Technika Wysokich Napięć wykorzystywana jest w:
1) inżynierii fizycznej (akceleratory i separatory cząstek elementarnych, mikroskopy elektronowe, aparatura rentgenowska, spawarki elektronowe, działa jonowe)
2) ochrona środowiska (elektrofiltry, rozpylacze aerozoli, generatory ozonu do uzdatniania wody)
3) procesach przemysłowych (malowanie elektrostatyczne, napylanie metali, przemysł tekstylny)
główną dziedziną wykorzystania IWN jest Elektroenergetyka
Główne grupy problemów:
1) Układy izolacyjne (linie napowietrzne EHV/UHV; linie kablowe AC/DC; przekładniki; maszyny wirujące; kondensatory)
2) Przepięcia i ochrona przeciwprzepię-ciowa (mechanizmy i statystyka przepięć atmosf.; przepięcia łączeniowe; ochrona przeciwprzep. Budowli, linii przesyłowych i rozdzielczych, stacji energetycznych; koordynacja izolacji; oddziaływanie silnych pól elektrycznych na środowisko)
3) Technika pomiarów wysokonapię-ciowych
a) urządzenia probiercze (symulacje): transf.probiercze AC, zasilacze DC, gen. udarów napięciowych i prądowych
b) aparatura do pomiarów mA,mV: dzielniki U, boczniki prądowe; aparatura diagnostyczna: oscyloskopy nanose-kundowe, cyfrowa aparatura do akwizycji danych i archiwizacji. Musi być odporna na zakłócenia zewnętrzne (ekranowanie,klatki Faradaya), by mogła mierzyć b.małe wielkości.
c) Urządzenia dodatkowe: iskierniki ochronne; deszczownice, komory klimatyzacyjne; zabezpieczenia przeciw-pożarowe; urządzenia dźwiękowe.
Współczynnik tłumienia pola ele..i magn.
Ez, Hz – natęż.pola na zewn.hali
Odporność ukł. elektronicznych na impulsy elektromagnetyczne (prądowe, napięciowe, pola elektromagn.)
Podział materiałów:
przewodniki (czyste metale: Al.,Cu, Ag,Au,, Fe,Stopy,MOS,stal)
półprzewodniki0 (przewodnictwo dziurowe bądź elektronowe)
rÎ(10-2-108)Wm
mat.izolacyjne
mat.polarne: ferromagnetyki; piezoelektryki (na ich pow.pojawiają się ładunki pod wpływem naprężeń); piroelektryki (pojawia się na nich ładunek na skutek działania temp.); elektrety (mat. o trwałej polaryzacji elektrycznej – elektr.odpowiednik magnesu trwałego)
mat.elektroizolacyjne:
gazy (naturalne:powietrze, azot, tlen, wo-dór, aron, hel, neon; syntetyczne: SF6 ,fre-ony,halony);ciecze dielektryczne(oleje) :na-turalne(rycynowy,rzepakowy);mineralne (naftowy,parafinowy,aronatyczne); synte-tyczne ciała stałe: nieorganiczne (szkło, mi-ka,ceramika,azbest);organiczne (natural-ne:seluloza,kauczuk,parafina;syntetyczne:polietylen,polichlorek winylu, polityren, żywice apoksydowe, gumy syntety- czne);mieszane: żywice, folie, emalie
Materiały elektroizolacyjne:
Pow.atmosferyczne (najpopularniejszy czynnik izolujący) Zalety: powszechne występowanie, najtańszy, niepalny, duża rezystywność r=1016Wm. Wady: działa korodująco w obecności wilgoci, utlenianie oraz starzenie mat.izolacyjnych, wytrzy-małość zależy od wielu czynn: gęstości, ciśnienia,temp,wilgoci,zapalenia, stopnia niejednorodności pola elektrycznego.
