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The Behaviour of Water Drops on Insulating Surfaces Stressed by Electric Field

Feier-Iova, Simona (2009)
The Behaviour of Water Drops on Insulating Surfaces Stressed by Electric Field.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication

Disseration - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: The Behaviour of Water Drops on Insulating Surfaces Stressed by Electric Field
Language: English
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr.- Volker ; Kurrat, Prof. Dr.- Michael
Date: 18 December 2009
Place of Publication: Darmstadt
Date of oral examination: 23 November 2009

The insulating materials of high voltage equipment are stressed in service over years by several environmental factors. One ageing factor is the humidity, which in combination with the electrical stress causes changes of the conditions on the insulating surface. Polymeric insulators are widely used because of their high contamination resistance and high tensile strength-to-weight ratio, while constituting an unattractive target for vandals. Especially with silicone rubber housings, polymeric insulators exhibit a high surface hydrophobicity. Water drops will be formed on the polymer surface when the insulator is exposed to rain and moisture, and hence the conductive contamination dissolved with water is discontinuous. Hydrophobicity is transferred to pollution layers and after loss of hydrophobicity under severe environmental stress, such as extreme continuous exposure to moisture, it will be recovered in a relatively short time. The aim of this work is to analyze the early ageing conditions of an electrically stressed silicone rubber surface. The influence of water drops under electric field stress on the partial discharge inception phenomena shall provide the focal point of the investigation. Around the water drops the electric field is intensified. The water drop will be deformed and elongated along the direction of the electric field lines. The deformations will cause local electric field intensifications; the critical point will be the triple point between the water drop, air and the insulating material. This will be a starting point for partial discharges, finally leading to material deterioration. The water drop movement on the insulating surface is observed and recorded using a high speed camera and a mirror system. The mirror system simultaneously records three different plane views of the water drop. In this way, a three dimensional recording is possible, while providing three dimensional information about the water drop movement. The recordings revealed that the water drops forms sharp edges at the triple point and elongate in the direction of the electric field lines. The partial discharge activity is analyzed using a standard partial discharge measurement system. As the discharges taking place at one water drop are marginal, the partial discharge system is not sensitive enough to detect the ignition of the discharge. Therefore, a photomultiplier module was used to detect the inception of the discharge activity on the surface. The first light emission of the partial discharges is amplified and converted into an electrical signal. It was revealed that the photomulti-plier module detects the first partial discharge at a voltage value which is up to 13 % smaller than the value measured using the standard partial discharge system. Using a UV camera it was observed that discharges take place on the surface starting from the TP of the drop towards electrodes, exactly where the sharp edges are present. During experiments the following parameters varied: water drop volume, water drop conductivity and ambient conditions. The effects of different parameters on the partial discharge inception conditions are analyzed. The inception electric field strength decreases by increasing the water drop volume. Small water drops exhibit a higher contact angle than larger water drops. The contact angle increase by decreasing the water drop volume. The ambient conditions also play an important role in determining the inception electric field strength at water drops and it is a parameter which changes very often in normal duty, especially for outdoor insulation. At high humidity and in the presence of the electric field, the oxygen molecules hydrate with the water molecules from moist air, forming large negative ions. As the production of large ions increases exponentially by increasing the humidity, the probability of an avalanche starting is higher at higher humidity than at lower ambient humidity. Hence, the inception electric field strength decreases by increasing the absolute humidity. Two different decay rates were measured. The humidity correction factors presented in this work can be used to predict exactly the inception electric field at the water drops on an insulating surface at a certain absolute humidity value. The practical importance is that the ambient conditions, i.e. absolute humidity, influence PD activities reversely compared with the general breakdown electric field strength. The ambient conditions should always be measured when PD measurements are carried out. Long-term observations and measurements on PD activity will only be of any relevance if the results are obtained under the same humidity conditions or if they are corrected with respect to the humidity level. The water drop deformations recorded with the high speed camera were modelled using a drawing tool, where the shape and volume of the drop are reproduced very accurately. The electrostatic simulations are carried out using the modells and the inception voltage values from the experiments. The simulation results