Zakres prac badawczych w laboratorium WN
-wytrzymałość elektryczna dielektryków stałych, ciekłych i gazowych z uwzględnieniem napięć stałych, przemiennych i udarowych oraz napięć złożonych,
-formy wyładowań elektrycznych, w tym: wyładowań niezupełnych, pełznych, ślizgowych, ulotu elektrycznego, łuku elektrycznego
- prace nad doborem maksymalnego napięcia roboczego w różnych układach izolacyjnych,
- badania wpływu narażeń eksploatacyjnych w układach modelowych i na prototypach,
-ochrona przeciwprzepięciowa
- pomiary przepięć piorunowych, łączeniowych i dorywczych
- uziemienia wysokonapięcioww
- miernictwo wysokonapięciowe,
- badania pola elektrycznego w układach izolacyjnych
-oddziaływanie pola elektromagnetycznego na środowisko,
- badania na pograniczu innych dziedzin, w tym głównie fizyki, chemii i techniki.
Podstawowe wyposażenie
zespoły probiercze wytwarzające:
• napięcia przemienne: transformatory, układy kaskadowe,
• napięcia udarowe: generatory napięć udarowych
• prądy udarowe: generatory prądów udarowych,
• napięcie wyprostowane: jedno- i wielostopniowe układy prostownikowe
układy pomiarowe wysokich napięć, w tym:
• iskierniki kulowe zapewniające pomiar napięć przemiennych, stałych i udarowych,
• dzielniki oporowe i pojemnościowe,
• woltomierze elektrostatyczne,
• metody prostownikowe i specjalne;
aparatura pomiarowa, w tym między innymi:
• mostki wysokonapięciowe do pomiaru strat dielektrycznych,
• oscyloskopy,
• urządzenia do pomiaru wyładowań niezupełnych,
• mierniki natężenia pola EM
Wyładowania elektryczne - zupełne i niezupełne - powstające
podczas badań np. wytrzymałości elektrycznej, które powodują zakłócenia przenoszone galwanicznie lub na drodze EM.Do sposobów ochrony przed ich skutkami należą:
- uziemienia, - ekranowanie, - filtracja zakłóceń.
System uziemień w postaci płyt i taśm powinien zapewnić potencjał ziemi w laboratorium. Duże znaczenie dla ochrony przed przepięciami posiada prawidłowe uziemienie przyrządów pomiarowych. Ekranowanie laboratoriów ma na celu eliminowanie przenikania do niego promieniowania
elektromagnetycznego z zewnątrz. Wykonany w tym celu ekran powinien charakteryzować się dużą przenikalnością magnetyczną i posiadać jak najbardziej jednolitą strukturę, szczególnie w przypadku oddziaływania pól przemiennych o wysokiej częstotliwości lub przebiegów impulsowych o dużej stromości.
Bezpieczne odstępy: Laboratoria wyposażone w zespoły probiercze o napięciu przemiennym do 400 kV, są przeważnie
podzielone na tzw. pola probiercze, czyli ogrodzone powierzchnie, na których znajdują się źródła wysokich
napięć, badane obiekty i inne urządzenia, które podczas pracy będą pod wysokim napięciem.
Obiekty w polu probierczym są tak rozmieszczone, aby zapewnione były odpowiednie odstępy między
elementami pod napięciem a elementami uziemionymi, co wynika z:
- warunku bezpiecznej pracy, ograniczonego możliwością przeskoku w powietrzu,
- oddziaływania pól elektromagnetycznych na sąsiednie obwody
a=k*(U-14)*3,16, a=k*(U-19,8)/4,77, a=k*(U-23,8)/5,36
Bezpieczeństwo w LWN
1. Wszelkie źródła WN i poddanego jego działaniu obiekty mogą być badane tylko, gdy znajdują się w ogrodzonym i zamkniętym polu probierczym. Przy otwartych
drzwiach do pola probierczego załączenie napięcia jest niemożliwe.
2. Drzwi wejściowe do każdego pola probierczego wyposażone są w blokadę. Otwarcie drzwi powoduje zatem wyłączenie napięcia.
