5. Badania eksperymentalne

Transkrypt

1 5. Badania eksperymentalne 5.1. Obiekt badań Obiektem badań była komora gaszeniowa wyłącznika próżniowego średniego napięcia typu KG 12166A, produkcji Zakładów Elektronowych LAMINA w Piasecznie (fotografia na rys. 5.1.). Litery KG są skrótem od słów komora gaszeniowa. Dwie pierwsze cyfry w oznaczeniu informują o najwyższym dopuszczalnym napięciu (w kilowoltach), przy jakim komora może pracować. Dwie kolejne cyfry są wartością znamionowego prądu wyłączalnego w kiloamperach. Dwie ostatnie cyfry określają znamionowy prąd ciągły komory (w kiloamperach), co odpowiada znormalizowanej wartości 63 A. Znamionowa odległość między rozwartymi stykami elektrod dla tej komory wynosi 12 mm. Rys Komora gaszeniowa wyłącznika próżniowego SN 5

2 Komora gaszeniowa wyłącznika, przedstawiona schematycznie na rysunku 5.2., składa się z elektrody ruchomej i nieruchomej toru prądowego, osłony kondensacyjnej, pokrywy górnej i dolnej, mieszka sprężystego i osłony izolacyjnej. pokrywa górna osłona izolacyjna elektroda nieruchoma nakładki stykowe osłona kondensacyjna osłona izolacyjna mieszek sprężysty pokrywa dolna elektroda ruchoma Rys Przekrój komory gaszeniowej wyłącznika próżniowego Odpowiednio wyprofilowane elektrody miedziane zakończone są nakładkami ze spieku miedzi z chromem (Cu Cr). Spiek ten charakteryzuje się dobrymi właściwościami łączeniowymi. Natomiast profilowanie elektrod powoduje, że łuk elektryczny, który się zapali między nakładkami, porusza się ruchem wirowym, co zapobiega punktowemu wypalaniu się materiału styków. Palący się między elektrodami łuk powoduje, że w miejscu jego styku z nakładkami odparowywane są cząstki materiału elektrod. Aby ochronić wewnętrzną część osłony izolacyjnej przed osadzaniem się na niej przewodzących cząstek, wokół strefy działania łuku znajduje się osłona kondensacyjna. Większość odparowanego materiału elektrod osadza się na tej osłonie. 51

3 Osłona izolacyjna ma zadanie zapewnić odpowiednią wytrzymałość elektryczną całej komory gaszeniowej oraz nie dopuścić do utraty próżni wewnątrz komory przez cały okres eksploatacji urządzenia. Z tego powodu osłona izolacyjna powinna być wykonana z materiału o bardzo dobrych własnościach izolacyjnych, dużej odporności na działanie łuku oraz bardzo małej przepuszczalności gazów. Badane komory gaszeniowe miały osłony izolacyjne wykonane z ceramiki wysokoalundowej, otrzymywanej w procesie spiekania tlenku glinu (Al 2 O 3 ) z kilkuprocentowymi domieszkami krzemianów magnezu i tlenkami metali alkalicznych. Mieszek sprężysty umożliwia przesuwanie się elektrody ruchomej przy zachowaniu szczelności komory. Materiał, z którego jest wykonany, zapewnia dużą wytrzymałość mechaniczną, w tym zmęczeniową, gdyż musi wytrzymać kilka tysięcy cykli włącz wyłącz. Zadaniem pokrywy dolnej i górnej jest uszczelnienie układu izolacyjnego komory oraz prawidłowe prowadzenie elektrod. Z tego powodu obie pokrywy charakteryzują się dużą wytrzymałością mechaniczną. Przyjmuje się, że komora gaszeniowa wyłącznika próżniowego powinna utrzymać przez cały okres eksploatacji, a więc około dwudziestu lat, próżnię rzędu hpa. Aby podołać takim wymaganiom, prawidłowo przygotowywana komora gaszeniowa musi przejść wiele etapów produkcji. Pierwszym z nich jest wygrzewanie, którego celem jest odgazowanie elementów metalowych. Proces ten musi mieć ściśle określone parametry czasowe, temperaturowe i inne. Badane komory były odgazowywane w temperaturze 5 C, przez dziesięć godzin, w atmosferze ochronnej azotu pod ciśnieniem kilku hektopaskali. W następnej kolejności eroduje się nakładki stykowe w celu odgazowania samych styków oraz usunięcia z nich wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń powierzchniowych. Erozję przeprowadza się łukiem prądu stałego. Po rozsunięciu elektrod na odległość 6 mm następują cztery cykle stokrotnego zapalenia łuku o natężeniu prądu około 13 A. Biegunowość łuku jest na przemian dodatnia i ujemna. W czasie tego procesu, z komory wypompowywane jest powietrze za pomocą układu pomp próżniowych. Na zakończenie procesu erodowania następuje zaspawanie otworu, przez który wypompowywano gazy resztkowe. Od tego momentu komora próżniowa jest odcięta od wpływu środowiska. Bardzo niekorzystnym skutkiem erodowania nakładek stykowych jest zwiększenie chropowatości powierzchni styku elektrod. Na 52

