Visokonaponski izolatori

198

ranije izneseni kriteriji egzistencije parcijalnog luka određivati visinu prijeskočnog na-pona. Ako je, međutim, kriterij egzistencije zadovoljen na nižem naponu nego kriterij širenja luka, onda će prijeskočni naponi dobiveni njegovom primjenom8, 9, 11, 12, 17 imati vrijednosti što su znatno niže u odnosu na eksperimentalno dobivene vrijednosti. Mjerenja brzine pražnjenja obavljena na Massachusetts Institute of Technology

20 po-kazuju da ona može dostići vrijednosti od preko 20.000 m/s. Ovako velike brzine ne mogu se objasniti nikakvim drugim procesima nego ionizacijom zraka u predjelu ispred vrha pražnjenja što potvrđuje osnovanost hipoteze koju je postavio Baghdadi, a dalje razradili Wilkins i Baghdadi19.

4.1.5.1.2 Luk izmjenične struje

S obzirom da je u slučaju izmjeničnog napona riječ o drugim uvjetima gorenja luka, jasno je da će i uvjeti pojave totalnog prijeskoka ovdje biti drukčiji od onih što se imaju u slučaju priključka istosmjernog napona. Pošto se luk izmjenične struje gasi kad struja prolazi kroz nulu, jasno je da će uvjet egzistencije ovdje biti povezan s ponovnim palje-njem luka, što je naravno jedna posve drukčija situacija u odnosu na onu što smo je upra-vo razmatrali. Ponovno paljenje luka koje slijedi nakon nule struje može se grubo podijeliti na ener-getski i dielektrički proboj. Energetski proboj događa se kad rezidualni lučni razmak više nije kadar rasipati energiju zbog protjecana rezidualne struje u plazmi koja je još uvijek vodljiva. Ovaj se tip proboja normalno događa u neposrednoj blizini strujne nule i obično je praćen velikim stupnjem porasta povratnog napona. Dielektrički proboj, s dru-ge strane, normalno se događa u kasnijoj fazi: nakon što je rezidualni stupac izgubio svoju električnu vodljivost i kada se može tretirati kao topli gas. Dielektrički proboj do-gađa se u uvjetima kad trenutna vrijednost povratnog napona premašuje dielektričku čvrstoću stupca i za njega je tipičan relativno nizak povratni napon. Energetski proboj može se izučavati pomoću dinamičke jednadžbe koja opisuje interakciju između ispitnog kruga i rezidualnog luka, dok je dielektrički proboj baziran na toplinskom razaranju rezidualnog toplog gasa. Jasno je, prema tome, da se ima bitno drukčija situacija od one što odgovara uvjetima podržavanja luka jednosmjerne struje.

(i) Model ponovnog paljenja – energetski aspekt Za opisivanje dinamičkog luka Maikopar21 je koristio Mayrovu jednadžbu22 i Brow-nov23 kritični uvjet za energetski proboj. Promatrajući luk koji gori u seriji s otporom preostalog vlažnog sloja, korištenjem ovog pristupa dobije se slijedeća relacija između kritičnog napona potrebnog za održavanje luka izmjenične struje maksimalne vrijednosti struje Im i duljine luka x.

mc I

x2080U = . (4.27)

To praktički znači da bi za luk s duljinom 1 cm i strujom od 1A (maksimum) za nje-govo održavanje bilo potrebno 2080 V. Mjerenja što ih je napravio Claverie24 govore da

Problem zagađenja

199

je zapravo potrebno 940 V, a kasnije su Claverie i Porcheron25 dobili nižu vrijednost od 800 V.

(ii) Model ponovnog paljenja – dielektrički aspekt

Ovaj model, uveden od Rizka26, baziran je na pretpostavci da u dijapazonu strujâ od interesa, tj. od 50 mA do 1A, električka vodljivost rezidualnog luka praktički iščezava u strujnoj nuli. Rezidualni procjep tretiran je kao topli gas cilindrične geometrije hlađen termičkom kondukcijom od početne temperature 3000oC. Uloga prirodne konvekcije uzeta je tako što je svedena na određivanje graničnog radijusa slobodnogorećeg luka koji se može odrediti iz Maeckerovog rješenja27 za stacionarno stanje korištenjem voltamper-ske karakteristike kao graničnog uvjeta. Kombiniranjem ovisnosti dielektričke čvrstoće o lučnom rastojanju26 s jednadžbom izmjeničnog kruga u kojemu se ima luk u seriji s uniformno raspoređenim zagađenjem čiji je specifični otpor po jedinici duljine rp, dobivena je ovisnost kritičnog gradijenta Ec o ovom otporu28:

Ec = 23 rp0,40 (Vpeak/cm). (4.28)

Na Sl. 4.15 prikazana je usporedba rezultata dobivenih prema izrazu (4.28) i eksperi-mentalno utvrđenih rezultata za nekoliko realnih izolatora; prikazana je također i kriva što se odnosi na rezultate dobivene primjenom modela istosmjernog luka (izraz – 4.17).

