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