Suurjännitetekniikka FEM Simulointi tehtävä 6 Kristian Wessman 82225P

Task 6

Tehtävässä 6 tutkitaan rakenteen dielektristä vahvuutta eli toisin sanoen rakenteen

jännitekestoa. Tehtävässä 6 tutkitaan kuinka kiinteän eristeen lisääminen ilmaeristykseen

vaikuttaa ja minkälaisia seurauksia kiinteän eristeen lisäämisellä on tilanteeseen.

Simuloinnissa kiinteän eristeen lisäämisen vaikutusta tutkitaan niin että analysoidaan

ensin tapaus, jossa eristeenä on pelkkää ilmaa, minkä jälkeen analysointi suoritetaan

uudelleen kiinteän eristeen kanssa ja katsotaan kuinka se on vaikuttanut saataviin

tuloksiin. Rakenteen dielektristä vahvuutta eli jännitekestoa voidaan tutkia helpoiten kun

visualisoidaan sähkökentän jakaumat eri tilanteissa. Kiinteänä eristeenä käytetään

XLPE:tä, jonka suhteellisena permittiivisyytenä käytetään arvoa .

Piirretään ensin simulointiohjelmaan tutkittava systeemi, eli kaksi tasoelektrodia joita siis

ensimmäisessä vaiheessa erottaa vain ilmaeriste. Tehdään myös ulkorajat alueelle, jota

simuloidaan. Valitaan rajat niin että ne kulkevat samaa reittiä sivuilla elektrodien kanssa ja

päädyistä yhdistävät suoraan elektrodit, koska ollaan kiinnostuneita nimenomaan

elektrodien sisällä tapahtuvista kentistä. Seuraavaksi määritellään materiaalit, joita

simuloinnissa käytetään. Luodaan nämä materiaalit eli nimetään ne ja määritetään

materiaalien suhteelliset permittiivisyydet. Luodaan siis tarvittavat materiaalit eli ilma (Air),

jolle suhteellinen permittiivisyys sekä XLPE, jolle suhteellinen permittiivisyys on siis

.

Tämän jälkeen määritetään elektrodeille, kumpi niistä on maapotentiaali ja kumpi

korkeajännitteinen ja merkitään niillä niitä vastaavat jännitteet. Valitaan ylempi elektrodi

korkeajännitteiseksi ja alempi maapotentiaaliksi. Nimetään korkeajännitteinen elektrodi

nimellä HV (High Voltage), käytetään sille vakio jännitettä 50 000 V eli 50 kV. Vastaavasti

maapotentiaalissa olevalle elektrodille annetaan nimi GND (Ground), ja sen vakio

jännitteeksi siis luonnollisestikin 0 V.

Suurjännitetekniikka FEM Simulointi tehtävä 6 Kristian Wessman 82225P

Suoritetaan ensin simulointi pelkällä ilmaeristeellä:

Simuloinnin tuloksena saadaan seuraavanlainen kuvaaja, josta siis näkyy selvästi, kuinka

jännite eli voltit tippuvat etäisyyden kasvaessa korkeajännitteisestä elektrodista (ylhäällä

elektrodin 50 kV) maaelektrodiin päin mentäessä (alhaalla maaelektrodin 0 V).

Kun kuvaajaan lisätään vielä tasapotentiaalipinnat, saadaan seuraavanlainen kuvaaja:

Suurjännitetekniikka FEM Simulointi tehtävä 6 Kristian Wessman 82225P

Kuvaajasta käy selkeästi ilmi että pelkällä ilmaeristeellä tasapotentiaalipinnat kulkevat

kaikki yhtä kaukana toisistaan eli ilmaeristeellä jännite tippuu samalla etäisyydellä aina

yhtä voimakkaasti.

Lisäksi voidaan tarkastella myös sähkökentän E kulkua simuloitavalla alueella, jolloin

saadaan seuraavanlainen kuvaaja (nuolet kertovat kentän kulkusuunnan kussakin

tarkasteltavassa kohdassa):

Koska alue rajattiin siten että tarkastelu kohdistettiinkin nimenomaan elektrodien väliseen

alueeseen, niin sähkökenttä E kulkee luonnollisesti myös suoraan korkeajännitteisestä

elektrodista maaelektrodiin päin.

