AGH Laboratorium Wysokich Napięć	Grupa 2: Gałęzia Paweł Gozdecki Bartosz Gwóźdź Rafał Jeż Michał Kielar Jakub Łukasik Adrian Pasoń Wojciech Prasil Grzegorz Radzik Jarosław Rudek Piotr Zaucha Maksymilian
^wydział EAIiIB	^rok akademicki 2013/2014
Temat: Wytwarzanie napięć udarowych oraz wysokich napięć
^data wykonania 10.03.2014	^data zaliczenia

Napięcie udarowe to krótkotrwały przepływ napięcia jednokierunkowego. Wzrasta ono od zera do wartości szczytowej (w bardzo krótkim odcinku czasu), a następnie znowu maleje do zera. Ten rodzaj napięcia występuje podczas wyładowywania atmosferycznego.

Wielkości charakterystyczne udaru napięciowego: wartość szczytowa, biegunowość, kształt

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, 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 \left( e^{\frac{- t}{\tau_{2}}} - e^{\frac{- t}{\tau_{1}}} \right)\ \ \ ,\ $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:

$$R_{1} \geq 2 \bullet \sqrt{\frac{\frac{L}{C_{1} \bullet C_{21}}}{C_{1} \bullet C_{2}}} \approx 2 \bullet \sqrt{\frac{L}{C_{1}}}$$

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 poniżej:

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:

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

Generator napięć udarowych

• źródło napięcia :

TrWN – transformator wysokiego napięcia ,

P – dioda prostownicza ,

R_o - rezystor wstępny ograniczający prąd ładowania

• stopnie generatora:

R_ł - rezystory ładujące ,

R_t - rezystory tłumiące ,

C₁ - kondensatory międzystopniowe ,

J₁ - iskierniki międzystopniowe ,

n - liczba stopni generatora ,

C_d - pojemności doziemne generatora .

• obwód zewnętrzny :

J₂ – iskiernik zewnętrzny ,

R₁ - rezystor tłumiący zewnętrzny ,

R₂ - rezystor rozładowczy ,

C₂ – pojemność badanego obiektu .

Działanie: prostownik ładuje kondensatory. Po przekroczeniu wymaganego napięcia występuje przeskok, który rozładowuje kondensatory. Połączenie szeregowe powoduje n-krotne zsumowanie poszczególnych napięc, co pozwala na otrzymanie bardzo wysokich napięć na iskierniku końcowym.

Próba napięciowa.

Napięcie probiercze przemienne U_PR, jest stosowane w badaniach laboratoryjnych oraz do przeprowadzania prób napięciowych izolacji urządzeń elektrycznych. Napięcie U_PR powinno być praktycznie sinusoidalne, to znaczy:

- współczynnik kształtu k = 2 ± 5%

- wartości maksymalne biegunowości dodatniej i ujemnej nie powinny różnić się więcej niż o ±5%,

- częstotliwość w zakresie 40 ÷ 62Hz.

Napięcie probiercze przemienne w próbach napięciowych dzieli się na:

a) krótkotrwałe – gdy czas jego działania nie przekracza 1 minuty (w przypadku

kabli 5 minut),

b) długotrwałe – gdy czas ten jest dłuższy i wynosi np. 4 godziny w badaniach

kabli.

Większość prób napięciowych dotyczy izolacji jednofazowej doziemnej lub międzyfazowej. Z tego powodu napięcie probiercze wytwarzane jest w zespołach probierczych zawierających transformatory jednofazowe. Źródła trójfazowe otrzymuje się, w razie potrzeby, za pomocą trzech transformatorów jednofazowych.

Transformator probierczy

Transformator probierczy charakteryzuje małą mocą znamionową 10 – 20 kVA, dużą przekładnią (rzędu 500) oraz przystosowanie do pracy krótkotrwałej. Transformatory probiercze są odpowiednio izolowane. Krótkotrwały czas pracy powoduje nagrzewanie się, więc izolacja jest zazwyczaj papierowo-olejowa. Kadź transformatora wraz z rdzeniem i uzwojeniami zanurzona jest w oleju co zmniejsza wartość reaktancji rozproszenia i zapewnia dobre zabezpieczenie uzwojeń przed czynnikami zewnętrznymi, dodatkowo chłodzi uzwojenia

W laboratorium Techniki Wysokich Napięć zainstalowany jest transformator probierczy TP110.

TP 110:

-napięcie pierwotne 230V, 550Hz

-napięcie wtórne 110kV

-moc znamionowa ciągła 10kVA

-moc znamionowa dorywcza 40kVA

-prąd znamionowy wtórny ciągły 0,09A

-prąd znamionowy wtórny dorywczy 0,36A

-masa 400kg

-przekładnia 500

TP 60

-napięcie pierwotne 230V, 550Hz

-napięcie wtórne 60kV

-moc znamionowa ciągła 10kVA

-moc znamionowa dorywcza 20kVA

Połączenie szeregowe transformatorów

Polega na połączeniu szeregowym uzwojeń wtórnych dwóch identycznych transformatorów. Punkt środkowy jest uziemiony a między biegunami napięcie jest dwukrotnie większe od napięcia znamionowego jednego transformatora. Pozwala to na pomiary wytrzymałości kabli przy napięciach międzyfazowych.

Połączenie kaskadowe

Połączenie szeregowe górnych uzwojeń transformatorów powoduje otrzymanie n-krotnie większego napięcia na zaciskach ostatniego transformatora. Wymaga zastosowania odpowiedniej izolacji każdego kolejnego stopnia (n-razy większa)

Regulator 3-fazowy: regulacja napięcia wtórnego odbywa się analogicznie jak w transformatorach jednofazowych, równolegle reguluje się przekładnie uzwojeń wtórnych trzech faz

Przekładnik napięciowy – specjalny transformator jednofazowy, pracujący w stanie jałowym, służący do rozszerzania zakresu pomiarowego woltomierzy. Stosowany przy pomiarach napięć przemiennych.

Dla typowego przekładnika napięciowego wartość znamionowa napięcia wtórnego wynosi $\frac{100}{\sqrt{3}}$ V dla układów 3-fazowych i 100V dla układów 1-fazowych. Zwarcie w obwodzie wtórnym przekładnika może uszkodzić go, dlatego zabezpiecza się go bezpiecznikami. Z obwodów wtórnych przekładnika napięciowego najczęściej zasila się woltomierze, cewki napięciowe watomierzy i liczników, częstotliwościomierze, przetworniki pomiarowe, zabezpieczenia podnapięciowe, itp.

Podstawowe dane znamionowe podawane na tabliczce znamionowej przekładnika to:

• znamionowe napięcie pierwotne (np. ; ; )

• znamionowe napięcie wtórne ( )

• moc znamionowa (np. 30; 50; 60; 90 VA) (największa moc, jaką można obciążyć przekładnik, aby mierzył on zgodnie z normą i klasą)

• klasa dokładności (np. 0,2; 0,5)