AZOT – stosowany jako izolacja wysko-nap.urządzeń elektr. w kondensatorach wzorcowe i pomiarowe, generatory elektostat. Pozbawiony wilgoci stos.w ukł. o podwyższonym ciśnieniu oraz w tzw. wysokotemperaturowych urządzeniach kriogenicznych (kable kriogeniczne- nadprzewodniki). Zalety: stosowany tam, gdzie nie można powietrza,bo korozja nie przyspiesza proc. starzenia, niepalny, tani, nietoksyczny, wytrzymałość elektr porównywalne do powietrza. Wady: wytrz.elektr zal. od gęstości (ciśnienia i temp.)
TLEN – przyspiesza starzenie i korozje – nie używany raczej
CO2 – w powietrzu 0,03%;b.trwały chemicznie;niepalny;nietoksyczny;tani;stosowany w aparaturze rozdzielczej;aparatura pomiarowa (kondensatory pomiar. Wzorcowe, kilowoltomierze elektrostat.) stos. w podwyższ. ciśnieniu; stosowana gdzie musi być wytworzona atmosf. obojętna; 80% wytrz.powietrza.
H2 – używany w turbogenerat. jako czynnik chłodzący (ma dużą pojemność cieplną). Wady:wybuchowy, hermetyczne zamykanie, łatwopalny
Hel – gaz szlachetny do urządzeń kriogenicznych (b.niskie temp.) , stos.w nadprzewodnictwie jako czynnik chłodzący, mała wytrzymałość, eksperymentalne kable energetyczne
Freony i Halony CFC - są to gazy elektroujemne, są zdolne do przyłączania pojedynczych elektronów z powietrza.. Wytrz. 2,5*>od pow. Wady: nieprzyjazność dla środowiska nat; ograniczona wytrzymałość na ¯ temp, przy kontakcie z ogniem wydziela się trujący gaz: fozgen. Stos. w aparaturze łączeniowej.
SF6 – sześcioflorek siarki – elektroujemny, nietoksyczny,b.trwały (do 800oC), bdb gasi łuk elektr. (wyłączniki ciśnieniowe), nie wywołuje korozji.Wady: 6* cięższy od pow.; pod wpływem wyładowań elektr, rozpada się na związki trującei powodujace korozję (SF4,S2F10) gaz cieplarniany, b.drogi i trudny w uzyskiwaniu
Próżnia–b.rozrzedzony gaz p10-3Pa; duża wytrz.elektryczna (brak nośników) 5-10*>pow.Wykorzystywany w wyłącz. i aparaturze rozdzielczej średnich nap.
Wyładowania elektr gazów (wytrz.gaz)
Gdy mamy ostry kształt elektrod na ich końcach silne lokalne natężenie pola (łatwiejszy przeskok), zmniejsza się wytrz, elektr. nasycamy więc izolację gazem.
1) wg Bohra elektron porusza się wokół jądra atomowego po orbicie, nie prom.
2) Sposród możliwych orbit stacjonarnych są dozwolone te, które są równe stałej Planca
3) Każdej z określonych orbit dozwolo-nych odpowiada energia potencjalna (odległość) i energia kinetyczna (ruch po orbicie). Kwant wyprom.en. nh=W1-W2=DW n-f prom. fali fotonu; W1-en.atomu z elektronem na orbicie dalej od jądra; W2-en.na orbicie bliżej
Atom pobudzony – gdy en.dostarczona jest mała i elektron przesuwa się na dalszą orbitę ok.10-8s (wraca=kwant en.)
Atom zjonizowany(atom.+ bez 1 elektronu)-gdy en.ma taką wartość, że elektron oddala się tak daleko, że traci więź z jądrem i atom staje się jonem +
Townsend stwierdził badając ten dryf ładunków, że wraz ze nap. gęstość prądu w zewn. obwodzie pomiarowym.
Od zera do U1 przy małym E. między elektrodami następuje spływ ładunków swobodnych do elektrody o przeciwnym znaku i osiągnięty zostaje punkt nasycenia prądu.
Od U1 do U2 – U przyspiesza tylko ruch cząstek, ale nie prowadzi do zwiększenia się ich liczby (proc.jonizacji jest stabilny).
