3 Spannungsfestigkeit der Luftstrecken

Transkript

1 Mehr Informationen zum Titel 3 Spannungfetigkeit der Lufttrecken Lufttrecken müen o bemeen ein, da bei den im Betrieb auftretenden Spannungen kein Durchchlag auftritt. Hierbei ind owohl die langzeitig anliegenden Arbeitpannungen al auch die kurzzeitig anliegenden tranienten Überpannungen zu berückichtigen. In vielen Fällen müen auch Teilentladungen in der Luft vermieden werden. Im Folgenden werden zunächt nur freie Lufttrecken betrachtet. Da Verhalten von Lufttrecken, die in der Oberflächengrenzchicht einer feten Iolierung verlaufen, wird mit den Kriechtrecken in Kapitel 4 bechrieben. Bei der Bemeung der Lufttrecken it zu beachten, da ehr kleine Abtände durch angelagerte Staubteilchen weentlich verringert werden können. E ind dehalb gegebenenfall Zuchläge vorzunehmen. Al Richtwerte hierfür können in Anlehnung an IEC [8] in der Mikro-Umgebungkategorie 2: 75 m, in der Mikro-Umgebungkategorie 3: 150 m empfohlen werden. Bei der Mikro-Umgebungkategorie 4 müen gegebenenfall auch Niederchläge, wie Regen, berückichtigt werden. Hauptächlich durch komiche und radioaktive Strahlung werden in Luft im Normalzutand rund 50 Gamoleküle je cm 3 und Sekunde ioniiert. Ihre Lebendauer bi zur Rekombination beträgt im Mittel 17,5 [10], oda ich ein Gleichgewicht bei etwa 500 bi 1000 Ionen je cm 3 eintellt [12]. Auch au der metallenen Oberfläche der Elektroden können Elektronen augelöt und al Anfangladungträger bereitgetellt werden. Für die Feldemiion, die durch mikrokopich kleine Unebenheiten der Elektrodenoberfläche untertützt wird, it an üblichen Elektrodenwerktoffen eine Mindetfeldtärke von 10 7 V/cm bi 10 8 V/cm notwendig [18]. Bei Stoßpannungprüfungen kann e vorteilhaft ein, zuverläig die erforderlichen Anfangladungträger bereitzutellen. Hierfür eignet ich die Betrahlung der Katode mit einer Quarzlampe oder mit Funkenlicht. Bei hinreichender Betrahlungintenität durch eine Quarzlampe können etwa 10 5 Elektronen/n, mit Funkenlicht etwa 10 4 Elektronen/n bereitgetellt werden [19]. Eine wirkame Freietzung von Ladungträgern findet allerding nur bei ehr kleinen Wellenlängen bi etwa 275 nm tatt [24]. Die Anfangelektronen bewegen ich im elektrichen Feld der Feldtärke E zur Anode hin und nehmen dabei läng der Strecke x die Energie auf: W = e Ex. 47

