = Eh·s
∫ αdx
>
α·s
Ud,i
<
Ud,h
0
s
0
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 120 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Besonderheiten des schwach inhomogenen Feldes
Aus dem gleichen Grund: Ud, symmetrisch > Ud, unsymmetrisch
U
U
s
s
E
E
x
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
x
- 121 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Besonderheiten des schwach inhomogenen Feldes
Schwach inhomogenes
symmetrisches Feld
Schwach inhomogenes
unsymmetrisches Feld
s
s
U s = ∫ E s dx
=
0
0
s
s
∫ αdx
<
Ud,s
>
0
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
U u = ∫ E u dx
∫ αdx
0
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
Ud,u
- 122 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
U
d
=
24
,5
·
s+
7·
√s
Besonderheiten des schwach inhomogenen Feldes
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 123 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Besonderheiten des schwach inhomogenen Feldes
s+r
p=
r
q=
R
r
U
d
=
24
,5
·
s+
7·
√s
D = 100 cm, s = 10 cm
p = 1,2; q = 1; η = 0,93
D = 25 cm, s = 10 cm
p = 1,8; q = 1; η = 0,77
D = 25 cm, s = 10 cm
p = 1,8; q = ∞; η = 0,62
D = 10 cm, s = 10 cm
p = 3; q = 1; η = 0,56
D = 10 cm, s = 10 cm
p = 3; q = ∞; η = 0,375
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 124 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Besonderheiten des schwach inhomogenen Feldes
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 125 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Durchschlagsentwicklung im stark inhomogenen Feld
ηη<<0,2
0,2
Erfüllung
Erfüllungder
derZündbedingung
Zündbedingungführt
führtnicht
nichtgleich
gleichzum
zumvollständigen
vollständigenDurchschlag
Durchschlag
Ausbildung
Ausbildungvon
vonRaumladungen,
Raumladungen,die
diedas
dasGrundfeld
Grundfeldüberlagern
überlagern
Vorentladungen,
Vorentladungen,Teilentladungen,
Teilentladungen,Koronaentladungen
Koronaentladungen
bei
bzw.Einsetzspannung
EinsetzspannungUUe
beiErreichen
Erreichenvon
vonAnfangsspannung
AnfangsspannungUUa bzw.
a
e
Teildurchschläge,
Teildurchschläge,stabilisiert
stabilisiertdurch
durchBereich
Bereichniedriger
niedrigerFeldstärke
Feldstärke
(wirkt
(wirktwie
wieresistiv-kapazitive
resistiv-kapazitiveImpedanz)
Impedanz)
Durchschlag
Durchschlagbei
beiErreichen
Erreichenvon
vonUUdd>>oder
oder>>
>>UUee
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 126 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Durchschlagsentwicklung im stark inhomogenen Feld
Starke
Starke Polaritätsabhängigkeit
Polaritätsabhängigkeit
für
und U
Udd
für U
Uee und
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 127 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld, positive Spitze
Startelektronen müssen im Bereich
α > 0 entstehen.
Primärlawine wächst in Gebiet zunehmender
Feldstärke hinein.
Durch Photoionisation nach anfänglichen
Einzelentladungen (streamer): Glimmen/glow
Elektronen wandern nach Anode ab, positive Ionen
bilden positive Raumladungswolke
Feldabsenkung an der Spitze, Feldanhebung im
Raum, Verschiebung der α > 0-Grenze
nach rechts
Weit in den Raum hineinreichende
Büschelentladungen/streamer
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 128 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld, positive Spitze
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 129 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld, negative Spitze
Startelektronen müssen unmittelbar vor der Spitze
entstehen, um noch Lawinen bilden zu können.
Zündverzug durch statistische Streuzeit
Primärlawine wächst in Gebiet abnehmender
Feldstärke hinein. Einzelne Koronaimpulse.
