Durchschlag in Flüssigkeiten

Transkript

1 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 1 Durchschlag in Flüssigkeiten Übersicht 1. Einleitung 2. Entladungsmechanismen in Öl 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag 4. Dielektrische Eigenschaften 5. Arten von Isolierflüssigkeiten 6. Anwendung von Isolierflüssigkeiten

2 1. Einleitung Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 2 Geschlossene Theorie Für den Durchschlag in flüssigen Isolationsmedien existiert keine geschlossene Theorie Schwierigkeit Flüssige Isolierstoffe beinhalten oftmals eine Vielzahl von Stoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften, dazu kommt Veränderungen in der Zusammensetzung Verunreinigungen Alterungserscheinungen Verunreinigungen Das Leitungs- und Durchschlagsverhalten wird massgeblich durch die Art und Stärke der Verunreinigung beeinflusst Gas/Wasser in Flüssigkeit Feststoffe t in Flüssigkeit it (Faserbrückendurchschlag) hl

3 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 3 1. Einleitung Anwendung von flüssigen Isolierstoffen Einsatzbeispiele: - Transformatoren -Wandler - Leistungsschalter - Kondensatoren - Imprägnierungen Vorteile: - Hohe elektrische Festigkeit (im Vergleich zu Luft) - Hohe Wärmeleitfähigkeit (Konvektion) Nachteile: - Hohes Gewicht - Festigkeitsminderung durch Alterung und Verschmutzung - Bedingt dichtes Gehäuse - Brennbarkeit (bei Öl)

4 2. Entladungsmechanismen in Öl Verschleierte Gasentladung Ablauf Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 4 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 der Gasentladung: Verschleierte Gasentladung Hinweis auf Gasentladung: Druckabhängigkeit der Festigkeit! (Küchler S. 210)

5 2. Entladungsmechanismen in Öl Faserbrückenüberschlag üb Ablauf Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 5 1) durch Alterung: Ablösung von Fasern und Partikel von Papierisolierungen, Barrieren etc. ins Öl 2) die Fasern sind i.d.r. hygroskopisch, durch das Wasser steigt r stark 3) die damit stark polaren Fasern bewegen sich in Richtung hoher Feldstärke (Elektroden) und bilden Faserbrücken 4) durch hohe h Leitfähigkeit: Starke Erwärmung, Wasser und niedrigsiedende i i d d Flüssigkeitskomponenten verdampfen Durchschlag Bemerkung: Kann auch als lokaler Wärmedurchschlag gedeutet werden Abhilfe: Barrieren (Küchler S. 209)

6 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 6 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag Feuchtigkeit it Lösung Mit zunehmender relativen Feuchte reduziert sich die Festigkeit dramatisch Emulsion Lösungsvermögen von Wasser in Öl überschritten Reduktion der Festigkeit auf 15-20%! (Beyer S. 158)

7 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 7 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag Feuchtigkeit it absolute Ölfeuchte: Verhältnis von Wassermasse zu Ölmasse in einem Volumen: w abs m m H 2 O ÖL und wird meist in ppm (parts per million) angegeben. Ein ppm entspricht daher 1/1000 g Wasser pro 1 kg Öl. relative Ölfeuchte: Verhältnis von absoluter Ölfeuchte zur Sättigungsölfeuchte. w abs wrel. w sat Die relative Ölfeuchte ist daher stark temperaturabhängig. g

8 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 8 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag Temperatur Bedeutung der Temperatur Maximale Löslichkeit von Wasser in Öl ist temperaturabhängig: (Küchler S. 210) Absolute Feuchte in ppm bei Sättigung als Funktion der Öltemperatur für ein Mineralöl mit geringen Aromatengehalt (ca. 10%, untere Kurve) und für Aromate (100%, obere Kurve)

9 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 9 3. Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag Ölspaltweitelt Elektrische Festigkeit von Ölspalten unter Wechselspannung (1 Minute, 50 Hz) als Funktion der Spaltweite für: (1) isolierte Elektroden und entgastes Öl (2) isolierte Elektroden und gasgesättigtes Öl (3) blanke Elektroden und entgastes Öl (4) blanke Elektroden und gasgesättigtes Öl (Küchler S. 211) Unterteilung mit Pressspanbarrieren in kleinere Spalten

10 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag Fremdgase Löslichkeit: Henry-Gesetz Konzentration des gelösten Gases c F ist dem Partialdruck des Gases p G proportional (K(T): temperaturabhängige Konstante) c K T p F Einbringung Teilentladungen (TE) an Spitzen oder schon vorhandenen Gasblasen: Nebst anderen Produkten bildet sich Wasserstoff sto (Festigkeit e t < als bei Luft!) Fehler beim Füllen, unzureichende Entgasung des Füllöls Alterung G Freies Gas Extremer Festigkeitsverlust, an Gasblasen oder -schichten setzt wiederum TE ein (Beyer S. 146)