Od U2 do Uj cząstki w zewn.polu elektr. rozwijają coraz en. I dochodzi do zderzeń nieelastycznych jonów z cząstkami obojętnymi.Powstają nowe pary jon-elektron.
Powyżej Uj gwałtowny wzrost ilości cząstek (lawina elektronowa)
Procesy jonizacji i dejonizacji
1) obszar między elektrodami (j.przestrzenna)
a. fotojonizacja – j.cząstek obojętnych (rozpad na jony po pochłonięciu en.):wewnętrzna (samoistna)-promienio-wanie z wyładowaniem iskrowym; zewnętrzna (niesam.) np. prom. kosm.i ziemskie;
b. j.zderzeniowa:polowa-en.kinet.jonów pod wpływem b.silnego pola elektr.; termiczna-pod wpływem temp.; fotoelektronowa - en. Jonów dzięki prom. g,UV itp.
2) na pow. elektrod (j.powierzchniowa)
Elektrony pojawiają się w gazie na skutek emisji z elektrod.pracy wyj. – konieczna do wyrwania elektronu z elektrody. Te en. może pochodzić od: nagrzewania metalu elektrody – termoemisja;silne pole elektr – autoemisja;naświetlanie pow. metalu promieniowaniem o różnej f i dł – fotoemisja;bombardowanie pow. metalu jonami lub cząstkami obojętnymi – zderzeniowa emisja
Dyfuzja – proces odwrotny – rozproszenie ład. swobodnych z obszaru o większej koncentracji do mniejszej koncentr. (bez zmiany ich liczby).Wspoł. dyfuzji: D=(UqkT)/q=(ljCj)/3 (Uq-ruchliwość cząste q – łąd.cząstki; kT-stan ośrodka w którym dyfuzja ma miejsce; k-stała Boltzmana=1,38*10-23 [J*K-1]; T – temp. bezwzględna[K] Dla jonu +(-): D=0,045 [cm2/s]; dla elektronu D=225[cm2/s]
Rekombinacja – proces odwrotny – łączenie się elektronów i jonów + z utworzeniem cząstki obojętnej, co powoduje zmianę koncentracji (dnq/dt)=-aqnq2 (aq-współ.rekomb) dla jonów =10-7-10-6[cm3/s];dla elektr. = 10-14-10-8[cm3/s]. Po czasie t koncentracja ładunku zmaleje do wartości nq(t)=no/(1+aqnot). Na prędkość rekombinacji wpływa temp. i ciśnienie.
Nośniki ładunku elektrycznego (są konieczne do wystąpienia przeskoku)
Elektrony:m=9,1*10-31kg; e=-1,59*10-19C; Elektrony są bardzo ruchliwe (duży stosunek masy do ładunku) i dlatego to one biorą udział w przewodzeniu.
W=(3/2)kT – en.kinet. jest const. dla wszystkich cząstek w stanie równowagi.
n=Ö[(zW)/m] – prędkości nie są równe
n=11[cm/ms] – dla elektronu
Jony lekkie – atomy pozbawione co najmniej 1-elektronu (dodatnie; wielokrotnie zjonizowane; ujemne)
Jony ciężkie – powstają przez ugrzęźnięcie w cząstkach o znacznie większych gaba-rytach (kurz,wilgoć)
Proton – 1800x cięższy od elektronu.
