Podstawowe pojęcia Wyładowanie zupełne - całkowite zwarcie elektrod poprzez wyładowanie elektryczne z obniżeniem napięcia praktycznie do zera. Wyładowanie niezupełne - występuje w części obszaru izolacyjnego między elektrodami. Nie powoduje całkowitego zwarcia. Natomiast erozyjne działanie powoduje stopniowe niszczenie prowadzące do przebicia zupełnego. Przebicie elektryczne - wyładowanie zupełne przebiegające całkowicie lub częściowo w izolacji stałej. Powoduje trwały spadek wytrzymałości elektrycznej. Przeskok - wyładowanie zupełne w izolacji gazowej lub ciekłej. Jest pojęciem podrzędnym w stosunku do pojęcia przebicia. Przeskok powierzchniowy - wyładowanie zupełne występujące wzdłuż pow. dielektryka stałego w ośrodku gazowym lub ciekłym. Źródła napięć probierczych przemiennych Napięcie powinno charakteryzować się : - częstotliwość ( 45 ÷ 65 ) Hz - wartość skuteczna - wartość maksymalna Zakres pracy urządzeń probierczych od 1 kV do kilku megawoltów. Moce urządzeń od kilku kVA do MVA. Urządzenia dzielimy na : a) urządzenia o charakterze pojemnościowym b) o ch-rze indukcyjnym c) o ch-rze rezystancyjnym - kable - transformatory - urządzenia w których występuje ulot - kondensatory - cewki - urządz. w któr. wystę. próby zabrudzeniowe - przekładniki - dławiki - urządz. w kt. wyst. próby pod deszczem - izolatory Parametry opisujące transformator probierczy : Sn = 600 kVA ; In = 1.5 A ( max. do 5 A ) ; Un = 400 kV. Części składowe układu do prób napięć probierczych : a) źródło zasilania - nn SN < 6 kV Sieć musi być siecią sztywną ( stałe nap. zasilające i częstotliwość ) - silnik trójfazowy + prądnica jednofazowa
|
b) urządzenia regulacyjne ( podnoszenie i obniżanie nap. regulowanego ) - autotransformator o styku ruchomym przeskakującym ze zwoju na zwój -moce do 100 kVA - autotransformator ze stykiem ślizgającym się po uzwojeniu - moce do kilkuset kVA - transformator regulacyjny z przesuwanym rdzeniem - moce do kilku MVA Urządzenie regulacyjne powinno zapewniać płynną regulację , bez gwałtownych skoków napięcia. c) transformator probierczy ( pojedynczy lub zespół ułożony w kaskadę ) Jest to typowy układ jednostopniowy.
TP - transformator probierczy
Urządzenia wysokonapięciowe muszą mieć bardzo dobrą izolację. Stosuje się transformatory probiercze z dzielonym uzwojeniem.
Uzwojenie kompensujące wyrównuje amperozwoje w obu kolumnach : są one nierówne bo w lewej kolumnie są 1/2 GN i DN a w drugiej 1/2 GN. Gdyby nie było uzwojenia kompensującego to napięcie na wyjściu byłoby odkształcone ( wielowierzchołkowe ). Na rdzeniu występuje 1/2 GN dlatego rdzeń musi być odizolowany ( izolatory wsporcze 2m )
Tego typu konstrukcje wykorzystuje się na napięcia do 600 kV.
|
Układ szeregowy transformatorów probierczych
- układ musi być we wnętrzu - jest bardzo kosztowny - mamy tutaj pełne wykorzystanie zainstalowanej mocy.
Układ kaskadowy Ma mniejsze wymiary, ale jest gorszy współczynnik wykorzystania mocy poszczególnych transformatorów. gdzie n - liczba stopni kaskady d) urządzenia dodatkowe zespołu probierczego : - pulpit sterujący na którym znajduje się zespół mierników - dzielnik napięcia ( pojemnościowy ) - zespół automatyki zabezpieczającej - zespół blokad drzwiowych - szeregowy opornik wodny ( włączony pomiędzy wyjście z transformatora a badane urządzenie.
Rt - kilka, kilkanaście kΩ
|
Źródła napięć stałych Wysokie napięcia stałe są stosowane m.in. do prób wysokonapięciowych układów izolacyjnych o dużej pojemności ( np. kabli i kondensatorów ), do badania wyładowań niezupełnych i do zasilania generatorów impulsowych. Parametry - biegunowość ( + lub - ) - wartość średnia za okres pulsacji - wartość maksymalna - najwyższa wartość chwilowa napięcia w czasie jednego okresu pulsacji - wartość minimalna - amplituda pulsacji δU = 0.5 ( Umax - Umin ) - współczynnik pulsacji δU/ U ( wartości 3 ÷ 5% )
Najprostszy układ
TP - transformator probierczy |
Rodzaje prostowników: a) prostowniki lampowe - kenotrony - lampa próżniowa dwuelektrodowa zbudowana na napięcie zwrotne ( wsteczne ) 100 kV lub 500 kV. Prąd przewodzenia takiego kenotronu - kilkaset mA.
