1

DIELEKTRIČNA ČVRSTOĆA VANJSKE IZOLACIJE Dielektrična čvrstoća vanjskeizolacije pri naponima industrijske frekvencije i privremenim

prenaponima

Prvo se razmatra dielektrična čvrstoća vanjske izolacije u čistim uvjetima (suho i vlažno). Ponašanje različitih tipova zračnih iskrišta pri primjenjenim naponima industrijske frekvencije u funkciji različitih oblika elektroda i rastojanja zazora dato je na Sl. -1.

Slika. -1. 50% probojni napon industrijske frekvencije za različite tipove zračnih iskrišta Sa Sl. -1., vidi se da konfiguracija iskrišta šiljak-ravan (indeks RP Rode-Plane) ima najniži podnosivi napon. 50% probojni napon može se aproksimirati izrazom,

)55,01ln(750 2,150 dU RP += (kVeff,m) za d≥2m. (.1)

Vršna vrijednost U50 pri AC naponu je oko 20-30% veća od odgovarajuće vrijednosti pri pozitivnom sklopnom impulsu (SI) kritičnog oblika. Kada su prisutni izolatori, preskočni napon iskrišta znaćajno opada obzirom na referentni slučaj (isto zračno iskrište bez izolatora) posebno kada se razmatraju štapni izolatori sa velikim flanshama u blizini elektroda pod naponom.

Utjecaj zagađenja na podnosive napone

Kada je prisutno zagađenje, performanse vanjske izolacije na napon industrijske frekvencije postaju važne i diktiraju dizajn vanjske izolacije. Preskok izolacije nastaje kada je površina zagađena i ovlaži se uslijed slabe kiše, snijega, rose ili magle bez znaćajnijeg efekta pranja površine.

2

Za potrebe standardizacije, specificirana su kvalitativni nivoi zagađenja. Stupanj prirodnog zagađenja, kao što je zasoljenost, ocjenjuje se iznosom zagađenja nataloženog na površini izolatora i mjeri se u mg/cm2. Industrijsko zagađenje proizvodi veliku promjenljivost nataloženog materijala i može se ekvivalentirati iznosom NaCl koji bi dao vodljivost jednaku onoj od zasoljene površine. U USA [], dati su nivoi zagađenja u ekvivalentnoj gustoći slanog taloga:

1.Vrlo slabo 0-0.03mg/cm2; 2.Slabo 0.03-0.06mg/cm2; 3.Srednje 0.06-0.1mg/cm2; 4.Teško >0.1mg/cm2.

Tabela -1. daje za svaki nivo zagađenja opis nekih tipičnih odgovarajućih uvjeta okoliša. Izolatori će podnijeti najviši napon sistema u uvjetima zagađenja dugotrajno sa prihvatljivim rizikom preskoka. Koordinacioni podnosivi naponi su uzeti jednakim reprezentativnim prenaponima i kriterij radnog režima je zadovoljen odabiranjem odgovarajuće podnosive opasnosti zagađenja obzirom na opasnost mjesta ugradnje. Dugotrajni koordinacioni podnosivi napon industrijske frekvencije će odgovarati najvišem naponu sistema za

međufazne izolatore i ova vrijednost podijeljena sa 3 za fazne izolatore. Različiti tipovi izolatora i čak različita orijentacija istog tipa izolatora može akumulirati zagađenje različitih nivoa u istom uvjetu okoliša. Nadalje, za isti stepen zagađenja oni mogu biti podvrgnuti različitim preskočnim karakteristikama. Uz to, promjena prirode zagađivača može činiti neke oblike izolatora efikasnijim od drugih. Stoga se za potrebe koordinacije, određuju mjere opasnosti zagađenja za svaki korišteni tip izolatora. U slučaju mjesta sa visokim stupnjem zagađenja, može se uzeti u obzir premazivanje ili pranje površine izolatora. Tabela -1., uključuje specifična puzajuća rastojanja potrebna da se podnese zagađenje za sve četiri klase, premda su ta rastojanja više vezana za dizajn izolacije nego za koordinaciju izolacije.

Tabela -1. Preporučljiva puzajuća rastojanja

Nivo zagađenja Primjeri tipičnih uvjeta okoliša Minimalno specificirano puzajuće rastojanje mm/kV1)

I-Slabo -Područja bez industrije i sa malom gustoćom kuća opremljenih sa postrojenjima za grijanje -Područja sa malom gustoćom industrije ili kuća izložena čestom vjetru i/ili oborinama -Poljoprivredna područja2) -Planinska područja -Sva navedena područja trebaju biti smještena bar 10 do 20km od mora i nisu izložna vjetru direktno sa mora3)

16,0

II-Srednje -Područja sa industrijom koja ne proizvodi posebno zagađujući dim i/ili područja sa srednjom gustoćom kuća opremljenih sa postrojenjima za grijanje -Područja sa velikom gustoćom kuća i/ili industrijom iloženih čestom vjetru i/ili oborinama -Područja izložena vjetru sa mora ali ne blizu morske obale (bar nekoliko kilometara udaljena)3)