3. Wyłącznik krańcowy na autotrafie wymaga każdorazowo, przed załączeniem napięcia, sprowadzenia regulatora do położenia zerowego.
4. Wszystkie metalowe części wewnątrz pola probierczego wraz z ogrodzeniem powinny być przyłączone do instalacji uziemiającej.
5. Załączanie i wyłączanie wysokiego napięcia musi odbywać się przy zastosowaniu co najmniej dwóch wyłączników,
6. W przypadku wyprowadzenia z pola probierczego na zewnątrz dowolnego przewodu, który mógłby
znaleźć się pod wysokim napięciem np. wskutek przeskoku, konieczne jest zastosowanie równoległe, między
tym przewodem, a przewodem uziemiającym, ochronnika przepięciowego i iskiernika powietrznego.
7. Każdorazowo, po wejściu do pola probierczego, należy na biegun wysokiego napięcia nałożyć przenośne uziemienie i tylko wówczas dokonywać wszelkich przełączeń i prac w polu.
8. Obecność wysokiego napięcia w polu probierczym jest sygnalizowana lampkami czerwonymi na pulpicie sterowniczym
9. W pewnych przypadkach, gdy konieczne jest zwrócenie uwagi innych osób na rozpoczęcie prac w polu probierczym przy wysokim napięciu, należy na krótki okres włączyć sygnalizację akustyczną.
10. Każde pole probiercze jest wyposażone w izolacyjny sprzęt ochronny, którym należy posługiwać się w pracy przy WN
Napięcie probiercze przemienne Upr, jest stosowane w badaniach laboratoryjnych oraz do przeprowadzania prób napięciowych izolacji urządzeń elektrycznych. Napięcie Upr 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
Transformatory probiercze w odróżnieniu od transformatorów energetycznych, charakteryzują się znacznie mniejszą mocą, większą przekładnią oraz są przystosowane do pracy krótkotrwałej, co stwarza łagodne warunki pod względem ich nagrzewania się.Są to transformatory w izolacji papierowo-olejowej, zapewniające brak wewnętrznych wyadowań niezupełnych.
W skad zespołu probierczego, w którym wytwarzane jest wysokie napięcie przemienne, wchodzą: źródło napięcia przemiennego (sieć zasilająca lub własny generator),: transformator regulacyjny TR, :transformator probierczy wysokiego napięcia TP, do którego przyłączony jest badany obiekt.
Podstawowe rodzaje zespołów probierczych to:
− pojedynczy transformator,
− połączenie szeregowe transformatorów,
− połączenie kaskadowe kilku transformatorów,
− połączenie równoległo-kaskadowe transformatorów.
W układzie symetrycznym - stosowanym do badania izolacji międzyfazowej (IM) - obydwa bieguny uzwojenia wysokiego napięcia transformatora są wyprowadzone, a środek uzwojenia uziemiony lub nieuziemiony, lecz połączony z rdzeniem i obudową. Stwarza to dogodne warunki dla izolacji biegunów uzwojenia wysokiego napięcia transformatorów tj. dla izolatorów przepustowych, która może być wykonana na napięcie równe połowie napięcia znamionowego.
W układzie niesymetrycznym - stosowanym do badania izolacji fazowej, doziemnej (ID) - jeden biegun uzwojenia WN jest wyprowadzony, a drugi połączony z rdzeniem, obudową i uziemiony. Z uwagi na mniej korzystny rozkład napięcia wzdłuż uzwojenia WN i konieczność stosowania izolacji tego bieguna na pełne napięcie znamionowe, transformatory w układzie symetrycznym budowane są na napięcie do 500kV. Poziom napięcia znamionowego pojedynczego transformatora probierczego jest ograniczony możliwościami konstrukcyjnymi..