Sl. 4.15 Usporedba rezultata dobivenih primjenom matematičkih modela

s eksperimentalno dobivenim rezultatima28

VKL 75/14 (dugi štapni porculanski izolatori)Porculanski cilindriVKLS 75/21 (dugi štapni porculanski izolator)Kapasti PFE 11

0 2000 4000 6000

200

400

600

800

1000

1200

izraz (4.28)

izraz (4.17)

r ( /cm)p Ω

U/L

(V

/cm

)c

VKL 75/14 (dugi štapni porculanski izolatori) Porculanski cilindri VKLS 75/21 (dugi štapni porculanski izolator) Kapasti PFE 11

izraz (4.28)

izraz (4.17)

rp (Ω/cm)

Uc/

L (

V/c

m)

Visokonaponski izolatori

200

(iii) Modeli bazirani na eksperimentima Modeli o kojima je ovdje riječ ne pozivaju se niti na jedan fizikalni mehanizam pu-tom kojeg se održava električki luk (naprimjer energetski ili dielektrički proboj) nego su bazirani isključivo na rezultatima eksperimenata. Hurley i Limbourn29 bazirali su svoj model na empirički ustanovljenoj relaciji izme-đu minimalnog napona potrebnog za održavanje luka izmjenične struje u razmaku štap- -štap, duljine x, u seriji s otporom Rp: Ucx = const x2/3Rp

1/3 (4.29) Posebice zanimljivu stvar u ovom modelu predstavlja činjenica da minimalni kritični (prijeskočni) napon ovisi i o kliznoj stazi L, i o minimalnom lučnom rastojanju La: Uc = const rp

1/3 La2/3 . L1/3, (4.30)

što može biti vrlo korisno kod uspoređivanja stvarnih izolatora koji imaju različite od-nose L/La. Model razvijen od Claverie-a24, kasnije neznatno modificiran od Claverie-a i Porche-rona25, baziran je na mnogobrojnim mjerenjima na pojednostavljenim modelima i realnim izolatorima prekrivenim vještački i prirodno nanesenim slojevima zagađenja na osnovi kojih je ustvrđeno: • Ponovno paljenje luka izmjenične struje događa se jedino ukoliko je zadovoljen uvjet:

MI

x940U ≥ (4.31)

U – maksimalna vrijednost priključenog izmjeničnog napona, V; x – duljina luka, m; IM – maksimalna vrijednost puzajuće struje, A.

• Napon luka izmjenične struje koji gori između metalne elektrode i drugog korijena što se nalazi na površini izolatora prekrivenoj slojem mokrog zagađivača može se odre-diti pomoću približne relacije:

M

aI

x100U ≅ . (4.32)

Na Sl. 4.16 prikazana je, u svrhu usporedbe, prava linija što odgovara znaku jedna-kosti u jednadžbi (4.31) zajedno s rezultatima dobivenim eksperimentalno na različitim vrstama realnih izolatora.

Problem zagađenja

201

Sl. 4.16 Usporedba rezultata eksperimenta i

prave koja odgovara jednadžbi (4.31)30

Jednadžba (4.31) kasnije25 je modificirana u jednadžbu:

.I

x800U

M

≥* (4.33)

Kombinirajući jednadžbu ekvivalentnog kruga (Sl. 4.7):

)x(FI

x100I)x(R

I

x100U pp ρ+=+= , (4.34)

gdje je:

ρ – specifični volumni otpor uniformnog sloja zagađenja, Ωcm; Fp(x) – funkcija raspodjele sloja zagađenja; Rp = ρFp(x) – otpor u seriji s lukom, Ω, (karakteristična funkcija sloja zagađenja);

i jednadžbu (4.33), ustvrđuje se da u slučaju kad se na izolator priključi napon U, luk neće prijeći duljinu xM, tako da je: U = 90 xM

2/3 Rp(xM)1/3

2

MM U

x800I

= , (4.35)

pri čemu IM predstavlja maksimalnu vrijednost puzajuće struje.

––––––– * Ukoliko nas zanimaju vrijednosti minimalnog, a ne srednje vrijednosti kritičnog napona, smat-

ra se30 da konstanta što figurira u izrazima (4.31) i (4.33) treba biti dalje reducirana – na prib-ližnu vrijednost 700.

Eksperimentalni rezultati: kapasti izolatori dugi štapni izolatori porculanski cilindar

XM (cm)

U I

M1/

2 (VA

1/2 )

Visokonaponski izolatori

202

Ako se napon priključen na izolator progresivno povisuje, doći će do kontinuiranog porasta duljine luka (vidi 4.34). Postoji, međutim, kritični napon Uc čija vrijednost ne može biti premašena bez da se dogodi prijeskok zbog praktički trenutačnog produljenja luka. Ovom kritičnom ili prijeskočnom naponu odgovaraju kritična duljina luka xc i kri-tična puzajuća struja Ic, definirane slijedećim jednadžbama.