Suurjännitetekniikka FEM Simulointi tehtävä 6 Kristian Wessman 82225P

Näiden lisäksi voidaan tutkia vielä niin sanottua jännitteen X-Y -plottausta, eli voidaan

tutkia kuinka potentiaali tippuu etäisyyden kasvaessa korkeajännitteisestä elektrodista:

Kuva on tehty niin että siinä on piirretty jännitteen muuttuminen lähtien

korkeajännitteisestä elektrodista ja mennen aina maaelektrodiin saakka, eli kuten kuvasta

voidaan helposti havaita niin korkeajännitteisessä elektrodissa on sen jännite 50 kV, minkä

jälkeen jännite tippuu lineaarisesti nollaan maaelektrodissa kahden metrin pituisella

matkalla.

Suurjännitetekniikka FEM Simulointi tehtävä 6 Kristian Wessman 82225P

Visualisoidaan vielä sähkökentän E jakauma, jotta nähdään kuinka se käyttäytyy kyseessä

olevassa tilanteessa:

Yllä olevasta kuvaajasta nähdään helposti, että kun eristeenä on pelkkää ilmaa, niin

sähkökenttä E on kaikkialla tutkittavassa alueessa vakio eli kuten kuvaajan viereinen

asteikko näyttää kenttä on siis kaikkialla

. Ilma kestää kuitenkin

suuruudeltaan

sähkökentän, eli läpilyöntiä ei pääse tapahtumaan vallitsevassa

tilanteessa.

Suurjännitetekniikka FEM Simulointi tehtävä 6 Kristian Wessman 82225P

Suoritetaan nyt simulointi niin että kiinteä eriste XLPE on lisätty ilmaeristysten väliin:

Lisätään XLPE ilmaeristeiden keskelle ja merkitään simulointia varten että materiaali on

XLPE:tä, jolle siis jo aikaisemmassa vaiheessa määritettiin sen permittiivisyys.

Simuloinnin tuloksena saadaan seuraavanlainen kuvaaja, josta siis näkyy selvästi, kuinka

jännite eli voltit tippuvat etäisyyden kasvaessa korkeajännitteisestä elektrodista (ylhäällä

elektrodin 50 kV) maaelektrodiin päin mentäessä (alhaalla maaelektrodin 0 V).

Kun kuvaajaan lisätään vielä tasapotentiaalipinnat, saadaan seuraavanlainen kuvaaja:

Suurjännitetekniikka FEM Simulointi tehtävä 6 Kristian Wessman 82225P

Kuvaajasta käy selkeästi ilmi että kun ilmaeristyksien väliin on lisätty kiinteä eriste XLPE,

niin siinä potentiaali tippuu eri tavalla kuin jos koko tutkittava alue olisi homogeenistä

ilmaeristystä. Potentiaali siis vaimenee hitaammin kiinteässä eristeessä.

Lisäksi voidaan tarkastella myös sähkökentän E kulkua simuloitavalla alueella ja erityisesti

kiinteässä eristeessä XLPE, jolloin saadaan seuraavanlainen kuvaaja (nuolet kertovat

kentän kulkusuunnan kussakin tarkasteltavassa kohdassa):

Koska alue rajattiin siten että tarkastelu kohdistettiinkin nimenomaan elektrodien väliseen

alueeseen, niin sähkökenttä E kulkee luonnollisesti myös suoraan korkeajännitteisestä

elektrodista maaelektrodiin päin. Kiinteä eriste XLPE ei vaikuta sähkökentän E suuntaan,

mutta siinä sähkökenttä kulkee huomattavasti huonommin kuin ilmaeristeisissä osissa.

Suurjännitetekniikka FEM Simulointi tehtävä 6 Kristian Wessman 82225P

Näiden lisäksi voidaan tutkia vielä niin sanottua jännitteen X-Y -plottausta, eli voidaan

tutkia kuinka potentiaali tippuu etäisyyden kasvaessa korkeajännitteisestä elektrodista

sekä erityisesti miten kiinteä eriste XLPE vaikuttaa tähän:

Kuva on tehty niin että siinä on piirretty jännitteen muuttuminen lähtien

korkeajännitteisestä elektrodista ja mennen aina maaelektrodiin saakka, eli kuten kuvasta

voidaan helposti havaita niin korkeajännitteisessä elektrodissa on sen jännite 50 kV, minkä

jälkeen jännite tippuu nollaan maaelektrodissa kahden metrin pituisella matkalla. Erona

aikaisempaan X-Y -plottaukseen on se, että nyt kun ilmaeristeiden väliin on lisätty kiinteä

eriste XLPE, niin siinä jännite tippuu huomattavasti hitaammin kuin ilmaeristeisissä osissa.

