Wytwarzanie wysokiego napięcia udarowego

Izolacja urządzeń elektroenergetycznych narażona jest na działanie bardzo dużych napięć będących wynikiem uderzenia piorunu w linię napowietrzną lub w jej pobliżu. Napięcia te mają charakter unipolarny i charakteryzują się dużymi „stromościami” narastania, bardzo dużymi wartościami szczytowymi i bardzo krótkimi czasami trwania, rzędu kilkudziesięciu mikrosekund.

Wytrzymałość izolacji urządzeń elektroenergetycznych zależy od wartości szczytowej i od stromości narastania napięcia udarowego, przy czym w ostatnim przypadku zagrożona jest ta część izolacji, na której przy napięciu wolnozmiennym praktycznie naprężenia nie występują (np. izolacja podłużna w transformatorze). Z tego względu izolacja urządzeń elektroenergetycznych pod-dawana jest próbom udarowym. Istnieje zatem konieczność wytwarzania w laboratoriach wysokich napięć udarowych, które by dość wiernie imitowały fale wędrowne pochodzenia atmosferycznego.

Dla jednoznacznej oceny odporności izolacji na przepięcia atmosferyczne udary napięciowe, którymi bada się izolację, zostały znormalizowane.

Według [N1] udarem napięciowym nazywa się krótkotrwały przebieg napięcia kierunkowego, które wzrasta praktycznie bez oscylacji od zera do wartości szczytowej, a następnie maleje do zera (rys. 7).

W celu określenia parametrów czasowych udaru napięciowego na podstawie oscylogramu wyznaczamy trzy punkty o współrzędnych 0,3 U i 0,9 U na czole oraz 0,5 U na grzbiecie. Przez punkty A i B przeprowadzamy prostą do przecięcia się z prostymi poziomymi U = 0 i U = 1,0, wyznaczając w ten sposób punkty A’ i B’. Punkt A’ nazywamy umownym początkiem udaru, zaś różnica odciętych punktów A’ i B’ jest umownym czasem trwania czoła. Różnica odciętych punktów A^’ C^’ jest umownym czasem do półszczytu.

W Polsce udarem znormalizowanym zgodnym z przepisami IEC, jest udar o parametrach
T₁ = 1,2 μs ± 30% i T₂ = 50 μs ± 20%, zapisywany w skrócie 1,2/50. Udar o takim kształcie nazywany jest udarem napięciowym normalnym. Opisany wyżej udar napięciowy wytwarza się w laboratorium za pomocą generatora udarów napięciowych.

Jednostopniowy generator udarów napięciowych

Zasadniczymi elementami generatora udarów napięciowych są kondensatory wysokonapięciowe pracujące w cyklu ładowania - rozładowania, oraz układ zasilający, złożony z transformatora, prostownika i rezystora ładującego. Zasadę działania generatora rozpatrzymy posługując się schematem zastępczym.

Kondensator główny generatora C₂ jest ładowany poprzez rezystor R₃ napięciem stałym o wartości U₀ odpowiadającej napięciu przeskoku iskiernika I. Po przekroczeniu wytrzymałości iskiernika I nastąpi przeskok i ładowanie kondensatora C₁ poprzez rezystor R₁ (rys. 9, krzywa a). W tej fazie procesu następuje formowanie czoła udaru. Ze względu na R₂>>R₁, czas trwania czoła T₁ zależy głównie od wartości R₁ i C₁. Jednocześnie kondensator C₂, a także po naładowaniu do wartości szczytowej U_m również kondensator C₁ rozładowują się przez rezystor R₂ (rys. 9, krzywa b). W tej fazie formowany jest grzbiet udaru. Czas do półszczytu T₂ zależy przede wszystkim od wartości R₂ i C₂, gdyż C₂ >> C₁.

