ROZDZIA 13

WYTWARZANIE NAPI

UDAROWYCH

Napi cie udarowe piorunowe jest napi ciem probierczym we wszystkich grupach

urz dze elektrycznych wed ug klasyfikacji IEC, a wi c urz dze o napi ciu znamio-
nowym od 1kV do napi najwy szych, w Polsce do napi cia 400 kV.

Napi cie udarowe jest stosowane do sprawdzania odporno ci uk adów

izolacyjnych na przepi cia atmosferyczne, wyst puj ce w eksploatacji .

Przepi cia atmosferyczne o czasie trwania rz du 10

-4

s i przebiegu czasowym

przedstawionym na rysunku 13.1a, s w laboratoriach modelowane udarami napi cio-
wymi znormalizowanymi, przedstawionymi na rysunku 13.1b.

t

U

m

0,5U

m

T /T = 1,2 s/50 s

1

2

10

-4

s

t

Rys.13.1

. Przebiegi czasowe: a) przepi cia atmosferycznego, b) napi cia udarowego

piorunowego

Przepi cia atmosferyczne w sieciach elektroenergetycznych wyst puj ce po

uderzeniu pioruna bezpo rednio w lini napowietrzn lub w jej pobli u, osi gaj
bardzo wysokie warto ci, rz du MV. Inny kierunek prac z zastosowaniem napi
udarowych stanowi badania mechanizmów wy adowa elektrycznych w tzw. wielkich
odst pach izolacyjnych. Wy adowania te decyduj bowiem o ich wytrzyma o ci
elektrycznej.

Napi cia udarowe piorunowe wytwarzane s w Laboratoriach Wysokich Napi

wyposa onych w generatory napi udarowych, wytwarzaj cych udary napi ciowe o
znormalizowanym przebiegu czasowym. Wytwarzanie takich nie zniekszta conych
przebiegów napi ciowych, a nast pnie ich rejestracja, nale do specjalnych
zagadnie w wysokonapi ciowej technice probierczej. Obecnie w praktyce labora-
toryjnej stosowane s metody cyfrowej rejestracji napi udarowych, a zwi zane z
nimi wymagania i procedury s szczegó owo sformu owane przez Mi dzynarodowy
Komitet Elektrotechniki [IEC-1083-1, IEC-1083-2].

13.1. Napi cia udarowe

13.1.1. Napi cie udarowe piorunowe

Napi cie udarowe jest to krótkotrwa y przebieg napi cia jednokierunkowego, które

wzrasta bez znacznych oscylacji od zera do warto ci szczytowej, a nast pnie maleje do zera.

Wielko ciami charakteryzuj cymi udary napi ciowe s :

warto szczytowa, to jest najwi ksza warto chwilowa napi cia udaru U

m

,

biegunowo ,
kszta t.

Napi cie udarowe piorunowe o przebiegu znormalizowanym otrzymuje si z generatorów

udarów napi ciowych. Na rysunku 13.2 przedstawiono udar piorunowy normalny, pe ny.

Rys.13.2.

Udar piorunowy normalny, pe ny:

T

1

- czas trwania czo a, T

2

- czas do pó szczytu

Czo o udaru jest to cz

krzywej, odpowiadaj ca wzrostowi napi cia od 0 do U

m

.

Czas trwania czo a T

1

jest to czas pomi dzy umownym pocz tkiem udaru (punkt 01)

i punktem C1.

Grzbiet udaru jest to cz

krzywej odpowiadaj ca zmniejszaniu si napi cia od U

m

do

zera.

Czas do pó szczytu T

2

(mi dzy 01D1) jest to czas od umownego pocz tku udaru do chwili,

gdy warto chwilowa udaru osi gnie 0,5 warto ci szczytowej na grzbiecie.

Kszta t napi cia udarowego piorunowego do bada wytrzyma o ci udarowej jest

znormalizowany [PN-92/E-04060]:

T

= , s T

= s

i oznacza si go jako udar 1,2/50.

Stromo napi cia na czole jest to stosunek U

m

/T

1

.

W przypadku wy adowania zupe nego na obiekcie badanym (wyst puj przeskoki lub

przebicia), nast puje uci cie udaru, tzn. nag y spadek napi cia do warto ci praktycznie równej
zero. Uci cie udaru mo e nast pi na czole lub na grzbiecie (rys.13.3). Czas do uci cia Tc jest
to czas mi dzy umownym pocz tkiem udaru 01 a chwil uci cia.

0,5

U

A

0,9

0,3

1,0

0

B

T

2

T

1

0

1

t

C

D

C

1

D

1

Um

Rys.13.3

. a) Udar piorunowy uci ty na grzbiecie; b) udar piorunowy uci ty na czole

T

c

- czas do uci cia

13.1.2. Napi cie udarowe czeniowe

Przepi cia czeniowe, wyst puj ce podczas prze cze w sieci elektroenergetycznej, maj

charakter t umionych oscylacji o cz stotliwo ci od 103 do 104Hz.
Udar czeniowy normalny (rys.13.4) jest charakteryzowany przez czas do szczytu Tp i czas
do pó szczytu T2, przy czym:

Tp = 250 s T

= s

i oznacza si go jako udar 250/2500

Rys.13.4.

