ĆWICZENIE 3 WYTRZYMAŁOŚĆ UDAROWA POWIETRZA

ĆWICZENIE 3 WYTRZYMAŁOŚĆ UDAROWA POWIETRZA

30
ĆWICZENIE 3
WYTRZYMAŁOŚĆ UDAROWA POWIETRZA
3.1. WPROWADZENIE
Najbardziej groźne dla izolacji stacji elektroenergetycznych, ze względu na swą dużą wartość (setki - tysiące kV), są przepięcia wywołane wyładowaniami atmosferycznymi. Przepięcia te
trwają bardzo krótko, od kilku do kilkudziesięciu mikrosekund i przeważnie są jednego znaku. Takie przebiegi napięcia nazywamy udarowymi. Napięcie udarowe charakteryzuje się trzema wielkościami: wartością szczytową Um, czasem trwania czoła udaru T1 i czasem do półszczytu T2 (rys.
3.1).
kV U
Um
0,9 Um
0,5 Um
0,3 Um
0
0 T
1
t
us
T2
Rys. 3.1. Przebieg napięcia udarowego: T1 - umowny czas czoła, T2 - umowny czas do półszczytu,
Um - wartość szczytowa napięcia udarowego
Wytrzymałość udarowa izolacji zależy od kształtu udaru i jej określenie ma ogromne znaczenie w projektowaniu urządzeń oraz ich ochronie przed udarami pochodzącymi od uderzeń piorunów. Do badań udarowych izolacji wykorzystuje się przebiegi napięciowe wytwarzane sztucznie
w układach zwanych generatorami udarów napięciowych.
W celu ujednolicenia laboratoryjnych badań udarowych izolacji oraz umożliwienia porównania wyników wprowadzono normalizację udarów. W wielu krajach, między innymi i w Polsce,
jako udar znormalizowany [3] przyjęto udar o czasie trwania czoła T1 = 1,2 µs ± 30% i czasie do
półszczytu T2 = 50 µs ± 20% (oznaczenie 1,2/50). Wyboru czasów dokonano na podstawie analizy
kształtu przebiegów napięciowych najczęściej występujących w wyładowaniach piorunowych.
Wytrzymałość udarowa powietrza jest zwykle wyższa od wytrzymałości statycznej na skutek opóźnienia wyładowania, na które wpływają dwa składniki: opóźnienie przypadkowe i czas
rozwoju wyładowania.
Opóźnienie przypadkowe jest związane z wyzwalaniem pierwszego elektronu z katody, jak
również zależy od przypadkowego czasu dostarczenia pierwszego wolnego elektronu do przestrzeni
miedzy elektrodami. Drugi składnik, niezależny od przypadkowości, jest związany z mechanizmem
rozwoju wyładowania i maleje szybko ze wzrostem wartości szczytowej udaru [1].
Napięciem przeskoku udarowego nazywamy największą wartość napięcia. jakie występuje
na obiekcie badanym do chwili przeskoku. Przy napięciach udarowych przeskok i. związany z nim
nagły spadek napięcia następuje na ogół dopiero wtedy, gdy wartość chwilowa napięcia udarowego
jest już mniejsza od wartości szczytowej udaru. Na przykład przebieg napięcia panującego na izolatorze przedstawia się wówczas jak na rys. 3.2.
Taki przebieg napięcia nazywamy udarem uciętym. Jako napięcie przeskoku udarowego
przyjmujemy wartość szczytową, pomimo że w chwili przeskoku panowało na izolatorze mniejsze
napięcie. Czas, który upływa od znamionowego początku do ucięcia udaru przy przeskoku, nazywamy czasem do ucięcia. Czas do ucięcia jest dla układów o polu jednostajnym krótki, natomiast
31
dość długi dla układów o polu bardzo niejednostajnym i przy dużych odstępach elektrod. Przy czym
należy pamiętać, że czas do przeskoku zależy od kształtu udaru.
kV U
Um
Us
0
tu
t
us
t0
Rys. 3.2. Przebieg napięcia na izolatorze podczas prób wytrzymałości udarowej: Us - napięcie statyczne zapłonu, t0 - opóźnienie przeskoku, tu - czas do ucięcia
Przy niezmienionym kształcie udaru zjawisko przypadkowości pojawienia się elektronu w
miejscu, w którym jonizacja jest ułatwiona, powoduje, że liczba przeskoków na obiekcie zależy od
wartości napięcia. W miarę powiększania wartości szczytowej napięcia udarowego procent przeskoków wzrasta aż do pewnej wartości napięcia, przy której każdy przyłożony udar wywołuje przeskok. Określenie wytrzymałości udarowej obiektu wymaga więc podania odsetka przeskoków [3].
