New Environmentally-friendly Insulation Gases: Pre-breakdown and Breakdown Mechanisms near Insulating Surfaces under Fast Voltage Impulses

Abstract

Med det nåværende presset for å fase ut SF6, er det nødvendig med nye design av høyspentutstyr for å minimere konsekvensene av overgangen til mer miljøvennlige isolasjonsgasser. For å oppnå dette kreves en dypere forståelse av elektriske utladninger i alternative gasser.

Denne avhandlingen er en videreføring av et tidligere prosjekt hvor det ble observert en uventet økning i gjennomslagsspenning under spesielle forhold. Fenomenet oppstår når en rask positiv spenningsimpuls (stigetid på 200 ns) påføres over et stang-plan gap med en dielektrisk overflate plassert kort avstand unna og parallelt med elektroden. Arbeidet som er utført for denne avhandlingen er en undersøkelse av andre aspekter ved dette fenomenet, som inkluderer hvordan det påvirkes av avstanden mellom overflate og elektrode, og negative impulser.

Opp-og-ned-testing ble utført for varierende geometrier for positive impulser og for negative impulser for å observere eventuelle endringer i gjennomslagsspenningen. Høyhastighetsbilder ble tatt for å observere utladningsatferd i gapet.

I tillegg til denne undersøkelsen ble det også gjennomført en undersøkelse av en ny strategi for fjerning av overflateladninger. Denne strategien er basert på å fordampe et tynt lag karbon på en overflate for å marginalt øke ledningsevnen. Denne strategien ble vist til å fungere for impulsspenninger i det tidligere prosjekt, og testes i denne oppgaven for vekselspenning. For å undersøke dette ble testobjektet utsatt for stegvis økende vekselspenning både med og uten den dielektriske overflaten. Gjennomslagsspenningene ble registrert og sammenlignet for å avdekke eventuelle reduksjoner, og et IR-kamera ble brukt for å avdekke overdreven overflateoppvarming.

Opp-og-ned-testene viser at gjennomslagsspenningen under raske positive impulser er svært følsom for avstanden mellom overflaten og elektroden. Med stor økning i sammenbruddsspenning med en avstand på 20 mm, men en mye mindre økning både nærmere eller lengre unna. Testene viste også at gjennomslagsspenningsøkningen ikke er tilstede for negative spenningsimpulser. I tillegg viste bildene tatt med høyhastighetskameraene at visse utladninger påvirkes av den parallelle overflaten. Nedbrytningstestene og termisk kamera viste ingen signifikante negative effekter forårsaket av det pådampede karbonlaget under påføring av vekselspennings.

With the current push for phasing out SF6, new designs for high voltage equipment are needed to minimize the impact of the shift to more environmentally friendly insulating gases. To achieve this, a deeper understanding of electric discharges in alternative gases is required.

This thesis is a continuation of a previous project where a sudden increase in breakdown voltage was observed under particular conditions. The phenomenon occurs when a fast positive voltage impulse is applied across a rod-plane gap with a dielectric surface placed a small distance away from and parallel to the electrode. The work performed for this thesis investigates other aspects of this phenomenon, including how it is affected by the distance between the surface and electrode, and negative impulses.

Up-and-down testing was performed for varying geometries under positive impulses and for negative impulses to observe changes in breakdown voltage. High-speed imaging was performed to observe discharge behavior within the gap.

In addition to this investigation is a second investigation into a new strategy for surface charge removal. This strategy is based on evaporating a thin layer of carbon onto a surface to increase its conductivity slightly. This strategy was shown to be successful for impulse voltages in the previous project and is in this thesis being tested for AC. To investigate this, the test object was subjected to AC at an increasing voltage both with and without the dielectric surface. The breakdown voltages were recorded and compared to uncover potential decreases and an IR camera was used to uncover any excessive surface heating.

The up-and-down tests show that the breakdown voltage under fast positive voltage impulses is highly sensitive to the distance between the surface and the electrode. There is a significant increase in breakdown voltage at a distance of 20 mm, but with a much smaller increase when placed both closer or farther away. The tests also showed that the breakdown voltage increase is not present for negative voltage impulses. Additionally, the images captured using high-speed cameras showed that certain discharges are affected by the parallel surface. The breakdown tests and the thermal camera showed no significant negative effects caused by the evaporated carbon layer during AC application.