38 ĆWICZENIE 4 BADANIA GRANICZNIKA ZAWRWEG ISKIERNIKWEG 4.1. WPRWADZENIE Przepięcia występujące w sieciach elektroenergetycznych na skutek wyładowań atmosferycznych oraz operacji łączeniowych są zjawiskiem nieuniknionym i stanowią zagrożenie dla izolacji urządzeń elektrycznych, która z powodów ekonomicznych nie jest projektowana na tak wysoki poziom wytrzymałości elektrycznej. Sieci wymagają więc rozbudowanej ochrony przeciwprzepięciowej realizowanej między innymi za pomocą zaworowych ograniczników przepięć. d kilkudziesięciu lat są znane i stosowane tradycyjne konstrukcje ograniczników iskiernikowych [1] (przedmiot niniejszego ćwiczenia). Nowszą konstrukcją są ograniczniki beziskiernikowe, z rezystorem tlenkowym [4], wprowadzane coraz powszechniej do eksploatacji w związku ze znacznym postępem w technologii produkcji rezystorów nieliniowych. 4.1.1. Budowa i działanie ogranicznika zaworowego iskiernikowego granicznik zaworowy iskiernikowy jest podstawowym aparatem elektrycznym wielokrotnego działania, którego zadaniem jest ochrona izolacji urządzeń elektroenergetycznych i trakcyjnych przed przepięciami. Jest włączany zwykle między przewód fazowy a ziemię, czyli równolegle do chronionej izolacji. W normalnych warunkach roboczych aparat nie zamyka obwodu i prąd przez niego nie przepływa. Jeżeli wartość przepięcia na ograniczniku osiąga wartość napięcia zapłonu aparatu, następuje jego zadziałanie. granicznik odprowadza do ziemi prąd wyładowczy, czyli prąd udarowy płynący przez aparat pad wpływem fali przepięciowej. Na chronionej izolacji występuje wtedy napięcie obniżone, równe wartości szczytowej napięcia na zaciskach ogranicznika wywołanego przepływem prądu wyładowczego. Po przeminięciu fali przepięciowej pad wpływem napięcia roboczego, przez aparat płynie prąd następczy, który przy pierwszym przejściu przez zero ulega przerwaniu. Właściwości ogranicznika zaworowego określa jego charakterystyka ochronna napięciowoprądowa, czyli zależność napięcia obniżonego od prądu wyładawczego u m = f(i m ). Na rys. 4.1 pokazano dwa rodzaje takich charakterystyk: bez załamania 1 i z wyraźnym załamaniem 2, które zbliża charakterystykę ogranicznika do idealnej charakterystyki zaworowej 3. Taka charakterystyka zapewniałaby równie dobrą ochronę przy mniejszych i większych prądach udarowych oraz dawałaby przerywanie prądu przy napięciu roboczym. u m 3 2 1 i m Rys. 4.1. Charakterystyki ochronne napięciowo-prądowe ograniczników zaworowych ; 1 - bez załamania, 2 - z załamaniem, 3 - idealna zaworowa granicznik zaworowy składa się z trzech zasadniczych części (rys. 4.2): jednego lub kilku iskierników, rezystora o zmiennej rezystancji oraz szczelnej obudowy izolacyjnej.
Zadaniem rezystora jest ograniczenie wartości prądu następczego oraz napięcia obniżonego. Zmniejszenie prądu następczego do kilkudziesięciu amperów wymaga dużej rezystancji, co daje również korzystny przebieg napięcia powrotnego, gdyż gaszony prąd ma charakter czynny. Z kolei ograniczenie przepięcia przy prądach udarowych rzędu 1-10 ka wymaga możliwie małej rezystancji. Łączne spełnienie obu wymagań jest możliwe tylko przez zastosowanie materiałów o zmiennej rezystancji. 39 1 2 3 Rys. 4.2. Zasadnicze elementy ogranicznika zaworowego: 1 - iskiernik, 2 - rezystor nieliniowy, 3 - obudowa izolacyjna W ogranicznikach stosuje się karborund (węglik krzemu SiC), którego ziarna wiąże się szkłem wodnym bądź spoiwem ceramicznym, dodając niekiedy materiały przewodzące, np. grafit. Mechanizm zmiany rezystancji rezystorów karborundowych oraz ich konstrukcje opisano bliżej w podręczniku [1]. Zadaniem iskiernika ogranicznika zaworowego jest dobra izolacja rezystora od przewodu fazowego w stanie bezprądowym, włączanie go przy określonej wartości przepięcia oraz prawidłowe gaszenie łuku zwarciowego podtrzymywanego prądem następczym. Konstrukcja