2

c

cc

3/1cp

3/2cc

U

x800I

)x(Rx90U

=

=

(4.36)

pri čemu se xc dobije kao rješenje jednadžbe:

[ ] 0)x(Rxdx

dp

2= . (4.37)

Prema tome, ukoliko je poznata karakteristična funkcija sloja zagađenja za dani izo-lator, Rp(x), na osnovi jednadžbi (4.36) moguće je izračunati vrijednosti kritične struje i prijeskočnog napona. Na taj način se ustvrđivanje performansi izolatora instaliranih u uvjete zagađene atmosfere svodi na određivanje funkcije Rp(x). Funkciju Rp(x) moguće je odrediti direktnim mjerenjem pomoću sondi postavljenih na različitim tačkama na površini izolatora24 (težak postupak koji ima samo teorijski značaj) ili indirektnim postupkom koji je baziran na relacijama:

MM

MM

I

U88.0)x(R

800

IUx

=

=

(4.38)

izvedenim iz sistema jednadžbi (4.35). Da bi se odredila funkcija Rp(x) potrebno je samo izmjeriti maksimum puzajuće stru-je, IM, za nekoliko različitih vrijednosti priključenog napona. Na Sl. 4.17 prikazane su karakteristične funkcije za dva tipa kapastih izolatora (stan-dardni disk – (a) i antimagleni disk – (b)) koje se odnose na različite uvjete prirodnog zagađenja. Rezultati su dobiveni indirektnim mjernim postupkom u uvjetima laboratorij-skog vlaženja prirodno kontaminiranih izolatora. Za slučaj ravne ploče duljine L na kojoj se nalazi uniformno raspoređen zagađivač, čiji je specifični otpor po jedinici duljine izolatora rp, primjenom jednadžbe (4.37) dobi-vamo da kritična duljina luka iznosi:

.L3

2x c =

Problem zagađenja

203

Nakon uvrštavanja ove vrijednosti u izraz (4.36) imat ćemo da prijeskočni napon iz-nosi: Uc = 47,6 rp

1/3 L. Primjetimo da se primjenom gornjeg izraza dobivaju niže vrijednosti prijeskočnih napona u odnosu na one što ih daje Rizkov model – jednadžba (4.28).

Sl. 4.17 Karakteristične funkcije sloja zagađenja za različite uvjete prirodnog zagađenja25

(a) • Martigues – Ponteau (morska sol)

+ Carling (industrijsko zagađenje)

• Sollac (industrijsko zagađenje)

(b) • Martigues – Ponteau (morska sol)

+ Gosnay (industrijsko zagađenje)

Jedna od veoma bitnih pretpostavki kod formuliranja jednadžbe kruga u prethodno opisanim matematičkim modelima (i istosmjerne i izmjenične struje) je da se prije dos-tizanja kritičnog uvjeta luk kreće malom brzinom. Jedino se tako može opravdati primjena kvazistacionarne analize. U protivnom bi u jednadžbu kruga morali uvesti ekvivalentni pad napona koji odgovara energiji utrošenoj za njegovo produljenje31.

4.1.5.1.3 Rezime analize opisanih modela

Analiza prikazanih matematičkih modela prijeskoka u uvjetima zagađene atmosfere omogućuje da se izvuku slijedeći zaključci: 1. Kriteriji za održavanje luka izmjenične i luka istosmjerne struje što gori na površi-ni izolatora instaliranih u uvjete zagađene atmosfere bitno su različiti i potrebno ih je promatrati odvojeno.

1

2

3

5 10 15 20

100

150

50

0

1

2

5 10 15

150

50

0

100

200

x (cm) x (cm)

R (

k)

Ω

R (

k)

Ω

Visokonaponski izolatori

204

2. Uvjet za održavanje istosmjernog luka i Hamptonov kriterij za kretanje luka su identični za izolatore s ravnomjerno raspoređenim zagađivačem. 3. Modeli koji objašnjavaju održavanje luka izmjenične struje mogu se podijeliti na energetski model i dielektrički model. Za realno izabrane parametre, energetski model daje suviše visoke vrijednosti naprezanja potrebnih za održavanje luka, dok dielektrički model daje zadovoljavajuće slaganje s eksperimentalnim rezultatima. 4. Kritična naprezanja kod izmjeničnog napona dobivena iz dielektričkog modela i potvrđena eksperimentom znatno premašuju odgovarajuća naprezanja kod istosmjernog napona na istim izolatorima pa, prema tome, i naprezanja što ih specificira Hamptonov kriterij kao nužan kriterij za kretanje luka, istosmjerne struje. 5. Opisani matematički modeli prijeskoka u uvjetima zagađenja predstavljaju moćno oružje za preliminarno utvrđivanje prijeskočnih naprezanja i kritičnih struja izolatora in-staliranih u uvjete zagađene atmosfere, kao i sredstvo za racionalizaciju eksperimenata koji se provode u svrhu istraživanja mehanizma prijeskoka. Oni, međutim, još uvijek nisu kadri zamijeniti laboratorijska ispitivanja koja i dalje predstavljaju prijeko potrebno sredstvo za utvrđivanje podataka mjerodavnih za dizajniranje izolacije. 6. Prikazani modeli daju izraze za kritični napon i struju samo na bazi vodljivosti za-sićenog sloja zagađenja i osnovnih dimenzija izolatora. Prema tome nisu kadri uzeti u obzir i slijedeće aspekte:

• realna geometrija izolatora; • utjecaj vrste zagađenja i raspodjele zagađivača po površini izolatora; • utjecaj načina primjene napona (naprimjer postupno podizanje napona, konstan-

tan napon, iznenadno priključenje i sl.); • utjecaj načina vlaženja površine izolatora; • utjecaj parametara izvora.

