BADANIE CHARAKTERYSTYK UDAROWYCH OGRANICZNIKÓW

BADANIE CHARAKTERYSTYK UDAROWYCH OGRANICZNIKÓW

LABORATORIUM PRZEPIĘĆ I OCHRONY PRZEPIĘCIOWEJ
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I SYSTEMÓW INFORMACYJNO-POMIAROWYCH
ZAKŁAD WYSOKICH NAPIĘĆ I KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ
BADANIE CHARAKTERYSTYK UDAROWYCH
OGRANICZNIKÓW PRZEPIĘĆ NISKIEGO NAPIĘCIA
1. WPROWADZENIE
Ograniczniki przepięć SPD (ang. Surge Protective Device) mają na celu ograniczenie
przepięć spowodowanych wyładowaniami atmosferycznymi lub procesami łączeniowymi.
Przedstawiają one sobą nieliniową oporność o dużej wartości rezystancji przy poziomach
napięć roboczych oraz o wysokiej rezystancji dla przepięć o wartościach większych niż
największa wartość napięcia roboczego urządzenia lub instalacji.
Ograniczniki przepięć składają się przynajmniej z jednego elementu nieliniowego, są
instalowane na wejściu chronionego urządzenia (instalacji) i powodują ograniczenie fali
przepięciowej przez odprowadzenie jej prądu do ziemi.
Wyróżnia się:
• ograniczniki wyładowcze lub ucinające napięcie (iskierniki powietrzne, gazowe i
ślizgowe), półprzewodnikowe lub obniżające napięcie (warystory, diody) i złożone
(różne kombinacje ograniczników wyładowczych, półprzewodnikowych i
szeregowych impedancji);
• Ograniczniki typu ucinającego napięcie, jak: iskierniki, ograniczniki gazowe,
sterowane prostowniki krzemowe, mają nieciągłą charakterystykę napięciowoprądową, ograniczniki typu obniżającego napięcie, jak: warystory, diody lawinowe,
które mają ciągłą charakterystykę napięciowo-prądową,
• Ograniczniki typu złożonego zawierające w sobie elementy ucinające i obniżające
napięcie.
•
1) i
2b)
2a)
U
2c)
U
U
2d)
U
2e)
U
8/20 µs
t*
t'
t
t*
3a)
t
t*
3b)
t
t*
3c)
t
t''
t*
t
t* t
3e)
3d)
4
2
1
3
1
2
1
1
1) - udar prądowy, 2a), 2b), 2c), 2d) - przebiegi napięcia odpowiadające poszczególnym ogranicznikom:
3a), 3b), 3c), 3d) - 1-bramkowym, 3e) - 2-bramkowemu, 1- warystor, 2-iskiernik, 3-ogranicznik gazowy,
4-impedancja szeregowa, 5-kondensator, t' - chwila dynamicznego zaplonu ogranicznika gazowego,
t'' - chwila opóźnionego zaplonu ogranicznika gazowego, t* - chwila zaniku udaru.
Rys. 1. Przykładowe charakterystyki napięciowo-czasowe dla różnych rodzajów
ograniczników przepięć.
5
Do najważniejszych parametrów charakteryzujących ten ograniczniki przepięć należą:
• maksymalne napięcie trwałej pracy ogranicznika Uc, tj. maksymalna wartość
skuteczna napięcia przemiennego (lub napięcia stałego), jaka może trwale występować
na ograniczniku;
• prąd pracy długotrwałej Ic, tj. prąd, jaki płynie w ograniczniku przy napięciu jego
trwałej pracy Uc;
• napięciowy poziom ochrony Up, tj. największe napięcie, jakie może wystąpić na
zaciskach ogranicznika podczas przepływu prądu wyładowczego (tzw. napięcie
obnizone)
• maksymalny prąd wyładowczy Im > In. Prąd Im jest maksymalną wartością szczytową
prądu o kształcie 8/20 µs
• prąd udarowy (impulsowy) Iimp ,określony wartością szczytową udaru i jego
ładunkiem. Producenci najczęściej definiują ten prąd podając kształt udaru 10/350 µs.
Pojedyncze ograniczniki przepięć lub ich kombinacje są umieszczane bezpośrednio przed
chronionym urządzeniem lub w miejscu wejścia linii zasilającej lub linii przesyłu sygnałów
do obiektu. W wielu przypadkach konieczne jest zastosowanie kilkustopniowego układu
ograniczników przepięć, które są umieszczone na granicy poszczególnych stref ochrony od
przepięć atmosferycznych LPZ (ang. Lightning Protection Zone) w obiekcie, lub w zależności
od poziomu odporności na udary dołączanych do sieci urządzeń. O właściwym doborze
ograniczników decydują wymagane poziomy ochrony urządzeń oraz rodzaj sieci zasilającej.
Układ ograniczników przepięć powinien być skoordynowany w taki sposób, aby występujące
w instalacji (linii) przepięcie ulegało w kolejnych stopniach ograniczników zredukowaniu do
poziomu wytrzymałości udarowej chronionego wyposażenia.
R1
SPD 1
L1
R2
SPD 2
L2
R3
SPD 3
L3
SPD 4
Urządzenie
chronione
SPD 1 = Uobn (SPD 2) = Uobn (SPD 3)
Rys.2. Przykład wariantu koordynacyjnego ograniczników przepięć SPD typu ucinającego
(SPD1) oraz obniżających napięcie (SPD 2 – SPD4).