4 powierzchni tej występują mikroostrza oraz cząsteczki metalu słabo związane z podłożem. Wynikiem tego jest znaczne obniżenie wytrzymałości elektrycznej przerwy międzyelektrodowej. Aby odzyskać pełną wytrzymałość komory należy poddać ją kolejnemu procesowi technologicznemu, to znaczy kondycjonowaniu. Stosowane są dwie metody kondycjonowania. Pierwsza z nich polega na wywołaniu szeregu przeskoków między elektrodami. Każdy kolejny przeskok powoduje odparowanie z powierzchni elektrod wierzchołków mikroostrzy, od których zaczął się ten przeskok. Każdy kolejny przeskok powstaje z reguły przy coraz wyższym napięciu, aż do momentu, gdy osiągnie się kres wytrzymałości, kiedy to na powierzchni elektrod nie ma już mikroostrzy najbardziej groźnych dla układu izolacyjnego. W drugiej metodzie kondycjonowania wymusza się między stykami przepływ prądu elektronowej emisji polowej, ale bez doprowadzenia do przeskoku. W wyniku zastosowania jednej z opisanych metod kondycjonowania, otrzymujemy kilkukrotnie większą wytrzymałość układu izolacyjnego niż przed procesem kondycjonowania. Po tym etapie produkcji komory gaszeniowe można instalować w wyłączniku. Nowe, dobrze wykonane komory nie są źródłem wyładowań niezupełnych, gdyż nie posiadają defektów, które mogłyby te wyładowania generować. Aby można było badać komory zdefektowane, należało je odpowiednio przygotować. Zrobiono to na kilka sposobów. Ulot z przewodu zasilającego komorę uzyskano poprzez przytwierdzenie do pokrywy komory, która była pod wysokim potencjałem, metalowego ostrza. Ostrze to było źródłem wyładowań ulotowych. Wyładowania niezupełne zabrudzeniowe na zewnętrznej powierzchni osłony izolacyjnej powodowały pokrywające ją krople wodnego roztworu soli kuchennej (NaCl). Pojawienie się mikrowyładowań między stykami w komorze gaszeniowej uzyskano w wyniku przechowywania komór w stanie beznapięciowym przez okres około jednego roku. W tym czasie mogły wystąpić niekorzystne efekty readsorpcji gazów. Czwarty defekt, odpylanie cząstek metalicznych z wewnętrznej powierzchni osłony izolacyjnej, musiał być zamodelowany. Modele przygotowano w ten sposób, że wykonano próbki ceramiczne o kształcie walca, które następnie zostały napylone próżniowo miedzią, po czym wprowadzono je do próżniowej komory badawczej w układzie elektrod pokazanym na rysunku

