ĆWICZENIE 3 WYTRZYMAŁOŚĆ UDAROWA POWIETRZA

Transkrypt

1 3 ĆWICZENIE 3 WYTRZYMAŁOŚĆ DAROWA POWIETRZA 3.1. WPROWADZENIE Najbardziej groźne dla izolacji sacji elekroenergeycznych, ze względu na swą dużą warość (seki - ysiące kv), są przepięcia wywołane wyładowaniami amosferycznymi. Przepięcia e rwają bardzo króko, od kilku do kilkudziesięciu mikrosekund i przeważnie są jednego znaku. Takie przebiegi napięcia nazywamy udarowymi. Napięcie udarowe charakeryzuje się rzema wielkościami: warością szczyową m, czasem rwania czoła udaru T 1 i czasem do półszczyu T 2 (rys. 3.1). kv m,9 m,5 m,3 m T 1 T 2 us Rys Przebieg napięcia udarowego: T 1 - umowny czas czoła, T 2 - umowny czas do półszczyu, m - warość szczyowa napięcia udarowego Wyrzymałość udarowa izolacji zależy od kszału udaru i jej określenie ma ogromne znaczenie w projekowaniu urządzeń oraz ich ochronie przed udarami pochodzącymi od uderzeń piorunów. Do badań udarowych izolacji wykorzysuje się przebiegi napięciowe wywarzane szucznie w układach zwanych generaorami udarów napięciowych. W celu ujednolicenia laboraoryjnych badań udarowych izolacji oraz umożliwienia porównania wyników wprowadzono normalizację udarów. W wielu krajach, między innymi i w Polsce, jako udar znormalizowany [3] przyjęo udar o czasie rwania czoła T 1 = 1,2 µs ± 3% i czasie do półszczyu T 2 = 5 µs ± 2% (oznaczenie 1,2/5). Wyboru czasów dokonano na podsawie analizy kszału przebiegów napięciowych najczęściej wysępujących w wyładowaniach piorunowych. Wyrzymałość udarowa powierza jes zwykle wyższa od wyrzymałości saycznej na skuek opóźnienia wyładowania, na kóre wpływają dwa składniki: opóźnienie przypadkowe i czas rozwoju wyładowania. Opóźnienie przypadkowe jes związane z wyzwalaniem pierwszego elekronu z kaody, jak również zależy od przypadkowego czasu dosarczenia pierwszego wolnego elekronu do przesrzeni miedzy elekrodami. Drugi składnik, niezależny od przypadkowości, jes związany z mechanizmem rozwoju wyładowania i maleje szybko ze wzrosem warości szczyowej udaru [1]. Napięciem przeskoku udarowego nazywamy największą warość napięcia. jakie wysępuje na obiekcie badanym do chwili przeskoku. Przy napięciach udarowych przeskok i. związany z nim nagły spadek napięcia nasępuje na ogół dopiero wedy, gdy warość chwilowa napięcia udarowego jes już mniejsza od warości szczyowej udaru. Na przykład przebieg napięcia panującego na izolaorze przedsawia się wówczas jak na rys Taki przebieg napięcia nazywamy udarem ucięym. Jako napięcie przeskoku udarowego przyjmujemy warość szczyową, pomimo że w chwili przeskoku panowało na izolaorze mniejsze napięcie. Czas, kóry upływa od znamionowego począku do ucięcia udaru przy przeskoku, nazywamy czasem do ucięcia. Czas do ucięcia jes dla układów o polu jednosajnym króki, naomias