Elektronen wandern nach Anode ab, positive Ionen
bilden positive Raumladungswolke
Anlagerung von Elektronen im feldschwachen Gebiet:
negative Ionen, negative Raumladungswolke
Feldanhebung an der Spitze, Feldabsenkung im
Raum, Verschiebung der α > 0-Grenze
nach links
Trichelimpulse, erneutes Zünden jeweils nach
Abwanderung der negativen Raumladungswolke
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 130 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld, negative Spitze
Steigerung der Frequenz
mit der Spannung
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 131 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Vorentladungen (Korona)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 132 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld, negative Spitze
• Durchschlagspannung ist bei positiver Spitze grundsätzlich niedriger
als bei negativer Spitze
UUd,d,positiv
<
U
<
Ud,d,negativ
positiv
negativ
Eselsbrücke: "positiv ist negativ"
• Bei Wechselspannung erfolgt der Durchschlag an einer stark inhomogenen,
unsymmetrischen Anordnung stets in der positiven Halbwelle
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 133 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld
Ionenschirm
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 134 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Durchschlagsentwicklung aus Vorentladungen
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 135 -
ca. 1 m
mehrere m
> 20 cm
< 20 cm
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld
Leaderdurchschlag
• Leader
• Thermionisation
• negativer Widerstand
• Leaderkorona (Streamer)
Voraussetzungen:
• Schlagweite > 1 m
• ausreichend lange Beanspruchungszeit
• genügend große Spannungsänderungsgeschwindigkeit
Erfüllt für positive Schaltstoßspannung und Wechselspannung (positive HW)
Nicht erfüllt für Gleichspannung und Blitzstoßspannung
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 136 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Leaderdurchschlag bei pos. Schaltstoßspannung
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 137 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld
Leaderdurchschlag bei pos. Schaltstoßspannung
Für Isolation einer Wechselspannung von û = 1000 kV:
s=2m
Für Isolation einer Wechselspannung von û = 2000 kV:
s=8m
Übertragungsspannungen
Übertragungsspannungenvon
vonUUmm>>1200
1200kV
kV
wegen
wegendes
desIsolationsaufwandes
Isolationsaufwandesunwirtschaftlich!
unwirtschaftlich!
Festigkeit
Festigkeitgegenüber
gegenüberpositiver
positiverSchaltstoßspannung
Schaltstoßspannungbei
bei
Höchstspannungs-Betriebsmitteln
Höchstspannungs-Betriebsmittelnbemessend!
bemessend!
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 138 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld
Anfangs- und Durchschlagspannungen
≈≈88kV/cm
kV/cm
≈≈4,5
4,5kV/cm
kV/cm
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
••Gleichspannung
Gleichspannung
••Kugel-Ø
Kugel-Ø10
10cm
cm
••Luft
Luft
••δδ==11
- 139 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld
Anfangs- und Durchschlagspannungen
≈≈4,5
4,5kV/cm
kV/cm
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
••Wechselspannung
Wechselspannung
••Kugel-Ø
Kugel-Ø10
10cm
cm
••Luft
Luft
••δδ==11
- 140 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld
Anfangs- und Durchschlagspannungen
••Wechselspannung
Wechselspannung
••Luft
Luft
••δδ==11
≈≈4...5
4...5kV/cm
kV/cm
Einsetzspannung
Einsetzspannunginin
technischen
technischenAnordnungen
Anordnungen
nur
durch
Vergrößerung
nur durch Vergrößerung
der
derRadien
Radienzu
zuerhöhen,
erhöhen,
Durchschlagspannung
Durchschlagspannung
dagegen
dagegendurch
durchErhöhung
Erhöhung
der
Schlagweite!
der Schlagweite!
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 141 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld
Anfangs- und Durchschlagspannungen
≈≈0,8
0,8kV/cm
kV/cm
••Wechsel-,
Wechsel-,SchaltSchalt-und
undBlitzstoßspannung
Blitzstoßspannung
••Luft
Luft
••δδ==11
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 142 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Anfangs- und Durchschlagspannungen
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 143 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Stark inhomogenes Feld
Anfangs- und Durchschlagspannungen
••Wechselspannung
Wechselspannung
••Kugel-Ø
Kugel-Ø14
14cm
cm
••Luft
Luft
••ϑϑ==20
20°C
°C
Oberhalb
Oberhalbeines
einesbestimmten
bestimmtenDrucks
Drucks
entwickelt
sich
der
Durchschlag
unmittelbar
entwickelt sich der Durchschlag unmittelbar
bei
beiErreichen
Erreichender
derAnfangsspannung
Anfangsspannung
ohne
vorherige
Vorentladungen!
ohne vorherige Vorentladungen!