Udar czeniowy normalny, pe ny

Tp – czas do szczytu, T2 – czas do pó szczytu

13.2. Generator napi udarowych

1,0
0,9

0,3

0

0

1

0,7

U

A

B

C

D

T

c

U

m

U

1

0,1

t

a)

B

1,0

0,9

0,3

0

0

1

U

t

T

c

A

C

D

0,7

0,1

b)

U

T

2

1,0

0,55

0

t

U

m

T

p

Napi cia udarowe: piorunowe i czeniowe wytwarzane s przez generatory napi

udarowych.

Uproszczony schemat n-stopniowego generatora udarów napi ciowych przedstawia

rysunek 13.5.

Rys.13.5.

Schemat n-stopniowego generatora napi udarowych

Poszczególne cz ci generatora to:

1) ród o napi cia, zawieraj ce:

TrWN - transformator wysokiego napi cia,

P - prostownik,

R

o

- rezystor wst pny ograniczaj cy pr d adowania

2) stopnie generatora, w których:

R - rezystory aduj ce,

R

t

- rezystory t umi ce,

C

1

- kondensatory mi dzystopniowe,

J

1

- iskierniki mi dzystopniowe o okre lonej warto ci napi cia zap onu,

n - liczba stopni generatora,
Cd - pojemno ci doziemne generatora,

1) obwód zewn trzny:

J

2

- iskiernik zewn trzny,

R

1

- rezystor t umi cy zewn trzny,

R

2

- rezystor roz adowczy,

C

2

- pojemno badanego obiektu.

R

1

C

1

C

2

R

2

J

2

U(t)

n’

n

R

C

1

C

d

R

t

R

J

1

2

R

C

1

R

t

R

J

1

3

2’

3’

C

d

C

d

R

o

C

1

R

o

1

1’

P

U

o

V

3

2

1

TrWN

Praca generatora polega na adowaniu kondensatorów C

1

w po czeniu równoleg ym za

po rednictwem oporników R , a nast pnie ich roz adowaniu, w wyniku czego w obwodzie
zewn trznym powstaje krótkotrwa y udar napi ciowy.

Roz adowanie odbywa si w po czeniu szeregowym, przy czym prze czenie kondensa-

torów z po czenia równoleg ego w szeregowe odbywa si za pomoc iskierników
mi dzystopniowych J

1

. Sta e czasowe adowania kondensatorów C

1

s prawie jednakowe,

gdy R

o

>> R . Po zako czeniu adowania potencja y punktów 1, 2, 3 ... n s równe warto ci

szczytowej napi cia przemiennego Uo, za punktów 1’, 2’, 3’ ....n’ - zeru.

W procesie adowania nie powinien nast pi zap on na iskiernikach mi dzystopniowych, a

wi c ich napi cie zap onu powinno by wi ksze ni U

o

.

Zap on na iskierniku J

1

pierwszego stopnia rozpoczyna roz adowanie generatora zapo-

cz tkowane przez:

zmniejszenie odst pu mi dzy kulami tego iskiernika,
zastosowanie na pierwszym stopniu iskiernika 3-elektrodowego, tzw. trygatronu

(rys.13.6), odpowiedniego w symetrycznych uk adach zasilaj cych. W wyniku
przeskoku mi dzy elektrodami np. E

2

i E

3

, nast puje przeniesienie wysokiego

potencja u na elektrod E

3

, co w rezultacie u atwia wy adowanie mi dzy g ównymi

elektrodami iskiernika E

1

i E

2

.

zastosowanie iskiernika sterowanego (rys.13.7), zawieraj cego w jednej z elektrod

g ównych elektrod pomocnicz E

3

, odpowiedniego w niesymetrycznych uk adach

zasilaj cych. Impuls steruj cy na elektrodzie E

3

wywo uje przeskok mi dzy

elektrodami E

1

-E

3

, co powoduje obni enie wytrzyma o ci g ównej przerwy

mi dzyelektrodowej i rozwój wy adowania w niej.

Rys.13.6.

Iskiernik 3-elektrodowy

Rys.13.7

. Iskiernik sterowany

Po zap onie na iskierniku J

1

pierwszego stopnia potencja p.2’ wzrasta do warto ci Uo

a potencja p.2 wzgl dem ziemi staje si równy 2U

o

. Podobnie p.3 - 3U

o

, punktu n - nU

o

, co

powoduje wy adowanie na iskierniku zewn trznym J

2

. Oporniki R

t

w obwodzie generatora

s u do wyt umienia drga powstaj cych wskutek obecno ci (nie pokazanych na schemacie)
indukcyjno ci obwodu wy adowania oraz szkodliwych pojemno ci wzgl dem ziemi C

d

i mi dzy stopniami. Przeskok na iskierniku J

2

rozpoczyna adowanie pojemno ci obiektu

badanego C

2

lub innej równoleg ej. Z powodu spadków napi na opornikach R

t

i R

1

pojemno C

2

jest adowana do napi cia nieco ni szego ni n U

o

.