4.1.5.2 Model prijeskoka preko površine izolatora koja je hidrofobična

i u uvjetima zagađene atmosfere

4.1.5.2.1 Opća razmatranja

Ova razmatranja odnose se na, kao što smo to već kazali, danas jedinu familiju ma-terijala koji pokazuju svojstvo transfera hidrofobičnosti kroz sloj zagađenja – silikonske gume. U slučaju da se radi o dobro odabranom dizajnu izolatora, površinska energija sloja što se nataložila na površini izolatora s kućištem od silikonske gume (isto vrijedi i za porculanska kućišta presvučena tankim slojem silikonske gume) ograničava intenzitet puzajuće struje na vrijednosti što su tipično za jedan red veličine, niže od vrijednosti koje su registrirane kod konvencionalnih izolatora. Radi ilustracije gornjih konstatacija, prikazat ćemo rezultate mjerenja (Sl. 4.18) puzajuće struje što su obavljena u uvjetima olujnih vjetrova s mora u ispitnoj stanici u Annebergu (Sweden)32 na izolatorima čije su karakteristike prikazane u Tabeli 4.2.

Problem zagađenja

205

Tabela 4.2: Karakteristike ispitivanih izolatora

Karakteristika 1 2 3 4

Materijal

HTV SIR*

HTV SIR

Porculan Porculan pre-svučen slojem RTV SIR**

Ukupna duljina (mm) 1398 1624 1360 1465

Lučno rastojanje (mm) 1055 1136 1246 1341

Klizna staza 3590 2244 3910 3700

Broj rebara (veliko/malo) 15/14 24 24 18/17

Razmak između rebara (mm) 35 45 46 30/39

Dijametar rebara (mm) 170/130 97 202 175/145

Dijametar jezgre (mm) 41 29 75 75 * HTV SIR – silikonska guma vulkanizirana na visokoj temperaturi ** RTV SIR – silikonska guma vulkanizirana na sobnoj temperaturi

Sl. 4.18 Rezultati mjerenja puzajuće struje i relativne vlažnosti u uvjetima olujnih vjetrova s mora

u ispitnoj stanici u Annebergu32 za izolatore iz Tabele 4.2.

(a) izolator br. 1; (b) izolator br. 2; (c) izolator br. 3; (d) izolator br. 4

VRIJEME (dani) VRIJEME (dani)

PUZ

AJUĆ

A S

TR

UJA

(m

A)

PUZ

AJUĆ

A S

TR

UJA

(m

A)

RELATIVNA VLAŽNOST (%) RELATIVNA VLAŽNOST (%)

VRIJEME (dani) VRIJEME (dani)

PUZ

AJUĆ

A S

TR

UJA

(m

A)

RELATIVNA VLAŽNOST (%) RELATIVNA VLAŽNOST (%)

PUZ

AJUĆ

A S

TR

UJA

(m

A)

(a) (b)

(c) (d)

Visokonaponski izolatori

206

Kao što se vidi sa Sl. 4.18 izolator br. 1, s kućištem od silikonske gume vulkanizirane na visokoj temperaturi, čija specifična klizna staza iznosi 27,6 mm/kV, pokazuje veliku površinsku otpornost, a maksimalne vrijednosti impulsa puzajuće struje ne prelaze 2mA. S druge strane, na izolatoru br. 2, koji ima kućište od iste silikonske gume, ali specifičnu kliznu stazu koja iznosi svega 17,3 mm/kV i posve drugi dizajn, registrirani su impulsi puzajuće struje od 25 mA i zapažena je aktivnost parcijalnih pražnjenja na površini. Evidentno je, dakle, da se i na površini izolatora od silikonske gume, u uvjetima jakog zagađenja, mogu pojaviti aktivnosti površinskih parcijalnih pražnjenja, te da je u tu svrhu puzajuću struju potrebno ograničiti osiguranjem dovoljne duljine klizne staze izolatora. Hidrofobičnost površine silikonske gume i u uvjetima kad ona postane prekrivena slo-jem zagađenja (prijenos hidrofobičnosti kroz strani sloj) predstavlja osnovni razlog pa se proces nastanka površinskih parcijalnih pražnjenja, kao i sam proces prijeskoka, ovdje značajno razlikuju od onih što smo ih opisali za konvencionalne izolatore. Iskustvo po-kazuje da je, izuzev incidenata što su ih izazivale ptice dovodeći do ozbiljnih oštećenja kućišta silikonskih izolatora (Sl. 4.19), prijeskok na ovim izolatorima bio veoma rijetka pojava33. Time se može objasniti činjenica da je pažnju istraživača u ovoj oblasti više zaokupljao problem starenja (dovodi do oštećenja kućišta koje nakon izlaganja jezgre vanj-skim utjecajima provocira mehanički kvar – krhki prijelom), nego problem prijeskoka. Usprkos tome, može se kazati da postoji jedna konzistentna eksperimentalno verificirana teorija nastanka površinskih parcijalnih pražnjenja i njihovog prijelaza u sveukupni pri-jeskok razvijana od strane G. Karadya i njegovih suradnika na Arizona State University (USA)35, 36. Osnove ove teorije, čiji rezultati će nam pomoći da objasnimo superiornost silikonske gume u odnosu na druge materijale u uvjetima zagađene atmosfere, ovdje ćemo ukratko prikazati – Tabela 4.3.

