Laboratorium Wysokich Napięć Katedry Elektroenergetyki AGH
ćwiczenie nr 4
Wydział:
Imię i Nazwisko:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.

1. Próba napięciowa i napięcie przeskoku badanego izolatora przepustowego:

Próba napięciowa polega na sprawdzeniu wytrzymałości elektrycznej wysokonapięciowych układów izolacyjnych przy odpowiednim napięciu probierczym (wytrzymywanym, określonym dla danego urządzenia) w danym przedziale czasowym.

Pomiar napięcia przeskoku dotyczy w zasadzie tylko układów izolacyjnych. W pomiarach takich stopniowo zwiększamy wartość napięcia próby, aż do wystąpienia przeskoku. Jest on wywołany przez wartość szczytową napięcia U_m.

Różnica pomiędzy transformatorem probierczym a energetycznym

Transformatory probiercze w odróżnieniu od transformatorów energetycznych, charakteryzują się:

- mniejszą mocą

- większą przekładnią

- przystosowaniem do pracy krótkotrwałej, co stwarza łagodne warunki pod względem ich nagrzewania się

- izolacją papierowo-olejową

Na stosunkowo wysokie napięcia i moce znamionowe wykonywane są również transformatory probiercze suche. W konstrukcjach tych izolację i obudowę stanowi żywica epoksydowa (zazwyczaj z napełniaczem kwarcowym). Transformatory te mają stosunkowo małe wymiary i ciężar.

Próby napięciowe, których celem jest sprawdzenie zapasu wytrzymałości elektrycznej wysokonapięciowych układów izolacyjnych, są stosowane w badaniach laboratoryjnych oraz do przeprowadzania prób napięciowych izolacji urządzeń elektrycznych.

Zespół probierczy, w którym wytwarzane jest wysokie napięcie przemienne, składa się z:

- źródła napięcia przemiennego (sieć zasilająca lub własny generator)

- transformatora regulacyjnego TR

- transformator probierczego wysokiego napięcia TP, do którego przyłączony jest badany obiekt

Podstawowe parametry zespołu probierczego:

U_n - napięcie znamionowe

S_n - moc znamionowa

U_zw - napięcie zwarcia

P_zw - moc zwarcia

Różnica pomiędzy napięciem probierczym krótko- i długotrwałym jest taka, że czas działania napięcia krótkotrwałego nie przekracza 1 minuty (w przypadku 5 minut), a długotrwałego jest dłuższy, wynosi np. 4 godziny w badaniach kabli.

Opis przebiegu badania:

- zamontowanie badanego izolatora na polu probierczym

- wykonywanie próby, w czasie próby napięciem przemiennym obserwować obiekt, zwracać uwagę na odgłosy dochodzące z pola oraz kontrolować wskazania przyrządu mierzącego prąd zasilania transformatora probierczego

Wyniki pomiarów:

Parametry transformatora:

U_p/ U_n = 2,5

U_n = 6 kV

U_p = 15 kV

gdzie: U_p – napięcie probiercze

U_n – napięcie znamionowe

Tabela wyników próby napięciowej (napięciem probierczym)

seria	Up [kV]	Uw [V]
1	15	16,1
2	15	16,2
3	15	16,2
4	15	16,5

U_pśr=15 kV

U_wśr=16,25 V

z=U_wśr/U_pśr=11*10^-4

gdzie z – przekładnia transformatora

U_p – napięcie probiercze

U_w – napięcie po stronie wtórnej

U_pśr – napięcie probiercze średnie obliczone z 4 prób

U_wśr – napięcie średnie po stronie wtórnej obliczone z 4 prób

Wnioski:

Pierwsza część ćwiczenia została przerwana, ponieważ urządzenie przestało działać.

Urządzenia elektroenergetyczne są zaprojektowane tak, aby wytrzymywać 3 razy większe wartości napięcia od napięcia znamionowego. Izolator przeszedł próbę napięciową, o czym świadczy stosunek napięcia przeskoku do napięcia znamionowego.

1. Generator napięć udarowych:

Generatory napięć udarowych służą do wytwarzania napięć udarowych piorunowych i łączeniowych o znormalizowanym przebiegu czasowym. Uproszczony schemat n-stopniowego generatora udarów napięciowych widnieje na poniższym rysunku. Generator napięć udarowych wytwarza napięcie udarowe piorunowe i łączeniowe.

Poszczególne części generatora można podzielić na:

-źródło napięcia, które zawiera elementy takie jak:

Tr_WN – transformator wysokiego napięcia

P – prostownik

R_o – rezystor wstępny ograniczający prąd ładowania

-stopnie generatora, w których występują elementy takie jak:

R_τ – rezystory ładujące

R_t – rezystory tłumiące

C₁ – kondensatory międzystopniowe

J₁ – iskierniki międzystopniowe o określonej wartości napięcia zapłonu (powinno być większe niż U_o)

n – liczba stopni generatora

C_d – pojemności doziemne generatora

-obwód zewnętrzny, który zawiera:

J₂ – iskiernik zewnętrzny

R₁ – rezystor kształtujący czoło udaru

R₂ – rezystor rozładowczy

C₂ – kondensator kształtujący czoło udaru

Opis przebiegu badania

Nastawiamy odpowiednią odległość dla iskierników międzystopniowych i iskiernika zewnętrznego. W dalszym procesie ćwiczenia, następuje praca generatora, która polega na ładowaniu kondensatorów C₁ w połączeniu równoległym, za pośrednictwem rezystorów ładujących R_τ i następnym ich rozładowaniu, w wyniku czego w obwodzie powstał krótkotrwały udar napięciowy. Wynik próby napięciem probierczym udarowym, uznawaliśmy za dodatni, jeżeli w czasie próby nie nastąpiło przebicie izolatora.