E1

E2

E3

E1

E2

E3

Parametrami charakterystycznymi generatora udarów napi ciowych piorunowych s :

napi cie znamionowe generatora równe n U

o

,

warto szczytowa napi cia udarowego U

m

,

kszta t udaru opisany warto ciami czasu trwania czo a T

1

i czasu do pó szczytu T

2

,

energia generatora,

W

C

n

U

kWs

m

[

]

(13.1)

sprawno generatora

2

1

1

C

C

C

U

U

z

z

o

m

(13.2)

gdzie: C

1z

– pojemno zast pcza generatora, C

C

n

z

.

Pojemno zast pcza generatora wynosi zwykle 1000 – 10000pF.

Je eli C

1z

= 1000 pF, U

m

=

V, wówczas W = 0,5 kJ

13.3. Wp yw elementów obwodu generatora na kszta t udaru

Dla wyznaczenia przebiegu napi cia udarowego U(t) mo na pos u y si uproszczonym,

jednostopniowym schematem zast pczym generatora (rys.13.8.)

Rys.13.8.

Schemat zast pczy, jednostopniowy, generatora napi udarowych

Generator zostaje na adowany poprzez rezystor szeregowy ochronny R

o

i rezystory

aduj ce R do napi cia U

o

. Gdy osi gnie ono warto napi cia przeskoku

iskiernika

J

2

,

nast puje roz adowanie C

1

poprzez R

1

i R

2

i powstaje napi cie U(t) na pojemno ci C

2

.

warto napi cia przeskoku na iskierniku J

2

zale y od odleg o ci jego elektrod, natomiast

kszta t napi cia udarowego zale y od warto ci elementów RC w obwodzie przy czym:
C

1

> C

2

, R

1

< R

2

. Aby przy danym napi ciu adowania U

o

uzyska najwi ksz warto

szczytow napi cia U

m

, nale y zastosowa C

1

>> C

2

. Eksponencjalny przebieg napi cia

udarowego jest uwarunkowany przede wszystkim sta czasow C

1

R

2

.

C

1

C

2

R

o

R

2

J

2

U(t)

U

o

R

1

i

2

i

1

i

Przebieg czasowy U(t) napi cia udarowego mo na otrzyma z równa :

2

1

0

2

1

1

1

i

i

i

R

i

idt

C

U

t

o

(13.3)

i R

i R

C

i dt

i R

C

i dt

i R

t

t

(13.4)

U

dla

dt

)

t

(

dU

C

i

)

t

(

(13.5)

Rozwi zanie przy za o eniu:

R

C

<<R

C

ma posta :

)

e

(e

C

R

U

U(t)

2

1

t/

t/

2

1

2

1

2

1

o

(13.6)

Sta e czasowe

1

i

2

– eksponent zale od warto ci elementów RC:

R C

C

(

)

(13.7)

R

C C

C

C

(13.8)

Napi cie udarowe U(t) jest zatem sum dwu funkcji eksponencjalnych o sta ych

czasowych

1

i

2,

przy czym

1

>>

2

(rys.13.9).

Zwi zek pomi dzy sta ymi czasowymi funkcji eksponencjalnych

1

i

2

a

czasem

trwania

czo a T

1

i czasem do pó szczytu T

2

napi cia udarowego, mo na zapisa wprowadzaj c

wspó czynniki:

T

k

T

k

(13.9)

Warto ci wspó czynników k

1

i k

2

wg Kinda [24] dla udarów o kszta cie 1,2/5; 1,2/50;

1,2/200 przedstawiono w tabeli 13.1.

W ten przybli ony sposób mo na dobra elementy RC generatora dla danego kszta tu

udaru napi ciowego.

1

/

t

e

o

U

U

o

U

m

U

o

U(t)

U(t)

2

/

t

e

o

U

t

1

2

Rys. 13.9

. Przebieg napi cia udarowego U(t)

Tabela 13.1. Warto ci wspó czynników k

1

i k

2

T

1

/T

2

1,2/5

1,2/50

1,2/200

k

1

1,44

0,73

0,70

k

2

1,49

2,96

3,15

Parametry udaru napi ciowego: czas trwania czo a T

1

i czas do pó szczytu T

2

zale

zatem od elementów RC generatora.
Wykre laj c zale no ci:

)

,

(

f

T

)

,

(

f

T

2

1

1

2

1

1

mo na okre li przedzia y w jakich mog zmienia si sta e czasowe

1

,

2

aby spe nione by y

okre lone w normie tolerancje dla czasów T

1

,T

2

.