Elektrické stromečky – fenomén v elektroizolačních materiálech

doc. Ing. Pavel Trnka, Ph.D., Ing. Josef Pihera, Ph.D., Ing. Martin Širůček,

Fakulta elektrotechnická ZČU v Plzni

 

 

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 = –gradφ (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:

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, obsahuje-li atmosféra vodu a je-li 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.

 

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.

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 čás-ti 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.

 

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.

 

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.

 

 

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 t_z. 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 U_p (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.

 

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 t_z došlo k jejich průrazu.

 

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

 

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 anorganicko-organickém 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.

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

 

[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 978-80-7300-232-9.

[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 80-7300--189-6, Praha 2006.

[7] DISSADO A. L. – FOTHERGILL C. J.: Electrical Degradation and Breakdown in Polymers. IET, ISBN 0-86341-196-7, Stevenage 1992.

[8] http://www.eeh.ee.ethz.ch

[9] KIKUCHI H. – YUKIMORI Y. – ITONAGA S.: Inverter-Surge-Resistant Enameled Wire Based on Nano-composite 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. 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])

 

 

doc. Ing. Pavel Trnka, Ph.D., vystudoval Fakul­tu elektrotechnickou Zápa­dočeské univerzity v Plz­ni v oboru Průmyslová elektronika. V roce 2005 získal titul Ph.D. na stej­né univerzitě. Od roku 2005 byl zaměstnancem Katedry techno­logií a měření ZČU FEL v Plzni. V letech 2002 až 2003 byl studentem na University of Applied Science, Fachhochschule, Re­gensburg, šest měsíců působil v odděle­ní výzkumu Maschinenfabrik Reinhausen. V letech 2006 až 2007 pracoval jako Post­doctoral Associate ve vysokonapěťové la­boratoři ECE, Mississippi State Universi­ty, MS, USA. V roce 2008 získal titul do­cent na Elektrotechnické fakultě Žilinské univerzity v Žilině. V současné době půso­bí na Fakultě elektrotechnické ZČU v Plz­ni jako výzkumný pracovník a proděkan. Je spoluřešitelem výzkumného záměru MSM 4977751310 a projektu MPO. Je řešitelem projektu Nadace ČEZ. Jeho oblastí zájmu jsou degradační procesy v elektroizolačních systémech. Je členem několika mezinárod­ních vědeckých organizací včetně IEEE.

Ing. Josef Pihera, Ph.D., vystudoval Fakultu elek­trotechnickou Západo­české univerzity v Plzni v oboru Komerční elek­trotechnika. V roce 2005 získal na stejné univerzitě titul Ph.D. Od roku 2005 byl zaměstnancem Katedry technologií a mě­ření ZČU FEL v Plzni. V roce 2002 byl stu­dentem na University of Applied Science, Fachhochschule, Regensburg. V součas­né době působí na Fakultě elektrotechnic­ké ZČU v Plzni jako tajemník katedry pro vědu. Je spoluřešitelem výzkumného zámě­ru MSM 4977751310, projektu MPO a pro­jektu Nadace ČEZ. Jeho oblastí zájmu je problematika částečných výbojů, degrada­ce elektroizolačních systémů a dielektrické spektroskopie.

Ing. Martin Širůček úspěšně ukončil magisterské studium v oboru Ko­merční elektrotechnika na Fakultě elektrotech­nické Západočeské uni­verzity v Plzni. V součas­né době studuje na této fakultě, konkrétně na Katedře technologií a měření, doktorský studijní program Elek­trotechnika a informatika. Jako téma diser­tační práce si zvolil Zlepšování parametrů výkonových transformátorů. Oblast jeho zá­jmů je degradace izolačních systémů spo­lu se způsoby zlepšování jejich parametrů.