20,0

III-Teško -Područja sa velikom gustoćom industrije i stambenim četvrtima velikih gradova sa velikom gustoćom postrojenja za grijanje koja proizvode zagađenje -Područja blizu morske obale ili u svakom slučaju izložena relativno jakom vjetru sa mora3)

25,0

IV-Vrlo teško -Područja opčenito srednje veličine, izložena taloženju vodljive prašine i industrijskom dimu koji proizvodi posebno tanke vodljive slojeve taloga -Područja opčenito srednje veličine, vrlo blizu morske obale i izložena morskim isparenjima do vrlo jakog i zagađenog vjetra sa mora -Pustinjska područja, karakterizirana odsustvom kiše u dužim periodima, izložena jakom vjetru koji nosi pijesak i so, i izložena redovitoj kondenzaciji

31,0

Zabilješka- Tabela se treba primjenjivati samo na staklenu ili porcelansku izolaciju i ne obuhvata neke situacije okoliša kao što su snijeg i led u uvjetima teškog zagađenja, jaku kišu, sušna područja, itd.

3

)1 U skladu sa IEC 815, minimalno puzajuće rastojanje izolatora između faze i zemlje obzirom na najviši napon

sistema (međufazno). )2 Upotreba umjetnog đubriva putem raspršivanja, ili ostaci gorenja usjeva mogu dovesti do viših nivoa zagađenja

zbor raspršivanja vjetrom. )3 Rastojanja od morske obale ovise o topologiji obalnog područja i uvjetima ekstremnog vjetra

Na Sl. -2.,dat je odnos između kritićnog 50% preskočnog napona i gustoće nataloženih soli ESSD za standardne izolatorske lance (V-lance i I-lance) sa brojem jedinica u lancu

Slika -2. Odnos kritičnog preskočnog napona prema gustoći nataloženih soli

Utjecaj kiše

Utjecaj kiše može biti značajan za štapne izolatore sa manjim rastojanjima između rebara, kada odnos dielektrične čvrstoće pri kiši i pri suhom vremenu može iznositi od 0.76 do 0.87 (jedan izolator i jedna kolona). Dizajn izolatora se stoga u uvjetima kiše i vrlo visokih vrijednosti napona.

Utjecaj leda i snijega

U područjima izloženim ledu i snijegu, izolatori su određeni period okovani ledom i snijegom, kada se javlja znaćajno smanjenje dielektrične čvrstoće. Tokom procesa topljenja, nastaje manja otpornost što uvjetuje veće vrijednosti struje odvođenja. Taj proces može uzrokovati djelimično isušenje i pražnjenje po površini duž izolatora, kao prilikom sličnih procesa na zaprljanim i ovlaženim izolatorima. Na taj način, nastaje znaćajno smanjenje vrijednosti preskočnog napona izolatora okovanih snijegom i ledom tokom procesa topljenja. Najgori uvjeti snijegom okovanih izolatora utvrđeni su na zateznim izolatorskim lancima a najgori uvjeti ledom okovanih izolatora utvrđeni su na ovjesnim izolatorskim lancima. Raspodjela leda na izolatoru nije jednolika. Ledena premoštenja značajno mijenjaju električne karakteristike izolatora. Vodeni film na površini leda, uzrokovan suncem, porastom temperature zraka ili efektima grijanja strujama odvođenja, ima veliku vodljivost i uzrokuje veliki pad napona kroz dijelove površine izolatora bez leda. Preskok je uzrokovan opadanjem efektivnog rastojanja odvođenja ledenih premoštavanja, porastom vodljivosti površine uzrokovane stvaranjem visokovodljivog vodenog filma na površini leda, prisustvom zaprljanog sloja na površini izolatora, stvaranjem zračnog iskrišta uvjetovanog efektom zagrijavanja parcijalnim lukovima, porastom temperature zraka i dr. Promjena maksimalnog podnosivog naprezanja izolatora obuhvaćenog vještačkim vlažnim snijegom (ledom) u funkciji debljine i težine snijega (leda) po metru izolatorskog lanca, dati su na Sl. -3.

4

Slika -3. Ovisnost podnosive čvrstoće izolatora u funkciji količine (debljine) leda

Maksimalna podnosiva dielektrična čvrstoća izolatora opada u početku sa debljinom leda, a onda ostaje konstantna i neovisna o debljini leda. Najniža vrijednost maksimalnog podnosivog naprezanja je pri debljini od 2,5 cm snijega (leda). Utjecaj vodljivosti smrzavajuće vode na podnosive karakteristike ledom okovanog izolatora, dat je na Sl. -4.

Slika -4. Ovisnost maksimalnog podnosivog naprezanja izolatora o vodljivosti vode

Utjecaj vlažnosti zraka na dielektričnu čvrstoću

Vlažnost zraka djeluje na vjerovatnoću pojavljivanja odvajanja elektrona i mijenja vrijednost električnog polja pri kojem se događa ionizacija i difuzija i djeluje na formiranje gustoće iona dovoljne za formiranje streamera. AC probojni napon u funkciji apsolutne vlažnosti ovisi o dužini iskrišta, konfiguraciji elektroda i nivou vlažnosti. Podaci se odnose na iskrišta dužina 1-6 m. Za vlažnost ispod 11gm-3, probojni napon raste sa povećanjem vlažnosti, dok je pri višoj vlažnosti nepromjenljiv ili se čak mijenja tako da koeficijent vlažnosti postaje negativan. Slika -5., daje vrijednosti probojnog napona u funkciji apsolutne vlažnosti za iskrišta šiljak-ravan za različite dužine zazora iskrišta.