Sl. 4.19 Primjeri

oštećenja po-

vršine kompozit-

nih polimernih

izolatora izaz-

vanih djelo-

vanjem ptica34

Problem zagađenja

207

Tabela 4.3: Faze u procesu prijeskoka kompozitnih polimernih izolatora od silikonske gume pre-

ma teoriji Karadya35, 36

FazaNo.

Stanje površine izolatora

Opis procesa

1 Novi izolator

Površina je posve hidrofobična; jedine struje koje teku su kapaci-tivne struje37. Izolator pokazuje izvanredne performanse38.

2 Taloženje zagađenja

Morsko zagađenje: Na površinu novog silikonskog izolatora padaju vjetrom nošene kapljice slanog vodenog rastvora. Nakon što dođe do njihova sušenja, površina izolatora ostaje prekrivena tačkastim slanim kontaminatorom.

Kopneno zagađenje: Kiša i vjetar vremenom dovode do taloženja pra-šine ili industrijskog zagađenja na površini izolatora, ultravioletno zračenje i lokalizirana korona pridonose da površina postane gruba, što olakšava taloženje zagađivača39.

3 Difuzija mole-kula niske mo-lekularne težine

Molekule niske molekularne težine difundiraju iz tijela izolatora kroz sloj nataloženog zagađivača formirajući tako na njegovoj povr-šini tanki hidrofobični polimerni sloj.

4 Vlaženje površine

Migriranje zagađenja u vodene kapljice: Magla, rosa, sitna kiša ili vi-soka vlažnost u okolnom zraku dovode do stvaranja vodenih kaplji-ca na tankom hidrofobičnom sloju što se nalazi iznad sloja zagađe-nja – Sl. 4.20 (a).

Čestice zagađenja difundiraju kroz tanki polimerni sloj. Soli sadr-žane u sloju zagađenja rastvaraju se u vodenim kapljicama koje po-staju vodljive.

Migriranje vode u sloj zagađenja: Voda iz vodenih kapljica difundira kroz tanki polimerni sloj u sloj zagađenja što rezultira stvaranjem visokootpornog sloja oko svake vodene kapljice – Sl. 4.20 (b).

5 Omsko

zagrijavanje

Kroz visokootporni sloj počinje teći puzajuća struja niskog intenzi-teta. Pošto elektrolit ima negativni toplinski koeficijent otpora, površinski otpor se zbog zagrijavanja postupno snizuje. Istodobno, sušenje i gubitak vlage s površine dovode do njegovog povećanja. Dva oprečna fenomena dostižu ravnotežu kod izvjesne struje veo-ma niskog intenziteta.

6

Utjecaj električ-kog polja na

vodene kapljice

Progresivno vlaženje dovodi do povećanja gustoće vodenih kapljica. Interakcija između kapljica i električkog polja proizvodi jednu os-cilatornu silu koja spljošćuje i produljuje vodene kapljice. Ukoliko se radi o malom rastojanju između kapljica, rezultat će biti formira-nje vodenih traka – Sl. 4.20 (c). Ove trake su vodljive i okružene su visokootpornim zonama.

7 Pražnjenja iz-među vodenih

traka

Nastankom slučajno raspoređenih vodenih traka na površini skra-ćuje se rastojanje između elektroda što za posljedicu ima povećanje jakosti električkog polja između susjednih traka. Rezultat ovog po-većanja su pražnjenja između traka – Sl. 4.20 (d).

Visokonaponski izolatori

208

nastavak tabele 4.3.

FazaNo.

Stanje površine izolatora

Opis procesa

8 Gubitak hidrofobičnosti

Produljenje vodenih traka: Pražnjenja između vodenih traka izazivaju razjedanje tankog polimernog sloja i gubitak hidrofobičnosti, što eventualno dovodi do spajanja pojedinih vodenih traka. Ovo pro-duljenje vodenih traka rezultira u daljem povećanju jakosti električ-kog polja i pojavama pražnjenja na krajevima vodenih traka. Formiranje mokrih regiona: Visoki intenzitet električkog polja oko elektroda dovodi do pojave korona pražnjenja koja izazivaju dalji gubitak hidrofobičnosti što rezultira formiranjem mokrih regiona nepravilnog oblika – Sl. 4.20 (e).