iskiernika musi zapewniać mały współczynnik udarowy, niewielkie nachylenie charakterystyki udarowej oraz jej niezmienność pod wpływem prądów wyładowczych i warunków atmosferycznych. siąga się to stosując iskierniki wielokrotne płaskie. Jeden element iskiernika (rys. 4.3) tworzą dwie elektrody 1 (Ms, Cu) w postaci wytłaczanych krążków rozdzielonych izolacyjną przekładką 2 (mikanit, mika, materiały ceramiczne) o dużej wytrzymałości elektrycznej przy grubości 0,5-1 mm. Taka konstrukcja zapewnia dobrą izolację w stanie bezprądowym oraz zmniejszenie opóźnień zapłonu w wyniku naświetlania elektrod i przerw iskrowych 3 przez wyładowania powierzchniowe na przekładkach (miejsca 4 na rys. 4.3). Pole elektryczne w przerwach iskrowych jest prawie jednostajne, co łącznie z naświetlaniem daje płaską charakterystykę udarową iskiernika i mały rozrzut napięć zapłonu. 2 4 3 1 Rys. 4.3. Przykład konstrukcji iskiernika gaszącego: 1 - elektrody, 2 - przekładki izolacyjne, 3 - przerwa iskrowa, 4 - miejsce występowania wyładowań naświetlających przerwę iskrową Wadą iskiernika wielokrotnego jest nierównomierny podział napięcia miedzy poszczególne przerwy przed zapłonem. W wyniku działania pojemności doziemnych elektrod iskiernika najwięk-
sze napięcia przypadają na przerwy położone bliżej zacisku wysokonapięciowego. Wydłuża to całkowity czas do zapłonu iskiernika i zmniejsza napięcie zapłonu przy częstotliwości 50 Hz. Dąży się więc do wyrównania rozkładu napięcia przez sterowanie pojemnościowe (np. zewnętrzny pierścień metalowy połączony z zaciskiem wysokonapięciowym) bądź rezystancyjne (włączenie nieliniowych rezystorów równolegle do przerw iskrowych. Przerywanie w iskierniku prądu następczego, ograniczonego przez rezystor nieliniowy, zapewnia się stosując małe przerwy iskrowe. W takim przypadku krótki odcinek łuku zwarciowego jest dobrze chłodzony przez elektrody. Występuje jednak możliwość nadtopienia elektrod przez łuk i powstania nierównomierności powierzchni obniżających napięcie zapłonu. W niektórych konstrukcjach zdolność gaszenia i odporność ektrod na działanie łuku poprawia się wymuszając przesuwanie się łuku po elektrodach pod wpływem pola magnetycznego. Zadaniem obudowy ogranicznika jest zabezpieczenie wnętrza od szkodliwych wpływów wilgoci. Wilgoć zmniejsza rezystancję rezystorów nieliniowych, a woda psuje izolację i wywołuje korozję w iskierniku. Zawilgocenie może być przyczyną eksplozji aparatu. Wytrzymałość elektryczna obudowy musi być wystarczająco duża, aby uniknąć przeskoku powierzchniowego z ominięciem iskiernika i zwarcia słupa rezystancyjnego po zapłonie. budowy, w których umieszcza się ograniczniki maję znaczną długość. Przykłady różnych konstrukcji ograniczników zaworowych iskiernikowych omówiono w pracach [1, 2]. 4.1.2. Badania ograniczników zaworowych granicznikom zaworowym stawia się specjalne wymagania dotyczące wielkości znamionowych (wartości liczbowe podaje norma [5]): napięcia zapłonu w warunkach statycznych i udarowych (udary piorunowe, ukośne i łączeniowe), napięcia obniżonego, wytrzymałości na działanie prądów (następczy, wyładowczy, udarowy, zwarciowy) oraz sił mechanicznych, szczelności obudowy i długości drogi upływu po jej zewnętrznej powierzchni. W programie prób nowych aparatów przewiduje się dwa rodzaje badań pełne i niepełne. Badania pełne są przeprowadzane na losowo wybranych sztukach w celu oceny nowych bądź zmodernizowanych konstrukcji. Próby niepełne, którym podlega każdy wyprodukowany ogranicznik, przeprowadza się dla kontroli bieżącej produkcji w ramach odbioru technicznego. Wymienione badania różnię się zakresem prób. W badaniach pełnych sprawdza się zgodność właściwości technicznych ogranicznika ze wszystkimi wymienionymi powyżej wymaganiami normy. Natomiast w badaniach niepalnych, z uwagi na konieczność ograniczenia kosztu prób, bada się tylko statyczne