11 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie Einflussgrössen beim Öl-Durchschlag Fremdgase Ursache für Gase in Transformatoröl (Öl/Papier Isoliersystem): Abbauprodukte des Öls: Wasserstoff, H 2 Methan, CH 4 Äthan, C 2 H 6 Äthylen, C 2 H 4 Acetylen, C 2 H 2 Abbauprodukte des Papiers: Kohlenmonoxid, CO Kohlendioxid, CO 2 Furane (incl Derivate) Diese Gase können als Indikatoren für Fehlertypen, bzw. Alterung herangezogen werden ( Diagnosemessungen)

12 4. Dielektrische Eigenschaften Gleichstromleitfähigkeit l itfähi it Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 12 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 und die spezifische Leitfähigkeit qn b konstant t Mobilität Die Mobilität (aka mittlere Beweglichkeit) kann durch die Formel für viskose Reibung F 6 abgeschätzt werden zu R rv q b 6 r : Viskosität F R : Reibungskraft v : Geschwindigkeit r : Radius der Ionen

13 4. Dielektrische Eigenschaften Gleichstromleitfähigkeit l itfähi it Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 13 Abhängigkeit von der Beanspruchungsdauer Gleichstromleitfähigkeit ist abhängig von der Beanspruchungszeit (Bsp. eines Isolieröles): igkeit Leitfäh A: Orientierung von Dipolen B: freie Ladungsträger C: Verarmung von Ladungsträgern D: Gleichgewicht von produzierten zu abgesaugten Ionen. Beanspruchungsdauer (Beyer S. 148) Gleichstromleitfähigkeit Bereich B entspricht der AC-Leitfähigkeit (50 Hz) und ist künftig z.t. mit DC-Leitfähigkeit gemeint

14 4. Dielektrische Eigenschaften Gleichstromleitfähigkeit l itfähi it Abhängigkeit von der Temperatur Im Bereich der ohmschen Leitfähigkeit kann die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit durch 0 F kt e Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 14 : Leitfähigkeit F : Stoffkonstante T : Temperatur beschrieben werden (Van n t Hoffs Hoffsches Gesetz). Nichtlinearität (Wien Effekt) Bei höheren Feldstärken kommt es zum überproportionalen p Anstieg der Stromdichte. Erfolgt bei umso niedrigeren Feldstärken, je höher die Temperatur ist. dichte Strom Elektrisches Feld (Beyer S. 149)

15 4. Dielektrische Eigenschaften Gleichstromleitfähigkeit l itfähi it Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 15 Abhängigkeit von Verunreinigungen und Alterungsprodukten Gase Bei gelösten Gasen ist kein Einfluss feststellbar. Wasser Leitfähigkeit wird von Wasser erheblich beeinflusst: spezifischer Widerstand als Funktion des absoluten Wassergehalts w (Beyer S. 149)

16 4. Dielektrische Eigenschaften Dielektrischer i Verlustfaktor tan Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 16 Definition Der dielektrische Verlustfaktor tan ist definiert aus dem Verhältnis der Wirkleistung zur Blindleistung einer an Spannung liegender Kapazität Wirkleistung i UI sin I I w b I tan Blindleistung UI cos I b 90 Bemerkungen: ist der so genannte Verlustwinkel Im englischen Sprachraum ist auch der dissipation factor cot (= tan) und der power factor cos gebräuchlich h 2 Die dielektrische Verlustleistung ist Pdiel U Ctan und damit ein Mass für die dielektrischen Verluste und der damit verbundenen Erwärmung des Dielektrikums I w U I U realer Kondensator

17 4. Dielektrische Eigenschaften Dielektrischer i Verlustfaktor tan Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 17 Beschreibung der Leitfähigkeitsverluste Die Leitungsverluste können mit dem Ersatzschaltbild erfasste werden: Der Strom ist dann: 1 I jcp U R p Damit ist der Verlustfaktor durch Leitungsverluste t C 1 I R w p U 1 tan L I C U C R b p p p R p C p Bemerkung: Damit ist noch keine Frequenzabhängigkeit g von erfasst. Verlustleistung konst., Blindleistung ändert! r, ta an L tan L r Frequenz f

18 4. Dielektrische Eigenschaften 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 E t E t P t r o o Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 18. Neu Bei schnellen Änderungen bzw. trägen Dipolen hat P aber eine andere Zeitabhängigkeit als E: E t P t const P ist verzögert. Zeitabhängigkeit als E:. r ist zeitabhängig! Verzögerte P ergibt Verluste! Kapazitiv D t DC J kuumd Va Fel + Kapazitiv DC E o t P t J

19 4. Dielektrische Eigenschaften Polarisationsverluste l t Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 19 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)

20 4. Dielektrische Eigenschaften Polarisationsverluste l t Polarisation im Zeitbereich P setzt sich i.d.r. aus mehreren Polarisationsmechanismen zusammen: Pt Pi t Schrittantwort Bei einem Sprung von E(t) wird i.d.r. t Pi t 1 PiPit t i angesetzt, wobei i : Zeitkonstante/Relaxationszeit ist Lösung: t 1exp t i Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 20 W Polarisationsverluste W R 1 R 2 P P C o RDC i i i C 1 C 2 Ersatzschaltbild Verhalten von P i mit R i und C i mit i Ri Ci Kapazitiv DC nachbildbar. E o t P t J