5 Pod wpływem przyłożonego napięcia następowało odpylanie miedzi w charakterystyczny sposób, zawsze tylko w najbliższym sąsiedztwie elektrod, co wiąże się z nierównomiernym rozkładem natężenia pola wzdłuż badanej próbki. Po badaniach próbka miała na skrajach odbarwione marginesy o szerokości około 4 5 mm. U Rys Sposób wykonania modelu defektu odpylanie cząstek metalicznych z powierzchni osłony izolacyjnej 5.2. Układ pomiarowy Komory gaszeniowe badano przy pomocy jednego z typowych układów do detekcji wyładowań niezupełnych, przedstawionych w rozdziale 3. Wybór układu z równoległym połączeniem obiektu badanego z impedancją pomiarową podyktowany był niebezpieczeństwem wystąpienia w obiekcie badanym przeskoków. Przeskoki te mogłyby spowodować niedopuszczalnie wysokie przepięcie na impedancji pomiarowej oraz w aparaturze cyfrowej, co mogłoby doprowadzić do ich uszkodzenia. Układ pomiarowy (rys. 5.4.) [32, 34, 44] składał się z następujących elementów: - transformatora probierczego 1 kv, 5 Hz, pracującego przy napięciu wynoszącym maksymalnie 3 % napięcia znamionowego, co zapewniało odpowiednio niski poziom wyładowań niezupełnych własnych, - filtru dolnoprzepustowego, którego zadaniem jest tłumienie impulsów wysokiej częstotliwości przychodzących z sieci zasilającej; w skład filtru wchodzi cewka L oraz rezystancja R 1, która dodatkowo chroni impedancję pomiarową przed uszkodzeniem w wyniku 54

6 przepływu przez impedancję zbyt dużego prądu spowodowanego przeskokiem na obiekcie badań, - członu dopasowującego, złożonego z kondensatora sprzęgającego C i impedancji pomiarowej Z m, - obiektu badań komory gaszeniowej wyłącznika próżniowego, - miernika wyładowań niezupełnych MTE 3 firmy TUR, który wzmacnia impulsy prądowe, pochodzące z impedancji pomiarowej, a następnie elektronicznie je całkuje, w celu wyznaczenia ich ładunku, po czym formuje je tak, że na wyjściu miernika można zmierzyć impulsy napięciowe o amplitudzie proporcjonalnej do ładunku mierzonych impulsów prądowych, - wielokanałowego analizatora amplitudy TRISTAN, który zlicza zarejestrowane impulsy wyładowań niezupełnych w odpowiadających im kanałach, - dzielnika rezystancyjnego R 2 R 3, z którego sygnał jest kierowany do jednego z kanałów karty przetwornika analogowo cyfrowego, - karty przetwornika analogowo cyfrowego DAS 182ST firmy Keathley o rozdzielczości 12 bitów i częstości próbkowania 333 ks/s, której jeden kanał próbkuje napięcie, a drugi impulsy wyładowań niezupełnych pochodzące z obiektu badań, - dwóch komputerów klasy PC do akwizycji i archiwizacji wyników pomiarów. Dodatkowo układ pomiarowy zawierał kalibrator, który generował impulsy wzorcowe o wartości ładunku: 5 pc, 25 pc, 5 pc i 25 pc. Dzięki kalibratorowi można było skalować impulsy wyładowań pomierzone przez wielokanałowy analizator amplitudy (WAA) oraz kartę przetwornika analogowo cyfrowego (A/C). Impulsy prądowe wyładowań niezupełnych w komorze gaszeniowej wyłącznika próżniowego powodują pojawianie się impulsów napięciowych na impedancji pomiarowej Z m. Z impedancji pomiarowej impulsy te są kierowane do miernika wyładowań niezupełnych, gdzie następuje ich elektroniczne formowanie w taki sposób, że ich amplituda jest proporcjonalna do ładunku wyładowań niezupełnych. Impulsy te są następnie wprowadzane na wejście karty przetwornika A/C oraz poprzez przetwornik analogowo-cyfrowy, na wejście wielokanałowego analizatora amplitudy. W wielokanałowym analizatorze amplitudy impulsy są sortowane według wartości amplitudy i zliczane w poszczególnych kanałach. Wielokanałowy analizator amplitudy tworzy charakterystyki częstościowo amplitudowe mierzonych impulsów wyładowań 55