napięcie zapłonu na sucho, napięcie obniżone oraz szczelność osłony izolacyjnej. sobną grupę badań stanowią próby ograniczników zaworowych eksploatowanych w sieciach elektroenergetycznych. Przewiduje się trzy rodzaje badań: profilaktyczne - przeprowadzane w celu wykrycia rozpoczynających się uszkodzeń ograniczników i zmniejszenia częstości większych awarii, poawaryjne - przeprowadzane w przypadku uszkodzenia aparatu bądź obiektu chronionego oraz specja1ne - o zakresie i celu wynikającym z potrzeb naukowo - badawczych i eksperymentalnych. Badania profilaktyczne przeprowadza się w miejscu zainstalowania ogranicznika w okresach co kilka lat w zależności od typu i warunków pracy. Badania te obejmują pomiary statycznego napięcia zapłonu oraz prądu upływnościowego przy napięciu stałym. Szczegółowy opis warunków i sposobu przeprowadzania badań ograniczników zaworowych podaję przepisy [5]. Z zawartego tam szerokiego zakresu badań wybrano do realizacji w ramach ćwiczenia tylko niektóre próby, stanowiące zasadniczą podstawę do oceny właściwości ochronnych ogranicznika. 40
41 4.2. PRZEBIEG ĆWICZENIA Przeprowadzić analizę konstrukcyjno-technologiczną różnych elementów ograniczników zaworowych. Zapoznać się z wymaganiami stawianymi ogranicznikom zaworowym w przepisach [5]. Przeprowadzić badania laboratoryjne parametrów technicznych ogranicznika zaworowego na przykładzie aparatu typu GZ12 lub GZS18. Badany obiekt ustawić tak, aby przedmioty postronne nie znajdowały się bliżej niż w odległości 0,5 cm na 1 kv statycznego napięcia zapłonu ogranicznika. Wyznaczyć warunki atmosferyczne w czasie pomiarów. 4.2.1. Pomiar prądu upływnościowego Prąd upływnościowy odgromników zaworowych mierzymy przy napięciu probierczym stałym w układzie pokazanym na rys. 4.4a. W ogranicznikach jednoczłonowych ze sterowaniem pojemnościowym wartość prądu zmierzona przy napięciu równym 0,7 U r, (U r - najwyższe dopuszczalne napięcie robocze) nie powinna przekraczać wartości 0,2 µa (aparaty nowe) oraz 0,5 µa (aparaty w eksploatacji). W konstrukcjach wieloczłonowych te same wartości prądu powinny występować przy napięciu probierczym równym 40% statycznego napicia zapłonu. Prąd upływnościowy ograniczników zaworowych ze sterowaniem razystancyjnym nie może przekraczać wartości granicznych określonych przez wytwórcę dla ograniczników nowych, a dla będących w eksploatacji różnić się więcej niż o 50%, od wartości zmierzonej w podobnych warunkach na początku eksploatacji. a) b) P ~ C UPS ~ V C C UPS Rys. 4.4. Układy do badań ograniczników zaworowych: a - przy napięciu stałym, b - przy napięciu przemiennym 50 Hz, - transformator probierczy, - rezystor ograniczający, P -. prostownik; C - kondensator, DN - dzielnik napięcia, 0 - ogranicznik zaworowy, USP - układ sygnalizacyjnopomiarowy 4.2.2. Pomiar statycznego napięcia zapłonu na sucho Statyczne napięcie zapłonu U s na sucho ograniczników zaworowych mierzymy w układzie pokazanym na rys. 4.4b. Napięcie probiercze 50 Hz podnosimy w sposób jednostajny, aż do wystąpienia zapłonu ogranicznika. Czas, w którym napięcie probiercze przekracza wartość U r badanego aparatu, nie powinien być dłuższy niż 20 s. Po zapłonie należy możliwie szybko wyłączyć napięcie. Pomiary powtarza się pięciokrotnie zachowując odstępy czasu między kolejnymi zapłonami od 20 s do 60 s. Każda z otrzymanych wartości napięcia U s aparatów nowych powinna być zgodna z wymaganiami zawartymi w normie [5]. Natomiast w próbach profilaktycznych wymaga się dodatkowo, aby żaden z uzyskanych wyników nie różnił się więcej niż o l5% od wartości podanej przez producenta lub zmierzonej na początku eksploatacji. Da porównywania wyników pomiarów przeprowadzanych w ramach różnych badań oblicza się wartość statycznego napięcia zapłonu badanego aparatu jako wartość średnią z pięciu pomiarów. 4.2.3. Sprawdzenie napięcia zapłonu przy udarze normalnym piorunowym Do badanego ogranicznika zaworowego doprowadzić z generatora udarów napięciowych (rys. 4.5) 5 udarów o biegunowości dodatniej i 5 udarów o biegunowości ujemnej o wartościach szczy-