5

Slika -5. AC preskočni napon iskrišta šiljak-ravan za različite dužine zazora u ovisnosti od vlažnosti

Utjecaj gustoće zraka na dielektričnu čvrstoću

Obzirom na standardne uvjete okoliša (temperatura t0=200 C; pritisak b0=101.3 kPa i

apsolutna vlažnost h0=11gm-3), utjecaj temperature, t, i pritiska, p, na dielektričnu čvrstoću

može se uzeti u obzir njihovim efektima na gustoću zraka, δ, i njen utjecaj na probojni napon. Ovisnost relativne gustoće zraka δ o t i p je,

+

+

=

t

t

b

b

273

273 0

0

δ (.2)

Ovisnost gustoće zraka o nadmorskoj visini, A, aproksimira se izrazom,

+

+= −

t

te

A

273

273 0αδ , (.3)

gdje je α=121⋅10-6. Općenito se probojni napon odnosi prema gustoći u skladu sa izrazom,

mUU δ⋅= 0 (.4)

gdje je U0-probojni napon pri standardnim uvjetima a m-eksponent koji se može mijenjati sa geometrijom i karakteristikama impulsa. Iz iskustva je poznato da je za zazore sa neujednačenom raspodjelom električnog polja: -gradijent potreban za prostiranje pozitivnog streamera je proporcionalan gustoći zraka, -što je veći dio zazora obuhvaćenog pozitivnim streamerom veći je utjecaj gustoće zraka, -gustoća uzrokuje ne samo promjenu gradijenta potrebnog za prostiranje streamera i leadera, nego i promjenu njihove relativne dužine. Parametar koji omogućuje grubu procjenu sličnosti analiziranog procesa pražnjenja sa tipom pražnjenja pozitivnog streamera izražava se odnosom srednje probojnog gradijenta naspram srednjeg gradijenta pozitivnog streamera pri odnosnim atmosferskim uvjetima,

dk

Ug

⋅⋅⋅=

2

50

500 δ, (.5)

gdje je U50-50% probojni napon, d-dužina zazora, 500 kV/m-srednji gradijent streamera pri standardnim atmosferskim uvjetima, k2-faktor korekcije vlažnosti (k2=1 za standardne uvjete vlažnosti). Odnos parametara m i g dat je na Sl. -6.

6

Slika -6. Eksponent m u ovisnosti o parametru g

Utjecaj visoke temperature i čestica izgaranja (prisustvo vatre)

Preskočni napon zračne izolacije pri visokim temperaturama uvjetovanim izgaranjem značajno se smanjuje u odnosu na normalne uvjete zraka. Dielektrična čvrstoća je ovisna o tipu naponskog naprezanja i proporcijama iskrišta obuhvaćenog plamenom. Preskočni napon

se smanjuje zbog opadanja relativne gustoće zraka, t

p

+⋅

=273

289.0δ , gdje je p-pritisak u

barima, t-temperatura u 0C i prisustva čestica izgaranja. Preskočni gradijent zračnog iskrišta obuhvaćenog plamenom neovisan je od oblika elektroda i dužine iskrišta, i znaćajno je smanjen prisustvom čestica izgaranja u iskrištu. Srednji preskočni gradijent može biti smanjen do oko 35kV/m pri AC naponu.

Dielektrična čvrstoća pri prijelaznim prenaponima

Dielektrična čvrstoća pri prenaponima sporog porasta čela

Dielektrična čvrstoća zračnih iskrišta pri prenaponima sporog porasta čela ovisi o fenomenu ionizacije koji ovisi o međudejstvu električnog polja sa plinom, tako da se svaki parametar koji mijenja bilo koju karakteristiku električnog polja ili plina mora uzeti u obzir. Električno polje se karakterizira slijedečim parametrima: -električnim parametrima koji definiraju vremenske promjene polja (oblik naponskih naprezanja, broj elektroda koje su pod naponom i dr.); -geometrijskim parametrima koji definiraju prostornu raspodjelu polja (dužina iskrišta, oblik elektroda, rastojanje od zemlje, ili od susjednih elektroda koje su pod naponom ili ne) dok drugi geometrijski parametri, kao što su tip i veličina visokonaponskih i uzemljivačkih priključaka, karakteristike izolatora i dr., unose manje promjene u raspodjelu polja duž probojnog puta tako da se njihov utjecaj može uzeti u obzir primjenom korekcionih faktora na preskočni napon osnovnih geometrijskih parametara; -uvjeti okoliša (zrak), karakteriziraju se njihovim fizičkim parametrima kao što su pritisak, temperatura, kemijski sastav (vlažnost), kiša, magla, zaprljanje itd. i mogu se uzeti u obzir primjenom empirijskih korekcionih pravila. Obzirom na statističku prirodu, rezultati ispitivanja karakterizirani su vršnom vrijednošću narinutog napona (U50) koji ima za poslijedicu pražnjenje u 50% slučajeva i konvencionalnu devijaciju z. Svi ostali naponi koji imaju drugačiju vjerovatnoću pražnjenja mogu se sračunati.