Elektrony wypływające z katody przebywają drogę do anody. Zalety - ma duże napięcie zwrotne ( dlatego jest taka duża ) i ma w miarę duży prąd przewodzenia Wady - silnie nagrzewa się anoda ( możliwe nawet stopienie) i emisja promieniowania rentgenowskiego przez elektrony hamowane na anodzie. Wadą są też duże wymiary takiego urządzenia, wrażliwe na wstrząsy i uderzenia, istnieje konieczność stosowania specjalnych konstrukcji transformatora. - gazotrony - lampy gazowe z parami rtęci lub gazami szlachetnymi pod ciśnieniem 0.15 Pa. Elektrony z katody zapoczątkowują proces jonizacji zderzeniowej w gazie i powstaje wyładowanie łukowe i gazotron przewodzi prąd. Zalety - przewodzenie prądów do kilku A, mała rezystancja w kierunku przewodzenia Wady - małe napięcie zwrotne ( 40 kV ), w wykonaniach specjalnych do 200 kV. Wrażliwe na temp. przewodzenia ( przy niskiej temperaturze jest utrudniony zapłon ) i utrudniony ponowny zapłon po wyłączeniu zasilania. b) prostowniki półprzewodnikowe selenowe Se ( napięcie zwrotne 30 ÷ 50 V ) germanowe Ge ( napięcie zwrotne 150 ÷ 300 V ) krzemowe Si ( napięcie zwrotne 1000 ÷ 3000 V ) - znalazły największe zastosowanie w techn. wysokonapięciowej Zwykle prostowniki są łączone w wieloelementowe układy szeregowo - równoległe ( powstaje problem wysterowania rozkładu napięcia, co wymaga zastos. równoległych rezystorów i problem zabezpieczenia przed przeciążeniami , co z kolei wymaga zastosowania szeregowych rezystorów. Zalety - prostota konstrukcji, brak żarzenia, brak promieniowania Wady - duża wrażliwość na przeciążenia |
c) prostowniki mechaniczne np. maszyna synchroniczna cyklicznie załączała klucz i d) prostowniki rtęciowe Najczęściej stosowane układy do wytwarzania napięć wyprostowanych 1) układ półokresowy ( jednopołówkowy, jednoprostownikowy )
C - ogranicza pulsację Wady : duża pulsacja i mała wartość napięcia wyjściowego
2) Chcąc ograniczyć pulsację stosuje się układ pełnookresowy ( dwupołówkowy, dwuprostownikowy ) a. niesymetryczny
Rysunek i przebieg na odwrocie !!
Zalety : większa wartość napięcia wyjściowego, większa wartość średnia oraz mniejsza pulsacja Wadą jest niepełne wykorzystanie TP |
b. symetryczny
Zalety : podwojenie amplitudy wyjściowej, uzyskanie nap. symetrycznego w stosunku do ziemi, mniejsza pulsacja. Otrzymywanie coraz większych napięć wymaga używania coraz większego transformatora. Układy zwielokratniające napięcie wyprostowane ( powielacze) a. układ podwajający napięcie
Kondensator nie może się rozładować ( jest ciągle doładowywany ) Przesunięte o stałą wartość Um napięcie U0 jest wykorzystywane do ładowania, przez prostownik , drugiej pojemności do warto. 2Um ,ale bez możliwości jej rozładowania. Jest tu układ Greinachera. Dołączenie dodadko wych członów dwuprostownikowych zwiększa kaskadowa wartość napięcia na każdym członie o 2Um ( przy 3 członach mamy 6Um ) |
Napięcie probiercze udarowe Wszystkie urządzenia muszą być odporne na przepięcia atmosferyczne ( burze ) i łączeniowe ( prace manewrowe w sieci - łączniki). Udar piorunowy pełny ( PN-92/E-04060 ) - jest to krótkotrwałe napięcie jednokierunkowe, które wzrasta bez oscylacji od 0 do wartości szczytowej, a następnie maleje do zera wolniej niż narastało. Parametry : - biegunowość ( + lub - ) - wartość szczytowa Um ± 3% - czas trwania czoła T1 ± 30% - czas od połowy szczytu mierzony na grzbiecie udaru T2 ± 20% Pomiędzy 0.3 i 0.9 prowadzimy sieczną, która na osi czasu wyznacza nam zero obliczeniowe. Kształt udaru piorunowego