2 dość długi dla układów o polu bardzo niejednosajnym i przy dużych odsępach elekrod. Przy czym należy pamięać, że czas do przeskoku zależy od kszału udaru. 31 kv m s u us Rys Przebieg napięcia na izolaorze podczas prób wyrzymałości udarowej: s - napięcie sayczne zapłonu, - opóźnienie przeskoku, u - czas do ucięcia Przy niezmienionym kszałcie udaru zjawisko przypadkowości pojawienia się elekronu w miejscu, w kórym jonizacja jes uławiona, powoduje, że liczba przeskoków na obiekcie zależy od warości napięcia. W miarę powiększania warości szczyowej napięcia udarowego procen przeskoków wzrasa aż do pewnej warości napięcia, przy kórej każdy przyłożony udar wywołuje przeskok. Określenie wyrzymałości udarowej obieku wymaga więc podania odseka przeskoków [3]. Napięcie udarowe, przy kórym połowa przyłożonych udarów powoduje przeskok, nazywamy 5- procenowym napięciem przeskoku - 5. Częso wyrzymałość udarowa układu izolacyjnego określa się również przez 1-procenowe napięcia przeskoku (minimalne napięcie przeskoku), a akże 1-procenowe 1. Wyznaczanie ych napięć przeprowadza się (parz wiadomości ogólne p. 1) najdogodniej rysując krzywe odseka przeskoków w funkcji warości szczyowej przyłożonych udarów. Krzywe e częso są nazywane krzywymi prawdopodobieńswa przeskoku [1, 3]. Na ogół im bardziej pole między elekrodami jes niejednosajne, ym bardziej krzywa prawdopodobieńswa przeskoku jes rozciągnięa (rys. 3.3). % p 1 (b) (a) Rys Krzywe prawdopodobieńswa przeskoku: a) dla układu o polu zbliżonym do jednosajnego, b) dla układu o polu niejednosajnym Podanie jednego określonego napięcia przeskoku z krzywej prawdopodobieńswa przeskoku nie jes jeszcze wysarczające do scharakeryzowania udarowych właściwości izolacyjnych układu. Określenie o wymaga sporządzenia charakerysyki napięciowo-czasowej, zwanej charakerysyką udarową. Charakerysyka udarowa jes o zależność k-procenowego udarowego napięcia przeskoku od czasu do przeskoku [2]. kłady o polu zbliżonym do jednosajnego mają charakerysyki udarowe o przebiegu bardziej płaskim, układy o polu niejednosajnym - o przebiegu bardziej sromym (rys. 3.4). Gdy charakerysyki udarowe nie przecinają się, układ posiadający charakerysykę przebiegającą wyżej jes zawsze, zn. dla udarów o każdej warości, bardziej wyrzymały od układu o cha-

3 rakerysyce leżącej niżej. Zależności e są wykorzysywane w zagadnieniach koordynacji izolacji [1]. 32 (a) (b) Rys Charakerysyki udarowe napięciowo-czasowe dla układów o polu zbliżonym do jednosajnego (a) i niejednosajnym (b) Wyrzymałość udarową izolacji charakeryzuje się również przez podanie współczynnika udaru. Jes on sosunkiem udarowego napięcia przeskoku do saycznego napięcia przeskoku odpowiedniego znaku lub częściej do warości. szczyowej napięcia przeskoku przy częsoliwości 5 Hz: k u = pud / 2 p5hz (3.1) Współczynnik udaru izolacji podaje się zwykle dla 5 przy udarze 1,2/5. Współczynnik en mówi nam, ile razy wyrzymałość udarowa jes większa od wyrzymałości przy częsoliwości 5 Hz. Warość współczynnika udaru dla układów z izolacją powierzną zależy głównie od rozkładu pola elekrycznego miedzy elekrodami i odsępu elekrod. W polu zbliżonym do jednosajnego, np. w iskierniku kulowym o przerwie iskrowej niezby dużej w porównaniu z wymiarami elekrod, współczynnik udaru jes bliski jedności. Współczynnik udarowy wyraźnie większy od jedności wysępuje dopiero w obszarze bardzo małych opóźnień (przy ucięciu udaru na sromym czole). Przy dużej niejednosajności pola (w iskiernikach sworzniowych, na powierzchniach izolaorów wsporczych) współczynnik udaru jes większy od jedności już przy warunku 5-procenowym i przy