show electric field intensification in the region of the TP. In order to verify the simulation results, an analytical calculation was carried out for an undeformed water drop having a contact angle of 120°. For the deformed water drop the theoretical calculation of the electric field distribution at the water drop is no longer possible. Therefore, the theoretical consideration revealed that criteria to verify the simulation results must be found. Two criteria are developed, one global and one local. If the simulation results fulfil both criteria, the values can be considered to evaluate the electric field intensifications in the region of water drop. The first criterion, named “integral criterion” is a global validation criterion, e.g. is valid for the whole path along the sample. The interesting point is near the water drop, where the electric field is intensified using a local validation criterion. As the TP is a singularity point, e.g. values of the electric field strength tend towards infinity, the values in the TP cannot be considered in the evaluation of the electric field intensification. The analysis of the electric field curves along the surface at different mesh settings revealed that up to a distance of 0,1 mm from the TP, the curves corresponding to the fine meshes converge and this point is named convergence point (CP). The CP is the point where the electric field intensifications are considered. The electric field intensifications analyzed at the CP show high electric field intensification in the presence of the water drop on the surface. The variation of the electric field strength with the contact angle and with the contour of the drop is shown by measurements and demonstrated by simulations. For deformed drops, the electric field intensifications are higher and can reach values eight times higher than the applied electric field. The tangential component of the electric field is the affected component by the local field intensifications. Taking into account the magnitude of the local electric field intensification, the deformation of the water drops on the insulating surface must be considered by electrical resistance of the polymeric insulating surfaces. The absolute value of the electric field is to be considered in order to compare the experimental measurements with the simulation results. For the deformed water drops the absolute values of the electric field are comparable with the inception electric field strength in air. The ageing model of a polymeric material was upgraded in the region of the early ageing phase. The water drop deformations, their implication on the local electric field intensification and the influence of the ambient conditions on the inception electric field are included in the ageing model for polymeric materials.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Isolierstoffe der Hochspannungstechnik unterliegen im Dauerbetrieb einer Vielzahl von Beanspruchungen, die zu ihrer Alterung beitragen. Luftfeuchte bei gleichzeitiger elektrischer Belastung können in einem veränderten Hydrophobieverhalten der Isolierstoffoberfläche resultieren. Polymerisolatoren werden heutzutage wegen ihres positiven Fremdschichtverhaltens und ihrer hohen mechanischen Festigkeit in nahezu allen Spannungsebenen und unter allen Umgebungseinflüssen eingesetzt. Besonders mit Silikongehäuse besitzen die Isolatoren ein hervorragendes Hydrophobieverhalten, was bei Tropfenbildung auf der Isolatoroberfläche durch Regen oder erhöhte Luftfeuchtigkeit verhindert, dass sich Kriechstromwege bilden, die zu Fremdschichtüberschlägen führen können. Selbst bei kurzzeitiger Verschlechterung der Hydrophobie durch extreme äußere Einflüsse sind Polymere in der Lage, sich innerhalb kurzer Zeit selbst zu erholen. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse des Alterungsverhaltens im Frühstadium, wenn Silikonoberflächen im elektrischen Feld belastet werden, wobei besonders Teilentladungsphänomene, hervorgerufen durch Tropfenbildung im elektrischen Feld, im Mittelpunkt der Untersuchung stehen. In Folge der auftretenden Kräfte im elektrischen Feld werden die Tropfen deformiert und in Richtung der Feldlinien gestreckt. Aus den Verformungen resultieren weitere, noch größere Feldstärkeerhöhungen, wobei der kritischste Punkt der sog. Tripelpunkt (TP) ist, an dem Wassertropfen, Luft und Isolierstoffoberfläche aufeinander treffen. Genau an dieser Stelle beginnen die Teilentladungen, die zu verstärkter Materialalterung führen können. Die Verformung der Wassertropfen auf der Polymeroberfläche im elektrischen Feld wird durch eine Hochgeschwindigkeitskamera in Verbindung mit einem Winkelspiegelsystem visualisiert, so dass gleichzeitig aus drei unterschiedlichen Blickwinkeln die verschiedenen Tropfenoberflächen beobachtet werden können. So wird durch eine dreidimensionale Aufzeichnung auch eine dreidimensionale Auswertung der Tropfenverformung ermöglicht. Bei nahezu allen deformierten Tropfen wurden scharfe Kanten am Tripelpunkt beobachtet. Die Teilentladungen werden durch ein herkömmliches Aufzeichnungs- und Auswertesystem erfasst. Allerdings sind die Entladungen an den Tropfen zum Teil so gering, dass ihr Einsatz nicht durch das Auswertesystem erfasst wird. Zu diesem Zweck wird ein Photovervielfacher eingesetzt, der die erste Lichtemission einer Teilentladung verstärkt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Ein Vergleich der Messmethoden mit dem Standardmesssystem und dem Photovervielfacher hat gezeigt, dass mit Hilfe des Photovervielfachers ein TE-Einsatz bei 13 % geringerer Spannung als mit dem Standardmesssystem detektiert wird. Durch den Einsatz einer UV-Kamera konnte gezeigt werden, dass die Teilentladungen