Električni parametri.

Impulsi pozitivnog polariteta. Impuls je karakteriziran trajanjem čela, T1, i trajanjem začelja do 50% vrijednosti, T2. Njihovom promjenom, mijenja se i dielektrična čvrstoća iskrišta. Kada se mijenja T1, napon U50 poprima minimalne vrijednosti za koordinate T1krit, U50 krit (U-kriva), Sl. -7.

7

Slika -7. U-kriva iskrišta šiljak-ravan za različite dužine pri impulsu pozitivnog polariteta

Postojanje ovog minimuma najviše karakterizira zračna iskrišta i vrijedi za sve oblike elektroda, dužine zazora, tipove naprezanja i polaritet, Sl. -8.

Slika -8. U50 probojni napon u ovisnosti od trajanja čela (T1kr) narinutog impulsa R(Rode)-šiljak; P(Plane)-ravan; S(Sphere)-sfera; C(Conductor)-vodič; D-dužina zazora; r-radijus zakrivljenja;

Kritično trajanje čela direktno je vezano za trajanje prostiranja leadera prije početka konačnog preskoka, koje je manje za impulse negativnog polariteta u odnosu na pozitivni polaritet, jer je prostiranje negativnog leadera brže u odnosu na pozitivni leader. Kritično trajanje čela raste skoro linearno sa dužinom iskrišta. Kritično trajanje čela mijenja se od oblika katode (naprimjer, za konstantnu dužinu iskrišta, promjena katode od ravni u šiljak vodi opadanju dužine leadera, konačni preskok s počinje ranije i smanjuje se kritično trajanje čela). Utjecaj oblika elektrode (anode) manje je značajan, tj. kritično trajanje čela nešto je niže za iskrište tipa vodič-ravan nego za iskrište tipa šiljak-ravan. Ovisnost probojnog napona o promjenama T1kr i trajanja začelja T2 dat je na Sl. -9, za različite dužine zazora iskrišta.

8

Slika -9. U50 kao funkcija Tkr i T2. Iskrište šiljak-ravan, pozitivni polaritet

Impulsi negativnog polariteta. Karakteristike opisane za pozitivni polaritet primjenjuju se i za negativni polaritet. Preskočni napon slijedi U-krivu i kritično trajanje čela manje je za negativni polaritet u odnosu na pozitivni polaritet. Usporedni prikaz dielektrične čvrstoće pri negativnom polaritetu, U-, u odnosu na pozitivni polaritet U+ dat je na Sl. -10.

Slika -10. Odnos između dielektrične čvrstoće pri negativnom i pozitivnom polaritetu za različite konfiguracije (Uref=3400/(1+8/d)

Obje dielektrične čvrstoće normalizirane su u odnosu na vrijednost Uref, koja predstavlja dielektričnu čvrstoću iskrišta šiljak-ravan istog zazora za pozitivni impuls.

Međufazni uvjeti. Ispitivanja se općenito provode sa dva impulsa amplituda U- i U+, čija je

relativna amplituda karakterizirana parametrom α koji se definira kao −+

−

+=

UU

Uα . Kao i u

slučaju kod faznih naprezanja, U50 napon prolazi kroz minimalnu vrijednost kada se mijenja trajanja čela impulsa pozitivnog polariteta, Sl. -11.

9

Slika -11. Odnos dielektrične čvrstoće međufaznih iskrišta o pozitivnom vremenu do vrha (r-konfiguracija šiljak-šiljak, c-konfiguracija vodič-vodič)

Položaj krivi ovisi o parametru α, pri čemu su sa aspekta koordinacije izolacije interesantne vrijednosti α=0.33÷0.5.

Utjecaji prethodnih naprezanja. U realnim slučajevima, pri pojavi prenapona sporog porasta čela, zračno iskrište je već napregnuto AC ili DC naponom. Sl. -12., daje vrijednosti preskočnog napona u funkciji prethodnog naprezanja DC naponom u suhim i vlažnim uvjetima.

Slika -12. Karakteristike čistih izolatora pri složenim naponskim naprezanjima, DC+ u suhim i vlažnim uvjetima

Vidljivo je da je čvrstoća niža pri pozitivnim impulsima od one pri negativnim.