Napięcie udarowe, przy którym połowa przyłożonych udarów powoduje przeskok, nazywamy 50procentowym napięciem przeskoku - U50. Często wytrzymałość udarowa układu izolacyjnego określa się również przez 10-procentowe napięcia przeskoku U0 (minimalne napięcie przeskoku), a także 100-procentowe U100. Wyznaczanie tych napięć przeprowadza się (patrz wiadomości ogólne p.
1) najdogodniej rysując krzywe odsetka przeskoków w funkcji wartości szczytowej przyłożonych
udarów. Krzywe te często są nazywane krzywymi prawdopodobieństwa przeskoku [1, 3]. Na ogół
im bardziej pole między elektrodami jest niejednostajne, tym bardziej krzywa prawdopodobieństwa
przeskoku jest rozciągnięta (rys. 3.3).
%
p
100
(b)
0
(a)
U
Rys. 3.3. Krzywe prawdopodobieństwa przeskoku: a) dla układu o polu zbliżonym do jednostajnego, b) dla układu o polu niejednostajnym
Podanie jednego określonego napięcia przeskoku z krzywej prawdopodobieństwa przeskoku
nie jest jeszcze wystarczające do scharakteryzowania udarowych właściwości izolacyjnych układu.
Określenie to wymaga sporządzenia charakterystyki napięciowo-czasowej, zwanej charakterystyką
udarową. Charakterystyka udarowa jest to zależność k-procentowego udarowego napięcia przeskoku od czasu do przeskoku [2]. Układy o polu zbliżonym do jednostajnego mają charakterystyki udarowe o przebiegu bardziej płaskim, układy o polu niejednostajnym - o przebiegu bardziej stromym
(rys. 3.4).
Gdy charakterystyki udarowe nie przecinają się, układ posiadający charakterystykę przebiegającą wyżej jest zawsze, tzn. dla udarów o każdej wartości, bardziej wytrzymały od układu o cha-
32
rakterystyce leżącej niżej. Zależności te są wykorzystywane w zagadnieniach koordynacji izolacji
[1].
U
(a)
(b)
t
0
Rys. 3.4. Charakterystyki udarowe napięciowo-czasowe dla układów o polu zbliżonym do jednostajnego (a) i niejednostajnym (b)
Wytrzymałość udarową izolacji charakteryzuje się również przez podanie współczynnika
udaru. Jest on stosunkiem udarowego napięcia przeskoku do statycznego napięcia przeskoku odpowiedniego znaku lub częściej do wartości. szczytowej napięcia przeskoku przy częstotliwości
50 Hz:
ku = Upud/ √2 Up50Hz
(3.1)
Współczynnik udaru izolacji podaje się zwykle dla U50 przy udarze 1,2/50. Współczynnik
ten mówi nam, ile razy wytrzymałość udarowa jest większa od wytrzymałości przy częstotliwości
50 Hz. Wartość współczynnika udaru dla układów z izolacją powietrzną zależy głównie od rozkładu pola elektrycznego miedzy elektrodami i odstępu elektrod. W polu zbliżonym do jednostajnego,
np. w iskierniku kulowym o przerwie iskrowej niezbyt dużej w porównaniu z wymiarami elektrod,
współczynnik udaru jest bliski jedności. Współczynnik udarowy wyraźnie większy od jedności występuje dopiero w obszarze bardzo małych opóźnień (przy ucięciu udaru na stromym czole). Przy
dużej niejednostajności pola (w iskiernikach sworzniowych, na powierzchniach izolatorów wsporczych) współczynnik udaru jest większy od jedności już przy warunku 50-procentowym i przy
kształcie udaru 1,2/50. Przy krótszych czasach wytrzymałość udarowa jest znacznie wyższa i
współczynnik udaru może osiągnąć wartość do ok. 1,5 lub większą w zależności od biegunowości
udaru.
