Streamer Propagation along Dielectric Surfaces

Abstract

Avhandlingen undersøker hvordan streamerutbredelse langs en dielektrisk overflate påvirkes av profilen på overflaten. Et eksperimentelt oppsett er utformet for å etterligne en 2D modell som også simuleres. Simuleringsprogramvaren er et avansert program som beregner utladningsdynamikken i gassen. Tre forskjellige dielektriske overflater er maskinert med en bestemt overflateprofil. Den ene er glatt (høyde = 0 um) og de to andre har en profil med høyden 200 um og 500 um. Streamerutbredelsen dokumenteres ved å bruke et høyhastighetskamera og ved å måle spennings- og strømutviklingen under forsøkene. Lynimpulser påføres med to forskjellige spenningsnivåer (14 kV og 35 kV), slik at streamer vil stoppe i det ene tilfelle og gå helt til jord i det andre tilfellet. Hastigheten og utbredelsesavstanden til streamerene reduseres betydelig når den beveges langs de profilerte overflatene. Jo høyere overflateprofilen er, desto mer blir streamer bremset og rekkevidden reduseres. Simuleringene gir innsikt i hvorfor dette skjer. De profilerte flatene har lengre overflatelengde per lengde i x-retning, men dette forklarer ikke hele reduksjonen i forplantningshastighet eller lengde. Hastigheten til streameren blir kraftig redusert når den klatrer opp mot toppene på overflateprofilen. Den beveger seg raskere på vei ned, men gjennomsnittshastigheten blir fortsatt redusert som en konsekvens av toppen. E-feltet på streamerhodet er rettet inn mot det dielektriske planet når det klatrer toppen, og dette er vist at begrenser elektronskredene på streamerhodet. For høye spenninger kan det også forekomme at negativ overflateladning forandrer hastighetsforløpet til streameren. Allikevel er gjennomsnittshastigheten ikke veldig påvirket av denne effekten. Reduksjonen i streamerhastighet og rekkevidden ved bruk av profilerte overflater kan være av interesse for bruk i høyspenningskomponenter.

The thesis investigates how streamer propagation along a dielectric surface is affected by the profile of the surface. An experimental setup is designed to reassemble a 2D model, which is also simulated. The simulation software is an advanced program that calculates the discharge dynamics in the gas. Three different dielectric surfaces are machined with specific surface profiles. One is smooth (height = 0 um) and the two others have a profile with a height of 200 um and 500 um. The streamer propagation is documented by using a high-speed camera and by measuring the voltage and current evolution during the experiments. Lightning impulses are applied with two different voltage levels (14 kV and 35 kV),and they are chosen so that the streamer will stop in one case and reach ground in the other case. The speed and propagation distance of the streamers are significantly reduced when moving along the profiled surfaces. The higher the surface profile, the more the streamer is slowed down, and the propagation is reduced. The simulations give insight into why this is. The profiled surfaces have a longer surface length per length in x-direction, but this does not explain the whole reduction in either propagation speed or length. The streamer is greatly slowed down when climbing the peaks on the surface profile. It moves faster on the way down, but the average speed is still reduced as a consequence of the peak. The E-field on the streamer head is directed into the dielectric plane when it is climbing the peak, and this is shown to limit the electron avalanches on the streamer head. For high voltages, negative surface charging can also occur, which alters the propagation of the streamer. However, the average speed is not affected greatly by this effect. The reduction in streamer speed and propagation distance when using profiled surfaces can be of interest for high voltage engineering.