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 144 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Entladungen
Übersicht
Unselbständige Entladung
•
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
•
Mittlere freie Weglänge
•
Vorstromdichte
•
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
•
Ionisierungskoeffizient
Selbständige Entladungen
•
Rückwirkungskoeffizient
•
Generationenmechanismus (Townsend-Mechanismus)
•
Paschengesetz
•
Streamermechanismus (Kanalentladung)
•
Durchschlagentwicklung im stark inhomogenen Feld
•
Durchschlagsentwicklung bei Stoßspannung
•
Luftdichtekorrektur, Einfluss der Luftfeuchte
•
Durchschlagverhalten in SF6
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 145 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
UU0 ......statische
statischeAnfangsspannung
Anfangsspannung
0
Umax
t0t ...
...Zeit
Zeitbis
biszum
zumErreichen
Erreichenvon
vonUU0
0
Startelektron steht
zur Verfügung
u
0
tSt ...
...statistische
statistischeStreuzeit
Streuzeit
S
U0
tAt ...
...Aufbauzeit
Aufbauzeit
A
+
tFt ...
...Funkenaufbauzeit
Funkenaufbauzeit
F
t0
tS
tA
tF
t
Entladeverzugszeit
EntladeverzugszeittVtV
Durchschlagzeit
DurchschlagzeittDtD==t0t0++tStS++tAtA++tFtF==t0t0++tVtV++tFtF
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 146 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
tSt ...
...statistische
statistischeStreuzeit
Streuzeit
S
Umax
- nimmt mit zunehmendem Volumen ab
Startelektron steht
zur Verfügung
u
- in Luft bei d = 1 mm: einige 10 ns
U0
- durch UV-Bestrahlung: ts Æ 0
-Verringerung auch durch Oberflächenrauhigkeit
t0
tS
tA
tF
t
- in elektronegativen Gasen ist tS größer als in Luft
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 147 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
tAt ...
...Aufbauzeit
Aufbauzeit
A
Umax
Generationenmechanismus beschränkt
auf kleine (p·s)-Werte und u ≈ U0
Startelektron steht
zur Verfügung
u
Æ Streamermechanismus wirksam
U0
Wachstumsgeschwindigkeit
v(t) ~ (u(t) - U0)
t0
tS
tA
tF
s=
t
t0 + tS t A
t0 + t S + t A
∫
v(t )dt
~
t0 + t S
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
∫ {u (t ) − U } dt = A ⋅ s = const.
0
t0 + tS
- 148 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
tAt ...
...Aufbauzeit
Aufbauzeit
A
Umax
u
Generationenmechanismus beschränkt
auf kleine (p·s)-Werte und u ≈ U0
A·s
(Spannungs-Zeit-Fläche)
Æ Streamermechanismus wirksam
U0
Wachstumsgeschwindigkeit
v(t) ~ (u(t) - U0)
t0
tS
tA
tF
s=
t
t0 + tS t A
t0 + t S + t A
∫
v(t )dt
~
t0 + t S
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
∫ {u (t ) − U } dt = A ⋅ s = const.
0
t0 + tS
- 149 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
tAt ...
...Aufbauzeit
Aufbauzeit
A
Umax
u
Für inhomogene, luftisolierte SpitzePlatte-Anordnungen:
A·s
(Spannungs-Zeit-Fläche)
A = 400 kV·μs/m (negative Spitze)
A = 650 kV·μs/m (positive Spitze)
U0
(Richtwerte)
t0
tS
tA
tF
t
Spannungs-Zeit-Flächen-Gesetz
Spannungs-Zeit-Flächen-Gesetz(Kind,
(Kind,1957)
1957)
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 150 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
Spannungs-Zeit-Flächengesetz
Spannungs-Zeit-Flächengesetz
Aufbauzeitkennlinie
Streuzeitkennlinie
Mittelwertkennlinie
A·s
D
A·s
D
A·s
D
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Streubereiche der Durchschlagzeiten
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 151 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
Stoßkennlinie
Stoßkennlinie
Problem:
Problem:Funkenstrecke
Funkenstreckesoll
sollBetriebsmittel
Betriebsmittelschützen
schützen
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 152 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
Stoßkennlinie
Stoßkennlinie
Problem:
Problem:Funkenstrecke
Funkenstreckesoll
sollBetriebsmittel
Betriebsmittelschützen
schützen
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 153 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
Stoßkennlinie
Stoßkennlinie
Problem:
Problem:Funkenstrecke
Funkenstreckesoll
sollBetriebsmittel
Betriebsmittelschützen
schützen
!
