عنوان پایان‌نامه
بررسی و مدل سازی شکست ضربه در عایقهای الکتریکی مایع
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-قدرت-سیستم ها فشارقوی الکتریکی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2372;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 60611;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2372
- تاریخ دفاع
- ۱۹ دی ۱۳۹۲
- دانشجو
- امیرحسین مستجابی
- استاد راهنما
- حسین محسنی, امیر عباس شایگانی اکمل
- چکیده
- عایق های الکتریکی مایع، به خصوص زمانی که با عایق های الکتریکی جامد به کار می روند، خاصیت عایقی و انتقال گرمای بسیار خوبی از خود نشان می دهند. در طول نیم قرن اخیر تحقیقات بسیار زیادی با موضوع "استریمر ها" به عنوان ریشه های به وقوع پیوستن شکست الکتریکی در عایق های الکتریکی مایع و با هدف جلوگیری از تشکیل آن ها انجام پذیرفته است. استریمر ها ساختارهای رسانایی هستند که در اثر قرار گرفتن تحت میدان های الکتریکی قوی در بخش هایی از عایق های الکتریکی مایع تشکیل می شوند. استریمر ها حتی می توانند در صورتی که در مسیر خود به یک عایق الکتریکی جامد قرار گرفته در عایق الکتریکی مایع برخورد کنند، به یک شکست سطحی تبدیل گردند. شکست های الکتریکی سطحی معمولا در یک شدت میدان الکتریکی مشابه سریع تر از استریمر ها حرکت می کنند. ایجاد بار الکتریکی و انتقال آن از مسایل بسیار مهم در شکست الکتریکی در عایق های مایع است، زیرا استریمر ها و شکست الکتریکی سطحی بدون حضور بار های الکتریکی و امکان حرکت آزادانه‌ی آن در حجم عایق مایع و سطح تماس عایق های مایع و جامد، نمی توانند تشکیل شوند. در این پایان نامه، یک مدل با استفاده از روش المان محدود، ارتقا داده شده است تا با کمک آن و انجام شبیه سازی هایی با ساختار هندسی دو بعدی، اطلاعات بیش تری از دینامیک پیچیده‌ی حرکت بار های الکتریکی و تشکیل استریمر ها در عایق های الکتریکی مایع به دست آید. این مدل هیدرو دینامیک با هدف دریافت درک بهتر از مکانیزم های پشت پرده‌ی تشکیل، حرکت و توسعه‌ی استریمر و شکست الکتریکی سطحی در ساختار های عایقی مایع و ترکیب مایع و جامد رایج تهیه شده است. چندین مکانیزم کلیدی از جمله تاثیر شدت میدان الکتریکی بر پتانسیل یونیزاسیون مولکول های عایق های الکتریکی مایع و اشباع سرعت الکترون ها مشخص و به مدل اضافه شده است که باعث می شود تا این مدل واقعی تر گردد. علاوه بر تلاش برای درک بهتر پدیده های فیزیکی مذکور، بخشی از تلاش ها به سمت افزایش پایداری، همگرایی، سرعت و دقت مدل منعطف شد تا این مدل را برای استفاده در طراحی تجهیزات فشار قوی حاوی عایق های الکتریکی مایع و ترکیب مایع و جامد کارآمد سازد. در این مدل می توان با تعیین هندسه‌ی الکترود ها، شکل موج ولتاژ اعمالی و سایر پارامتر ها بسته به محیط خاص مورد مطالعه، تحلیل اولیه ای از وضعیت سیستم عایقی از لحاظ ولتاژ شکست، زمان لازم تا شکست، توزیع شدت میدان الکتریکی و سطح یونیزاسیون دریافت کرد. جهت صحت سنجی داده های دریافت شده، هرجا امکان پذیر بوده است از داده های تجربی ثبت شده، معادلات تئوری و روش های مدل سازی جایگزین استفاده شده است و نتایج از لحاظ ولتاژ شروع تشکیل استریمر، تعداد شاخه های استریمر، ولتاژ ها و جریان های شکست الکتریکی مقایسه شده اند.
- Abstract
- Liquid dielectrics provide superior electrical breakdown strength and heat transfer capability, especially when used in combination with liquid-immersed solid dielectrics. Over the past half-century, there has been extensive research characterizing "streamers" in order to prevent them, as they are the main origins of electrical breakdown in liquid dielectrics. Streamers are conductive structures that form in regions of liquid dielectrics that are over-stressed by intense electric fields. Streamers can transform to surface flashovers when they reach any liquid-immersed solid insulation. Surface flashovers usually propagate faster and further than streamers in similar electric field intensity. Charge generation and transport is crucially important in liquid dielectric breakdown, since without the presence of the electric charge and its ability to migrate in the liquid dielectric volume and on the interface of liquid/solid dielectrics, streamers and surface flashovers are unable to develop. In this thesis, we develop a finite element method transport model in one, two and threedimensional geometries to help understand the complicated dynamics of electric charge transport and streamer breakdown in liquid dielectrics. This electrohydrodynamic model clarifies many of the mechanisms behind streamer/surface flashover formation, propagation and branching in typical liquid/solid dielectric composite systems. Several key mechanisms have been identified and added to the transport model of streamers, such as effects of electric field intensity on the ionization potential of liquid dielectric molecules and electron velocity saturation, which make the modeling results more realistic. In addition to improving the understanding of electrical breakdown physics in liquid-based insulation systems, a significant effort is made throughout this thesis research to enhance the stability, convergence, speed and accuracy of the model, making it a convenient and reliable tool for designing high voltage components that contain pure liquid dielectrics, nanofluids and liquid immersed insulation systems. This model, for the first time, is able to treat any given electrode shape and gap distance as well as any applied voltage waveform with accurate results, which provides a convenient preliminary way to verify the performance of an insulation system in terms of breakdown voltage, time to breakdown, electric field intensity distribution and ionization level. The model precision is validated through experimental records, analytical solutions and alternative modeling approaches wherever available. The streamer initiation voltages, number of streamer branches, breakdown voltages and currents are in excellent agreement with the experimental data compared to the prior theoretical research on liquid breakdown physics. Identical results obtained using a finite volume method also confirm the correctness of the finite element approach used in this thesis. The presented model can be employed to search for novel configurations of liquid immersed insulation systems including nanofluids and liquid/solid composite systems.