9 Prijeskok

Povećanje duljine jedne od vodenih traka i kratko spajanje razmaka između elektroda putom vodljive vodene staze stvara put za razvoj luka i dovodi do pojave totalnog prijeskoka – Sl. 4.20 (f). Promatrana vodena traka biva s elektrodama spojena preko malih parcijalnih lukova. U uvjetima ravnoteže napon priključen na izola-tor jednak je sumi napona na luku (lukovima) i pada napona na vo-denoj traci, a gradijent napona u luku jednak je gradijentu napona na mokroj traci (Obenausov kriterij). Povećanje duljine luka izazi-va porast napona luka, što snizuje vrijednost struje, tako da se dulji-na luka vraća na svoju početnu vrijednost. Promjena dimenzija vodene trake dovodi do promjene njezinog otpora: pražnjenja dovode do gubitka hidrofobičnosti tako da se po-većava površina trake i snizuje njezin otpor. Sniženje otpora dovo-di do porasta struje, što praktički znači sniženje napona na luku (negativna V–A karakteristika luka – vidi Sl. 4.9). Dalje sniženje površinskog otpora dovodi do situacije u kojoj dolazi do nestabil-nosti: duljina luka raste tako što se korijen luka velikom brzinom kreće duž vodene trake dovodeći do prijeskoka. Potreban uvjet za pojavu prijeskoka je Obenausov uvjet: gradijent napona u luku manji od gradijenta napona na vodenoj traci.

Sl. 4.20 Shematski prikaz

razvoja procesa površinskih

parcijalnih pražnjenja i

njihovog prijelaza u sveukupni

prijeskok na površini izolatora

od silikonske gume35

kapljica

mokri region vodena traka

parcijalno pražnjenje

mokri region

prijeskok

(a) (b) (c)

(d) (f) (e)

Problem zagađenja

209

4.1.5.2.2 Matematička formulacija Karadyeve teorije Ranije opisani Obenausov model prijeskoka kod priključka istosmjernog napona (vidi 4.1.5.1.1) primijenit ćemo na prilike što, prema Karadiyevoj teoriji, odgovaraju izo-latorima s kućištem od silikonske gume. U tu svrhu nećemo promatrati sistem kružnih elektroda kako je to uradio Karady, nego ravnu ploču, odnosno razvijeni ekvivalentni cilindar, kako smo to već učinili kod raz-matranja konvencionalnih izolatora. Na Sl. 4.21 prikazano je stanje površine u fazi koja prethodi pojavi prijeskoka – vidi Sl. 4.20 (e).

Sl. 4.21 Stanje hidrofobične površine u fazi koja prethodi prijeskoku

Naponska jednadžba što odgovara ovom stanju glasi:

U = 2 Ue + Ax I-n + I Rp1 (x), (4.39)

gdje je:

U – priključeni napon; Ue – pad napona na korijenima luka; x – ukupna duljina dva parcijalna luka; Rp1(x) – ukupni otpor vodene trake koja se nalazi u seriji s parcijalnim lukovima; I – intenzitet puzajuće struje; A, n – konstante luka.

vodene trake

πD

L

x1 x2

πD

1

Visokonaponski izolatori

210

Ukupni otpor vodene trake koja se nalazi u seriji s parcijalnim lukovima što gore iz-među krajeva trake i elektroda možemo odrediti prema izrazu:

1s1p1 πD

xL

γ

1R

−= , (4.40)

gdje su:

γs1 – specifična površinska vodljivost vodene trake; πD1 – širina vodene trake.

S obzirom na činjenicu da se između paralelno postavljenih vodenih traka nalaze vi-sokootporni sloj i kapljice vode, tj. da tako postavljene trake nisu uzajamno povezane, možemo napisati da između širine trake i širine ravne ploče vrijedi relacija:

,1

1a

DD

ππ = (4.41)

pri čemu je:

a1 – koeficijent koji je veći od jedan (a1> 1). Imajući u vidu činjenicu da je, bez obzira na prisutnu migraciju soli iz sloja zagađe-nja kroz tanki polimerni sloj u vodene kapljice, specifična površinska vodljivost vodenih kapljica (traka) znatno niža od vodljivosti potpuno rastvorenog sloja zagađenja u slučaju hidrofilne površine, γs, možemo napisati da je:

21

a

ss

γγ = , (4.42)

gdje je:

γs – specifična površinska vodljivost potpuno rastvorenog sloja zagađenja; a2 – koeficijent koji je veći od jedan (a2 > 1).