7 niezupełnych. Analizator pozwala na wyprowadzenie wyników pomiarów, poprzez złącze szeregowe, do pamięci współpracującego mikrokomputera. F R 1 L ~ R 2 R 3 C Z m Obiekt badań MWN WAA PC 1 A/C PC 2 Rys Schemat układu do pomiaru wyładowań niezupełnych; TP transformator probierczy; F filtr dolnoprzepustowy, złożony z rezystora R 1 i cewki L; R 2 -R 3 dzielnik napięcia, C-Z m człon dopasowujący; MWN miernik wyładowań niezupełnych; WAA wielokanałowy analizator amplitudy; A/C karta przetwornika analogowo-cyfrowego; PC 1, PC 2 komputery Karta przetwornika analogowo-cyfrowego próbkuje sygnały wnz oraz sinusoidę napięcia na badanym obiekcie, umożliwiając tym samym pomiar kąta fazowego występujących impulsów. Przed każdą serią pomiarową skalowano analizator i kartę przetwornika A/C, przypisując kolejnym kanałom analizatora odpowiednią wartość ładunku. Istotną sprawą podczas pomiaru wyładowań niezupełnych jest odizolowanie się od zakłóceń, które mogą zafałszować wyniki pomiarów. Mierzone impulsy mają amplitudę nawet rzędu pojedynczych pikokulombów, co w znacznym stopniu utrudnia pomiary. Źródła zakłóceń mogą być zewnętrzne (sieć elektroenergetyczna, wszelkiego 56

8 rodzaju nadajniki radiowo-telewizyjne i telekomunikacyjne, inne wysokonapięciowe urządzenia elektryczne, w których powstają wyładowania lub zachodzi iskrzenie na stykach) oraz wewnętrzne (źle wykonane połączenia poszczególnych elementów układu czy też uziemienie wykonane w kilku miejscach, co powoduje przepływ prądu w pętlach uziemień i powstanie różnicy potencjałów, którą układ detekcyjny może zinterpretować jako sygnał wyładowania). W układzie badawczym zastosowano następujące środki mające na celu wyeliminowanie zakłóceń: - transformator probierczy, kondensator sprzęgający i impedancja pomiarowa, w wykorzystywanym zakresie napięcia charakteryzowały się wyładowaniami własnymi o ładunku poniżej,5 pc, - użyto filtru dolnoprzepustowego, którego zadaniem było odcięcie przebiegów wysokoczęstotliwościowych, pochodzących z sieci elektroenergetycznej, od układu badawczego, - wszystkie urządzenia, na których pracę mogły wpłynąć zakłócenia radioelektryczne, zostały umieszczone w niezależnie uziemionym pomieszczeniu ekranowanym, tzw. klatce Faradaya, - zainstalowano oświetlenie pomieszczenia ekranowanego, które nie było źródłem wyładowań niezupełnych, - przewody i połączenia części wysokonapięciowych były tak wykonane, żeby nie generowały ulotu, - starannie wykonano połączenia części niskonapięciowych, zwłaszcza sygnałowych, a część przewodów zaekranowano. Przez zastosowanie tych środków udawało się (w zależności od poziomu zakłóceń zewnętrznych w danym dniu) mierzyć ładunek impulsów wyładowań na poziomie,5 pc. Do celów niniejszej pracy mierzono ładunek wyładowań niezupełnych w zakresie od około 5 pc do około 25 pc Sposób przeprowadzenia badań Wszystkich pomiarów dokonano przy wykorzystaniu aparatury opisanej w rozdziale 5.2. W celu uzyskania wiarygodnych wyników, które następnie były wykorzystane do zbudowania bazy danych, każdy 57

9 defekt komory gaszeniowej został poddany minimum dwudziestu trzem seriom pomiarowym. Czas badań przy użyciu Wielokanałowego Analizatora Amplitudy (WAA) zawsze wynosił 6 s. Napięcie, przy którym dokonywano prób, miało wysokość dostosowaną do napięcia początkowego pojawiania się wyładowań niezupełnych, związanych z danym defektem, i wahało się w zakresie 6 3 kv. Rozpiętość napięcia wynikała z trudności w takim spreparowaniu komory gaszeniowej, aby był możliwy pomiar wyładowań niezupełnych przy znamionowym napięciu roboczym. Po rozbudowaniu stanowiska pomiarowego o przetwornik Analogowo Cyfrowy (A/C), do rozkładów częstościowo amplitudowych zostały dodane rozkłady fazowe impulsów wyładowań. Przetwornik ten pracował w układzie dwukanałowym. Zadaniem pierwszego kanału było odczytywane impulsów wnz, natomiast do drugiego kanału wprowadzono, przy użyciu dzielnika rezystancyjnego, sinusoidę napięcia, które było przyłożone do obiektu badań. Zakres napięciowy badań z użyciem karty A/C zawierał się w zakresie 6 25 kv, co również było związane z trudnościami w uzyskaniu wyładowań niezupełnych przy znamionowym napięciu roboczym komory gaszeniowej. Każdy defekt został opisany co najmniej 12 seriami pomiarowymi rozkładu fazowego impulsów. Wszystkie rozkłady uzyskane z WAA oraz przetwornika A/C były następnie skalowane. Skalowanie polegało na przyłożeniu do obwodu wejściowego generatora impulsów o znanym ładunku (5, 25, 5 lub 25 pc) i ustaleniu, w którym kanale WAA impulsy wzorcowe były zliczane oraz na powiązaniu wysokości napięcia impulsów odczytanych przez przetwornik A/C z wartością ładunku wzorcowego generującego te impulsy. Odległość między nakładkami stykowymi elektrod była zawsze 1 mm, wynikiem czego nie występował prąd elektronowej emisji polowej, który mógł fałszować wyniki pomiaru. Komory gaszeniowe do badań były przygotowane w taki sposób, że była duża pewność istnienia tylko pojedynczego, założonego z góry defektu. 58