21 4. Dielektrische Eigenschaften Polarisationsverluste l t Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 21 Polarisation im Frequenzbereich Komplexe Permittivität Die verzögerte Polarisation äussert sich im Frequenzbereich durch die komplexe Permittivität o : Dielektrizitätskonstante j r : komplexe relative Permittivität r o r r o r : Realteil von r r : Imaginärteil von r Frequenzabhängigkeit Es sei nur eine Pl Polarisationsmechanismus i vorhanden: P = P i Dann ergibt die Lösung Pt P1expt im Frequenzbereich: rs : Relaxationszeit r rr 1 j rs : Realteil von r bei f << f Relaxation r : Realteil von r bei f >> f Relaxation

22 4. Dielektrische Eigenschaften Polarisationsverluste l t Polarisation im Frequenzbereich Real- und Imaginärteil rs r rr 1 j Beispiel Mit = 5 s, rs = 2.2, r = 1 ergibt Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 22 r r 1 rs r 2 rs r rs r, 2 r` r`` r m = 1/ r Kreisfrequenz

23 4. Dielektrische Eigenschaften Polarisationsverluste l t Polarisation im Frequenzbereich Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 23 Ersatzschaltbild Die Kombination von Leitungsverluste und Polarisationsverluste können mit dem Ersatzschaltbild erfasst werden. R Die Kapazität ist nun also komplex C C r o o : Dielektrizitätskonstante r : komplexe relative Permittivität r : Realteil von r r : Imaginärteil von r 1 I j r j 1 rcou also Iw CoU, Ib CoU R R Womit der Verlustfaktor Iw 1 r tan tanl tanp I C R ergibt. b r o r C

24 4. Dielektrische Eigenschaften Polarisationsverluste l t Polarisation im Frequenzbereich Verlustfaktor durch Polarisationsverluste l t Kombination von r rs r tan P r r r 1 j ergibt rs r tan P rs r 2 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie m = 1/ r` `` r Beispiel Mit = 5 s, rs = 2.2, r = 1 tan P 0.4 rs 1 m r 0.2 Bemerkung 2 2 Wasser rs 81, r n Mikrowelle bei f 2.5 GHz Kreisfrequenz

25 4. Dielektrische Eigenschaften Polarisationsverluste l t Polarisation im Frequenzbereich 2 Gesamter Verlustfaktor ist tan tanl tanp 1 rs r 2 rso rs r 0 Beispiel 10 1 Typische Werte für Mineralöl: =5s =22 = s, rs 2.2, r = S/m Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 25 tan Bemerkung: Feuchtigkeit erhöht tan L 10-3 tan L tan P und tan P Frequenz f [Hz] r` r``

26 5. Arten von Isolierflüssigkeiten Isolieröle auf Mineralbasis: i Mineralöle Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 26 Anwendung Mineralöle sind die am häufigsten verwendeten Isolieröle. Wegen dem grossen im Transformatorenbau verwendeten Volumen werden sie auch Transformatorenöle genannt. Bestandteile: 40-60% Paraffine 30-50% Naphtene 5-20% Aromate 1% Olefine Eigenschaften 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, Durchführungen) werden hohe Aromatenanteile verwendet (Küchler S. 289)

27 5. Arten von Isolierflüssigkeiten Isolieröle auf Mineralbasis: i Mineralöle Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 27 Eigenschaftswerte von Mineralölen (bei 20 C und einem Wassergehalt < 10 ppm) Durchschlagfeldstärke E d eff = kv/cm Dielektrizitätszahl r 2,2 bei 50 Hz Dichte = 0,9 g/cm 3 dielektrischer Verlustfaktor tan ~ 10-3 bei 50 Hz Leitfähigkeit = 10-9 S/m (feucht); = S/m (trocken) Verlustfaktor (bei 50 Hz) tan = 10-1 (feucht); tan = 10-3 (trocken)

28 5. Arten von Isolierflüssigkeiten Synthetische ti h Isolierflüssigkeiten i it Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 28 Stoffe reine Kohlewasserstoffe: Polyisobuten, Verwendung bei Massekabeln Askarele (polychlorierte Biphenyle, PCB) heute verboten!! Silikonflüssigkeiten: Hoher Flammpunkt, aber teuer

29 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie Anwendung von Isolierflüssigkeiten Öl-Papier-Kabel l

30 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie Anwendung von Isolierflüssigkeiten Durchführungen

31 Durchschlag in Flüssigkeiten Folie Anwendung von Isolierflüssigkeiten Öl-Board-Isolation l beim Leistungstransformator t t

32 Literatur Durchschlag in Flüssigkeiten Folie 32 Kapitel Küchler: N Titel Kommentar Entladungen in Flüssigkeiten wichtig 4 Dielektrische i Systemeigenschaften wichtig 5.4 Isolierflüssigkeiten empfohlen