Simulating electron-avalanche-driven positive streamers in dielectric liquids

Abstract

Summary of thesis:

The thesis presents a novel predictive model for simulating positive streamers in dielectric liquids. Such liquids are commonly used for electrical insulation of high-power equipment, for example power transformers, which are essential parts of the electrical distribution network. A ``streamer'' is the phenomenon leading to electrical breakdown in dielectric liquids. Modeling and simulating streamers to better understand the phenomenon is crucial to improve the performance of electrical insulation and electrical equipment alike.

Streamer propagation is modeled in a needle--plane electrode gap, with cyclohexane as a model for the insulating liquid. The needle and the extremities of the streamer (streamer heads) are modeled by hyperboloids. In the strong electric field, close to the needle or the streamer, electrons detach from anions and form electron avalanches. The streamer grows when the size of an avalanche exceeds the Townsend--Meek criterion. Each streamer head is modeled as an RC-circuit to calculate its potential. Resistance in the channel and capacitance in the gap towards the planar electrode are taken into consideration. A high electric field within a channel can give a breakdown, a reillumination of the channel, equalizing the potential of the needle and the streamer head. The streamer transitions into a fast mode of propagation when radiation from the streamer head causes photoionization. This occurs when the field-dependent ionization potential is reduced below the energy of this radiation.

The streamer conductivity regulates the propagation speed, and reilluminations increase the average conductivity. Simulated streamers can change from fast to slow mode if the conductivity of the channel is low. Conversely, the streamer can change to a fast mode during propagation if the conductivity is high. This change can be triggered by a reillumination.

The work demonstrates that an avalanche-driven streamer breakdown is possible. However, the propagation voltage is high compared to experiments. The limitations of the model are discussed and several possible improvements are suggested. The software developed to simulate the model is published as open-source software.

Sammendrag Denne avhandlingen presenterer en ny modell for simulering av positive i dielektriske væsker. Slike væsker blir mye brukt til elektrisk isolasjon av høyspenningsutstyr, for eksempel transformatorer, som er en essensiell del av det elektriske distribusjonsnettet. En “streamer” er fenomenet som fører til elektrisk gjennomslag i dielektriske væsker. Modellering og simulering av streamere er viktig for å forstå fenomenet bedre for å forbedre ytelsen til elektrisk isolasjon og elektrisk utstyr. I dette arbeidet er streamere modellert i et nål–plan elektrodegap, med sykloheksan som modell for den isolerende væsken. Nålen og streamerhodene (ytterpunktene på streameren) er modellert som hyperboloider. I det sterke elektriske feltet, nær nålen eller streameren, frigjøres elektroner fra anioner og kan danne elektronskred. Streameren vokser når størrelsen på et elektronskred overskrider Townsend Meek-kriteriet. Hvert streamerhode er modellert som en RC-krets, og denne brukes for å regne ut potensialet til streamerhodet. Motstanden er gitt av kanalen mellom nålen og hodet, og kapasitansen av gapet mellom hodet og planelektroden. Et høyt elektrisk felt i kanalen kan gi et gjennomslag i kanalen, en reilluminasjon, som utjevner potensialet mellom nålen og streamerhodet. Streameren øker drastisk i hastighet når stråling fra streamerhodet kan forårsake fotoionisering. Dette skjer når det feltavhengige ioniseringspotensialet blir lavere enn energien til denne strålingen. Konduktiviteten i kanalene regulerer hastigheten til streameren, og reilluminasjoner øker gjennomsnittlige konduktiviteten. De simulerte streamerene kan bytte fra rask til sakte propageringsmode om konduktiviteten til streameren er lav. Og omvendt, ved høy konduktivitet kan streamere bytte fra sakte til rask propagering. Denne endringen kan skje som følge av en reilluminasjon. Dette arbeidet viser at elektronskred er en mekanisme som kan brukes for å simulere streameroverslag. Propageringsspenningen er imidlertid høy sammenlignet med eksperimenter. Begrensningene til modellen blir diskutert og flere forbedringsmuligheter blir foreslått. Programvaren som er utviklet for å simulere modellen er publisert med open kildekode.