kszałcie udaru 1,2/5. Przy krószych czasach wyrzymałość udarowa jes znacznie wyższa i współczynnik udaru może osiągnąć warość do ok. 1,5 lub większą w zależności od biegunowości udaru. Wpływ rozkładu pola elekrycznego i odległości między elekrodami na wyrzymałość udarową powierza ilusrują charakerysyki na rys. 3.5, gdzie przedsawiono warości średniego naprężenia przeskoku (sosunku 5 do drogi przeskoku a) w funkcji a, dla układów kula-kula oraz sworzeń-sworzeń i sworzeń-płya. Z wykresów wyraźnie widać, że wyrzymałość elekryczna udarowa powierza jes mniejsza dla układów o polu niejednosajnym i zmienia się w granicach od ok. 6 kv/cm do ok. 15 kv/cm w zależności od biegunowości napięcia, odległości miedzy elekrodami i układu elekrod. Znajomość warości przedsawionych na wykresach jes o yle isona, że w prakyce większość układów izolacyjnych ma rozkład pola niejednosajny i pod względem wyrzymałości może być reprezenowana przez modelowe układy ypu sworzeń-sworzeń lub sworzeń-płya. Takie charakerysyki mogą służyć do przybliżonego określenia napięć przeskoku izolaorów. Izolaory wiszące z okuciami przeciwłukowymi mają charakerysyki podobne do układu sworzeń-sworzeń. Naomias izolaory napowierzne sojące oraz izolaory wnęrzowe wsporcze - do układu sworzeń-płya, a właściwości wyrzymałościowe izolaorów przepusowych kondensaorowych odpowiadaj charakerysykom wyrzymałości elekrycznej układu sworzeń-sworzeń. W układach o niesymerii pola elekrycznego zaznacza się wpływ biegunowości napięcia udarowego na wyrzymałość udarów. Wpływ en jes znacznie silniejszy w układzie sworzeń-płya z powodu dużej niesymerii pola. Napięcie przeskoku w ych układach jes większe przy znaku

4 ujemnym udaru. Różnice między dodanim i ujemnym udarowym napięciem przeskoku dochodzą do około 5% w układzie sworzeń-płya. 33 kv cm p a udary 1,2 / 5 25 (c) znak udaru (+) 2 (c) znak udaru (-) 15 1 (a) znak udaru (-) (b) znak udaru (-) (a) znak udaru (+) (b) znak udaru (+) Rys Warość średniego naprężenia przeskoku dla rzech układów elekrod: (a) sworzeńsworzeń uziemiony, (b) sworzeń-płya uziemiona, (c) kula-kula uziemiona Zjawiskiem odpowiedzialnym za e różnice, podobnie jak przy napięciu sałym [2], jes obecność ładunku przesrzennego powsającego w przerwie międzyelekrodowej. Jednak wpływ biegunowości udarów na napięcie przeskoku jes słabszy niż przy napięciu sałym, ze względu na o, że przy krókich czasach do przeskoku gęsość ładunku przesrzennego jes mniejsza. Wpływ rozkładu pola elekrycznego i biegunowości napięcia na wyrzymałość udarową powierza w układach o polu niejednosajnym może być ujęy empirycznymi wzorami wg [3], słusznymi w zakresie 2 cm a 2 cm w normalnych warunkach amosferycznych dla układów: a cm sworzeń-sworzeń uziemiony (+) 5 = 5,7 a + 5 [kv] (3.2) (-) 5 = 6,5 a + 5 [kv] (3.3) sworzeń-płya uziemiona (+) 5 = 5,6 a + 2 [kv] (3.4 (-) 5 = 7,6 a + 13 [kv] (3.5) Wyrzymałość udarowa powierza zależy od warunków amosferycznych (emperaury, ciśnienia i wilgoności). Wpływ ciśnienia i emperaury, przy niezby wysokich emperaurach, kiedy nie wysępuje jeszcze jonizacja cieplna, sprowadza się do wpływu gęsości [1]. Przy wzroście gęsości δ wyrzymałość elekryczna wzrasa. Dla niezby szerokiego zakresu można przyjęć proporcjonalność zmian napięcia przeskoku w funkcji gęsości. Przy bardzo krókich czasach udaru wpływ δ jes znacznie mniejszy. Wpływ wilgoności na napięcie przeskoku jes wyraźny ylko w układach o wybinie niejednosajnym rozkładzie pola elekrycznego, np. w iskiernikach osrzowych, między przewodami równoległymi, na powierzchniach izolaorów. Przy zwiększaniu wilgoności napięcie przeskoku wzra-