unmittelbar vom TP an den Kanten des Tropfens ausgehen. Für die hier durchgeführten Untersuchungen wurden die Parameter Tropfenvolumen, Leitfähigkeit des Wassers sowie die Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit variiert. Gerade die Änderung der Umgebungsbedingungen bei Freiluftisolation ist ein wichtiger Parameter in Bezug auf das Einsetzen von Teilentladungen. Bei hoher Luftfeuchtigkeit im elektrischen Feld werden die vorhandenen Wassermoleküle ionisiert, und es bilden sich u. a. große negative geladene Sauerstoffionen. Die Anzahl der vorhandenen Ionen steigt exponentiell mit der Luftfeuchte, was die verstärkte Entladungstätigkeit bei erhöhter Luftfeuchtigkeit erklärt. Mit anderen Worten sinkt die TE-Einsetzspannung bei steigender Luftfeuchtigkeit, wobei zwei unterschiedliche Abhängigkeiten festgestellt wurden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Luftfeuchtekorrekturfaktoren erlauben eine exakte Bestimmung der TE-Einsetzspannung am Wassertropfen auf der Isolierstoffoberfläche abhängig von der vorhandenen Luftfeuchtigkeit. Von besonderer praktischer Bedeutung ist die Feststellung, dass die Änderung der Umgebungsbedingungen den Einsatz von Teilentladungen und die Durchschlagfestigkeit von Luft genau entgegengesetzt beeinflusst – während die Durchschlagfestigkeit von Luft mit höherer absoluter Luftfeuchte steigt, sinkt die TE-Einsetzspannung. Daher müssen die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen unbedingt bei der Betrachtung von TE mit berücksichtigt werden. Langzeituntersuchungen und Messungen der TE-Aktivität sind somit nur sinnvoll auswertbar, wenn die Ergebnisse entsprechend den Umgebungsbedingungen korrigiert worden sind. Die Modellierung der mit der Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichneten Wassertropfenverformung erfolgte mit Hilfe eines Zeichenprogramms, welches Tropfenform und –volumen sehr genau berücksichtigt. Die elektrostatischen Simulationen wurden auf Basis der Ergebnisse der experimentell ermittelten TE-Einsetzspannungen durchgeführt, wobei in den Simulationen ebenfalls stark erhöhte Feldstärken im Bereich des TPs festgestellt werden konnten. Zur weiteren Verifikation der experimentellen und simulatorischen Ergebnisse wurden auf Grundlage eines unverformten Tropfens bei einem Kontaktwinkel von 120 ° analytische Berechnungen durchgeführt. Wegen des nicht mehr zu bewältigenden Rechenaufwandes wird auf eine analytische Betrachtung der Verhältnisse an einem verformten Tropfen verzichtet. Somit müssen Kriterien gefunden werden, um die Qualität der Simulationsergebnisse zu bewerten. Zu diesem Zweck werden zwei Kriterien entwickelt, wobei die Simulationsergebnisse beide erfüllen müssen, um zur Bewertung der Feldstärkeerhöhungen im Randbereich der Tropfen herangezogen werden zu können. Das erste Kriterium, ein globales Kriterium, wird “Integralkriterium” genannt und beinhaltet eine Bewertung des gesamten Integrationsweges auf der Isolierstoffoberfläche im Bereich des aufliegenden Tropfens. Allerdings liegen die wirklich interessierenden Punkte unmittelbar in der Nähe des Tropfens auf der Isolierstoffoberfläche, wo die erhöhte elektrische Feldstärke durch ein „lokales Kriterium“ bewertet wird. Aufgrund der Singularität im TP gehen die elektrischen Feldstärken dort gegen unendlich und können daher nicht für die Bewertung der Feldstärkeerhöhungen herangezogen werden. Die Betrachtung des elektrischen Feldes entlang der Oberfläche bei unterschiedlich gewählten Diskretisierungsraten hat ergeben, dass bis zu einem Abstand von 0,1 mm vom TP die elektrischen Feldwerte konvergieren; daher wird bis hierhin ein sehr präzises Ergebnis der Simulation unterstellt, und dieser Punkt wird Konvergenzpunkt (englisch convergence point (CP)) genannt. Die Auswertung der elektrischen Feldstärken im CP zeigt Feldstärkeerhöhungen bei vorhandenen Wassertropfen (wie bereits bei den Messungen und analytischen Betrachtungen festgestellt). Die Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke vom Kontaktwinkel und von der Tropfenform wird anhand von Messungen und Simulationen gezeigt. Für verformte Tropfen können die Feldstärken den achtfachen Wert der angelegten Grundfeldstärke erreichen, wobei überwiegend die Tangentialkomponente beeinflusst wird. Bei Betrachtung der Amplitude der lokalen Feldstärkeerhöhung muss die elektrische Leitfähigkeit der Polymeroberfläche an der entsprechenden Stelle berücksichtigt werden. Zum Vergleich von Messung und Simulation sind nur die Absolutwerte der elektrischen Feldstärke von Bedeutung. Für die verformten Tropchen stimmen die Absolutwerte sehr gut mit der TE-Einsetzfeldstärke in Luft überein. Das Alterungsmodell von Polymeren wurde auf die Region der Frühalterungsphase ausgedehnt. Darüber hinaus werden bei der Erweiterung des Alterungsmodells noch die Tropfenverformung, die Beeinflussung der lokalen Feldstärkeerhöhung und der Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Einsetzspannung berücksichtigt.

Uncontrolled Keywords: insulators,local electric field intensification, partial discharges, inception voltage, contact angle, insulating material
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
insulators,local electric field intensification, partial discharges, inception voltage, contact angle, insulating materialEnglish
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20083
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 600 Technology
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Power Systems > High Voltage Technology
Date Deposited: 23 Dec 2009 15:09
Last Modified: 08 Jul 2020 23:41
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2008
PPN: 219286876
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