Analiza wpływu ziarn pyłu przemysłowego i wilgotności na wytrzymałość elektryczną powietrza

ZESZY TY N A U K O W E PO LITEC H NIK I ŚLĄSKIEJ Seria: ELEK TR Y K A z. 174

2000 N r kol. 1472

A lfred J. K A ŁU ŻN Y M ariusz K A SP R Z Y K

ANALIZA WPŁYWU ZIARN PYŁU PRZEMYSŁOWEGO I WILGOTNOŚCI NA WYTRZYMAŁOŚĆ ELEKTRYCZNĄ POWIETRZA

Streszczenie. O dstępy izolacyjne urządzeń elektrycznych liniow ych i stacyjnych wn.

zainstalow anych w rejonach przem ysłow ych pracują w w arunkach znacznie różniących się od norm alnych. Pow ietrze jako dielektryk zaw iera ziarna pyłów przem ysłow ych o w łaściw ościach fizycznych zależnych od rodzaju źródła zanieczyszczenia. Brak rozezna­

nia problem u w pływ u ziam pyłu przem ysłow ego na m echanizm w yładow ania elektryczn­

ego i w ytrzym ałość elektryczną m oże być je d n ą z istotnych przyczyn zakłóceń w pracy urządzeń elektrycznych wn.

W artykule przedstaw iono analizę w ybranych czynników w arunkujących w yładow a­

nie elektryczne w m ieszaninie pow ietrza i ziam pyłu przem ysłow ego oraz dotychczasowe w yniki badań laboratoryjnych w ytrzym ałości elektrycznej w funkcji stężenia ziam pyłu i w ilgotności pow ietrza.

INFLUENCE OF INDUSTRIAL DUST GRAINS AND AIR HUMUDITY ON ELECTRIC STRENGTH OF HV INSULATING GAPS

Sum m ary. A variable concentration o f the dust grains and w ater particles in electrical field creates in insulating m edium new conditions for ignition and developm ent o f elec­

trical discharges. The analysis o f electrical discharges and results o f m easurem ents o f electric strength o f the insulating gap w ith air polluted by industrial dust grains an water particles has been presented in this paper.

1. W PR O W A D ZEN IE

D otychczasow e badania teoretyczne i eksperym entalne m echanizm u w yładow ania elek­

trycznego w pow ietrznych układach izolacyjnych wn. jako dielektryk przyjm ują powietrze czyste oraz istniejące w nim drobiny wody. Rów nież w ytyczne projektow e i wym agania norm atyw ne badań i oceny w ytrzym ałości elektrycznej izolacyjnych odstępów powietrznych

28 A J . Kałużny, M. K asprzyk

[1] w urządzeniach elektrycznych nie uw zględniają w pływ u ziam pyłu przem ysłow ego.

B adania laboratoryjne autorów [2,3] w skazują, że ziarna pyłu w prow adzone w obszar dzia­

łania po la elektrycznego w pływ ają na poziom w ytrzym ałości elektrycznej odstępów izola­

cyjnych pow ietrznych.

2. C H A R A K T E R Y ST Y K A M ED IU M IZO LA CY JN EG O (GA ZO ZOLU )

Z iarna pyłu przem ysłow ego tw o rzą z pow ietrzem m ieszaninę gazozolu, ja k o materiał izolacyjny. W przem ysłow ych napow ietrznych odstępach izolacyjnych dielektryk pomiędzy elektrodam i w p o lu elektrycznym je s t zw ykle m ieszaniną ziam pyłu przem ysłow ego z po­

w ietrzem (gazozol).

Z iarna p y łu przem ysłow ego są ciałam i stałym i, które zaw ierają w sw oim składzie różne pierw iastki, będące produktam i odpadow ym i procesów przem ysłow o-technologicznych lub im tow arzyszących. M ateriały tw orzące ziarna pyłu zaw ierają związki rozpuszczalne i nie­

rozpuszczalne w w odzie o różnym składzie chem icznym . Pierw iastki zaw arte w ziarnach pyłu p osiadają różny p oziom energii em isji sw obodnych ładunków elektrycznych - napięcia jo n i­

zacji. W yniki analizy składu chem icznego w ybranych pyłów oraz poziom u napięcia jonizacji jednokrotnej pierw iastków składow ych zestaw iono w tabeli 1. Skład chem iczny pow ietrza jako czystego m ateriału izolacyjnego zestaw iono w tabeli 2.