2 It die Energie eine Elektron aureichend, o kann e bei einem Zuammentoß mit einem Gamolekül ein weitere Elektron durch Stoßioniation freietzen. In Luft mu hierzu wenigten die Ioniationenergie W i 15 ev aufgebracht werden [17]. Die Aufeinanderfolge vieler derartiger Ioniationen kann zu einer lawinenartigen Vermehrung der Elektronen führen, die chließlich einen leitenden Plamakanal zwichen den Elektroden aubildet und den Durchchlag einleitet. Bei ehr großer Lawinenvertärkung veruracht die hohe Zahl der Ladungträger im Lawinenkopf eine Überhöhung de katoden- und anodeneitigen Feld bei gleichzeitiger Feldchwächung zwichen Lawinenkopf und -chwanz. Au dem Lawinenkopf werden Photonen augeandt, die zunächt im Raum zur Anode hin weitere Lawinen aulöen und dann einen anodengerichteten Entladungkanal formieren. Nachfolgende Lawinen führen chließlich zur Bildung de hochleitfähigen Plamakanal und leiten den endgültigen Durchchlag ein. Die elektriche Fetigkeit hängt inbeondere im homogenen Feld auch vom Zutand der Elektrodenoberfläche, von der Temperatur und von der Luftfeuchtigkeit ab. Stark verchmutzte Oberflächen tören durch lokale Feldüberhöhungen die Homogenität. Dünne Oxid- und Queckilberchichten verändern die Autrittarbeit [68]. In der Luft enthaltene Waermoleküle vermindern die Beweglichkeit der Gaionen und die Gavertärkung, indem der Lawine Elektronen durch Anlagerung an Waerdipole entzogen werden. Auch die Erzeugung von Sekundärelektronen durch Fotoioniation wird bei zunehmendem Waerdampfpartialdruck vermindert. 3.1 Fetigkeit bei langzeitiger Spannungbeanpruchung Lufttrecken müen o bemeen ein, da die betriebmäßig langzeitig anliegenden Spannungen keine Durchchläge verurachen. Dabei it zu untercheiden, ob zwichen den Elektroden ein homogene oder ein inhomogene Feld herrcht. Auch die Frequenz der anliegenden Spannung it von Bedeutung. In den meiten Fällen mu neben dem Durchchlag auch Dauerglimmen vermieden werden, da bei inhomogener Feldverteilung bei Abtänden über etwa 1 mm auftreten kann. Die hierbei erzeugten Gae (z. B. Ozon und Stickoxide) können benachbarte Ioliertoffe und Elektroden angreifen und damit zu einer Minderung der Spannungfetigkeit beitragen Durchchlag im homogenen Feld Die Spannungfetigkeit von Lufttrecken mit homogener Feldverteilung unter langzeitiger Beanpruchung wird bechrieben durch die Pachen-Abhängigkeit [17]: p UD A. 31. B ln( p) ln ln C 48

3 1 000 kv U ,5 0,1 0,001 0,005 0,01 0,05 0,1 0, mm 100 Bild 3.1 Pachen-Kurve für Luft bei 1013 hpa [56] Sie beagt, da die Durchchlagpannung bei einer betimmten Gaart und bei gegebenem Elektrodenmaterial nur noch vom Produkt au Schlagweite und Druck p abhängt. Bild 3.1 zeigt die in zahlreichen Meungen betätigte Pachen-Kurve in Luft bei Normaldruck, die der Bemeung zugrunde gelegt werden kann. Einen guten Überblick über die verchiedentlich gemeenen und genormten Pachen- Kurven in Luft gibt Dakin in [56]. Bildet man die Ableitung von Gl. (3.1) nach dem Produkt p, o erkennt man, da U D ein Minimum bei kleinem p hat. In Luft mit Normaldruck liegt diee ogenannte Pachen-Minimum mit rund U D = 350 V bei einem Elektrodenabtand von etwa 7 m [17]. Die Verminderung der Schlagweite it demnach nur bi zu einer gewien Grenze mit einer reduzierten Durchchlagpannung verbunden. Darunter teigt die Fetigkeit wieder an, da auf der kurzen Strecke immer weniger Elektronen mit einer zur Ioniation aureichenden Energie auf Gamoleküle treffen. Teilentladungen und Sprühen treten im homogenen Feld nicht auf, da die Zündbedingungen für Entladungen infolge der gleichmäßigen Feldverteilung überall gleichermaßen gegeben oder nicht gegeben ind. Veränderungen der Temperatur T und de Luftdruck p verurachen eine Änderung der Luftdichte. Ihr Einflu auf die Durchchlagpannung im Vergleich zu den Normalbedingungen T 0 = 293 K und p 0 = 1013 hpa kann mit 49

