Unified method for determination of breakdown voltages of insulating liquid ac breakdown

Određivanje probojnih napona izolacijskih tekućina sastavni je dio projektiranja izolacije visokonaponskih komponenti (npr. energetskih transformatora). Projektiranje izolacije sastoji se od definiranja faktora sigurnosti s obzirom na dozvoljeno naponsko naprezanje. Za formiranje faktora sigurnosti potrebno je jednoznačno odrediti funkciju ovisnosti probojne izdržljivosti sustava o njegovim ulaznim parametrima. U ulazne parametre sustava koji se sastoji od elektroda i izolacijske tekućine spada – osim fizikalno-kemijskih parametara karakterističnih za pojedinu izolacijsku tekućinu (npr. količina vlage, udio nečistoća, temperatura itd.) – i geometrija elektroda, odnosno njihova veličina i međusobna udaljenost. Ovaj utjecaj geometrije opisan je makroskopskim teorijama proboja temeljenima na tzv. teoriji 'slabe karike'. Postojeće makroskopske teorije (teorija napregnute površine, teorija napregnutog volumena, teorija kumulativnog naprezanja) sadrže ograničenja u određivanju probojnih napona s obzirom na promjenu veličine odnosno razmaka elektroda. Tako npr. teorija napregnute površine i teorija napregnutog volumena dobro opisuju pojavu proboja za elektrode u homogenom i kvazi-homogenom polju na malim razmacima, pri čemu je primarni naglasak u ovim teorijama stavljen na utjecaj veličine elektroda. S druge strane, kumulativna teorija u sebi ne sadrži utjecaj veličine elektroda, nego naglasak stavlja na ovisnost probojnih napona o njihovom razmaku. U ovoj je disertaciji pokazano kako su ove tri makroskopske teorije međusobno povezane te kako ih je moguće objediniti u zajedničku metodologiju koja u sebi sadrži karakteristike svake od njih, čime je primjenjiva u homogenim, kvazi-homogenim i nehomogenim poljima. Ova metodologija bazirana je na implementaciji numeričke metode konačnih elemenata u dvodimenzionalnim osnosimetričnim konfiguracijama. Eksperimentalna verifikacija numeričke implementacije makroskopskih teorija napravljena je na mjerenjima probojnih napona provedenima u tvornici Končar D&ST i na rezultatima mjerenja preuzetih iz dostupne literature. Izolacijske tekućine uzete u obzir u ovoj disertaciji su sintetski ester, tekući dušik i transformatorsko mineralno ulje.Prediction of insulating liquid breakdown is one of the main parts of HV components' insulation design (e.g. power transformers). Insulation design consists of safety margin definition with respect to dielectric stress withstand. For the safety margin determination one must unambiguously identify dependence function of insulation dielectric stress withstand in regard to input parameters. The input parameters of the system consisted of electrodes and insulating liquid are physical and chemical parameters specific for particular insulating liquid (e.g. moisture, particle content, temperature, etc.) and also electrode geometry, i.e. their size and distance. The geometry influence is described with macroscopic breakdown theories which are based on so called 'weak link' theory. Existing breakdown theories (stressed electrode area, stressed liquid volume, cumulative stress) have certain limitations in breakdown prediction with respect to electrode size and distance influence. For example, stressed electrode area and stressed liquid volume theory have good prediction of breakdown for electrodes in uniform and quasi-uniform field on small distances, where emphasis is put primarily on electrode size. On the other hand, cumulative stress theory does not include electrode size effect explicitly, but puts the emphasis on electrode distance effect on breakdown voltages. In this dissertation it is shown how these three macroscopic theories are mutually interconnected and how they can be combined into unified method which contains characteristics of all methods making it compatible for uniform, quasi-uniform and non-uniform fields. This method is based on numerical implementation of finite element method in two dimensional axisymmetric configurations. Experimental verification of numerical implementation of macroscopic theories is done on measurements of breakdown voltages conducted in Končar D&ST and on results found in available literature. Insulating liquids taken into consideration in this dissertation are synthetic ester, liquid nitrogen and transformer mineral oil