Tabela 1 W yniki analizy składu chem icznego ziam pyłu hutniczego i elektrow nianego

i napięcia jonizacji jednokrotnej pierw iastków składow ych

Rodzaj pyłu Skład chemiczny (%) /napięcie jonizacji U,

[V]

SA

so3

p2o5

Elektrowniany 46.5 17.2 11.0 7.38 4.34 3.28 1.05 0.21 0.06

8,14 5,96 7,83 6,25 7,4 10,31 6,80 10,30 7,40

Hutniczy

12

8,14 5,96 7,83 6,25 7,4 10,31 6,80 10,30 7,40

Tabela 2 Skład chem iczny pow ietrza i napięcia jonizacji jednokrotnej pierw iastków składow ych

Składnik powietrza

Azot n2

Wodór h2

Tlen

o2

Hel He

Neon Ne

Argon Ar

Krypton Kr

co2

wodna

Ksenon Xe Skład obję­

tościowy 78,0 5xlO'5 20,9 5x10"4 l,5 x l0 '3 0,93 lx l0 ‘4 0,03 ~ -1 x 1 0 5 Napięcie

jonizacji U [V]

14,48 13,54 13,56 24,45 21,48 16,69 13,94 13,73 12,6 12,08

A naliza w pływ u z ia m p y łu przem ysłow ego i w ilgotności na wytrzymałość 29

Z porów nania poziom ów napięcia jonizacji jednokrotnej pierw iastków składowych ziam pyłu przem ysłow ego i pierw iastków składow ych pow ietrza wynika, że napięcie jonizacji pierw iastków składow ych ziam pyłów przem ysłow ych je st znacznie niższe niż pierw iastków składow ych pow ietrza. Zw iązki chem iczne tw orzące ziarna pyłu w w yniku oddziaływania drobin w ody (pary w odnej) ulegają rozpuszczaniu. W w yniku dysocjacji elektrolitycznej w otoczeniu części stałych ziam pyłu tw orzą się m ikroobszary o dużej gęstości ładunków sw obodnych. Procentow y udział cząstek rozpuszczalnych w w odzie oraz w ybrane właści­

w ości fizyczne pyłu hutniczego (zakład m etalurgiczny) oraz elektrow nianego (elektrownia w ęglow a) przedstaw iono w tabeli 3.

B adania średnicy zastępczej ziam pyłów przem ysłow ych pokazują, że najw iększy udział - ok. 60% - stanow ią ziarna pyłu o średnicy zastępczej równej 2,7+30 pm . N atom iast ziarna py­

łu o średnicy 30 + 60 pm stanow ią ok. 28 % całkowitej ilości ziam pyłów przem ysłow ych [4],

Tabela 3 W ybrane w łaściw ości fizyczne pyłów przem ysłow ych

Rodzaj pyłu Średnica zas­

tępcza ziam pyłu d, [pm]

Gęstość m asy mw [ g/cm 3]

Procentow a zawartość cząstek rozpuszczal­

nych [%]

K onduktyw ność w od­

nego roztw oru ziam pyłu ^k [pS/m ] Elektrow ni any 0 - 1 0 0

4 0,6°

3,12 14,51 16,8T 03

M etalurgiczny 0 - 1 0 0 2 9,3°

4,33 4,63 11,7-łO3

11Z PB E „E nergopom iar” Gliwice, Woj. Stacja Sanitarno-Epidem iologiczna i Geoprojekt W rocław

Ziarna pyłu w norm alnych warunkach w pow ietrzu znajdują się w ciągłym m chu w w yniku działania nań sił: grawitacji, konwekcji oraz inercji. W obszarze pola elektrycznego technicznych układów izolacyjnych pow ietrznych ten chaotyczny m ch ziam pyłu ulega zm ia­

nie, zależnie od uw arunkow ań oddziaływ ania pola elektrycznego oraz czynników środowi­

skowych, takich jak: prędkość strug wiatru, w ilgotność i tem peratura pow ietrza.

W ym iary geom etryczne ziam pyłu znacznie przew yższają w ym iary cząsteczek powietrza.

Przyjm ując, że średnia średnica zastępcza ziam pyłu przem ysłow ego rów na je s t ok. 40 pm , to je st ona w iększa od średnicy cząsteczek pow ietrza ok. l lO5 razy. Rów nież średnica zastępcza ziam pyłu je s t w ielokrotnie w iększa od drogi swobodnej pom iędzy cząsteczkam i powietrza.