10 5.4. Wyniki pomiarów Ostrze na elektrodzie wysokonapięciowej (defekt 1) Ulot z ostrza znajdującego się na elektrodzie wysokonapięciowej uzyskano poprzez nałożenie stalowej igły na pokrywę komory gaszeniowej. Po przyłożeniu odpowiednio wysokiego napięcia z igły generowany był ulot. Przykładowy przebieg zarejestrowany przez WAA dla ulotu pokazuje rysunek liczba impulsów N ładunek Q [pc] Rys Przykładowy rozkład częstościowo-amplitudowy dla defektu 1 ostrze na elektrodzie wysokonapięciowej; U=18 kv, t=6 s Ulot z igły znajdującej się na komorze gaszeniowej charakteryzuje się bardzo dużą liczbą impulsów rejestrowanych w pojedynczym kanale WAA (rzędu kilkudziesięciu a nawet kilkuset tysięcy). Maksymalny ładunek tych impulsów ma wartość nie przekraczającą 5 pc. Rozkład częstościowo-amplitudowy ładunku generowanego przez ten defekt ma jedną, bardzo wyraźną modę o wartości około 6 pc. Kolejny wykres, pokazany na rysunku 5.6., przedstawia impulsy napięciowe, zarejestrowane przez jeden z kanałów przetwornika A/C. Dzięki temu, że drugi kanał przetwornika mierzył sinusoidę napięcia na obiekcie badań, było możliwe przedstawienie tych impulsów w funkcji kąta fazowego. Rozkład ten umożliwia bezpośrednio zliczenie impulsów wyładowań niezupełnych dla różnego kąta fazowego, natomiast wartość ładunku impulsów musi być ustalona podczas procesu skalowania. 59

11 2 napięcie U [mv] kąt fazowy α [deg] Rys Przykładowy rozkład impulsów wnz w funkcji kąta fazowego napięcia dla defektu 1 ostrze na elektrodzie wysokonapięciowej; U=25 kv Wyładowania ślizgowe zabrudzeniowe (defekt 2) Wyładowania ślizgowe zabrudzeniowe na zewnętrznej powierzchni osłony izolacyjnej uzyskano poprzez napylenie na osłonę izolacyjną roztworu solanki o różnym stężeniu w taki sposób, aby warstwa zabrudzenia nie była ciągła. Pod wpływem przyłożonego napięcia na powierzchni izolatora pojawiły się wyładowania niezupełne. Ładunek tych wyładowań charakteryzował się dużą zmiennością i najczęściej zawierał się w zakresie od około 1 pc do 2 pc. Rozkład częstościowo amplitudowy (rys. 5.7.), charakterystyczny dla tego defektu, ma dwie wyraźne mody o wartościach: około 3 pc oraz 18 pc. Maksymalna liczba zarejestrowanych impulsów w pojedynczym kanale WAA osiąga kilkaset i jest zdecydowanie mniejsza niż w przypadku pierwszego defektu. Także całkowita liczba impulsów wyładowań zabrudzeniowych zarejestrowanych w pojedynczym kanale WAA jest znacznie mniejsza niż ma to miejsce w przypadku ulotu i wynosi kilkaset (rys. 5.8.). 6