towych zgodnych z wymaganiami normy [5]. Każdy z przyłożonych udarów powinien spowodować zapłon ogranicznika co należy obserwować na oscylografowanym przebiegu napięcia udarowego. 42 P I Z R 2 ~ C UK E R 1 C 1 UPS DN E R t Rys. 4.5. Układ do pomiaru udarowego napięcia zapłonu ogranicznika zaworowego: Iz - iskiernik zapalający, UK - układ komenderujący, R 1 - rezystor grzbietowy, R 2 - rezystor czołowy, C 1 - kondensator czołowy, R t - rezystor przeciwodbiciowy, E - oscylograf, pozostałe elementy wg rys. 4.4 Jeżeli jeden z udarów nie spowodował zapłonu, przykładamy dodatkową serię 10 udarów o tej samej biegunowości, z których wszystkie powinny spowodować zapłon ogranicznika. W przeciwnym przypadku wynik próby jest ujemny. Przy ujemnym wyniku próby należy dokonać pomiaru udarowego napięcia zapłonu aparatu wyznaczając graniczne gwarantowane napięcie zapłonu zgodnie z zasadami podanymi w p. 1 wiadomości ogólnych. 4.2.4. Pomiar napięcia obniżonego Korzystając z wiadomości podanych w [3] dobrać parametry generatora udarów prądowych tak, aby wytwarzał udary prądowe normalne o kształcie 8/20 i wartości szczytowej równej znamionowemu prądowi wyładowczemu wg [5] badanego ogranicznika. Napięcie ładowania generatora powinno być w tym przypadku co najmniej równe udarowemu napięciu zapłonu ogranicznika. Do badanego aparatu doprowadzić zgodnie z rys. 4.6 trzy takie udary prądowe w odstępach czasu od 50 s do 60 s między kolejnymi udarami. D1a każdego z udarów zmierzyć oscylograficznie wartość szczytową napięcia na ograniczniku. Za wartość zmierzonego napięcia obniżonego przyjmuje się średnią z wyników trzech pomiarów. Wartość ta powinna być zgodna z wymaganiami normy [5]. P I Z R D L D ~ C E DN E UK E R t R b R t Rys. 4.6. Układ do pomiaru napięcia obniżonego ogranicznika zaworowego: L d - indukcyjność dodatkowa, R d - rezystor dodatkowy, R b - bocznik pomiarowy, pozostałe elementy jak na rys. 4.5 4.3. CENA WYNIKÓW I WNISKI cenić wyniki przeprowadzonych badań ogranicznika zaworowego stwierdzając czy spełnia wymagania normy [5]. Jaki wpływ na wyniki badań mają warunki przeprowadzenia pomiarów: sposób zamontowania ogranicznika, podnoszenia napięcia, warunki atmosferyczne?
Naszkicować i opisać elementy składowe różnych ograniczników zaworowych udostępnione w ramach ćwiczenia. 43 4.4. PYTANIA KNTRLNE 1. mówić zasadę działania ogranicznika zaworowego. 2. mówić budowę ogranicznika zaworowego, 3. Jakie zadania spełniają iskiernik i rezystor nieliniowy ogranicznika? 4. Podać sposoby sterowania rozkładem napięcia na iskierniku i wyjaśnić potrzebę ich stosowania. 5. Wymienić podstawowe parametry ogranicznika zaworowego i omówić ich znaczenie. 6. Co to jest charakterystyka ochronna ogranicznika i jaki powinna mieć kształt? 7. mówić rodzaje badań ograniczników, ich znaczenie i zakres. 8. Jak wyznacza się napięcie zapłonu w warunkach statycznych i udarowych? 9. Dlaczego statyczne napięcie zapłonu ograniczników napowietrznych należy badać pod sztucznym deszczem. 10. Jak wyznacza się napięcie obniżone ogranicznika zaworowego? LITERATURA 1. Au1eytner K.: graniczniki. Warszawa, WNT 1980 2. Szpor S.: chrona odgromowa. Warszawa, WNT 1973 3. Tyszkiewicz Z., Kopczyński L.: Generatory prądów udarowych do prób odgromników. Przegląd Elektrotech. 1968 z. 2 4. Rudolph R.: Zasady doboru, zastosowanie i badania beziskiernikowych ograniczników przepięć z tlenków metali dla sieci średnich napięć. Wettingen, ABB High Voltage Technologies Ltd., 1995 5. PN-71/E-06101*. dgromniki zaworowe prądu przemiennego. gólne wymagania i badania * Dane aktualne w chwili druku. Sprawdzić aktualność norm przed stosowaniem.