Przyjm ując drogę sw obodną m chu elektronów w pow ietrzu w w arunkach norm alnych rów ną le = 0,04569 pm , to je st ona około 1000 razy m niejsza w porównaniu ze średnicą ziam pyłu elektrownianego.

W zajem ne relacje wyżej w yszczególnionych w łaściw ości fizycznych gazozolu pozw alają na postaw ienie tezy, że ziarna pyłu przem ysłow ego w pow ietrzu m ają istotne znaczenie w definiow aniu w arunków oddziaływ ania zew nętrznego pola elektrycznego oraz m echani­

zm ie zapłonu i rozw oju w yładow ania elektrycznego w izolacyjnych odstępach powietrznych.

30 A.J. K ałużny, M. K asprzyk

3. R O L A Z IA R E N P Y Ł U W M EC H A N IZM IE W Y ŁA D O W A NIA EL E K T R Y C Z N E G O

A nalizując zjaw isko jonizacji w arunkujące zapłon i rozw ój w yładow ania elektrycznego w m ieszaninie gazozolu w polu elektrycznym m ożna stwierdzić, że podobnie ja k cząsteczki gazu rów nież cząsteczki ziam pyłu przem ysłow ego p o dlegają w pływ om czynników jonizacji zew nętrznej.

F o t o j o n i z a c j a je s t m ożliw a, gdy energia fotonu je st w iększa od energii jonizacji drobin ośrodka izolacyjnego, w yrażonego zależnością:

gdzie: h - stała P lancka (h = 6,54 • 10 34 J s ) , v - częstotliw ość fali świetlnej (v = c/a.) , wy - energia jonizacji cząsteczek.

E nergia jo n izacji cząsteczek składow ych ziam pyłu je st znacznie niższa od energii jo n i­

zacji cząsteczek gazów - składników pow ietrza. Z tego w ynika, że ziarna pyłu w pow ietrzu są czynnikiem aktyw izującym proces fotojonizacji i przyrostu liczby sw obodnych ładunków elektrycznych w przestrzeni m iędzyelektrodow ej. Z iarna pyłów przem ysłow ych (elektrow- nianych) posiadające w sw oim składzie śladow e ilości atom ów pierw iastków prom ienio­

tw órczych są rów nież czynnikiem aktyw izującym procesy jonizacji atom ów innych pier­

w iastków składow ych ziam pyłu oraz cząsteczek pow ietrza. M a to rów nież w pływ na przyrost liczby ładunków sw obodnych w przestrzeni m iędzyelektrodow ej odstępu izolacyjnego w y­

zw olonych b ez udziału p o la elektrycznego.

J o n i z a c j a c i e p l n a je st w ynikiem w zrostu energii wew nętrznej atom ów, co um ożliw ia przejście elektronów w alencyjnych poza obszar oddziaływ ania ją d ra atom owego oraz w zrostu ruchliw ości cząsteczek i ich energii kinetycznej. Jonizacja cieplna warunkuje tw orzenie się ładunków sw obodnych w w yniku zderzeń niesprężystych. Stopień jonizacji gazu (pow ietrza) przy określonej tem peraturze T określa zależność:

gdzie: p = sum a ciśnień cząstkow ych w szystkich składow ych gazu, n ' - udział jonizow anych cząsteczek pow ietrza do całkow itej liczby cząsteczek, U, - potencjał jonizacji gazu, k - stała B oltzm ana, qe - ładunek elektronu.

W pow ietrzu zanieczyszczonym ziarnam i pyłów przem ysłow ych m ożliw y je st w zrost aktywności jonizacji term icznej gazozolu ze w zględu na niższy poziom energii jonizacji atom ów pierw iastków w chodzących w skład ziam pyłów w porów naniu z energią jonizacji cząsteczek pow ietrza, co ilustrują tabele 1 i 2.

h v > w

(

)

(

)

A naliza w pływ u ziarn p y łu przem ysłow ego i w ilgotności na w ytrzym a ło ść. 31

E m i s j a e l e k t r o n ó w z p o w i e r z c h n i m e t a li. W yzw olenie elektronów z atom ów na pow ierzchni m etali przy ich bom bardow aniu dodatnim i jonam i uw arunkowane jest energią jonów . A by było m ożliw e w ybicie elektronów z pow ierzchni metalowej katody, to energia jo n ó w pow inna być dw ukrotnie w iększa od pracy w yjścia Wp elektronów z metalu Wj > 2 W p . P raca w yjścia w iększości pierw iastków metali w chodzących w skład ziarn pyłów przem ysłow ych spełnia pow yższy w arunek i je st dw ukrotnie m niejsza od energii jonizacji gazów (pow ietrza)') . G ęstość prądu autoem isji z pow ierzchni m etalow ych elektrod opisuje zależność (3):

gdzie: j k - gęstość prądu em isji katody, D - w spółczynnik rów ny kw adratowi am plitudy fali elektronów za przedziałam i energii w zbronionej, E - natężenie po la elektrycznego, {/ ■ - napięcie w yjścia elektronu z pasm a walencyjnego, U0m - głębokość dołu potencjalnego w metalu.

