přeskočit na hlavní obsah

Elektrické stromečky – fenomén v elektroizolačních materiálech

/up/images/featured/images/adgagag.jpg

Úvod

Izolace – elektrická izolace, tvoří jednu z nejdůležitějších součástí všech elektrických zařízení. Oddělením míst s různým potenciálem umožňuje funkci všech elektrických strojů, přístrojů a zařízení. Obecně braný fakt, že elektrická izolace zabraňuje pohybu volných nosičů náboje, a izolací tak neprotéká žádný proud, je ovšem pouze velmi zjednodušující předpoklad. V elektrotechnické praxi, kde se návrhem elektroizolačních materiálů zabývá řada pracovišť po celém světě, se řeší mnoho dílčích nebo komplexních problémů, které vyplývají z fyzikálních vlastností látek a materiálů. Uplatňuje se zde řada fyzikálních jevů, jako jsou absorpční a resorpční proudy, polarizace, vznik prostorového náboje, vnitřní vodivost materiálů, povrchová vodivost, plazivé proudy, částečné výboje a mnoho dalších. Jedním z problematických jevů, který významným způsobem ovlivňuje spolehlivost elektrických zařízení, jsou elektrické stromečky (Electrical Treeing). Elektrické stromečky jsou útvary stromovitého nebo keřovitého tvaru (odtud název), které vznikají uvnitř elektroizolačního materiálu. Jedná se o degradační jev, který může vést až k průrazu elektrické izolace, a to při jmenovitých hodnotách intenzity elektrického pole (jmenovitém napětí zařízení). S tímto jevem se setkáváme např. u vysokonapěťových kabelů.

V materiálu elektrické izolace vlivem působení elektrického pole dostatečné intenzity vznikají vodivé cesty – kanálky směrem k místu s jiným elektrickým potenciálem. Dostatečná intenzita elektrického pole pro vytvoření elektrického stromečku vzniká na místě „ostré hrany“. To může být například přimíšená nečistota v materiálu nebo i vniknuvší ostrý předmět. Na takovém místě pak vzniká i při jmenovitém napětí dostatečná intenzita elektrického pole pro lokání výbojovou činnost a ostatní jevy popsané dále. Dostatečná (kritická) hodnota intenzity elektrického pole je pro každý materiál jiná. Velikost intenzity elektrického pole na sledované „ostré hraně“ (hrotu) se řídí vztahem:

E = –grad? (V·m–1)

Je tedy tím větší, čím je větší derivace potenciálu dle dané souřadnice v prostoru.

Stromečkovité kanálky mohou být duté (vyplněné plynem) nebo jsou tvořeny degradačními zplodinami, které vznikly rozkladem materiálu elektrické izolace. Tyto zplodiny jsou často elektricky vodivé. V dutině větve elektrického stromečku může být přítomna i kapalina. Tato kapalina může do materiálu difundovat, zatékat z okolí nebo může vzniknout uvnitř materiálu jako produkt chemických reakcí spojených s degradací, způsobených elektrickým polem.

Mechanismů, ke kterým zde dochází, je velké množství a je třeba je zkoumat případ od případu. Tak např. v elektroizolačním materiálu, který obsahuje makromolekulární struktury postavené na uhlíkových řetězcích, zůstává jako reziduum po degradaci uhlík (C), který vytváří druhotnou vodivost stromečkovitých struktur uvnitř materiálu.

