New Environmentally-friendly Insulation Gases: Pre-breakdown Mechanisms under Impulse Voltage in Synthetic Air and AirPlus
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3019936Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2412]
Sammendrag
Med økende fokus på miljøvennlige løsninger i energi-industrien er det et ønske om å redusereden nåværende bruken av SF6 som isolasjonsgass. SF6 har utmerkede dielektriske egenskaper,noe som gjør det til en nær perfekt isolasjonsgass. Ulempen er at den har et globalt oppvarmingspotensial(GWP) på omtrent 23,900 ganger så mye som CO2, som betyr at det er en utroligsterk drivhusgass. For å redusere bruken av SF6 må det være en annen isolasjonsgass som kan taover. En blanding av ketoner og syntetisk luft ved navn AirPlus er et veldig lovende alternativ.
Målet med denne oppgaven er å undersøke og eksperimentere på AirPlus, spesifikt hvordan prenedbrytningsmekanismer virker i AirPlus sammenlignet med syntetisk luft. Dette gjøres ved trykkp˚a 1,0, 1,3 og 1,5 bar, med både positive og negative impulser, i et meget inhomogent stang-plategap på 53 mm. En nål settes inn i stangen for å øke inhomogeniteten ytterligere.
Ketoner, eller C5-FK (C5F10O) har et kokepunkt på 26,9◦C, som betyr at det må blandes med enbæregass for å senke kokepunktet til under 0◦C. For AirPlus er denne bæregassen syntetisk luft.Syntetisk luft er en blanding av 80% nitrogen og 20% oksygen. AirPlus er en blanding av 7,5%ketoner og 92,5% syntetisk luft.
Simuleringene utført med COMSOL og et python-skript viste at for både syntetisk luft og AirPlusbør tennspenningen øke med økt trykk, uavhengig av spennings-polaritet. Økningen i tennspenningfra syntetisk luft til AirPlus ble beregnet til å være rundt 28-29% for alle trykk med positivpolaritet.
De eksperimentelle testene viste imidlertid andre resultater. Tennspenningene fra opp-og-nedtester viste at negativ polaritet i 1,5 bar syntetisk luft hadde rett over halvparten av spenningenpå 1,3 bar. Det var flere andre tilfeller som dette, noe som antyder at opp-og-ned-metoden kanskjeikke er en god måte å finne 50% tennspenning, selv med en ventetid på 180 sekunder mellomspenningsp˚atrykkene.
Et høyhastighetskamera ble brukt til å ta bilder av streamerne i de forskjellige konfigurasjonene. Isyntetisk luft viser bildene at å øke trykket til 1,5 bar vil stoppe negative streamere fra å forplanteseg helt til platen, mens de positive streamerne fortsatt vil forplante seg over hele gapet. Ingen avstreamerne i AirPlus er i nærheten av å forplante seg hele veien til platen, uavhengig av trykk ogpolaritet, selv med høyere spenning enn i syntetisk luft. Å øke trykket til 1,5 bar resulterer i korteleader-lignende utladninger for begge polaritetene.
Som et prinsipp ble det også tested stereoskopisk 3D fotografi med et enkelt speil-oppsett. En digital3D modell av en ståltråd-figur ble laget ved hjelp av et python-skript, hvor kun et stereoskopiskbilde var input. With an increasing focus on environmentally friendly solutions in the energy industry, there is adesire to reduce the current use of SF6 as an insulation gas. It has excellent dielectric properties,making it nearly perfect as an insulation gas. However, it has a global warming potentialof approximately 23,900 times that of CO2, meaning it is an incredibly potent greenhouse gas.However, to reduce the use of SF6, there must be some other insulation gas to take its place. Amixture of ketones and synthetic air called AirPlus is an up-and-coming alternative. This thesisaims to investigate and experiment on AirPlus, specifically how pre-breakdown mechanisms act inAirPlus compared to synthetic air. This is done at pressures of 1.0, 1.3, and 1.5 bar, with positiveand negative impulses, in a very inhomogeneous rod-plane gap of 53 mm. A needle is inserted intothe rod to increase the inhomogeneity further.
Ketones, or C5-FK (C5F10O), have a boiling point at 26.9◦C, meaning it has to be mixed with acarrier gas to lower the boiling point to below 0◦C. For AirPlus, this carrier gas is synthetic air.Synthetic air is a mixture of 80% nitrogen and 20% oxygen. AirPlus is a mixture of 7.5% ketonesand 92.5% synthetic air.
The simulations performed with COMSOL and a python script showed that for both syntheticair and AirPlus, the inception voltage should increase with increased pressure. The increase ininception voltage from synthetic air to AirPlus was calculated to be around 28-29% for all pressureswith positive polarity.
The experimental tests showed different results, however. The inception voltages from the upand-down tests showed that the negative polarity in 1.5 bar synthetic air was just above half thevoltage of 1.3 bar. Several other cases like this imply that the up-and-down method might not bea good way of finding the 50% inception voltage, even with a wait time of 180 seconds betweenshots.
A high-speed camera was used to capture images of the streamers in the different configurations.In synthetic air, the images show that increasing the pressure to 1.5 bar will stop the negativestreamers from propagating all the way to the plane, while the positive streamers will still propagateover the whole gap. Increasing the pressure to 1.5 bar results in short leader-like discharges forboth polarities. None of the streamers in AirPlus are even close to propagating all the way to theplane, regardless of pressure and polarity, even with higher voltage than in synthetic air.As a proof of concept, stereoscopic 3D imaging was tested with a simple mirror setup. A digital3D model of a steel wire formation was made using a python script with only a stereoscopic imageas input.