Moc znamionowa zespołu
Moc znamionowa Sn jest to iloczyn napięcia i prądu po stronie wysokiego napięcia transformatora.Dla celów prób napięciowych wymagana jest odpowiednia moc znamionowa zespołu probierczego. Jest to moc ograniczona dopuszczalnym przyrostem temperatury izolacji urządzeń zespołu. Obciążenie zespołu probierczego ma na ogół charakter pojemnościowy, za wyjątkiem badań:
− w obecności ulotu elektrycznego,
− prób pod deszczem izolatorów,
− prób zabrudzeniowych izolatorów,
− obciążeń pojemnościowo-rezystancyjnych.
Moc zwarciowa zespołu
Odpowiednia wartość mocy zwarciowej transformatora jest niezbędna do podtrzymania prądu wyładowania w przypadku przeskoku lub przebicia badanej izolacji. Wartość mocy zwarciowej zależy od napięcia probierczego Upr i impedancji zastępczej zespołu probierczego Xz.
X z = X s + Xr + XTP
Xs- reaktancja sieci zasilającej,
Xr - reaktancja elementu regulacyjnego,
XTP - reaktancja transformatora probierczego
Reaktancja zastępcza powinna być mała aby zapewnić wymaganą wartość prądu zwarciowego.
Zabezpieczenia
Zespół probierczy wysokiego napięcia jest wyposażony w:
a) zabezpieczenie nadmiarowo-prądowe, zapewniające szybkie wyłączenie zwarcia w obwodzie w wyniku przebicia badanego obiektu. Stanowią je wyzwalacze nadprądowe bezzwłoczne lub wyłączniki termiczne,
b) zabezpieczenie przed wystąpieniem drgań własnych obwodu, szczególnie podczas wyładowań elektrycznych po stronie wtórnej transformatora oraz ograniczające prąd zwarciowy.
Połączenie szeregowe transformatorów
Łącząc szeregowo uzwojenia wysokiego napięcia dwu jednakowych transformatorów, przy uziemionym punkcie środkowym tego połączenia, otrzymuje się między izolowanymi biegunami napięcie równe dwukrotnej wartości napięcia znamionowego jednego transformatora . W większości prób napięciowych izolacji wymagane jest jednak napięcie probiercze względem ziemi.
Połączenia kaskadowe transformatorów
W połączeniu kaskadowym transformatorów uzwojenia wysokonapięciowe są połączone szeregowo, dzięki czemu na zacisku ostatniego transformatora otrzymuje się bez obciążenia n-krotnie większą wartość napięcia. Sposób zasilania tych transformatorów prowadzi do trzech zasadniczych konstrukcji.
a) Układ kaskadowy z dodatkowymi transformatorami izolującymi
b) Układ kaskadowy z uzwojeniami wiążącymi
c) Układ kaskadowy ze sprzężeniem autotransformatorowym
1) Transformator probierczy TP60
Napięcie pierwotne 220 V lub 380V, 50Hz
- Przy szeregowym połączeniu cewek uzwojenia pierwotnego: napięcie wtórne 30 kV,
moc znamionowa 8 godz. 5 kVA, 15 min. - 10 kVA
- Przy równoległym połączeniu cewek uzwojenia pierwotnego:napięcie wtórne 60 kV
moc znamionowa 8 godz. 10 kVA, 15 min. - 20 kVA
2) Transformator probierczy TP110
napięcie pierwotne 220V, 50Hz
napięcie wtórne 110 kV
moc znamionowa ciągła 10 kVA
moc znamionowa dorywcza (15 min.) 40 kVA
prąd znamionowy wtórny ciągły 0,09/A
prąd znamionowy wtórny dorywczy (15 min) 0,36/A
napięcie probiercze przy 50Hz w ciągu 5min. 143 kV
dokładność przekładni bez obciążenia ± 5%
Uzwojenia pierwotne i wtórne cylindryczne, osadzone są na kolumnie rdzenia i umieszczone
w zbiorniku z olejem transformatorowym. Zbiornik ten stanowi rura z papieru bakelizowanego, która spełnia jednocześnie rolę izolatora bieguna wysokiego napięcia w stosunku do ziemi.