5 sa mniej więcej liniowo, ale dość słabo, zwłaszcza przy krószych czasach udarów. Wzros napięcia przeskoku przy zwiększeniu wilgoności o 1g/m3 wynosi dla udarów normalnych i krókich odpowiednio: ok. 1% i,5%. Wpływ wilgoności jes nieco większy przy udarach o znaku dodanim niż przy udarach ujemnych [1] PRZEBIEG ĆWICZENIA Należy zapoznać się ze schemaem i budową wielosopniowego generaora udarów oraz usalić kszał udaru na podsawie paramerów generaora. Nasępnie wyznaczyć wyrzymałość udarową powierza dla kilku układów izolacyjnych o różnych rozkładach pola elekrycznego, np. iskiernika kulowego, układu sworzeń płya, izolaora liniowego. Na rys. 3.6 pokazano schema układu generaora udarów napięciowych (5 kv, 1,2 kws), przeznaczonego do wykonania ćwiczenia. Należy zwrócić uwagę na konsrukcję i rolę poszczególnych elemenów wpływających na kszał i paramery elekryczne napięcia udarowego. Po zapoznaniu się ze schemaem generaora obliczyć kszał udaru na podsawie danych generaora, przyjmując dodakowo, że pojemność doziemna obwodu wysokiego napięcia generaora wynosi 15 pf. 34 R 1Z n=5 R 1 R i R 1 R 1 IZ R 2 C 1 DN OB C R i R 1 TR TP D R IZT W 22V~ DNŁ C R 2 SMT 1L ua Rys Schema układu probierczego; TR - ransformaor regulacyjny 22/-25 V, TP - ransformaor podwyższający 22 V/1 kv, D - dioda prosownicza 23 kv, R - rezysor ograniczający 6 kω, DNŁ - dzielnik napięcia ładowania, C - kondensaory główne generaora,1 µf, IT - iskiernik zapalający rójelekrodowy, I - iskierniki międzysopniowe, R 2 - rezysory grzbieowe 986 Ω, R 1 - rezysory czołowe 2 Ω, R i - rezysory ograniczajce 1 kω, R 1z - rezysor czołowy zewnęrzny 25 Ω, R 1 - rezysor ograniczający zewnęrzny 55 Ω, I p - iskiernik pomiarowy, DN - dzielnik napięcia udarowego 1 kω, C 1 - pojemność czołowa 3 pf, OB - obiek badany, µa - mikroamperomierz w układzie do pomiaru napięcia ładowania, P- układ do pomiaru warości szczyowej udaru

6 Przed przysąpieniem do wykonania prób wyrzymałości udarowej wyznaczyć warunki amosferyczne w laboraorium w celu określenia warości odpowiednich współczynników poprawkowych (parz: wiadomości ogólne p. 2). Nasępnie zainsalować na polu probierczym generaora izolaor liniowy wsporczy o wysokości 12 cm i wyznaczyć jego charakerysykę prawdopodobieńswa przeskoku dla udarów dodanich. Określić warości, 5 i 1. Dla udarów ujemnych wyznaczyć ylko 5. W dalszej kolejności wyznaczyć wyrzymałość udarową powierza w układzie sworzeńpłya uziemiona. W ym celu należy przeprowadzić pomiary napięć przeskoku oraz charakerysyk prawdopodobieńswa przeskoku dla udarów dodanich i ujemnych przy kilku odsępach międzyelekrodowych w zakresie 1 cm 2 cm. Osanim obiekem badań będzie iskiernik kulowy o średnicy kul 25 cm. Dla ego iskiernika należy wyznaczyć charakerysyki prawdopodobieńswa przeskoku dla udarów