Praca generatora polega na ładowaniu kondensatorów C₁ w połączeniu równoległym, za pośrednictwem rezystorów ładujących R_τ i następnym ich rozładowaniu w połączeniu szeregowym, w wyniku czego w obwodzie powstaje krótkotrwały udar napięciowy. Przełączenie kondensatorów z połączenia równoległego w szeregowe odbywa się za pomocą iskierników J₁. Zapłon na iskierniku J₁ pierwszego stopnia rozpoczyna rozładowanie generatora. Po zapłonie na iskierniku J₁ pierwszego stopnia potencjał w punkcie 2’ wzrasta do wartości U_o, a potencjał punktu 2 względem ziemi wynosi wtedy 2U_o (ogólnie można powiedzieć że dla n-tego stopnia potencjał w punkcie n wynosiłby nUo), w wyniku czego następuje wyładowanie na iskierniku J₂. Przeskok na iskierniku J₂ rozpoczyna ładowanie kondensatora C₂, który kształtuje czoło udaru.

Parametrami charakterystycznymi generatora udarów napięciowych piorunowych są:

- napięcie znamionowe generatora nU_o

- wartość szczytowa napięcia udarowego U_m

- czas trwania czoła T₁ i czas do półszczytu T₂

- energia generatora:

$$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ W = \frac{1}{2}\frac{C_{1}}{n}U_{m}^{2}\lbrack kWs\rbrack$$

-sprawność generatora:

$$\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \eta = \frac{U_{m}}{nU_{0}} \leq \frac{C_{1z}}{C_{1z} + C_{2}}$$

gdzie C_1z – pojemność zastępcza generatora: $C_{1z} = \frac{C_{1}}{n}$

pojemność zastępcza wynosi zwykle 1000÷10 000 pF

Wyniki pomiarów:

Seria	Odległość iskierników [mm]	Odległość iskierników międzystopniowych [mm]	Stosunek prób w których nastąpiło przebicie izolatora do ilości prób w danej serii [%]
seria 1	60	20	100
seria 2	65	20	100
seria 3	70	20	60
seria 4	75	20	0
seria 5	75	15	0
seria 6	75	25	100

Przebicie izolatora nie nastąpiło dla prób, w których zwiększyliśmy odległość iskiernika zewnętrznego bez zwiększenia odpowiednio odległości iskierników międzystopniowych.

Przyjmujemy:

T_czoła=T₁=2,5 µs

T_{do półszczytu}=T₂=50 µs

T₁,T₂ wg oznaczeń jak na rysunku udaru piorunowego normalnego

Kształt napięcia udarowego piorunowego do badań wytrzymałości udarowej jest znormalizowany:

T₁=1,2 µs, T₂ =50µs

Czoło udaru – część krzywej, odpowiadająca wzrostowi napięcia od 0 do U_m

Czas trwania czoła T₁ – czas pomiędzy umownym początkiem udaru (punkt 0₁) i punktem C₁

Grzbiet udaru – część krzywej odpowiadająca zmniejszaniu się napięcia od U_m do 0

Czas do półszczytu T₂ – czas od umownego początku udaru do chwili, gdy wartość chwilowa udaru osiągnie 0,5 wartości szczytowej na grzbiecie (między 0₁D₁)

Udar łączeniowy normalny jest charakteryzowany przez czas do szczytu T_p i czas do półszczytu T₂ przy czym: T_p=250 µs, T₂=2500 µs

W przypadku wyładowania zupełnego na obiekcie (występują przeskoki i przebicia) następuje ucięcie udaru, tzn. nagły spadek napięcia do wartości praktycznie równej 0. Ucięcie udaru może nastąpić na czole lub na grzbiecie. Czas do ucięcia T_c jest to czas między umownym początkiem udaru a chwilą ucięcia.

Wnioski:

W czasie eksploatacji urządzenia narażone są na różne działania czynników zewnętrznych: elektrycznych, cieplnych, mechanicznych i środowiskowych. Dla izolatorów formułuje się więc szereg wymagań technicznych, których spełnienie gwarantuje niezawodną pracę w warunkach eksploatacyjnych. Zgodność właściwości technicznych ze stawianymi im wymaganiami sprawdza się wykonując badania.

Wymaga się, aby izolatory wytrzymywały:

- długotrwale w warunkach eksploatacyjnych określone napięcie znamionowe,

- w ściśle określonych warunkach prób znamionowe napięcie probiercze przemienne, wyższe od napięcia znamionowego, którego wartości przyjmuje się zgodnie z wymaganiami normy PN-81/E-05001, Znamionowe napięcia probiercze izolacji,

- w określonych warunkach prób znamionowe napięcie probiercze udarowe piorunowe, którego napięcie przyjmuje się zgodnie z wymaganiami normy PN-81/E-05001.

Niestety dostęp do norm jest odpłatny.