12 4 liczba impulsów N ładunek Q [pc] Rys Przykładowy rozkład częstościowo-amplitudowy dla defektu 2 wyładowania ślizgowe zabrudzeniowe; U=12 kv, t=6 s 2 napięcie U [mv] kąt fazowy α [deg] Rys Przykładowy rozkład impulsów wnz w funkcji kąta fazowego napięcia dla defektu 2 wyładowania ślizgowe zabrudzeniowe; U=1 kv Mikrowyładowania między stykami (defekt 3) W celu uzyskania defektu mikrowyładowania między stykami wewnątrz komory gaszeniowej wybrane komory były magazynowane w stanie beznapięciowym przez okres około jednego roku. Ponieważ 61

13 przed magazynowaniem komory były wolne od wyładowań niezupełnych, to, gdy po roku składowania osłony izolacyjne oczyszczono oraz usunięto ewentualne źródła ulotu, wszelkie wnz zarejestrowane w czasie badań były spodziewanym defektem. Podczas badań komory ulegały kondycjonowaniu napięciowemu, w wyniku czego mikrowyładowania zanikły. Ładunek mikrowyładowań zawierał się w zakresie 5 5 pc, przy czym gros impulsów miało wartość poniżej 15 pc. Rozkłady częstościowo amplitudowe (rys. 5.9.) wykonane dla tego defektu są jednomodalne, z modą o wartości około 8 pc. Maksymalna liczba impulsów zarejestrowanych w pojedynczym kanale WAA przeciętnie nie osiąga stu i jest mniejsza niż w przypadku drugiego defektu. Rozkłady fazowe mikrowyładowań charakteryzują się obecnością impulsów niemal tylko w dodatniej połowie sinusoidy napięcia (rys. 5.1.). 5 liczba impulsów N ładunek Q [pc] Rys Przykładowy rozkład częstościowo-amplitudowy dla defektu 3 mikrowyładowania między stykami; U=18 kv, t=6 s 62

14 2 napięcie U [mv] kąt fazowy α [deg] Rys Przykładowy rozkład impulsów mikrowyładowań w funkcji kąta fazowego napięcia dla defektu 3 mikrowyładowania między stykami; U=18 kv Odpylanie z wewnętrznych powierzchni osłony izolacyjnej (defekt 4) Aby uzyskać efekt odpylania cząstek metalicznych z wewnętrznych powierzchni osłony izolacyjnej, należało komory gaszeniowe odpowiednio przygotować. Czynność ta polegała na wielokrotnym poddaniu badanych komór operacjom łączeniowym (przy prądzie około 3kA), co doprowadziło do odparowania niewielkiej ilości materiału elektrod oraz skondensowaniu się części tych par na osłonie izolacyjnej. Dodatkowo, po rozszerzeniu układu pomiarowego o kartę przetwornika A/C, dokonano pomiaru rozkładów fazowych wnz na modelu defektu, który był przedstawiony w rozdziale 5.1. Ładunek niesiony przez cząstki metalu, odpylane z powierzchni osłony izolacyjnej, zawierał się w zakresie 5 5 pc. Rozkłady częstościowo amplitudowe (rys ) wykonane dla tego defektu są jednomodalne, przy czym moda, z powodu niewielkiej liczby rejestrowanych impulsów, nie jest bardzo jednoznaczna. Jej wartość wynosi około 8 pc a maksymalna liczba impulsów zarejestrowanych w pojedynczym kanale WAA nie przekracza dziesięciu. 63

15 Rozkłady fazowe dla tego defektu wyróżnia obecność impulsów niemal tylko w ujemnej połowie sinusoidy napięcia, choć sporadycznie rejestrowano przebiegi, które mają impulsy wnz również (a nawet tylko) w dodatniej połowie sinusoidy (rys ). 1 liczba impulsów N ładunek Q [pc] Rys Przykładowy rozkład częstościowo-amplitudowy dla defektu 4 odpylanie z wewnętrznych powierzchni osłony izolacyjnej; U=6 kv, t=6 s 2 napięcie U [mv] kąt fazowy α [deg] Rys Przykładowy rozkład impulsów wnz w funkcji kąta fazowego napięcia zasilającego dla defektu 4 odpylanie z wewnętrznych powierzchni osłony izolacyjnej; U=6 kv 64