Při vzniku stromečkovitých struktur hrají důležitou roli také částečné výboje. Částečnými výboji způsobená degradace dielektrik je následkem především dvou dějů: chemické degradace a fyzického ničení vlivem bombardování částicemi (ionty dusíku). Obecně přijatý proces stárnutí [4] je stručně popsaný v následujících bodech:
 Vodivost povrchu dutinky se zvyšuje probíhajícími reakčními mechanismy, působením vlhkosti a disociovaných produktů ze vzduchu. Povrchová vodivost se zvyšuje v krátkém čase po nastartování děje výbojové činnosti. Při bližším pozorování povrchu dutinky jsou často vidět kapénky.
 Pozorovatelná povrchová hrubost následkem bombardování nosiči náboje a ukládáním produktů vzniklých působením částečných výbojů.
 Aktivita částečných výbojů vedoucí k formování lokálních pevných produktů, jako jsou krystaly hydrátu kyseliny šťavelové.
 Prostor zvětšený o konečky krystalů vede k dalšímu zesílení lokálních částečných výbojů a je často vidět tvoření prohlubní. V těchto prohlubních začíná růst stromečku.
 Růst stromečku vedoucí až k průrazu.
 Zpočátku se chemické reakce odehrávají ve vlhkosti a v produktech odloučených ze vzduchu vlivem částečných výbojů. Výsledkem chemických reakcí jsou plynné, kapalné a pevné vedlejší produkty.

Plynné produkty: Garciův výzkum [4] pomocí techniky plynové chromatografie, plynných produktů ve stárnoucí buňce XLPE (zesíťovaný – Crosslinked Polyethylen) vystavené činnosti částečných výbojů, objevil velké množství uhlíkových monoxidů a uhlíkových dioxidů a velmi malé množství vodíku. Další experiment na složení plynů v elektrickém stromečku, ve kterém byly vytvářeny částečné výboje, byl měřen spektroskopickou metodou. Plyny nalezené při tomto experimentu byly opět oxidy uhlíku a vodík.

Kapalné produkty: Garcia a kolektiv [4] ukázal, že kapénky na povrchu XLPE se tvoří pouze tehdy, obsahujeli atmosféra vodu a jeli přítomný uhlíkový monoxid CO. Nalezené kapénky jsou směs jednoduchých organických sloučenin, jako kyselina mravenčí HCOOH, octová CH3COOH a další karboxylové kyseliny (obecný vzorec RCOOH). Dále Morshuis [4] ukázal, že jestliže jeden z prvků H, C nebo O není obsažen, žádné kapénky se neobjeví. Hudon [4] zkoumal kapénky tekutiny na povrchu epoxidu po působení částečných výbojů. Podstata těchto kapének byla shledána kyselá a iontovou chromatografií byl objeven glyoxylát, glycolát a formiát.

Jeden z hlavních efektů při vytváření tekutých produktů je silné zvýšení povrchové vodivosti dutinek. Tento efekt je způsoben vznikem elektrolytické povrchové vrstvy – růst vodivosti o šest až sedm řádů [4].

Pevné produkty se objevují po několika stovkách hodin působení částečných výbojů. Pevné produkty mají tvar krystalu a jsou tvořeny např. hydrátem kyseliny šťavelové ((COOH)2). Je zřejmé, že krystaly vznikají z již dříve vytvořených kapének, které jsou krystalizovány v místech dopadu částečných výbojů. Krystaly byly nalezeny pouze v případě, že v prostředí byly přítomny prvky H, C a O.

Bezporuchovost

Na elektroizolační systémy jsou kladeny vysoké nároky z hlediska provozní spolehlivosti, protože na mnoha vysokonapěťových izolačních systémech závisí bezporuchový přenos elektrické energie do míst odběru (domácnosti, výrobní podniky, nemocnice atd.). Izolační systém musí splňovat nejen náročná kritéria výborných elektroizolačních vlastností (rezistivita, ztrátový činitel, permitivita, průrazné napětí atd.), ale musí také odolávat vnějším vlivům, jako je teplota, působení chemických látek, plynných exhalací, slunečního záření a mechanických namáhání. Aby bylo splněno základní kritérium spolehlivosti, je třeba se intenzivně věnovat studiu jednotlivých degradačních mechanismů, které přicházejí u elektroizolačního materiálu v úvahu.