Geometrijski parametri

Sva zračna iskrišta mogu se okarakterisati minimalnom dielektričnom čvrstoćom za kritično trajanje čela impulsa (minimum U-t krive), koja je funkcija geometrijskih karakteristika

10

iskrišta (dužina zazora d i oblik elektroda). Najčešći oblici zračnih iskrišta u elektroenergetskom sistemu dati su na Sl. -13.

a) šiljak-šiljak, b) šiljak-ravan, c)vodič-vodič Slika -13. Najčešći oblici zračnih iskrišta u EES

a) Iskrište šiljak-ravan

Dielektrična čvrstoća vanjske izolacije mjeri se kritičnim preskočnim naponom (CFO) V50, koji se definira kao naponski nivo pri kojem izolacija ima 50% vjerovatnoću proboja. Podnosivi nivo je određuje oduzimanjem 3σ (σ-standardna devijacija) od V50. V50 pozitivnog polariteta općenito je niži od V50 negativnog polariteta. Iskrište šiljak-ravan ima najniži V50 i koristi se kao referentni. Kritični preskočni napon, V50, iskrišta šiljak-ravan za različite oblike naponskih valova i polaritete dat je na Sl. -14.

Slika -14. Kritični preskočni naponi iskrišta šiljak-ravan za razne oblike napona

Kritični preskočni napon V50 pri prenaponima sporog porasta čela može biti niži od preskočnog napona industrijske frekvencija za zračna iskrišta šiljak-ravan. Iz tog razloga zaštita od prenapona sporog porasta čela vala postaje vrlo važna za naponske sisteme iznad 345kV. Kritični preskočni napon za pozitivne impulse u funkciji dužine zazora (do 25 m) je,

)146.0ln(108050 +⋅=krU (.6)

koji je dat od strane komiteta CRIEPI-a [] za UHV naponske nivoe. Pri negativnim impulsima, zračno iskrište šiljak-ravan ima kvalitativno iste karakteristike kao pri pozitivnim impulsima uz izraz koji može dobro predstaviti ovisnost probojnog napona ovisno o dužini zazora između 2 i 14 m,

45.050 1180 dU kr ⋅= . (.7)

b) Iskrište vodič-ravan

11

Zračna iskrišta vodič-ravan pokazuju iste karakteristike kao i iskrišta šiljak-ravan pri čemu su preskočni naponi od 7 do 15% viši nego za iskrišta šiljak-ravan. Faktor iskrišta, k, bilo kojeg zračnog iskrišta je odnos između preskočnog napona zračnog iskrišta u odnosu na pozitivni preskočni napon zračnog iskrišta šiljak-ravan, sa zračnim iskrištima istih dužina zazora i podvrgnutih istom obliku prenapona sporog porasta čela. Pri tome se predpostavlja da je faktor iskrišta praktički neovisan o dužini razmotrenog zračnog iskrišta. Tabela II. daje faktore iskrišta, k, za razne tipove iskrišta.

Tabela II. Faktor iskrišta, k, za razne tipove iskrišta

Za zračne linije ili vanjske stanice, nije uvijek moguće pojednostaviti konfiguracije. Tabela III. daje faktore iskrišta, k, za neke realne konfiguracije sa dvjema procjenama: -prva (desna) sa približnim vrijednostima koje se mogu uzeti da su reda veličine, -druga (srednja) koja uzima u obzir sekundarne karakteristike stvarnih kontrukcija.

12

Tabela III. Faktori iskrišta, k, nekih stvarnih konfiguracija

Utjecaj izolatora Karakteristike iskrišta mijenjaju se prisustvom izolatora (izolatorskih lanaca ili štapnih izolatora). Tabela IV. daje usporedbu dielektrične čvrstoće zračnih iskrišta vodič-konzola sa i bez prisustva izolatora.

Tabela IV. Utjecaj prisustva izolatora na dielektričnu čvrstoću iskrišta vodič-konzola (suhi izolatori)

Polaritet Zračno iskrište bez izolatora Zračno iskrište sa 19 izolatora U50 (kV) z(%) U50(kV) z(%)

Pozitivan 1160 3.1 1132 4.2 Negativan 1478 1.3 1449 1

13

Utjecaj tipa vodiča

Faktor iskrišta, k, pripisan rastojanju d izmjerenom od ose snopa nešto je povećan sa brojem podvodiča, N, u skladu sa izrazom,

)2(01.0 −+= Nkk vodičsnopa . (.8)

Ovaj izraz je primjenljiv za broj podvodiča N=2-8 i rastojanja između podvodiča od oko 40-50cm.

Utjecaj visokonaponskih fitinga

Prisustvo VN fitinga, kao što su veza sa vodičem, ring za ekraniranje i sl., mijenjaju raspodjelu polja vodiča i smanjuju rastojanje od dijelova pod naponom prema konstrukciji. Faktori iskrišta iz Tab. 3., primjenjuju se na konstrukcije date na Sl. -15., pod uvjetom da je 1/d<0.2 i da se odnose na stvarno minimalno rastojanje d’<d.

Slika -15. Prikaz naponskih i uzemljivačkih fitinga.

Utjecaj uzemljivačkih fitinga

Utjecaj ovješenih šiljatih elemenata od struktura, slika 24., zanemariv je za V-konfiguracije, ako dužina lananca prelazi minimalno rastojanje d iskrišta. Za I-lance, faktor iskrišta koji se odnosi na rastojanje od vodiča prema konstrukciji, d, nešto je smanjen sa porastom dužine šiljka l’ prema izrazu,

d

lkk l

'4.00 −= − (.9)

koji vrijedi sve dok je l’/d<0.2.