Wpływ rozkładu pola elektrycznego i odległości między elektrodami na wytrzymałość udarową powietrza ilustrują charakterystyki na rys. 3.5, gdzie przedstawiono wartości średniego naprężenia przeskoku (stosunku U50 do drogi przeskoku a) w funkcji a, dla układów kula-kula oraz sworzeń-sworzeń i sworzeń-płyta. Z wykresów wyraźnie widać, że wytrzymałość elektryczna udarowa
powietrza jest mniejsza dla układów o polu niejednostajnym i zmienia się w granicach od ok.
6 kV/cm do ok. 15 kV/cm w zależności od biegunowości napięcia, odległości miedzy elektrodami i
układu elektrod. Znajomość wartości przedstawionych na wykresach jest o tyle istotna, że w praktyce większość układów izolacyjnych ma rozkład pola niejednostajny i pod względem wytrzymałości może być reprezentowana przez modelowe układy typu sworzeń-sworzeń lub sworzeń-płyta.
Takie charakterystyki mogą służyć do przybliżonego określenia napięć przeskoku izolatorów. Izolatory wiszące z okuciami przeciwłukowymi mają charakterystyki podobne do układu sworzeń-sworzeń. Natomiast izolatory napowietrzne stojące oraz izolatory wnętrzowe wsporcze - do
układu sworzeń-płyta, a właściwości wytrzymałościowe izolatorów przepustowych kondensatorowych odpowiadaj charakterystykom wytrzymałości elektrycznej układu sworzeń-sworzeń.
W układach o niesymetrii pola elektrycznego zaznacza się wpływ biegunowości napięcia
udarowego na wytrzymałość udarów. Wpływ ten jest znacznie silniejszy w układzie sworzeń-płyta
z powodu dużej niesymetrii pola. Napięcie przeskoku w tych układach jest większe przy znaku
33
ujemnym udaru. Różnice między dodatnim i ujemnym udarowym napięciem przeskoku dochodzą
do około 50% w układzie sworzeń-płyta.
Up
a
kV
cm
udary 1,2 / 50
25
(c) znak udaru (+)
20
(c) znak udaru (-)
15
(b) znak udaru (-)
(a) znak udaru (-)
10
(a) znak udaru (+)
(b) znak udaru (+)
5
5
50
500
a
cm
Rys. 3.5. Wartość średniego naprężenia przeskoku dla trzech układów elektrod: (a) sworzeńsworzeń uziemiony, (b) sworzeń-płyta uziemiona, (c) kula-kula uziemiona
Zjawiskiem odpowiedzialnym za te różnice, podobnie jak przy napięciu stałym [2], jest
obecność ładunku przestrzennego powstającego w przerwie międzyelektrodowej. Jednak wpływ
biegunowości udarów na napięcie przeskoku jest słabszy niż przy napięciu stałym, ze względu na
to, że przy krótkich czasach do przeskoku gęstość ładunku przestrzennego jest mniejsza.
Wpływ rozkładu pola elektrycznego i biegunowości napięcia na wytrzymałość udarową powietrza w układach o polu niejednostajnym może być ujęty empirycznymi wzorami wg [3], słusznymi w zakresie 20 cm ≤ a ≤ 200 cm w normalnych warunkach atmosferycznych dla układów:
sworzeń-sworzeń uziemiony
(+) U50 = 5,7 a + 50 [kV]
(3.2)
(-)U50 = 6,5 a + 50 [kV]
(3.3)
sworzeń-płyta uziemiona
(+)U50 = 5,6 a + 20 [kV]
(3.4
(-)U50 = 7,6 a + 130 [kV]
(3.5)
Wytrzymałość udarowa powietrza zależy od warunków atmosferycznych (temperatury, ciśnienia i wilgotności). Wpływ ciśnienia i temperatury, przy niezbyt wysokich temperaturach, kiedy
nie występuje jeszcze jonizacja cieplna, sprowadza się do wpływu gęstości [1]. Przy wzroście gęstości δ wytrzymałość elektryczna wzrasta. Dla niezbyt szerokiego zakresu można przyjęć proporcjonalność zmian napięcia przeskoku w funkcji gęstości. Przy bardzo krótkich czasach udaru
wpływ δ jest znacznie mniejszy.
