BADANIE CHARAKTERYSTYK UDAROWYCH OGRANICZNIKÓW
Transkrypt
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.