WYTWARZANIE NAPIĘĆ UDAROWYCH
Napięcie udarowe jest stosowane do sprawdzania odporności układów izolacyjnych na przepięcia atmosferyczne, występujące w eksploatacji. Przepięcia atmosferyczne o czasie trwania rzędu 10-4s.Napięcie udarowe piorunowe jest napięciem probierczym we wszystkich grupach urządzeń elektrycznych według klasyfikacji IEC, a więc urządzeń o napięciu
znamionowym od 1kV do napięć najwyższych, w Polsce do napięcia 400 kV.
Napięcie udarowe piorunowe
Napięcie udarowe jest to krótkotrwały przebieg napięcia jednokierunkowego, które wzrasta bez znacznych oscylacji od zera do wartości szczytowej, a następnie maleje do zera. Wielkościami charakteryzującymi udary napięciowe są:
− wartość szczytowa, to jest największa wartość chwilowa napięcia udaru Um,
− biegunowość,
− kształt.
Czoło udaru jest to część krzywej, odpowiadająca wzrostowi napięcia od 0 do Um.
Czas trwania czoła T1 jest to czas pomiędzy umownym początkiem udaru (punkt 0) i punktem C1.
Grzbiet udaru jest to część krzywej odpowiadająca zmniejszaniu się napięcia od Um do zera.
Czas do półszczytu T2 (między 01D1) jest to czas
WYTWARZANIE WYSOKICH NAPIĘĆ STAŁYCH
Wysokie napięcie stałe jest stosowane w niektórych badaniach układów izolacyjnych, na przykład:
a) urządzenia przeznaczone do pracy przy napięciu stałym powinny być badane również napięciem stałym, dla odtworzenia warunków roboczych,
b) urządzenia pracujące przy napięciu przemiennym poddane zostają próbom napięciem
stałym, gdy znaczna ich pojemność, np. kabli elektroenergetycznych, kondensatorów,
uniemożliwia przeprowadzenie próby napięciem przemiennym,
c) próby napięciem stałym stwarzają mniejsze zagrożenie dla izolacji, gdy występują w niej
wyładowania niezupełne, niż próby napięciem przemiennym,
d) próby napięciem stałym umożliwiają dogodny pomiar prądu upływnościowego lub rezystancji, dla oceny stanu izolacji. Źródła wysokiego napięcia stałego stosowane są ponadto w różnych układach zasilających np. generatorów udarów napięciowych, elektrofiltrów urządzeń rentgenowskich,
akceleratorów cząstek elementarnych, w fizyce oraz w technologii itp.
W źródłach wysokiego napięcia stałego, w których napięcie to uzyskuje się przez prostowanie napięcia przemiennego, stosowane są obecnie prostowniki półprzewodnikowe. Wysokonapięciowe diody krzemowe mogą występować w łańcuchu diod połączonych szeregowo lub jako pojedyncze elementy. Charakteryzują je małe wymiary, wysokie napięcie wsteczne i duży prąd przewodzenia.
Prostowniki lampowe (coraz rzadziej stosowane) to najczęściej kenotrony (lampy próżniowe), których działanie polega na zjawisku termoemisji. Graniczne wartości ich napięcia pracy oraz prądu nasycenia zależą głównie od dopuszczalnej temperatury pracy
katody. Kenotrony budowano na napięcie zwrotne do 400 kV i prąd nasycenia do 500 mA. Podstawową ich wadą jest konieczność stosowania żarzenia katody.
3.2. Układy powielające
Układy powielające zawierają transformator wysokiego napięcia oraz odpowiednie układy
prostowników i kondensatorów.
Schemat symetrycznego powielacza napięcia, w którym źródło napięcia przemiennego
zasila, przez dwa prostowniki P1 i P2, obwód złożony z dwóch szeregowo połączonych
kondensatorów C1 i C2
Niesymetryczny powielacz napięcia stałego
Podobnie kondensator C2 ładuje się prądem Ip2 przez prostownik P2. Obydwa obwody pracują
w takich samych warunkach, a wiec prądy Ip1 i Ip2 mają jednakowe wartości. Napięcie wyjściowe jest sumą napięć na kondensatorach C1 i C2. Powielenie n-krotne można uzyskać przez dodanie następnych kondensatorów ładowanych przez oddzielne prostowniki.