Modelový růst elektrických stromečků

Růst elektrického stromečku uvnitř izolace je nejčastěji popisován a modelován pomocí hrotu jehly a uzemněné elektrody, přiložených na krychličku epoxidové pryskyřice nebo zalitím do jejího objemu. Elektrický stromeček je vytvářen šířením vodivých cest elektroizolačním materiálem vlivem působení vnitřních částečných výbojů. Pozorovatelné vodivé cesty připomínají svým tvarem strom nebo keř. Zde je nutné upozornit na zjevný ekvivalent, ovšem v odlišném měřítku, při vytváření např. atmosférického výboje. Růst elektrického stromečku může být rozdělen do několika časových fází (obr. 1), které jsou obecně platné v různých elektroizolačních materiálech.

Fáze 1 nastává v okamžiku počátku růstu stromečku a toto stádium se dá detekovat jenom velmi citlivou technikou.

Fáze 2 nastává po vytvoření první větve stromečku. Z této první větve elektrického stromečku pak rostou další malé větve směrem k uzemněné elektrodě. Tato fáze končí dosažením uzemněné elektrody elektrickým stromečkem.

Průraz při dosažení první větve elektrody nenastává, protože malé větve mají tak malou vodivost, že proud jimi tekoucí je nedostatečný. Tyto malé větve mají v hlavních částech průměr menší než 10 µm a menší než 1 µm ve velmi tenkých špičkách [2].

Fáze 3 nastává v okamžiku prvního spojení elektrod a končí totálním průrazem dielektrika. V této části se stromeček rozvětvuje a rozšiřují se jeho kanálky na velikost větší než 10 µm. Tyto kanálky jsou již duté a jakmile jeden kontinuálně dutý kanálek dosáhne uzemněné elektrody, dochází k totálnímu průrazu dielektrika (obr. 2). Zmíněné kanálky zapříčiňují výboje o zdánlivém náboji mezi 50 až 220 pC [1].

Na obr. 2 jsou vzorky na konci experimentu popsaném v dalším textu. Jsou zde dobře patrné jednotlivé větve elektrického stromečku, které se vytvořily během expozice napětím. V horní části obrázku se nacházejí hroty, na které bylo přiváděno napětí. V dolní části byla umístěna zemnicí elektroda. Ve středu vzorků na obr. 2 je vidět výsledný průrazný kanálek.

Experiment

Předmětem experimentu bylo zjistit vliv izolačního materiálu – slídové pásky pro vysokonapěťové izolační systémy, na rychlost růstu elektrického stromečku. Slídová páska byla použita jako dielektrická bariéra. Prostředím, kde stromeček vznikal, byla epoxidová pryskyřice. Transparentnost pryskyřice umožňuje dobrou pozorovatelnost růstu elektrických stromečků.

Vzorky

Pro účely experimentu bylo vyrobeno deset vzorků (viz obr. 3 a obr. 4). Základem každého vzorku byla slídová páska, která byla zalita do epoxidové pryskyřice společně s hrotem, na který bylo přiváděno napětí. Hrot byl od slídové pásky vzdálen 5 mm (průměr hrotu 0,4 mm, zkosení lineární od špičky do 1,9 mm délky). Použita byla maloviskózní zalévací elektrotechnická pryskyřice typu EC141 spolu s aminovým tužidlem W241. Obě složky byly důkladně promíchány pomocí magnetické míchačky v poměru 1:2 (260 ml EC141 a 130 ml W241). Takto vytvořená čirá epoxidová hmota byla vytvrzována za teploty 23 °C po dobu 46 h. Formu na vzorky tvořily k tomuto účelu vytvořené hliníkové formičky. Prostorové uspořádání experimentálního vzorku je uvedeno na obr. 3, uspořádání testovaných izolačních pásek na obr. 4.

Sledované materiály

Pro experiment bylo použito pět druhů slídových pásek: Kalastik 45.000, Kalastik 45.001, Kalastik 45.002, Relanex 45.017 a Relanex 45.033 od výrobce Cogebi, a. s. Každá páska byla použita ve dvou vzorcích (tj. četnost byla 2). Rozměr pásek byl zvolen 40 × 25 mm. Jednotlivé tloušťky izolačních pásek jsou uvedeny v tab. 1.