t
h
c
e
l
h
c
S
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 154 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Isolationskoordination
Isolationskoordination
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 155 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
Stoßkennlinie
Stoßkennlinie
Minimum
Minimumbei
beiStirnzeit
Stirnzeit
knapp
unterhalb
knapp unterhalb11ms
ms
Schematische Darstellung von Stoßkennlinien in Luft bei
kleinen Schlagweiten (1) mit Streamerdurchschlag und großen
Schlagweiten (2) mit Leaderdurchschlag
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 156 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Zünd- und Entladeverzug
Stoßkennlinie
Stoßkennlinie
4
MV
Tcr = 250 µs
1
3
2
Tcr = 850 µs
3
Tcr = 750 µs
Tcr = 650 µs
2
Ud
50%-Durchschlagspannung einer Stab-PlatteFunkenstrecke in Luft unter atmosphärischen
Normalbedingungen bei positiver Blitz- und
Schaltstoßspannung
1) Blitzstoßspannung 1,2/50
2) Schaltstoßspannung 250/2500
3) Kurve minimaler Festigkeit
Tcr = 450 µs
+
Tcr = 250 µs
1
s
0
0
10
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
s
20
m
30
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 157 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Entladungen
Übersicht
Unselbständige Entladung
•
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
•
Mittlere freie Weglänge
•
Vorstromdichte
•
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
•
Ionisierungskoeffizient
Selbständige Entladungen
•
Rückwirkungskoeffizient
•
Generationenmechanismus (Townsend-Mechanismus)
•
Paschengesetz
•
Streamermechanismus (Kanalentladung)
•
Durchschlagentwicklung im stark inhomogenen Feld
•
Durchschlagsentwicklung bei Stoßspannung
•
Luftdichtekorrektur, Einfluss der Luftfeuchte
•
Durchschlagverhalten in SF6
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 158 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Luftdichtekorrektur
Zusammenhang zwischen Teilchendichte n, Gasdruck p und
absoluter Temperatur T (universelles Gasgesetz):
p
n=
k ⋅T
k ... Boltzmann-Konstante = 1,37·10-23 Ws/K
Æ Allgemeine Gasdichte
ρ~
p
T
(p in bar bzw. Pa; T in K)
Relative Gasdichte durch Bezug auf Normalwerte
ρ
p T0
p 273 + 20
p
δ=
=
⋅ =
⋅
= 0,289 ⋅
273 + ϑ
ρ 0 p0 T 1013 273 + ϑ
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
(p in mbar bzw. hPa
ϑ in °C)
- 159 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Luftdichtekorrektur
Bei
• nicht allzu großen Abweichungen von Normaldruck und Normaltemperatur
• homogenem oder schwach inhomogenen Feld
Ud
p ⋅ T0
≈
=δ
U d 0 p0 ⋅ T
im Bereich 0,9 ≤ δ ≤ 1,1
Daher Luftdichtekorrektur erforderlich! Nach IEC 60060-1:
Ud 0
U
= d
kd
m=n=1 Æ
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
m
mit
kd = δ
⎛ p ⎞ ⎛ T0 ⎞
kd = ⎜ ⎟ ⋅ ⎜ ⎟
⎝ p0 ⎠ ⎝ T ⎠
n
im homogenen und schwach inhomogenen Feld bei allen Spannungsarten
im stark inhomogenen Feld bei Gleich- und Blitzstoßspannung
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 160 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Luftdichtekorrektur
Bei Wechsel- und Schaltstoßspannungen und s > 1 m (Leadermechanismus!)
m
m==nn<<11
3
7
9
Abhängigkeit der Luftdichtekorrektur-Exponenten m und n von der Schlagweite für
Wechselspannung und positive Schaltstoßspannung
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 161 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Luftfeuchteeinfluss
Im
Imhomogenen
homogenenund
undschwach
schwachinhomogenen
inhomogenenFeld:
Feld:
Einfluss
Einflussder
derLuftfeuchte
Luftfeuchteauf
aufdie
dieDurchschlagsentwicklung
Durchschlagsentwicklungvernachlässigbar!
vernachlässigbar!
Im
Imstark
starkinhomogenen
inhomogenenFeld
Feldbei
beipos.
pos.Gleichspannung
Gleichspannungund
undbei
beiWechselspannung
Wechselspannung
(Streamermechanismus):
(Streamermechanismus):
Durchschlagspannung
Durchschlagspannungnimmt
nimmtmit
mitder
derabsoluten
absolutenFeuchte
Feuchtezu!
zu!