Utjecaj oblika impulsa

Gore spomenuti faktori iskrišta obuhvaćaju kritične i standardne oblike impulsa. Ovisnost dielektrične čvrstoće o obliku impulsa jako je povezana sa razmotrenom konfiguracijom. Za prenapone sporog porasta čela, ovisnost kritičnog trajanja čela, Tkr, na gore spomenute parametre data je izrazom,

[ ] dkTkr ⋅−−= )1(3550 , (.10)

gdje je Tkr-kritično trajanje čela vala (µs), d-dužina zazora iskrišta (m), k-faktor iskrišta konfiguracije (1<k<1.8). Za procjenu međufazne dielektrične čvrstoće na prenapone sporog porasta čela, može se koristiti pristup faktora iskrišta sa kritičnim oblikom impulsa idealne međufazne konstrukcije. Prema ref. [] koristi se izraz za pozitivne impulse kritičnog oblika impulsa,

d

kUU8

1

3400)( 50

+=+ −+ (.11)

14

gdje su vrijednosti za k date u Tab. V., za α=0.33 i α=0.5 (−+

−

+=

UU

Uα ).

Tabela V. Faktor iskrišta za uobičajene međufazne konfiguracije

Konfiguracija α=0.5 α=0.33 Prsten-prsten ili velike ravne elektrode

Ukršteni vodiči

Šiljak-šiljak ili vodič-vodič (duž raspona)

Poduprijeđene sabirnice (fitinzi)

Asimetrična konfiguracija

1.80

1.65

1.62

1.50

1.45

1.70

1.53

1.52

1.40

1.36 Preskočni napon je sračunat iz izraza (.11)

Uvjeti okliša

Utjecaj zaprljanja na podnosivi napon.

Dielektrična čvrstoća pri prenaponima sporog porasta čela opada sa dužinom trajanja impulsa i prisustvom zaprljanja i vlage u odnosu na suhe uvjete, Sl. -16.

Slika -16. Preskočni napon pri prenaponima sporog porasta čela kapastih i potpornih izolatora u funkciji dužine izolatora

Smanjenje dielektrične čvrstoće ovisi o jačini zaprljanja, Sl. -17.

Slika -17. Preskočni napon pri prenaponima sporog porasta čela kapastih i potpornih izolatora

(j.v.) u suhim uvjetima u funkciji veličine zagađenja

15

Kada prenaponu sporog porasta čela vala prethodi uključenje na AC napon, nastaje smanjenje dielektrične čvrstoće u odnosu na slučaj samih prenapona sporog porasta čela i to izrazitije za negativni polaritet SI impulsa. Kada se prenapon sporog porasta čela vala pridoda AC naponu, nastaje slična situacija kao kada SI impulsima prethodi uključenje na AC napon. Prethodno naprezanje DC naponom prenaponima sporog porasta čela ima znaćajan utjecaj na smanjenje dielektrične čvrstoće, pri čemu je smanjenje čvrstoće tim veće što je veća amplituda prethodnog naprezanja DC naponom.

Utjecaj kiše

Kiša nema znaćajan efekat na dielektričnu čvrstoću zračnog iskrišta ni pri negativnom ni pri pozitivnom polaritetu, budući da se fizikalni proces pražnjenja ne mijenja. Međutim, nekada zbog strujanja vode, kiša može promijeniti oblik elektroda i na taj način umanjiti dielektričnu čvrstoću zračnog iskrišta. Kada su izolatori prisutni u zračnim iskrištima, mogu nastati kišne kaskade na rebrima koje utječu na promjenu mehanizma pražnjenja. Pražnjenje umjesto kroz zrak, prati rebra izolatora i preskače sa rebra na rebro. Preskočni napon ne ovisi o polaritetu sklopnih impulsa. Dakle, kiša ne smanjuje dielektričnu čvrstoću nekih konfiguracija (izolacioni lanci sa kapastim i potpornim izolatorima) koji imaju veliko rastojanje između rebara. Kod nosećih izolatora, smanjenje dielektrične čvrstoće može dostići i 30%, posebno ako je veliki faktor iskrišta u koji je smješten izolator.

Utjecaj snijega i leda

U praksi je evidentna linearna ovisnost između preskočnog napona pri sklopnim impulsima i dužine izolatora za izolatore okovane snijegom, Sl. -18.

Slika -18. Odnos preskočnog napona U50 pri sklopnim impulsima i dužine izolatorskog lanca

Odnos između preskočnog napona pri SI impulsu i dužine sniježnog okova izolatorskog lanca dat je na Sl. -19, pri čemu je vidljivo da minimalni preskočni napon leži između 60-80% sniježnog okova izolatora.