G ęstość prądu em isji katody je s t zależna również od nierów ności jej pow ierzchni. Ziarna pyłów przem ysłow ych charakteryzują się du żą nierów nom iem ością pow ierzchni o dużych krzywiznach. W łaściw ości rodzaju i stanu pow ierzchni ziam pyłu przem ysłow ego m ają isto­

tne znaczenie w kształtow aniu zm ian rozkładu natężenia pola elektrycznego w przestrzeni m iędzyelektrodow ej izolacyjnego odstępu pow ietrznego oraz procesu w yzw alania elektronów i gęstości prądu em isji z pow ierzchni ziam pyłów przem ysłowych.

J o n i z a c j a z d e r z e n i o w a . Zderzenia sw obodnych elektronów z cząsteczkam i pow ietrza m o g ą pow odow ać przyrost nośników ładunku elektrycznego (elektronów i jonów ) w przestrzeni międzyelektrodowej. Proces jonizacji zderzeniowej w gazach (powietrzu) opisuje teoria Tow nsenda, z której wynika, że liczba jonizacji przy zderzeniach elektronu z cząsteczkam i pow ietrza na jednostkow ej drodze pom iędzy elek­

trodam i je st proporcjonalna do gęstości względnej pow ietrza 8 i praw dopodobieństw a jonizacji przy zderzeniach, co opisuje pierw szy w spółczynnik jonizacji T ow nsenda a

gdzie: Ej - energia jonizacji cząstek gazu, EqX - energia elektronu pobrana z pola o natężeniu E na drodze sw obodnej X , q - ładunek elektryczny jo n u lub elektronu.

W ynika z tego, że jeżeli energia ładunku sw obodnego na drodze sw obodnej X w polu elektrycznym o natężeniu E osiągnie w artość energii jonizacji cząsteczek pow ietrza w zadanej tem peraturze, to m oże w ystąpić jonizacja zderzeniowa i w ówczas spełniona je st zależność:

(3)

') W warunkach powietrza czystego prawdopodobieństwo wyzwolenia elektronu z powierzchni kato­

dy jest stosunkowo małe i wynosi około 10'3 +1CT4.

32 A J . Kałużny, M. K asprzyk

E q k > E j . (5)

W przypadku w prow adzenia ziam pyłu w obszar działania pola elektrycznego warunki jonizacji zderzeniow ej u legają zm ianie. Spow odow ane je st to zm niejszeniem się drogi sw obodnej elektronów i jo n ó w oraz znacznym i zm ianam i (wzrostu) natężenia lokalnego pola elektrycznego, w otoczeniu ziam pyłu na drodze m iędzy elektrodam i. W pływ ziam pyłu przem ysłow ego na rozkład natężenia pola elektrycznego w przestrzeni m iędzyelektrodow ej zilustrow ano na rysunku 1.

Rys. 1. Ilustracja w pływ u ziam pyłu przem ysłow ego na rozkład natężenia po la w zdłuż osi x p om iędzy elektrodam i

Fig. 1. The illustration o f the dust grains influence on distribution o f the electrical field intensity

4. W Y N IK I B A D A Ń EK SPER Y M EN TA LN Y C H

B adania w pływ u ziam pyłu przem ysłow ego na w ytrzym ałość elektryczną statyczną przy napięciu przem iennym w ykonano w specjalnej kom orze o pojem ności ok. 1, 2 m 3 . Procedurę badań laboratoryjnych opisano w pracach [2,3]. Elektrody pom iarow e zapew niały w prze­

strzeni m iędzyelektrodow ej w zdłuż drogi w yładow ania pole elektryczne o rozkładzie prawie rów nom iernym . P odczas pom iarów napięcia przeskoku, dla zadanego poziom u stężenia pyłu, zm ieniano w ilgotność pow ietrza w kom orze, przy praw ie stałej tem peraturze.