Wpływ wilgotności na napięcie przeskoku jest wyraźny tylko w układach o wybitnie niejednostajnym rozkładzie pola elektrycznego, np. w iskiernikach ostrzowych, między przewodami równoległymi, na powierzchniach izolatorów. Przy zwiększaniu wilgotności napięcie przeskoku wzra-
34
sta mniej więcej liniowo, ale dość słabo, zwłaszcza przy krótszych czasach udarów. Wzrost napięcia przeskoku przy zwiększeniu wilgotności o 1g/m3 wynosi dla udarów normalnych i krótkich
odpowiednio: ok. 1% i 0,5%. Wpływ wilgotności jest nieco większy przy udarach o znaku dodatnim niż przy udarach ujemnych [1].
3.2. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Należy zapoznać się ze schematem i budową wielostopniowego generatora udarów oraz
ustalić kształt udaru na podstawie parametrów generatora. Następnie wyznaczyć wytrzymałość udarową powietrza dla kilku układów izolacyjnych o różnych rozkładach pola elektrycznego, np.
iskiernika kulowego, układu sworzeń – płyta, izolatora liniowego.
Na rys. 3.6 pokazano schemat układu generatora udarów napięciowych (500 kV, 1,2 kWs),
przeznaczonego do wykonania ćwiczenia. Należy zwrócić uwagę na konstrukcję i rolę poszczególnych elementów wpływających na kształt i parametry elektryczne napięcia udarowego. Po zapoznaniu się ze schematem generatora obliczyć kształt udaru na podstawie danych generatora, przyjmując dodatkowo, że pojemność doziemna obwodu wysokiego napięcia generatora wynosi 150 pF.
R1Z
R1
n=5
Ri
R1
R10
C1
OB
R2
DNU
IZ
C0
Ri
TR
TP
D
R
R1
IZT
W
220V~
DNŁ
C0
R2
SMUT 1L
uA
Rys. 3.6. Schemat układu probierczego; TR - transformator regulacyjny 220/0-250 V, TP - transformator podwyższający 220 V/100 kV, D - dioda prostownicza 230 kV, R - rezystor ograniczający
600 kΩ, DNŁ - dzielnik napięcia ładowania, C0- kondensatory główne generatora 0,1 µF, IT iskiernik zapalający trójelektrodowy, I - iskierniki międzystopniowe, R2 - rezystory grzbietowe
986 Ω, R1 - rezystory czołowe 20 Ω, Ri - rezystory ograniczajce 100 kΩ, R1z - rezystor czołowy
zewnętrzny 250 Ω, R10 - rezystor ograniczający zewnętrzny 550 Ω, Ip- iskiernik pomiarowy, DNU dzielnik napięcia udarowego 10 kΩ, C1 - pojemność czołowa 300 pF, OB - obiekt badany, µA mikroamperomierz w układzie do pomiaru napięcia ładowania, UP- układ do pomiaru wartości
szczytowej udaru
35
Przed przystąpieniem do wykonania prób wytrzymałości udarowej wyznaczyć warunki atmosferyczne w laboratorium w celu określenia wartości odpowiednich współczynników poprawkowych (patrz: wiadomości ogólne p. 2).
Następnie zainstalować na polu probierczym generatora izolator liniowy wsporczy o wysokości 12 cm i wyznaczyć jego charakterystykę prawdopodobieństwa przeskoku dla udarów dodatnich. Określić wartości U0, U50 i U100. Dla udarów ujemnych wyznaczyć tylko U50.
W dalszej kolejności wyznaczyć wytrzymałość udarową powietrza w układzie sworzeńpłyta uziemiona. W tym celu należy przeprowadzić pomiary napięć przeskoku oraz charakterystyk
prawdopodobieństwa przeskoku dla udarów dodatnich i ujemnych przy kilku odstępach międzyelektrodowych w zakresie 10 cm – 20 cm.