Łatwo uzasadnić, że przebieg zmian napięcia u(t) można wyrazić wzorem:

$$u\left( t \right) = U_{0} \bullet \eta_{0} \bullet (e^{\frac{- t}{\tau_{2}}} - e^{\frac{- t}{\tau_{1}}})$$

gdzie: τ₁, τ₂ - stałe czasu, zależne od C₁, C₂, R₁, R₂,

η₀ - sprawność generatora, którą można przedstawić zależnością:

$\eta_{0} = \frac{1}{1 + \frac{R_{1}}{R_{2}} + \frac{C_{1}}{C_{2}}}$

$T_{1} = k_{1} \bullet \frac{R_{1} \bullet R_{2}}{R_{1} + R_{2}} \bullet \frac{C_{1} \bullet C_{2}}{C_{1} + C_{2}}$ , gdzie k₁≈3,0

$T_{2} = k_{2} \bullet \frac{R_{2} \bullet C_{2}}{\eta_{0}}\ \ \ ,\ $gdzie k₂ ≈ 0,73

Natomiast wartość szczytową udaru można oszacować jako U_m ≈ U₀η₀

W dotychczasowych rozważaniach pominięto indukcyjność obwodu. Jej obecność w obwodzie rozładowania ma wpływ na kształt udaru. Rezystor R₁ ma za zadanie nie tylko kształtować czoło udaru, ale także wytłumiać drgania zniekształcające udar, wywołane obecnością indukcyjności. Zwykle tak dobiera się wartość tej rezystancji dla uzyskania udaru aperiodycznego, aby była spełniana zależność:

$$\mathbf{R}_{\mathbf{1}}\mathbf{\geq}\mathbf{2}\mathbf{\bullet}\sqrt{\frac{\frac{\mathbf{L}}{C_{1} \bullet C_{21}}}{C_{1} \bullet C_{2}}}\mathbf{\approx}\mathbf{2}\mathbf{\bullet}\sqrt{\frac{\mathbf{L}}{\mathbf{C}_{\mathbf{1}}}}$$

Z powyższego opisu zasady działania generatora jednostopniowego wynika, że możemy uzyskać interesujący nas kształt udaru napięciowego przez odpowiednie dobranie parametrów generatora C₁, C₂, R₁, i R₂. Natomiast wartość szczytową udaru napięciowego możemy zmienić przez zmianę odstępu elektrod iskiernika I.

Wielostopniowy generator udarów napięciowych

W praktyce zastosowanie generatorów jednostopniowych jest ograniczone ze względu na niewielkie napięcia, jakie można za ich pomocą uzyskać (nie większe niż 400 kV). Ponieważ jednak do celów badawczych wymagane są wartości szczytowe udarów rzędu kilku megawoltów, zachodzi konieczność budowy generatorów wielostopniowych, zwielokrotniających napięcie. Działanie generatora wielostopniowego oparte jest na zasadzie jednoczesnego ładowania kondensatorów w połączeniu równoległym i rozładowaniu ich w połączeniu szeregowym. Przełączenie z układu równoległego na szeregowy realizowane jest samoczynnie poprzez zapłon iskierników międzystopniowych. Typowy schemat zastępczy wielostopniowego generatora udarów napięciowych przedstawiony jest na rys. 10.

Proces wytwarzania udaru napięciowego rozpoczyna się od ładowania równolegle połączonych kondensatorów głównych C₂₁, C₂₂.... poprzez rezystor R₃₀ i rezystory międzystopniowe R₃₁, R₃₂..., przy czym dla zapewnienia równomierności ładowania wszystkich stopni generatora dobiera się R₃₁, R₃₂,...<< R₃₀^. Po zakończeniu procesu ładowania potencjały punktów A, B, C, D są równe zero, natomiast punkty A^’, B^’, C^’, D^’ uzyskują potencjały równe wartości napięcia zasilającego U. Proces rozładowania rozpoczyna się z chwilą zapłonu iskiernika I₁. Przyjmując, że R₃₁, R₃₂,...>> R₁₁, R₁₂,..., potencjał punktu B po przeskoku na I₁ wzrasta do U₀, natomiast potencjał punktu B’ do 2U₀. Napięcie na iskierniku I₂ wzrasta do 2U₀, powodując jego zapłon i wzrost potencjału punktu C do 2U₀, a punktu C’ do 3U₀. Proces zapłonu pozostałych iskierników międzystopniowych i przenoszenia się potencjałów jest analogiczny, a potencjał punktu D’ podnosi się do 4U₀ (w ogólnym przypadku przy n stopniach do nU₀). Po zapłonie iskierników powstaje szeregowe połączenie kondensatorów C i zsumowanie napięć na tych kondensatorach.

Dalszy proces kształtowania udaru napięciowego przebiega analogicznie jak w generatorze jednostopniowym, ale z tą różnicą, że jako pojemność główna generatora występują teraz szeregowo połączone pojemności C₂₁, C₂₂,... wszystkich stopni, czyli

$$C_{2} = \frac{1}{\sum_{}^{}\frac{1}{C_{2k}}}$$