Veškeré namáhání vzorků bylo prováděno na zařízení pro řízenou degradaci vzorků do 24 kV/50 Hz umístěném v laboratořích Fakulty elektrotechnické ZČU v Plzni. Podrobný průběh experimentu je patrný z vývojového diagramu (obr. 5). U každého materiálu je uveden čas průrazu t, popř. doba viditelného počátku růstu stromečku tz. Podbarvení plochy daného materiálu pásky v diagramu určuje, zda stromeček rostl materiálem bariéry a vedl tedy k průrazu pásky, nebo rostl podél pásky a způsobil vodivé spojení se zemní elektrodou okolní pryskyřicí.

Jednalo se tedy o experiment, kde začátek růstu stromečku byl iniciován zvýšením napětí přiváděného na vzorek. Obecně nelze stanovit pro příslušné napětí čas, při kterém elektrický stromeček vznikne, ani dobu do průrazu elektroizolačního materiálu. Z praxe víme, že k růstu elektrického stromečku dochází při jmenovitém napětí při normálním provozu elektrického zařízení. Jedná se tedy o značně nižší hodnotu napětí, než je pro materiál stanovené okamžité průrazné napětí Up (kV). Vznik elektrických stromečků byl při experimentu urychlen vyšší hodnotou přiloženého napětí. Zároveň byl shora omezen jednak možnostmi zdroje pro dlouhodobé zkoušky, jednak velikostí vzorků. Cílem experimentu bylo prokázat schopnost izolačních pásek pro velké točivé stroje bránit šíření již vzniklého elektrického stromečku. Ten byl vyvolán právě v použité pryskyřici.

Zhodnocení experimentu

Provedený experiment potvrzuje předpoklad, že růst stromečku je druhem materiálu bariéry ovlivňován. Jedná se o první nahlédnutí do problematiky vzniku a šíření elektrických stromečků v izolačních páskách pro točivé stroje. Zatím není možné získané výsledky plně zobecnit. Na základě tohoto experimentu byly získány dílčí znalosti o vlivu materiálu (složení) bariéry na růst elektrického stromečku. Ověřen byl vliv prostorového uspořádání, tvaru elektrody a tloušťky bariéry na „keřovitost“ elektrického stromečku. Dále byly zjištěny vhodné rozměry vzorku pro testovací napětí tak, aby mohl být na základě získaných dat postaven další experiment, jehož cílem budou vstupní informace pro konkrétní předpověď vzniku elektrického stromečku při daném napětí, rozměru elektrické izolace a tvaru elektrody („ostré hrany“ – viz úvod). Tento úkol bude značně složitý, jelikož se jedná o multidimenzionální úlohu, kde roli hraje přiložené napětí, resp. intenzita elektrického pole, geometrické uspořádání, tvar elektrody, struktura a složení elektroizolačního materiálu.

V průběhu experimentu bylo zjištěno, že čím větší je tloušťka materiálu bariéry, tím více se stromeček větví (je keřovitý). Doba průrazu vzorku je poté závislá na vzdálenosti, kterou musí stromeček urazit od napájecí elektrody k zemnicí elektrodě. Dle předloženého experimentu byly nejlepší výsledky z hlediska izolačních vlastností dosaženy s páskami Relanex obecně a Kalastik 45.000, kde se průraz šířil pryskyřicí. Je to dáno jejich lepšími elektroizolačními vlastnostmi, resp. větší tloušťkou vrstev oproti vzorkům s Kalastikem 45.001 a 45.002, kde nastal průraz pásky relativně za krátkou dobu.

U třech vzorků nedošlo k růstu stromečků vůbec. Pro ostatní vzorky platí, že ca po deseti hodinách od viditelného začátku růstu stromečku tz došlo k jejich průrazu.

Ukázka vlivu překrytí je uvedena na obr. 6. Obr. 7 obsahuje ukázky elektrických stromečků, které vznikly v průběhu experimentu.