Kuvaajasta nähdään selvästi myös, että sekä alkuosalla että loppuosalla jännite tippuu

huomattavasti jyrkemmin (jyrkempi kulmakerroin) kuin tilanteessa jossa oli pelkkää ilmaa

eristeenä. Tämä on luonnollista siinäkin mielessä, että koska väliin on tullut alue jossa

jännite tippuu huomattavasti alkuperäistä tilannetta hitaammin (kiinteässä eristeessä

XLPE), niin muilla alueilla (eli juuri alku- ja loppuosassa) jännitteen täytyy tippua

alkuperäistä tilannetta nopeammin.

Suurjännitetekniikka FEM Simulointi tehtävä 6 Kristian Wessman 82225P

Visualisoidaan vielä sähkökentän E jakauma, jotta nähdään kuinka se käyttäytyy

tilanteessa, jossa ilmaeristyksen väliin on lisätty kiinteä eriste XLPE, ja verrataan tilannetta

aikaisemmin analysoituun tapaukseen:

Yllä olevasta kuvaajasta voidaan katsoa, että kun ilmaeristysten väliin on lisätty kiinteä

eriste XLPE, niin sähkökenttä E ei enää luonnollisestikaan ole vakio kaikkialla tutkittavassa

alueessa. Kuvaajan viereinen asteikko näyttää sähkökentän E suuruudet sekä

ilmaeristeisissä osissa että kiinteässä eristeessä XLPE. Asteikosta voidaan helposti lukea,

että sähkökenttä E on pienimmillään kiinteässä eristeessä XLPE, ja suurimmillaan

ilmaeristeissä osissa. Tällöin ilmaeristeisissä osissa suurimmaksi sähkökentäksi

muodostuu

, eli sähkökentän E voimakkuus kasvaa verrattuna

aikaisempaan tilanteeseen, jossa eristyksenä koko alueessa käytettiin pelkästään ilmaa.

Tämä selittyykin sillä, että kiinteän eristeen lisääminen, eli tässä tapauksessa siis XLPE,

jolla on suurempi permittiivisyys kuin ilmalla, kasvattaa sähkökentän E suuruutta siinä

väliaineessa / eristeaineessa, jolla on pienempi permittiivisyys (eli tässä tapauksessa siis

ilmaeristeisissä osissa). Vastaavasti sähkökentän E suuruus kiinteässä eristeessä XLPE

on huomattavasti pienempi eli sähkökentän voimakkuus XLPE:n sisällä on luokkaa

, kuten kuvaajan vieressä olevasta asteikosta voidaan lukea.

Tällöin vaikka kasvattaisimme jännitettä V ylemmässä elektrodissa, eli HV-elektrodissa,

niin että tämän seurauksena sähkökentän E voimakkuus ilmaeristeissä osissa ylittäisikin

Suurjännitetekniikka FEM Simulointi tehtävä 6 Kristian Wessman 82225P

arvon

, jolloin läpilyönti ilmassa alkaisi, niin tämä kyseinen läpilyönti ei

kuitenkaan pääsisi etenemään kiinteän eristeen XLPE läpi, koska siinä sähkökentän E

voimakkuus on huomattavan paljon pienempi. Tämän lisäksi voidaan katsoa vielä

taulukosta, että kiinteä eriste XLPE kestää valtavasti suuremman rasituksen kuin ilma, eli

kiinteälle eristeelle XLPE sen läpilyöntikentänvoimakkuus

, mikä sekin vaikuttaa omalta osaltaan läpilyönnin kulun estämiseen

merkittävästi.

Tällöin voidaankin todeta, että vaikka kiinteän eristeen XLPE lisääminen ilmaeristyksien

väliin kasvattikin sähkökentän E voimakkuutta näissä ilmaeristeisissä osissa, niin estää se

kuitenkin läpilyönnin tapahtumisen siinä tilanteessa kun jännite V kasvaisi

suurjännitteisessä elektrodissa HV.

Eli lopullisena johtopäätöksenä voidaan todeta, että kiinteän eristeen XLPE lisääminen

ilmaeristyksen väliin parantaa edellä mainituista syistä koko rakenteen dielektristä

vahvuutta eli sen jännitekestoa.