W ćwiczeniu wykorzystuje się generator udarów prądowych o kształcie 8/20 µs,
oscyloskop cyfrowy TDS Tektronix z drukarką do edycji oscylogramów oraz rezystancyjny
bocznik prądowy do pomiaru prądu udarowego.
2. Program pomiarów
2.1 Badanie charakterystyk udarowych ograniczników przepięć do ochrony instalacji nn
Do zacisku wyjścia generatora udarów prądowych należy dołączyć pojedynczy
ogranicznik przepięć (SPD) , wygenerować udaru o amplitudzie prądu wskazanej przez
prowadzącego oraz wykonać za pomocą oscyloskopu cyfrowego następujące rejestracje:
- przebiegu prądu udarowego przepływającego przez ogranicznik przepięć,
rejestrowanego jako spadek napięcia na bezindukcyjnym boczniku rezystancyjnym,
- przebiegu napięcia obniżonego na ograniczniku przepięć, mierzonego za pomocą
sondy wysokonapięciowej o przekładni 1:100.
Pomiary należy wykonać przy trzech wartościach napięcia ładowania generatora udarów
prądowych (np. 1,5 kV, 2,0 kV oraz 2,5 kV) dla dwóch rodzajów ograniczników przepięć –
ucinającego i obniżającego napięcie, wybranych przez prowadzącego.
Należy wykonać odczyty wartości prądu udarowego oraz spadków napięć na
ogranicznikach przepięć za pomocą kursorów oscyloskopu oraz wydrukować oscylogramy
prądów i napięć dla wszystkich badanych przypadków.
2.2 Badanie skuteczności ochrony od przepięć układu dwustopniowego ograniczników
przepięć
Ograniczniki przepięć należy połączyć w układzie dwustopniowym w sposób
zilustrowany na rys.3.
1
Cewka odsprzęgająca
SPD 1
(ucinający)
2
SPD 2
(obniżający)
Rys.3. Schemat połączenia ograniczników przepięć w układzie dwustopniowym.
Należy wykonać za pomocą oscyloskopu cyfrowego następujące rejestracje:
- przebiegu prądu udarowego doprowadzonego do dwustopniowego układu
ograniczników przepięć, rejestrowanego jako spadek napięcia na bezindukcyjnym
boczniku rezystancyjnym,
- przebiegu napięcia obniżonego na ograniczniku przepięć 1 oraz 2 ( rys. 3), mierzonych
za pomocą sondy wysokonapięciowej 1:100.
Rejestracje należy wykonać przy trzech wartościach napięcia ładowania generatora
udarów prądowych (np. 1,5 kV, 2,0 kV oraz 2,5 kV).
Należy wykonać odczyty wartości prądu udarowego oraz spadków napięć na
ogranicznikach przepięć za pomocą kursorów oscyloskopu oraz wydrukować przykładowe
oscylogramy prądów i napięć dla wszystkich badanych przypadków.
3. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
Sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia powinno zawierać:
- opis metodyki pomiarów,
- zestawienie zmierzonych wartości,
- załączone oscylogramy,
- omówienie uzyskanych wyników i analizę porównawczą zarejestrowanych
przebiegów dla badanych ograniczników przepięć.
INSTRUKCJA OBSŁUGI GENERATORA UDARÓW PRĄDOWYCH
1. Zmiany napięcia ładowania generatora (napięcia wejściowego) w zakresie do 3000 V
należy dokonywać za pomocą regulatora. Wartość napięcia ładowania należy odczytać na
wskaźniku cyfrowym.
2. Generację impulsów udarowych wykonuje się za pomocą iskiernika włączającego przez
zbliżenie elektrody ruchomej iskiernika aż do wystąpienia przeskoku. Po przeskoku należy
niezwłocznie zwiększyć odległość między elektrodami iskiernika, tak aby nie wystąpił
ponowny przeskok.
3. Aby wykonać próbę prądem udarowym należy:
- przygotować do rejestracji oscyloskop cyfrowy,
- połączyć badany ogranicznik (lub układ ograniczników) z zaciskami na generatorze udarów
prądowych oznaczonymi OBIEKT BADANY,
- zdjąć drążek uziemiający,
- zwiększyć napięcie ładowania generatora do zadanej wartości za pomocą pokrętła regulatora,
- spowodować zapłon iskiernika i generację impulsu udarowego,
- dokonać odczytu z zarejestrowanych przebiegów napięcia i prądu na oscyloskopie.
4. Zmiany w obwodzie probierczym polegające na zmianie obiektów badanych
(ograniczników przepięć) na wyjściu generatora należy wykonywać w stanie
beznapięciowym. W tym celu należy:
- wyłączyć napięcie zasilania w układzie ładowania kondensatorów generatora,
- zewrzeć elektrody iskiernika,
- uziemić zacisk napięcia wejściowego na generatorze oznaczony UWEJ za pomocą drążka
uziemiającego.
Generator udarów pr¹dowych GIP 8/20 ms
L
R
WE
<3kV
U
Ob.
1:100
C
Osc.
Rb
C = 16 mF, 3 kV
R = 0,42 W
Rb = 10,6 mW
L = 4 mH
Rys.4. Schemat zastępczy generatora udarów prądowych.