Prema tome, ukupni otpor promatrane vodene trake iznosi:

D

xL1aa

D

xL1R

s21

11s1p

πγπγ

−=

−= . (4.43)

Nakon što se provede ista procedura kao što smo ju obavili u 4.1.5.1.1, tj. nakon što se riješi sistem jednadžbi:

Problem zagađenja

211

, 0dx

dU

0dI

dU

m =

=

(4.44)

imat ćemo za kritičnu vrijednost duljine luka, kritičnu struju i kritični napon, respektivno:

1n

Lx 1c

+= (4.45)

1n

1

s

1n

1

21

c1 πD)(Aγ

)a(a

1I +

+

= (4.46)

1n

n

s

1n

1

1n

n

21e1c

)D(

LA)aa(U2U

+

+++=

πγ

. (4.47)

Poslije usporedbe dobivenih izraza za Rp1, xc1, Ic1, Uc1, s odgovarajućim izrazima koji se odnose na hidrofiličnu površinu (4.6, 4.14, 4.15, 4.16) imat ćemo:

cc1n

n

21ec1

c

1n

1

21

cc1

cc1

pp21p1

UU)a(a2UU

I

)a(a

II

xx

RRaaR

>+=

<=

=

>=

+

+

Izvanredno ponašanje izolatora čija površina zadržava svoju hidrofobičnost i u uvje-

tima zagađene atmosfere objašnjava se, dakle, činjenicom da je vrijednost otpora vlaž-nog dijela površine (vodena traka) što, zajedno s parcijalnim lukovima, premoštava me-đuelektrodni razmak, niža od vrijednosti otpora parcijalnim lukom nepremoštenog vlažnog

.

Visokonaponski izolatori

212

sloja u slučaju hidrofilične površine. Prema tome, u slučaju hidrofobične površine izola-tora imat ćemo nižu vrijednost struje luka, što znači viši gradijent napona u luku (nega-tivna V – A karakteristika luka) i, sukladno Hamptonovom kriteriju (Ea < Ep), teže dosti-zan potreban uvjet za nastanak sveukupnog prijeskoka. Konačni rezultati su viši prijeskoč-ni naponi polimernih kompozitnih izolatora s kućištem od silikonske gume u odnosu na prijeskočne napone odgovarajućih konvencionalnih izolatora, odnosno kompozitnih po-limernih izolatora načinjenih od materijala koji ne posjeduju svojstvo transfera hidrofo-bičnosti kroz sloj zagađenja – Sl. 4.22.

Sl. 4.22 Usporedba prijeskočnih karakteristika kompozitnih polimernih izolatora

i porculanskih izolatora u uvjetima vještačkog zagađenja

4.1.5.2.3 Drugi mogući scenarij procesa prijeskoka

S obzirom da je Karadyeva teorija nastala prije (1995.) nego što je eksperimentalno otkriven i publiciran fenomen kapljičaste korone (drop corona) – 1997. godine – jasno je da ova pojava ne figurira u Karadyevom opisu procesa prijeskoka. Mada istraživači koji su ovaj fenomen otkrili40 nisu pokušali uklopiti ga u mozaik sveukupnih procesa što se ovdje odigravaju i tako sintetizirati jednu novu konzistentnu teoriju, čini se opor-tunim prihvatiti scenarij prikazan u Tabeli 4.4 41, 42. Pošto ovaj scenarij pretpostavlja da se i na hidrofobičnoj površini, neposredno prije pojave prijeskoka, formiraju suhe zone u seriji s preostalim vlažnim slojem, njegovo matematičko modeliranje neće se u biti razlikovati od onog što se odnosi na hidrofiličnu površinu. Potrebno je također istak-nuti da u svom nedavno publiciranom radu43 sličan scenarij iznosi i G. Karady razmatra-jući realne izolatore umjesto njihovih modela i uzimajući u obzir fenomen kapljičaste korone.

EPDM

30

35

40

45

50

55

60

65

70

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

EKVIVALENTNA GUSTOĆA NATALOŽENE SOLI ESDD (mg/cm2)

N.B.: *Gustina depozita nerastvorljivih materijala NSDD=1mg/cm2)

silikon nakon oporavka

mokra silikonska površina

porculan

EL

EK

TR

IČK

O N

APR

EZ

AN

JE (k

V/m

kliz

ne s

taze

)

Problem zagađenja

213

Tabela 4.4: Faze u procesu prijeskoka polimernih kompozitnih izolatora od silikonske gume uz

uzimanje u obzir utjecaja fenomena korone na krajevima vodenih kapi41, 42

Faza No

Stanje

Opis procesa

1

Novi izolatori Površine su posve hidrofobične; jedine struje koje teku kroz izolator su kapacitivne37. Izolator pokazuje izvanredne per-formanse38.

2

Taloženje zagađenja Kiša i vjetar vremenom dovode do prianjanja zagađenja na površinu; UV zračenje i lokalizirana korona pridonose da povr-šina postaje gruba što dalje olakšava taloženje zagađenja39.

3 Difuzija molekula niske molekularne

težine

Molekule niske molekularne težine difundiraju u sloj zagađe-nja hermetizirajući ga, tj. sloj postaje hidrofobičan.

4

Formiranje kapljica Sitna kiša, magla, rosa ili visoka vlažnost dovode do formira-nja vodenih kapi na površini.