dodanich i ujemnych przy kilku odsępach międzyelekrodowych w zakresie 2 cm 6 cm. Wyznaczanie krzywych prawdopodobieńswa przeskoku oraz napięć przeskoku przeprowadzić zgodnie z meodyką pomiarów opisaną w wiadomościach ogólnych p. 1. Podczas prób należy również odczyywać dane konieczne do wyznaczenia sprawności generaora udarów. Wyniki badań zesawić w ablicach wg wzoru podanego w ablicy Obiek badań Tab1ica 3.1 Wyniki badań wyrzymałości udarowej powierza Znak Wyniki pomiarów i obliczeń a udaru ł k Napięcie przeskoku Wyrzymałość udarowego [kv] udarowa [kv/cm] cm - kv % p pn E pn Oznaczenia: a - odsęp między elekrodami, ł - napięcie ładowania generaora udarów, k - procen przeskoków na obiekcie, p - napięcie przeskoku w warunkach pomiaru, pn - napięcie przeskoku w warunkach normalnych OCENA WYNIKÓW I WNIOSKI Wyniki badań wyrzymałości udarowej powierza uzyskane z prób należy przeliczyć na warunki normalne i przedsawić na wykresach w aki sposób, aby można było określić i porównać wyrzymałość udarową powierza w zależności od: 1. rozkładu pola elekrycznego między elekrodami, 2. biegunowości napięcia udarowego, 3. odległości między elekrodami. Porównania należy dokonać w sosunku do przebiegów charakerysyk prawdopodobieńswa przeskoku, jak również w sosunku do warości średniej naprężenia przeskoku obliczonego dla napięcia 5. W dalszej części, korzysając z wyników badań wyrzymałości saycznej powierza dla ych samych układów elekrod kula-kula i sworzeń-płya z ćwiczenia 2, należy obliczyć współczynnik udaru k u. Orzymane wyniki badań i obliczeń należy omówić. W rozważaniach wziąć pod uwagę przydaność badania prosych układów iskiernikowych dla określenia udarowego napięcia przeskoku rzeczywisych układów izolacyjnych (izolaor). Dodakowo usosunkować się do sposobu wykonania generaora udarów i przyoczyć obliczenia kszału udaru i sprawności generaora. Próby na iskiernikach kulowych należy wykorzysać do opisania pomiaru napięć udarowych za pomocą iskierników kulowych, a wyniki porównać z wynikami orzymanymi z pomiaru pośredniego za

7 pomocą dzielnika udarowego współpracującego z miernikiem warości szczyowej. Wskazać zaley i wady każdego z ych układów PYTANIA KONTROLNE 1. Zasada działania generaora udarów napięciowych. 2. Kszał napięcia udarowego i zasady jego formowania. 3. Meody pomiaru napięć udarowych. 4. Sprawność generaora udarów. 5. Charakerysyka prawdopodobieńswa przeskoku.. 6. Isoa i charaker przebiegu charakerysyk udarowych. 7. Wpływ rozkładu pola elekrycznego na wyrzymałość udarową powierza. 8. Wpływ biegunowości napięcia na napięcie przeskoku w warunkach udarowych. 9. Średnia wyrzymałość udarowa powierza (wzory, warości). 1. Współczynnik udaru. 11. Zmiany współczynnika udarów w zależności od kszału udaru. 12. Wpływ emperaury, ciśnienia i wilgoności na wyrzymałość udarową powierza. LITERATRA 1. Szpor S.: Ochrona odgromowa. Tom 1 i 2. Warszawa, WNT Szpor S.: Wyrzymałość elekryczna i echnika izolacyjna. Warszawa, PWN Biermanns J.: Hochspannung und Hochleisung. Monachium, CH Verlag PN-92/E-46*. Wysokonapięciowa echnika probiercza. Ogólne określenia i wymagania probiercze * Dane akualne w chwili druku. Sprawdzić akualność norm przed sosowaniem. 36