Ostatnim obiektem badań będzie iskiernik kulowy o średnicy kul 25 cm. Dla tego iskiernika
należy wyznaczyć charakterystyki prawdopodobieństwa przeskoku dla udarów dodatnich i ujemnych przy kilku odstępach międzyelektrodowych w zakresie 2 cm – 6 cm.
Wyznaczanie krzywych prawdopodobieństwa przeskoku oraz napięć przeskoku przeprowadzić zgodnie z metodyką pomiarów opisaną w wiadomościach ogólnych p. 1. Podczas prób należy
również odczytywać dane konieczne do wyznaczenia sprawności generatora udarów.
Wyniki badań zestawić w tablicach wg wzoru podanego w tablicy 3.1.
Tab1ica 3.1
Wyniki badań wytrzymałości udarowej powietrza
Wyniki pomiarów i obliczeń
Znak
Obiek
t
badań
a
udaru
Uł
k
cm
-
kV
%
Napięcie przeskoku
udarowego [kV]
Up
Upn
Wytrzymałość
udarowa [kV/cm]
Epn
Oznaczenia: a - odstęp między elektrodami, Uł - napięcie ładowania generatora udarów, k - procent
przeskoków na obiekcie, Up - napięcie przeskoku w warunkach pomiaru, Upn - napięcie przeskoku
w warunkach normalnych.
3.3. OCENA WYNIKÓW I WNIOSKI
Wyniki badań wytrzymałości udarowej powietrza uzyskane z prób należy przeliczyć na warunki normalne i przedstawić na wykresach w taki sposób, aby można było określić i porównać
wytrzymałość udarową powietrza w zależności od:
1.
rozkładu pola elektrycznego między elektrodami,
2.
biegunowości napięcia udarowego,
3.
odległości między elektrodami.
Porównania należy dokonać w stosunku do przebiegów charakterystyk prawdopodobieństwa
przeskoku, jak również w stosunku do wartości średniej naprężenia przeskoku obliczonego dla napięcia U50.
W dalszej części, korzystając z wyników badań wytrzymałości statycznej powietrza dla tych
samych układów elektrod kula-kula i sworzeń-płyta z ćwiczenia 2, należy obliczyć współczynnik
udaru ku.
Otrzymane wyniki badań i obliczeń należy omówić. W rozważaniach wziąć pod uwagę
przydatność badania prostych układów iskiernikowych dla określenia udarowego napięcia przeskoku rzeczywistych układów izolacyjnych (izolator). Dodatkowo ustosunkować się do sposobu wykonania generatora udarów i przytoczyć obliczenia kształtu udaru i sprawności generatora. Próby na
iskiernikach kulowych należy wykorzystać do opisania pomiaru napięć udarowych za pomocą
iskierników kulowych, a wyniki porównać z wynikami otrzymanymi z pomiaru pośredniego za
36
pomocą dzielnika udarowego współpracującego z miernikiem wartości szczytowej. Wskazać zalety
i wady każdego z tych układów.
3.4. PYTANIA KONTROLNE
1. Zasada działania generatora udarów napięciowych.
2. Kształt napięcia udarowego i zasady jego formowania.
3. Metody pomiaru napięć udarowych.
4. Sprawność generatora udarów.
5. Charakterystyka prawdopodobieństwa przeskoku..
6. Istota i charakter przebiegu charakterystyk udarowych.
7. Wpływ rozkładu pola elektrycznego na wytrzymałość udarową powietrza.
8. Wpływ biegunowości napięcia na napięcie przeskoku w warunkach udarowych.
9. Średnia wytrzymałość udarowa powietrza (wzory, wartości).
10. Współczynnik udaru.
11. Zmiany współczynnika udarów w zależności od kształtu udaru.
12. Wpływ temperatury, ciśnienia i wilgotności na wytrzymałość udarową powietrza.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
Szpor S.: Ochrona odgromowa. Tom 1 i 2. Warszawa, WNT 1975
Szpor S.: Wytrzymałość elektryczna i technika izolacyjna. Warszawa, PWN 1959
Biermanns J.: Hochspannung und Hochleistung. Monachium, CH Verlag 1949
PN-92/E-04060*. Wysokonapięciowa technika probiercza. Ogólne określenia i wymagania probiercze
__________________________________________
* Dane aktualne w chwili druku. Sprawdzić aktualność norm przed stosowaniem.