Závěrečné diskuze – materiál odolávající částečným výbojům

Pro potlačení štěpení molekulárních řetězců materiálu při srážce s nabitými částicemi jsou používány příměsi z anorganických částic s vysokou intermolekulární vazební energií. Např. v případě lakového povrchu vodiče jsou používány částice oxidů kovů o velmi malé velikosti, řádově µm. Schéma tohoto způsobu potlačení eroze ochranného laku je na obr. 8. V anorganickoorganickém kompozitním materiálu prochází nabité částice okolo anorganických složek a kolidují s organickým materiálem. V tomto případě je prodloužena creeping vzdálenost (nejkratší vzdálenost mezi dvěma body povrchu izolačního materiálu) a kolizní energie nabitých částic je významně snížena odrazem a rozptýlením. Díky těmto jevům je následně potlačena eroze izolačního materiálu. Další hledisko použití anorganických složek o velmi malé velikosti je možnost zvýšit plochu povrchu na jednotku hmotnosti, a tím napomoci ke značnému zvýšení creeping vzdálenosti. Snižováním diskrétní velikosti přidaných částic není zaručeno zlepšení finálních vlastností. Vyvstává zde problém dobré disperze částic v objemu materiálu [8].

Obecně lze zvyšovat odolnost materiálu proti částečným výbojům zvyšováním obsahu anorganické složky, ale bohužel na úkor snížení mechanické pevnosti.

Poděkování

Práce vznikla v rámci řešení výzkumného záměru MSM 4977751310 – Diagnostika interaktivních dějů v elektrotechnice řešeného na pracovišti autorů.

doc. Ing. Pavel Trnka, Ph.D., Ing. Josef Pihera, Ph.D., Ing. Martin Širůček, Fakulta elektrotechnická ZČU v Plzni

Literatura
[1] VOGELSANG R. – FRUTH B. et. al.: Detection of electrical tree propagation by partial discharge measurements. European Transactions on Electrical Power. Volume 15, Issue 3, s. 271–284.
[2] MENTLÍK V. a kol.: Diagnostika elektrických zařízení. BEN, Praha 2008, ISBN 9788073002329.
[3] Materiály firmy Cogebi, a. s., http://www.cogebi.com
[4] PETER H. – MORSHUIS F.: Degradation of Solid Dielectrics due to Internal Partial Discharge. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. Vol. 12, No. 5, October 2005.
[5] VOGELSANG R. – FRUTH. et. al.: Detection of electrical tree propagation by partial discharge measurements. European Transactions on Electrical Power. ETEP. 15, pp. 1–14, (DOI: 10.1002/etep.60), John Wiley & Sons, Ltd., 2005.
[6] MENTLÍK V.: Dielektrické prvky a systémy. BEN – Technická literatura, ISBN 8073001896, Praha 2006.
[7] DISSADO A. L. – FOTHERGILL C. J.: Electrical Degradation and Breakdown in Polymers. IET, ISBN 0863411967, Stevenage 1992.
[8] http://www.eeh.ee.ethz.ch
[9] KIKUCHI H. – YUKIMORI Y. – ITONAGA S.: InverterSurgeResistant Enameled Wire Based on Nanocomposite Insulating Material. Hitachi Cable Review, No. 21, 2002.

Obr. 1. Fáze růstu elektrického stromečku v izolaci [1], [2]
Obr. 2. Elektrické stromečky v testovaných vzorcích
Obr. 3. Prostorové uspořádání experimentálního vzorku
Obr. 4. Uspořádání testovaných izolačních pásek
Obr. 5. Vývojový diagram průběhu experimentu
Obr. 6. Růst stromečku směrem k zemnicí elektrodě (vlevo), směr růstu stromečku k oblasti překrytí (vpravo
Obr. 7. Ukázky elektrických stromečků vzniklých v průběhu experimentu
Obr. 8. Mechanismus potlačení eroze (převzato z [9])

Tab. 1. Tloušťky pásek jednotlivých vzorků [3]

převzato z časopisu Elektro

Líbil se vám článek?

ano: 199     ne: 206

Doporuč


 

Poslat známému


logo © 2007 4-INDUSTRY, s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Ochrana údajů –  Podmínky při poskytování služeb