16

Slika -19. Odnos između U50 pri sklopnim impulsima i procenta okovanosti izolatorskog lanca snijegom

Utjecaj vlažnosti zraka na dielektričnu čvrstoću Efekti vlažnosti zraka važni su za ponašanje vanjske izolacije. Vlažnost djeluje na vjerovatnoću nastanka slobodnih elektrona, i što je još važnije, vlažnost mijenja vrijednosti električnog polja pri kojima nastaje ionizacija i difuzija, te stoga djeluje na formiranje gustoće iona dovoljne za formiranje streamera. 50% probojni napon pri proizvoljnim atmosferskim uvjetima vezan je sa vrijednošću pri standardnim uvjetima izrazom,

tkUkkUU 0210 == , (.12)

gdje je k1-korekcioni faktor gustoće zraka, k2=k⋅w-korekcioni faktor vlažnosti. Vrijednosti faktora k u funkciji apsolutne vlažnosti h i relativne gustoće zraka δ date su na Sl. -20.

Slika -20. k u funkciji odnosa apsolutne vlažnosti h i relativne gustoće zraka δ

Određivanje koeficijenta w u funkciji faktora g, koji se mijenja sa geometrijom elektroda i oblikom napona, definira se gradijentom prostiranja streamera od 500kV/m korigiranog za uvjete δ i k,

17

dk

Ug

⋅⋅⋅=

δ500, (.13)

gdje je d-dužina zazora iskrišta, U-50% probojni napon pri stvarnim atmosferskim uvjetima za istraživani oblik napona i konfiguraciju elektroda. Veza između w i g data je na Sl. -21. Veza w i g data je izrazima

8.0

)2.0( −=

ggw g<1 1=w 1<g<1.2

g

gw

66.0

2 −= 1.2<g<2 0=w g>2

Slika 21. Ovisnost w o g dobijena eksperimentalnim putem []

Utjecaj vlage na probojni napon za različita vremena trajanja čela i različite dužine zazora iskrišta šiljak-ravan dat je na slici 22

Slika 22. Probojni napon pri SI za različite dužine iskrišta i trajanja čela vala

Utjecaj gustoće zraka na dielektričnu čvrstoću

Utjecaj gustoće zraka na dielektričnu čvrstoću ovisi o obliku napona, polaritetu i geometriji konfiguracijei za neuniformna iskrišta je evidentno da: -potrebni gradijent za prostiranje pozitivnih streamera proporcionalan je gustoći zraka, -što je veći dio iskrišta obuhvaćen pozitivnim streamerima, veći je utjecaj gustoće zraka, -gustoća uvjetuje promjenu potrebnog gradijenta za prostiranje streamera i leadera i promjenu njihove relativne dužine. Primjer ovisnosti 50% probojnog napona za pozitivne i negativne SI impulse za konfiguraciju šiljak-ravan dat je na slici 23.

18

Slika 23. 50% probojni napon za SI u ovisnosti o obliku i polaritetu vala

Ovisnost 50% probojnog napona o gustoći zraka za SI impulse iskrište šiljak-ravan pozitivnog polariteta data je na slici 24.

Slika 24. 50% probojni napon za SI u ovisnosti od gustoće zraka za iskrište šiljak-ravan i vodič-prozor

Eksperimentalni rezultati na slici 25. daju vrijednosti eksponenta m u ovisnosti od g za različite oblike impulsa i konfiguracije iskrišta.

Slika 25. Eksperimentalne vrijednosti eksponenta m u ovisnosti od g

19

Dielektrična čvrstoća pri prenaponima brzog porasta čela vala

U praksi se mogu javiti prenaponi brzog porasta čela vala slični standardnom obliku atmosferskog impulsa (1.2/50µs), ali i oni nestandardnog oblika (odrezani, brzo rastućeg čela pri povratnom preskoku i dr.). Karakteristične veličine za dati oblik impulsa, iskrište i geometriju su: -vršna vrijednost napona koji uvjetuje pražnjenje u 50% slučajeva (U50) i konvencionalna devijacija z; -V-t karakteristika koja daje odnos maksimalno dostignutog napona prije preskoka, UB, i vremena do proboja, TB, slika 26.

Slika 26. V-t kriva za impulse konstantnog oblika

Standardni atmosferski impulsi

Iskustva iz prakse [] pokazuju odnos vrijednosti probojnog napona U50 za LI impulse u funkciji rastojanja iskrišta za konfiguracije šiljak-ravan i vodič-konzola, slika 27.

a) b) Slika 27. U50 za atmosferske impulse (LI) oblika 1.2/50µs za konfiguracije a) šiljak-ravan i b) vodič-konzola bez izolatora

Utjecaj geometrije iskrišta (rastojanje i konfiguracija) na E50 dat je na slici 28.

20

Slika 28. Ovisnost gradijenta (E50=U50/d) iskrišta za LI impulse od rastojanja iskrišta, za konfiguraciju šiljak-ravan bez izolatora pri pozitivnim i negativnim impulsima Za pozitivni polaritet, E50 ima vrijednost od oko 500kV/m neovisno od rastojanja. Za negativni polaritet, E50 je viši od onog za pozitivni polaritet i opada kada rastojanje iskrišta raste. Prisustvo izolatora u iskrištu znatno utječe na vrijednost U50. Za konfiguraciju šiljak-ravan, prisustvo kapastih i potpornih izolatora jako smanjuje probojni napon pri negativnom polaritetu. Korištenjem ringa za ekraniranje, utjecaj kapastih i potpornih izolatora se smanjuje. Odnos U50 pri LI impulsima za iskrišta šiljak-ravan i vodič-konzola sa i bez kapastih i potpornih izolatora dat je na slikama 29. i 30.