pełnego opisuje się jako T1 / T2 1.2 / 50 μs T1 ∈ ( 0.84 ; 1.56 ) μs ; T2 ∈ ( 40 ; 60 ) μs - udar taki jest znormalizowany. Jeśli chcemy zbadać jakiś układ na udar piorunowy pełny to musimy wytworzyć właśnie taki udar. Istnieją jeszcze udary specjalne : 1.2 / 5 μs ; 1.2 / 200 μs. Udary o T1 < 20 μs nazywamy piorunowymi. Natomiast udary o T1 > 20 μs to są udary łączeniowe. Udar łączeniowy pełny - charakteryzowany jest parametrami - biegunowość ( + lub - ) - wartość maksymalna Um ± 3 % - czas trwania czoła T1 ± 20 % - czas T2 ± 20 % - czas trwania wartości powyżej 90% - T90 Kształt takiego udaru T1 / T2 250/2500 μs. |
Udar jest znormalizowanym udarem łączeniowym jeżeli : T1 ∈ ( 200 ; 300 ) μs ; T2 ∈ ( 1000 ; 4000 ) μs Udary specjalne : 100/2500 μs ; 500/2500 μs Generator jednostopniowy napięć udarowych
Żródło małej mocy napięcia stałego ładuje C1 do napięcia U0 przez Rτ ograniczający prąd diody. Iskiernik kulisty ( I ) włącza pozostałą część obwodu. L - indukcujność pasożytnicza ( rozproszona ) - odkształca kształt udaru. Po naładowaniu C1 do napięcia U0 gdy przekroczony zostaje poziom napięcia wytrzymywany przez iskiernik I następu. przeskok i zachodzą dwa zjawiska : 1. rozładowanie pojemności C1 przez R1 i R2 2. ładowanie pojemności C2 poprzez R1 i R3 W efekcie otrzymujemy przebieg czasowy o kształcie Na badanym obiekcie powstaje napięcie które jest złożeneim dwóch przebiegów. Dlatego przebieg napięcia udarowego nazywa się krzywą dwuwykładniczą
|
Dobierając odpowiednio parametry elementów uzyskujemy różne kształty napięć τ1 = R1*C2 - kształt czoła τ2 = R2*C1 - kształt grzbietu W tym rozwiązaniu napięcie na obiekcie badanym jest ograniczone przez napięcie zasilania ( niska sprawność ). Chcąc uzyskać bardzo duże napięcia należało by stosować transformatory i prostowniki na wysokie napięcia. Wielostopniowy generator Marxa Parametry - biegunowość - napięcie charakteryzujące czoło i grzbiet - energia zgromadzona w generatorze ( pole kondensatora ): w=0.5*C1*U02 ( rzędu setek kJ do MJ ) Schemat zastępczy takiego generatora - na odwrocie ! CK ( C1 , C2 , C3 , C4 ) pojemność główna generatora TP - transformator probierczy D - dioda prostownicza Rτ - rezystancja ograniczająca prąd ładowania RτK - rezystancje ograniczające prądy ładowania poszczególnych kondensat. w poszczególnych stopniach R1K - rezyst. tłumiące oscylacje napięcia w momencie zadziałania iskierników (łagodzą czoło fali przepięciowej) R2K - rezyst. tak dobrane aby jednocześnie zachodziły dwa zjawiska podczas ładowania CK nie pojawiały się nierównomierne napięcia na poszczególnych kondensatorach (wtedy wymagana jest mała rezyst.) oraz aby ograniczać szybkość rozładowywania kondensatorów po zapłonie iskierników ( potrzebna jest duża rezystancja) IK - iskierniki przełączające układ pracy generatora z równoległego ładowania pojemności głównych na szeregowe rozładowywanie tych pojemności IW - iskiernik włączający generator o odległości kul mniejszej niż przy I1 , I2 , I3 RG - rezystancja kształtująca grzbiet udaru CC - pojemność kształtująca czoło udaru Regulacja napięcia wyjściowego odbywa się poprzez regulację napięcia ładowania. W układzie najpierw równolegle ładują się CK a gdy napięcie przekroczy napięcie wytrzymywane przez IW następuje zapłon IW. Później następuje równoległy zapłon pozostałych iskierników ( IK ) i przełączenie układu pracy pojemności głównych z równoległego na szeregowy przez co następuje zwielokrotnienie napięcia wyjściowego ( zależne od liczby stopni ). |