4 U U k U p T 0 D0 D D D 32. pt 0 im Bereich k D ±7 % recht genau abgechätzt werden [4], außerhalb diee Bereich it die Abchätzung mit einem zunehmenden Fehler verbunden, der aber bi k D ±15 % noch unter rund 2 % bleibt. Bei Abtänden unter etwa 10 mm it bei der Umrechnung auch noch der Einflu der Schlagweite zu berückichtigen. E kann dann die au der Pachen-Abhängkeit (3.1.1) abgeleitete zugechnittene Größengleichung verwendet werden [23]: U U pt D D pt kv kv pt 0 mm pt 0 mm,,. 33. Mit den Gln. (3.2) und (3.3) verfügt man über die Grundlage, im homogenen Feld Durchchlagpannungen, die bei beliebiger Temperatur und beliebigem Luftdruck gemeen wurden, auf Normalbedingungen umzurechnen Durchchlag und Teilentladungen im inhomogenen Feld Eine Berechnung der Durchchlagpannung im inhomogenen Feld it nur unter idealiierenden Bedingungen mithilfe der Townend chen Zündbedingung möglich. Sie cheitert, wenn da Feld durch Raumladungen deutlich verändert wird oder wenn der Übergang in den Kanalmechanimu eintritt. Die führt z. B. bei Spitze-Platte-Anordnungen in atmophäricher Luft zu dem ogenannten Polaritäteffekt [18], der ich bei einem betimmten Elektrodenabtand umkehren kann: Bei kleineren Abtänden erhält man die geringte Durchchlagfetigkeit bei negativer Polarität der Spitze, während bei größeren Abtänden die poitive Spitze entcheidend it. Für Spitzenverrundungradien von 7 m bi 30 m wurde diee Umkehrung bei einer Schlagweite von etwa 1,5 mm beobachtet [23, 24]. Meungen zur Ermittlung der elektrichen Fetigkeit im inhomogenen Feld müen dehalb entweder mit bipolaren Prüfpannungen, vorzugweie mit Wechelpannung, oder mit zwei aufeinanderfolgenden Prüfungen mit unipolaren Spannungen gegenätzlicher Polarität vorgenommen werden, wenn die Polarität der Spannung an den Elektroden nicht vorgegeben it. Die Bemeungregeln der DIN EN (VDE ) für Lufttrecken mit inhomogenem Feld unter langzeitiger Spannungbeanpruchung tützen ich auf Meungen von Hermtein [55], der eine Spitze-Platte-Anordnung mit ehr geringem Spitzenverrundungradiu von vermutlich etwa 7 m [24] verwendete (angegeben ind 25 m). Entprechend den Erläuterungen in Abchnitt 2.5 it e dagegen aureichend, al kleinten Verrundungradiu 25 m bi 30 m anzuetzen. Der Bemeung könnten dehalb die entprechend Bild 3.2 gemeenen Fetigkeiten zugrunde gelegt werden, die geringfügig höher al die in DIN EN (VDE ) angegebenen Werte ind. Eine Kante-Platte-Anordnung mit gleichem Kantenverrundungradiu hat eine höhere Spannungfetigkeit. 12 / 50

5 10 kv 5 homogene Feld U 1 poitive Spitze negative Spitze 0,5 0,1 0,001 0,005 0,01 0,05 0,1 0,5 1 mm 10 Bild 3.2 Durchchlagpannung von Lufttrecken einer Spitze-Platte-Anordnung bei Gleichpannungbeanpruchung unterchiedlicher Polarität [24] Spitzenelektrode: Verrundungradiu 25 m bi 30 m Plattenelektrode: quadratiche Chromtahlplatte Kantenlänge 1 m Zum Vergleich it die Pachen-Kurve entprechend Bild 3.1 getrichelt eingezeichnet. Bei negativer Spitze und einer Schlagweite bi zu 0,1 mm entprechen die in Bild 3.2 angegebenen Fetigkeiten denen der Pachen-Kurve. Ert bei größeren Abtänden gewinnt die Feldinhomogenität zunehmend an Einflu, oda die Durchchlagpannungen gegenüber dem homogenen Feld vermindert ind. Dabei it die negative Spitze zunächt weniger pannungfet al die poitive. Die Anfangelektronen durchlaufen hier zu Beginn da Gebiet hoher Feldtärke mit rachem Lawinenaufbau. Dehalb it im Gegenatz zur poitiven Spitze kaum zu erwarten, da die Entladung dadurch zum Erliegen kommt, da die Anfangladungträger durch Wiederanlagerung verloren gehen [58]. Mit zunehmendem Elektrodenabtand betimmt dann die poitive Raumladung vor der Spitze da Durchchlagverhalten. It die Anordnung bei größeren Schlagweiten ehr inhomogen, o wird die Wirkung dieer poitiven Raumladung durch eine bei Anlagerungprozeen gebildete negative Raumladung teilweie kompeniert [24]. Die äußert ich in der erhöhten Steigung der gemeenen Kennlinie ab etwa 1,3 mm, die dann etwa parallel zur Pachen- Kurve verläuft. Bei poitiver Spitze liegen die Durchchlagpannungen de Bild 3.2 bei kleinen Abtänden zwichen 0,01 mm und 0,2 mm um bi zu 20 % höher al die Pachen- 51