5 Kapljičasta korona

(Drop korona)

Na mjestima velikih električkih naprezanja – na krajevima vodenih kapi – dolazi do nastanka korone koja za posljedicu ima lokalizirani i privremeni gubitak hidrofobičnosti.

6

Promjena povr-šinske strukture

Paralelno sa starenjem što ga uzrokuje korona, voda dolazi u interakciju s površinom što rezultira reorijentacijom metalnih grupa – “promjena strukture”37, 39. Posljedica je lokalizirani i privremeni gubitak hidrofobičnosti posvuda na površini izo-latora gdje se voda zadržava tokom dovoljno dugog vremen-skog perioda.

7

Formiranje vod-ljivog sloja

Na dijelovima gdje je došlo do gubitka hidrofobičnosti povr-šina se počinje kvasiti, nataloženi zagađivač se rastvara i do-lazi do stvaranja vodljivog sloja. Jedan dio molekula niske molekularne težine rastvara se u vodi što dalje snizuje hidro-fobičnost37.

8

Širenje procesa kapljičaste korone i na ostale dijelove

izolatora

Stvaranje mokrih regiona potpuno mijenja sliku električkog polja na površini omogućujući pojavu kapljičaste korone i u hidrofobičnim zonama, tj. tamo gdje se u uvjetima suhe povr-šine izolatora imalo polje slabog intenziteta.

9

Porast intenziteta puzajuće struje

Gornji procesi se nastavljaju sve dok se ne formira kontinui-rani sloj preko površine izolatora. Formiranje ovog sloja pot-pomognuto je produljenjem kapljica prouzročenog djelova-njem polja40 i histerezom oblika kapljica. Dolazi do formira-nja vodenih traka; puzajuća struja raste. Debljina vodenog fil-ma je mnogo manja nego u slučaju porculanskih izolatora, ta-ko da je mnogo manja i vrijednost puzajuće struje.

10 Formiranje suhih

zona U područjima velike gustoće struje i/ili velike otpornosti dolazi do lokalnog sušenja vodljivog sloja i formiranja suhih zona.

Visokonaponski izolatori

214

nastavak tabele 4.4.

Faza No

Stanje Opis procesa

11 Obnavljanje

hidrofobičnosti

Lukovi preko suhih zona i korona dovode do daljeg gubitka hidrofobičnosti, erozije površine i trackinga. Dugotrajna ak-tivnost lukova, međutim, ne dovodi do uništenja svih rezervi molekula niske molekularne težine, pošto ona istodobno do-vodi do prekidanja polimernih lanaca veće duljine u dubini materijala (regeneracija molekula niske molekularne težine); ovi lanci difundiraju na površinu i obnavljaju hidrofobičnost nakon što se zaustavi proces starenja44.

12 Obnavljanje

hidrofobičnosti

Procesi navedeni od 5 do11 kontinuirano traju za vrijeme mokrog perioda. Nakon što se izolator osuši, proces starenja prestaje i površina, zahvaljujući difuziji lanaca niske mole-kularne težine i orbatu “promjene strukture”, obnavlja svoju hidrofobičnost.

13 Ponovno vlaženje

Kad otpočne naredni period vlaženja iznova će se aktivirati proces starenja. Ako je došlo do potpune obnove hidrofobič-nosti, procesi starenja započet će sa koracima 5 i 6, a u sluča-ju da se ima nekompletno obnovljena hidrofobičnost, starenje će se reaktivirati u nekoj od narednih faza.

14 Kvar

Ciklus se nastavlja. Performanse izolatora ovisit će o formu-laciji gume i dizajnu izolatora. Ako je vodljivost sloja zaga-đenja vrlo visoka, može doći do prijeskoka preko površine izolatora. Pojava prijeskoka ne dovodi do ozbiljnog utjecaja na stanje hidrofobičnosti površine izolatora45. Ako se radi o loše dizajniranom izolatoru ili se radi o kućištu s nedovolj-nom debljinom materijala što pokriva fiberglasnu jezgru, ero-zija može dovesti do izravnog izlaganja jezgre utjecajima okoliša. Formiranje azotne kiseline, zbog ozona koji je prisu-tan kao posljedica korona pražnjenja i dušika što ga ima u okolnom zraku, može prouzročiti pad vodiča zbog pucanja fi-berglasne jezgre46.

4.2 ISPITIVANJE PERFORMANSI IZOLATORA RELEVANTNIH ZA NJIHOV RAD U UVJETIMA ZAGAĐENE ATMOSFERE*

4.2.1 Stupanj zagađenja

U nastojanju da se omogući utvrđivanje performansi izolatora u standardiziranim uvje-tima zagađenja, razvijen je veliki broj različitih laboratorijskih testova u kojima se putom ––––––– * Ova razmatranja odnose se isključivo na konvencionalne izolatore i u prvom redu na interna-

cionalno standardizirane procedure ispitivanja; procedure za ispitivanje prijeskočnih karakteris-tika polimernih kompozitnih izolatora nisu do danas doživjele standardizicaiju, a u 4.2.3 ovaj problem bit će posebno razmatran.