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 10-4s i przebiegu czasowym
przedstawionym na rysunku 13.1a, s w laboratoriach modelowane udarami napi cio-
wymi znormalizowanymi, przedstawionymi na rysunku 13.1b.
U
m
0,5U
m
-4
t
t
10 s
T/T = 1,2 s/50 s
1 2
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 Um,
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.
U
C Um
1,0
0,9
B
D
0,5
0,3
A
0
01 C1 D1
t
T1
T2
Rys.13.2. Udar piorunowy normalny, pe ny:
T1 - czas trwania czo a, T2 - czas do pó szczytu
Czo o udaru jest to cz krzywej, odpowiadaj ca wzrostowi napi cia od 0 do Um.
Czas trwania czo a T1 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 Um do
zera.
Czas do pó szczytu T2 (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 Um/T1.
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.
a)
U
U
U
m 1,0
1,0
U
0,9
1
0,9
B
B
0,7
C
0,7
C
0,3
A
0,3
D
0,1
A
01
0,1
0
D
0
t
T
01
c
t
T
c
b)
Rys.13.3. a) Udar piorunowy uci ty na grzbiecie; b) udar piorunowy uci ty na czole
Tc - 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
U
Um
1,0
0,55
Tp t
0
T2
Rys.13.4. Udar czeniowy normalny, pe ny
Tp
czas do szczytu, T2
czas do pó szczytu
13.2. Generator napi udarowych
Napi cia udarowe: piorunowe i czeniowe wytwarzane s przez generatory napi
udarowych.
Uproszczony schemat n-stopniowego generatora udarów napi ciowych przedstawia
rysunek 13.5.
P R
Ro 1
R
R1
J2
2 3 n
Rt Rt
C1 C1 C1
C1 R2 C2
V
U(t)
Uo
J1 J1
1ł 2ł 3ł nł
R
TrWN R
Ro
Cd Cd Cd
1 2 3
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,
Ro - rezystor wst pny ograniczaj cy pr d adowania
2) stopnie generatora, w których:
R - rezystory aduj ce,
Rt - rezystory t umi ce,
C1 - kondensatory mi dzystopniowe,
J1 - 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:
J2 - iskiernik zewn trzny,
R1 - rezystor t umi cy zewn trzny,
R2 - rezystor roz adowczy,
C2 - pojemno badanego obiektu.
Praca generatora polega na adowaniu kondensatorów C1 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 J1. Sta e czasowe adowania kondensatorów C1 s prawie jednakowe,
gdy Ro >> R . Po zako czeniu adowania potencja y punktów 1, 2, 3 ... n s równe warto ci
szczytowej napi cia przemiennego Uo, za punktów 1ł, 2ł, 3ł ....nł - 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 Uo.
Zap on na iskierniku J1 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. E2 i E3, nast puje przeniesienie wysokiego
potencja u na elektrod E3, co w rezultacie u atwia wy adowanie mi dzy g ównymi
elektrodami iskiernika E1 i E2.
zastosowanie iskiernika sterowanego (rys.13.7), zawieraj cego w jednej z elektrod
g ównych elektrod pomocnicz E3, odpowiedniego w niesymetrycznych uk adach
zasilaj cych. Impuls steruj cy na elektrodzie E3 wywo uje przeskok mi dzy
elektrodami E1-E3, co powoduje obni enie wytrzyma o ci g ównej przerwy
mi dzyelektrodowej i rozwój wy adowania w niej.
E3 E1 E2
E1 E2
E3
Rys.13.6. Iskiernik 3-elektrodowy Rys.13.7. Iskiernik sterowany
Po zap onie na iskierniku J1 pierwszego stopnia potencja p.2ł wzrasta do warto ci Uo
a potencja p.2 wzgl dem ziemi staje si równy 2Uo. Podobnie p.3 - 3Uo, punktu n - nUo, co
powoduje wy adowanie na iskierniku zewn trznym J2. Oporniki Rt 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 Cd
i mi dzy stopniami. Przeskok na iskierniku J2 rozpoczyna adowanie pojemno ci obiektu
badanego C2 lub innej równoleg ej. Z powodu spadków napi na opornikach Rt i R1
pojemno C2 jest adowana do napi cia nieco ni szego ni n Uo.
Parametrami charakterystycznymi generatora udarów napi ciowych piorunowych s :
napi cie znamionowe generatora równe n Uo,
warto szczytowa napi cia udarowego Um,
kszta t udaru opisany warto ciami czasu trwania czo a T1 i czasu do pó szczytu T2,
energia generatora,
C
W Um [ kWs ] (13.1)
n
sprawno generatora
Um C1z
(13.2)
Uo C1z C2
C
gdzie: C1z
pojemno zast pcza generatora, C z .
n
Pojemno zast pcza generatora wynosi zwykle 1000
10000pF.
Je eli C1z = 1000 pF, Um = 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.)
J2
Ro
i2 R1
i
i1
U
o C1 R2 C2
U(t)
Rys.13.8. Schemat zast pczy, jednostopniowy, generatora napi udarowych
Generator zostaje na adowany poprzez rezystor szeregowy ochronny Ro i rezystory
aduj ce R do napi cia Uo. Gdy osi gnie ono warto napi cia przeskoku iskiernika J2,
nast puje roz adowanie C1 poprzez R1 i R2 i powstaje napi cie U(t) na pojemno ci C2.
warto napi cia przeskoku na iskierniku J2 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:
C1 > C2, R1 < R2. Aby przy danym napi ciu adowania Uo uzyska najwi ksz warto
szczytow napi cia Um, nale y zastosowa C1 >> C2. Eksponencjalny przebieg napi cia
udarowego jest uwarunkowany przede wszystkim sta czasow C1R2.
Przebieg czasowy U(t) napi cia udarowego mo na otrzyma z równa :
t
1
Uo idt i1R2
C1 0 (13.3)
i i1 i2
t
i R i R i dt
C
(13.4)
t
i R i dt i R
C
dU( t )
i C dla U( t ) (13.5)
dt
Rozwi zanie przy za o eniu:
R C <ma posta :
Uo 1 2 t/ 1 t/ 2
U(t) (e e ) (13.6)
R1C2 1 2
Sta e czasowe i
eksponent zale od warto ci elementów RC:
1 2
R ( C C ) (13.7)
CC
R (13.8)
C C
Napi cie udarowe U(t) jest zatem sum dwu funkcji eksponencjalnych o sta ych
czasowych i >> (rys.13.9).
1 2, przy czym 1 2
Zwi zek pomi dzy sta ymi czasowymi funkcji eksponencjalnych i a czasem trwania
1 2
czo a T1 i czasem do pó szczytu T2 napi cia udarowego, mo na zapisa wprowadzaj c
wspó czynniki:
T k
(13.9)
T k
Warto ci wspó czynników k1 i k2 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.
U(t)
t /
1
Uo
Uo e
U(t)
Um
t
t /
2
Uo e
Uo 1
2
Rys. 13.9. Przebieg napi cia udarowego U(t)
Tabela 13.1. Warto ci wspó czynników k1 i k2
T1/T2 1,2/5 1,2/50 1,2/200
k1 1,44 0,73 0,70
k2 1,49 2,96 3,15
Parametry udaru napi ciowego: czas trwania czo a T1 i czas do pó szczytu T2 zale
zatem od elementów RC generatora.
Wykre laj c zale no ci:
T1 f ( , )
1 2
T1 f ( , )
1 2
mo na okre li przedzia y w jakich mog zmienia si sta e czasowe , aby spe nione by y
1 2
okre lone w normie tolerancje dla czasów T1,T2 .