Slika 29. U50 za LI impulse za konfiguraciju Slika 30. U50 za LI impulse za konfiguraciju šiljak-ravan sa kapastim i potpornim izolato- vodič-konzola sa kapastim i potpornim izolato- rima u odnosu na U50 samog iskrišta rima u odnosu na U50 samog iskrišta Standardna devijacija, σ, jednaka je 3% za zračna iskrišta pri pozitivnim impulsima, a viša je za negativne impulse. Prisustvo izolatora povećava devijaciju od 5 do 9%. Primjeri V-t krivih dati su na slikama 31.-34. za različita iskrišta.

21

Slika 31. V-t kriva za LI impulse, iskrište Slika 32. V-t kriva za LI impulse, iskrište šiljak-ravan šiljak-šiljak

Slika 33. V-t kriva za LI impulse, iskrište Slika 34. V-t kriva za LI impulse, iskrište Štapni izolatorski lanac kapasti i potporni izolator

Nestandardni atmosferski impulsi

U večini slučajeva u praksi LI impulsi su nestandardnog oblika, tako da eksperimentalni rezultati ne mogu obuhvatiti sve moguće slučajeve. Na slici 35. dat je U50 probojni napon za razne konfiguracije i trajanja začelja impulsa.

Slika 35. U50 za razne konfiguracije u funkciji trajanja začelja LI impulsa Sa slike 35. vidljiv je utjecaj trajanja začelja na probojni napon. Maksimalni utjecaj odnosi se na iskrište šiljak-ravan sa pozitivnim polaritetom, dok je ovaj utjecaj manji sa negativnim polaritetom i višim faktorom iskrišta. Utjecaj zaprljanja na podnosivi napon

22

Prisustvo ovlaženog zaprljanog sloja može znaćajno djelovati na smanjenje dielektrične čvrstoćue pri LI impulsima. U praksi je znaćajno znati ponašanje zračne izolacije pri LI impulsima koji se primjenjuju sami ili pridodati sa AC naponima. Sami atmosferski (LI) impulsi

Podaci o preskočnom naponu U50 u funkciji dužine kapastih i potpornih izolatora odnose se na standardni oblik LI impulsa (1.2/50µs), slika 36.

Slika 36. U50 kapastih i potpornih standardnih izolatora i izolatora za maglu u uvjetima vlažnog zaprljanja u usporedbi sa suhim uvjetima

Na slici je vidljivo znaćajno smanjenje čvrstoće u prisustvu zaprljanja u odnosu na čiste izolatore. Povećanjem dužine izolatora, znaćajnije je smanjenje dielektrične čvrstoće do postizanja nelinearnih karakteristika. Zasićenje čini teškim održavanje podnosiviih napona izolatora na LI impulse viših od 3000 kV. Dielektrična čvrstoća izolatora standardnih oblika smanjena je za oba polariteta. Za izolatore za maglu, smanjenje dielektrične čvrstoće je veče za negativni polaritet koji predstavlja, stoga, najkritičniji slučaj. Utjecaj jačine zaprljanja Sdd na smanjenje dielektrične čvrstoće dat je na slici 37.

Slika 37. U50 za LI impulse kapastih i potpornih izolatorskih lanaca u funkciji veličine zaprljanja

Atmosferski LI impulsi pridodati na AC napon

Suhi pojasi na zaprljanim izolatorima uvjetuju najveće smanjenje impulsne dielektrične čvrstoće reda 30-40% u odnosu na čvrstoću dobijenu sa samim LI impulsima. Bez suhih pojasa, smanjenje dielektrične čvrstoće je reda 10-20%.

23

Utjecaj leda i snijega

Na slici 38. data je ovisnost U50 pri LI impulsima snijegom okovanog izolatora u funkciji dužine zazora iskrišta.

Slika 38. U50 za LI impulse snijegom okovanog izolatora u funkciji dužine zazora iskrišta

Vidljivo je znaćajno smanjenje preskočnog napona U50 za 30-50% u usporedbi sa slučajem bez snijega na izolatoru.

Utjecaj vlažnosti zraka na dielektričnu čvrstoću

Proboj pri pozitivnim LI impulsima manje je složen u odnosu na ostale naponske forme budući da dielektrična čvrstoća raste linearno sa rastojanjem elektroda u opsegu od 0.5 do 6m. Čvrstoća raste linearno sa vlažnošću (do d=4m). Proboj pri negativnim LI impulsima je složeniji. Utjecaj vlage je općenito manji nego za pozitivne LI impulse.

Utjecaj gustoće zraka na dielektričnu čvrstoću

Primjer ovisnosti U50 o gustoći zraka za standardne LI impulse pozitivnog polariteta dat je na slici 39.

Slika 39. U50 za standardni pozitivni LI impuls u funkciji gustoće zraka

Rezultati pokazuju linearnu ovisnost probojnog napona U50 od δ za LI impulse (m=1).