Średnia droga swobodna – odległość jaką cząstka przebywa między 2-ma kolejnymi zderzeniami po linii prostej. Zależy od temp. i ciśnienia t=1/(Ö2dN). d=Pd2
Przy większym ciśnieniu następuje więcej zderzeń
Zderzenia jonizujace - jeśli cząstka o pręd-kości n zderzy się z inną obojętną to w rezultacie może zajść j.cząstki obojętnej (wielokrotna jonizacja). Warunek: en.cząstki ruchomej>en.cząstki obojętnej (mn2)/2>=Wj
Zderzenia pierwszego rodzaju – jonizacja wstępna na skutek przyrostu en.wewn. danej cząstki o en.Wj albo W wzbudz. Kosztem dwóch zjawisk DWk – strata en.kinetycznej;nh-en.promieniowania:
1) e+Ek+cz.oboj.niepob.=j”+”+2e
2) e+Ek+cz.o.n.=cz. pobudzona.+1e
3) 2cz.o.n.+Ek=cz.n.o.+jon+1e
4) mech.schodkowy jonizacji-en.potrzebna do zjonizowania danej cząstki gromadzona jest w efekcie kilku zderzeń,które wcześniej nie spowodowały zjonizowania
Zderzenia drugiego rodzaju – przekazywanie en. wewn. jonizacji Wj lub Ww przez cząstkę do otaczającej przestrzeni. Ma to miejsce w formie nh lub DWk:
a) e+cz.pob.=cz.n.o.+e+Ek;
b) 2cz.pob+Ek=cz.n.o.+j+e
Przy b.dużych en. (i prędkościach) czas zderzenia b. się skraca
Nap.krytyczne gazowego układu izolacyjnego
Przebicie – w ciałach stałych i cieczach (przeskok-gazy).
Nap. krytyczne-nap. przy którym rozpo-czyna się wyładowanie. W zależności od układu elektrod:
1) ukł. elektrod płaskich (pole jednorodne)
Townsend stwierdził, że po przeskoku pierwszy elektron wyrwany z powierzchni jednej elektrody w przestrzeni między elektrodami przyspiesza i zderza się z cząstką gazu. Warunek powstania wyładowania elektronowego jest odpowiednia wielkość współ, Townsenda (współ. pierwotnej jonizacji elektronowej)
a=1/le*exp(-lj/le) le-średnia droga swobodna elektronu pomiędzy kolejnymi zderzeniami (niekonieczna jonizacja cząstki) le=(akT)/(Pro2p);lj – droga na której elektron nabiera en. koniecznej do spowodowania zderzenia jonizującego lj=Uj/E;a - wyraża liczbę zderzeń elektronu, które prowadzą do jonizacji w czasie gdy elektron przebywa drogę 1cm a=A*p*exp[-B(E/p)-1]
A, B - stałe charakt. dla gazu; T-temp[K]; k-stała Boltzmana 1,38*10 - 23 J/K; R-praca 1 mola gazu przy ogrzewaniu go o 1K; Uj-nap. powodujące jonizację w gazie; p-ciśnienie gazu; a – odstęp elektrod; ro- promień cząstki
Aby spowodować powielające się zjawisko jonizacji:
aa>=ln(1+(1/g)=Nk Nk-krytyczna liczba zderzeń jonizujących spowodowanych przez jeden elektron na drodze międzyelektrodowej ‘a’; g-wsp. jonizacji powierzchniowej
Prawo Paschen’a Uo=(Bap)/[ln(Aap/Nk)]
U0-nap.początkowe,nap.kryt.rzeskoku
W stałej temp. i parametrach gazu nap. początk. wyładowań jest funkcją a*p
Przy wzroście p, zwiększa się gęstość gazu w danej komorze, tzn.cząstki są bardziej upakowane, więc zmniejsza się też średnia droga swobodna pomiędzy zderzeniami, stąd trzeba zwiększyć napięcie aby mogło dojść do przeskoku.
Przy zmniejszaniu ciśnienia p, cząstki się oddalają, zwiększa się średnia droga swobodna oraz prędkość ładunków i ułatwione jest jonizowanie, w ten sposób potrzeba mniejszego napięcia aby spowodować przeskok.
Przy przekroczeniu p min przy zmniejszaniu ciśnienia zaczyna brakować cząstek potrzebnych do jonizacji, wobec tego wytrzymałość elektryczna wzrasta. Zatem dla p=0 Uo= ∞ jednak tak nie jest ponieważ z materiału wyrywane są cząstki, które są materiałem do jonizacji.
...
damiano_80