Relative Gasfeuchte:
ϕ=
f
⋅ 100%
fs
ϕ=
pw
⋅ 100% (pw ... Wasserdampfpartialdruck; ps .. Sättigungsdampfdruck)
ps
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
(f ... absolute Gasfeuchte; fs ... Sättigungsfeuchte
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 162 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Luftfeuchteeinfluss
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 163 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Luftfeuchteeinfluss
Sättigungsfeuchte bei 20 °C: fs = 17,3 g/m3
Normzustand der Luftfeuchte in der Hochspannungstechnik: f = 11 g/m3
(bei 20 °C und 1013 mbar)
Entspricht einer relativen Luftfeuchte von φ = (11/17,3)·100 = 63,5 %
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 164 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Luftfeuchteeinfluss
Korrekturfaktoren
Korrekturfaktorenfür
für
Luftfeuchte
LuftfeuchteininIEC
IEC60060-1
60060-1
Durchschlagspannung für positive Gleichspannung einer Stab-Platte-Anordnung
als Funktion der Schlagweite s; Parameter: absolute Luftfeuchte
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 165 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Entladungen
Übersicht
Unselbständige Entladung
•
Beweglichkeit, Driftgeschwindigkeit
•
Mittlere freie Weglänge
•
Vorstromdichte
•
Stoßionisation durch Elektronen, Lawinenbildung
•
Ionisierungskoeffizient
Selbständige Entladungen
•
Rückwirkungskoeffizient
•
Generationenmechanismus (Townsend-Mechanismus)
•
Paschengesetz
•
Streamermechanismus (Kanalentladung)
•
Durchschlagentwicklung im stark inhomogenen Feld
•
Durchschlagsentwicklung bei Stoßspannung
•
Luftdichtekorrektur, Einfluss der Luftfeuchte
•
Durchschlagverhalten in SF6
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 166 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Durchschlagverhalten in SF6
••etwa
etwa33mal
malhöhere
höhereFestigkeit
Festigkeitals
alsLuft
Luftbei
beiNormaldruck
Normaldruck
••bei
bei22bar
bar bis
bis33bar
barÜberdruck
ÜberdruckFestigkeit
Festigkeitwie
wieIsolieröl
Isolieröl
••GIS
GISwerden
werdenbei
beiÜberdrücken
Überdrückenvon
von33bar
barbis
bis66bar
barbetrieben
betrieben
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 167 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Ionisierungskoeffizient
Für Lawinenbildung muss αeff > 0 sein.
Für Luft ist das bei
E/p >= 25 kV/(cm bar) der Fall,
für SF6 dagegen erst für
E/p >= 88,4 kV/(cm bar)
Grund für die zwei- bis dreimal
höhere elektrische Festigkeit
von SF6 gegenüber Luft!
Effektiver bezogener Ionisierungskoeffizient von Luft (1), Stickstoff N2 (2) und SF6 (3)
in Abhängigkeit von der bezogenen elektrischen Feldstärke
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 168 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Durchschlagverhalten in SF6
SF6-Dampfdruckkurve
Bedeutung des kritischen Drucks und der kritischen Temperatur: oberhalb dieser Werte tritt SF6 nur noch
gasförmig auf
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 169 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Durchschlagverhalten in SF6
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 170 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Durchschlagverhalten in SF6
SF
SF66-Luft-Gemisch
-Luft-Gemisch
Planung:
Planung:
GIL
GILwerden
werdenmit
mit20%
20%SF
SF66
und
und80%
80%NN2 betrieben
betrieben
2
100
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
0 Vol.% air
- 171 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Durchschlagverhalten in SF6
Durchschlagwechselspannung einer Homogenfeld-Funkenstrecke in SF6
in Abhängigkeit vom Produkt (p·s) mit Vergleichskurven für Luft
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 172 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Durchschlagverhalten in SF6
Anfangs- und Durchschlagspannung einer Spitze-Platten-Funkenstrecke (Spitzenöffnungswinkel 30°)
in SF6 bei 1 bar Druck in Abhängigkeit von der Schlagweite s mit Vergleichskurven für Luft bei
Gleich- und Wechselspannung
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 173 -
Der elektrische Durchschlag von Gasen
Durchschlagverhalten in SF6
Anfangs- und Durchschlagspannung einer Kugel-Platte-Funkenstrecke (Kugeldurchmesser 1 cm) in SF6
in Abhängigkeit vom Gasdruck p mit Vergleichskurven für Luft bei Gleich- und Wechselspannung
Fachgebiet
Hochspannungstechnik
Hochspannungstechnik / Kapitel 9
- 174 -