W yniki pom iarów w ytrzym ałości elektrycznej statycznej pow ietrza zanieczyszczonego pyłem przem ysłow ym zestaw iono w ujęciu graficznym na rysunku 2.

Analiza wpływ u ziarn p y łu przem ysłow ego i w ilgotności na w ytrzym ałość . 33

Rys.2. Zależność w ytrzym ałości elektrycznej pow ietrza zanieczyszczonego pyłem przem y­

słow ym w funkcji w ilgotności i koncentracji ziam pyłu przem ysłow ego

Fig. 2. The influence o f hum idity and different concentration o f dust grains on electrical strength o f air

5. PO D SU M O W A N IE I W NIOSKI

Z analizy teoretycznej w pływ u ziam pyłu przem ysłow ego na m echanizm zapłonu i rozw oju w yładow ania elektrycznego w idać, ja k bardzo je st to problem uw ikłany. Ziarna pyłu są z jednej strony czynnikiem sprzyjającym procesow i w zrostu liczby ładunków swobodnych (jonizacji) w przestrzeni m iędzyelektrodow ej, a z drugiej s ą czynnikiem aktywizacji procesu przeciw nego (rekom binacji). Próba jednoznacznej oceny zjaw isk fizycznych je st m ożliwa przy oparciu się na w ynikach badań eksperym entalnych. Przeprow adzone badania, z których wybrane w yniki przedstaw iono na rysunku 2, pozw alają na podanie następujących wniosków:

• W ytrzym ałość elektryczna pow ietrza zanieczyszczonego ziarnam i pyłu przem ysłowego w polu elektrycznym pierw otnie rów nom iernym w sposób istotny zależna je st od stężenia ziam pyłu i w ilgotności powietrza.

• W ytrzym ałość elektryczna pow ietrza zanieczyszczonego o zw iększonej wilgotności maleje po przekroczeniu w ilgotności względnej 85-90°. Bardzo silny w pływ koncentracji ziam

34 A J . Kałużny, M. K asprzyk

pyłu przem ysłow ego na w ytrzym ałość elektryczną odstępu izolacyjnego uw idacznia się w pobliżu w ilgotności nasycenia (mgła). W ówczas obniżenie w ytrzym ałości elektrycznej pow ietrza w stosunku do w ytrzym ałości norm alnej m oże osiągnąć poziom od (0,95 + 0,75) w zależności od stężenia p yłu w pow ietrzu.

• Zależność w ytrzym ałości elektrycznej pow ietrza o zw iększonej w ilgotności od stężenia ziam p yłu przem ysłow ego rośnie ze w zrostem odległości m iędzy elektrodam i.

• W yniki dośw iadczeń laboratoryjnych uzasadniają potrzebę podjęcia dalszych badań teore­

tycznych i eksperym entalnych, które p ozw olą n a opracow anie m odeli m atem atycznych oceny w ytrzym ałości odstępów pow ietrznych z uw zględnieniem rodzaju i koncentracji ziam pyłów przem ysłow ych.

LITER A TU R A

1. PN -87/E-04053: P om iary w ysokonapięciow e.

2. K ałużny A.: W pływ pyłów przem ysłow ych na w ytrzym ałość elektryczną odstępów izo­

lacyjnych pow ietrznych. Z N Pol. Śląskiej, ser. „Elektryka” , z. 127, G liw ice 1992, s. 227- 240.

3. K ałużna U ., K ałużny A.: E lectric strength o f high voltage insulating gap in polluted air.

Proceedings o f 9th ISH G raz 1995 , Subject 2, rep.2155.

4. B ula D.: P raca dyplom ow a m agisterska. Politechnika Śląska, G liw ice 1995.

Recenzent: Prof. zw. dr hab. inż. B olesław M azurek

W płynęło do R edakcji 15 kw ietnia 2000 r.

A bstract

Insulating air gaps o f electric equipm ent installed in industrial regions w ork in a quite different conditions that these ones in a clean air. A variable concentration o f the dust grains and w ater particles in the electric field in insulating m edium new conditions for ignition and developm ent o f electric discharges.

M ain chem ical and physical properties o f constituents o f the m ixture o f air and industrial dust grains are presented in the paper. The analysis o f ionizing agents and influence o f the dust grains on distribution o f the electric field show their significant influence on ignition o f electric discharges and electric strength o f the m ixture o f air and dust grains.

Som e results o f investigations o f influence o f the dust grains on electric strength o f the aerosol in fig. 2 show that electric strength o f the insulating gap depends significantly on air hum idity and a distance betw een electrodes.