Φαινόμενα διασπάσεως σε στερεά μονωτικά υλικά: μελέτη διαδόσεως ηλεκτρικών δενδριτών

Abstract

In the present Ph.D thesis electrical treeing was studied in the interior of solid insulating materials. Electrical trees (or dendrites) are the main causes of the deterioration of the insulating capability of the dielectrics. Electrical trees with partial discharges are phenomena strongly related with the dielectric breakdown of the insulating material which result to the total loss of its insulating capability. The role of air slots and voids, insulating and conducting particles included inside the main solid insulating material are studied in the present thesis relating with electrical tree propagation. Additionally, with the aid of the Partial Differential Equation Toolbox (PDE) of MATLAB, space charge density is considered uniformly distributed inside the solid insulating material and equations Laplace and Poisson are solved with the absence and the presence of space charges respectively. Simulations of electrical tree propagation took into consideration a small variation of the dielectric constant which results to a relative variation of the electric strength E at various crucial regions inside the solid dielectric (e.g. at the tip of the needle). Needle-plane and plane-plane electrode arrangement is used in order to simulate the electrical tree propagation. Moreover, in the present thesis an attempt to comment Pedersen’s model for partial discharges and Zeller’s papers about space charge regions is made. Finally the experimental setup, used for studying of electrical tree propagation in Electric Energy Systems Laboratory of Democritus University of Thrace, is analysed and the electrical tree propagation inside PMMA is presented.

Στη διδακτορική διατριβή έγινε μελέτη των ηλεκτρικών δενδριτών στο εσωτερικό των στερεών μονωτικών υλικών. Οι ηλεκτρικοί δενδρίτες αποτελούν μια πολύ σημαντική αιτία υποβάθμισης της μονωτικής ικανότητας των διηλεκτρικών. Μαζί με τις μερικές εκκενώσεις, αποτελούν πρόδρομα φαινόμενα για την ολική διηλεκτρική κατάρρευση του μονωτικού υλικού που οδηγεί φυσικά στην οριστική απώλεια της μονωτικής του ικανότητας. Στη διατριβή, έγινε προσπάθεια να μελετηθεί ο ρόλος των σχισμών αέρος, των μονωτικών σωματιδίων και των αγώγιμων σωματιδίων στο εσωτερικό των στερεών μονωτικών υλικών σε σχέση πάντα με τη διάδοση των ηλεκτρικών δενδριτών. Επιπρόσθετα, με τη βοήθεια της εργαλειοθήκης των μερικών διαφορικών εξισώσεων του MATLAB (Partial Differential Equation Toolbox), τα φορτία χώρου ελήφθησαν υπόψη στην επίλυση των αντιστοίχων εξισώσεων για τον υπολογισμό του ηλεκτρικού πεδίου (Εξισώσεις Laplace και Poisson για απουσία και παρουσία φορτίων χώρου αντίστοιχα). Οι προσομοιώσεις διάδοσης των ηλεκτρικών δενδριτών σε διατάξεις ακίδας-πλάκας και πλάκας-πλάκας (επίπεδα ηλεκτρόδια) λαμβάνουν υπόψη μια τοπική διηλεκτρική διακύμανση της διηλεκτρικής σταθεράς, η οποία και υπεισέρχεται στον υπολογισμό του ηλεκτρικού πεδίου, όπως αυτό υπολογίζεται σε διάφορα κρίσιμα σημεία (π.χ. στην άκρη του δενδρίτη) στο εσωτερικό του στερεού μονωτικού υλικού. Επίσης, στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, έγινε προσπάθεια να φωτιστούν περισσότερο τα μοντέλα και οι εργασίες των Pedersen για τις μερικές εκκενώσεις και Zeller για την περιοχή των φορτίων χώρου (FLSC). Τέλος αναλύεται η πειραματική διάταξη που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο Σ.Η.Ε. του Δ.Π.Θ. και παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα εμφάνισης ηλεκτρικού δενδρίτη σε PMMA.