TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ. Zdroje vysokých napětí

Transkript

1 TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ Zdroje vysokých napětí

2 Zkušebny a laboratoře vysokých napětí S nárůstem přenášeného elektrického výkonu (transmitted power) roste i hladina potřebného napětí (voltage level) V současné době je většina výkonu přenášena střídavými systémy (a.c. system) s jmenovitým napětím 400 kv (rated voltage) Zároveň roste i podíl HVDC (high-voltage direct current) systémů (stávají se ekonomicky atraktivní) s nejčastějšími jmenovitými napětími 800 kv

3 Napěťové namáhání (voltage stress) Provozní napětí (operating voltage) vážně nenamáhá izolační systém (insulation system), nicméně určuje jeho rozměry (dimensions) Napěťové namáhání nastává při různých přepětích (overvoltages), jejichž velikost může být závislá - spínací přepětí (switching overvoltages) nebo nezávislá - atmosférická přepětí (lightning overvoltages) na jmenovitém napětí Při návrhu izolačního systému je důležité stanovit: Jakému napěťovému namáhání bude systém vystaven Jaká bude odezva systému (system response) při působení takového namáhání

4 Napěťové zkoušky Izolační systém musí být testován během vývoje (during its developement) zařízení a před uvedením do provozu (before commissioning) Typy napěťových zkoušek Napěťová zkouška střídavým napětím síťové frekvence (power frequency voltage test) Napěťová zkouška atmosférickým impulzem (lightning impulse voltage test) Napěťová zkouška spínacím impulzem (switching impulse voltage test) Napěťová zkouška stejnosměrným napětím (d.c. voltage test) Volba testu a hodnota zkušebního napětí závisí na druhu zařízení a jeho jmenovitém napětí

5 Zkušebny vysokých napětí

6 Zkušebny vysokých napětí

7 Zdroje vysokých napětí (high voltage generators) Zdroje vysokých napětí se používají jak ve zkušebnách tak v celé řadě dalších aplikací Základní dělení (classification) Zdroje stejnosměrného napětí Zdroje střídavého napětí Zdroje impulzní (tranzientní)

8 Zdroje stejnosměrného napětí Transformací ze střídavého napětí - usměrňovače (rectifiers) i t (t) i z (t) u t (t) C R z u z (t) Náboj (charge) přenesený do zátěže Rz za periodu T: Q = T i z t dt = 1 R z Tu z t dt = = I z T = I z f kde I z je střední hodnota proudu (mean value), dále platí že u(t) i t (t) u t (t) U max U min 2 U Q = i t t dt = i z t dt αt T Exaktní řešení je složité. Předpokládáme, že =0 pak zvlnění (ripple) U lze vyjádřit ze vztahu T Q = 2δUC δu = Q 2C = I z 2Cf T

9 Zdroje stejnosměrného napětí Napěťový násobič (Greinacher doubler) C 1 D 2 u C u A u B u C u B u A D 1 C 2

10 Zdroje stejnosměrného napětí Napěťový násobič Cockcroft-Walton (voltage multiplier) C n-1 C 1 C 3 D 1 D 2 D 3 D 4 D n-1 D n C 2 C 4 C n

11 Zdroje stejnosměrného napětí Elektrostatické generátory - Van de Graaffův generátor + VN U U motor + - Lze dosáhnout extrémních hodnot stejnosměrného napětí (až 8MV) Velkého náboje na kulové elektrodě (sphere electrode) je dosaženo kontinuální akumulací náboje z pásu pomocí sběrače (from belt by collector) Náboj přechází z vyššího potenciálu (higher potential) U 1 do nižšího potenciálu (lower potential) U 2

12 Zdroje střídavého napětí Zkušební zdroje jsou obvykle jednofázové (usually single phase) Tvar musí pokud možno odpovídat čisté sinusovce (pure sinusoidal) Poměr mezi vrcholovou a efektivní hodnotou (peak and rms value) napětí musí být 2 ± 5% Při testování vysokonapěťové izolace je zátěž (load) vždy kapacitního charakteru výkon zdroje je pak stanoven jako P = ku n 2 ωc t kde k 1 je konstanta zohledňující ostatní kapacity zkušebního obvodu a C t je kapacita testovaného objektu

13 Zdroje střídavého napětí Zkušební transformátor (testing transformers) VN elektroda (HV electrode) Průchodka (bushing) Vinutí vn (hv winding) Vinutí nn (lv winding) Jádro (core)

14 Zdroje střídavého napětí Transformátorová kaskáda (cascaded transformer) Trf 3 I = P U Trf 2 P P Trf 1 2P 2P P 2U 3U 3P P U

15 Zdroje střídavého napětí Seriové rezonanční obvody (series resonant circuits) VN reg. tlumivka. U z Kapacitní zátěž U b Regulační transf. L T Budící transf. R T U b C o U z

16 Zdroje střídavého napětí Rezonanční obvody s proměnnou frekvencí (resonant circuits with variable test frequency) L n Zdroj f 1 f 2 U b C t U z Frekvenční měnič Napájecí trf.

17 Zdroje implulzních napětí Jednostupňový rázový generátor (single-stage impulse generator) Pro první obvod lze psát rovnice: u 1 (t) u 2 (t) u 1 = u 2 R 1 C 1 u 1 C 1 u 1 = u 2 R 2 + C 2 u 2 Počáteční podmínky pro řešení Zapojení A Řešení: kde u 1 0 = U c u 2 0 = 0 u 2 = ku c e α 1t e α 2t u 1 (t) u 2 (t) k = C 1 R 2 C 1 R 1 + C 1 R 2 + C 2 R 2 2 4R 1 R 2 C 1 C 2 Zapojení B α 1, α 2 = C 1R 1 C 1 R 2 C 2 R 2 ± C 1 R 1 + C 1 R 2 + C 2 R 2 2 4R 1 R 2 C 1 C 2 2R 1 R 2 C 1 C 2

18 Zdroje implulzních napětí Vliv parametrů RG na tvar výsledného impulzu ir 2 hr 1 ic 1 hc 2

19 Zdroje implulzních napětí Účinnost RG (voltage efficiency) Účinnost rázového generátoru můžeme stanovit ze vztahu: η = U p U c < 1 kde U p je vrholová hodnota (peak value) impulzu a U c je nabíjecí napětí (charging voltage) Pro vrcholovou hodnotu U p platí: U p = u 2 t max kde t max nalezneme z podmínky (condition) du 2 dt = 0 pak t max = Ln α 1 α2 α 2 α 1 a dosazením do výrazu pro u 2 a vztahu pro účinnost η = k α 1 α 2 α 1 α 2 α 1 α 1 α 2 α 2 α 2 α 1

20 Zdroje implulzních napětí Vícestupňový RG (multi-stage impulse generator) Marxovo zapojení R R R R = U c C G 1 C G 1 C G C 1 C G 2 n 1 R 2 R 1 R 2 R 1 R 2 R 1 R 2 R 1 R 1 C 2 Celkové parametry RG lze vyjádřit jako: 1 C 1 = n 1 C 1, R 1 = R 1 + n R 1, R 2 = n R 2

21 Zdroje implulzních napětí Plný impulz (full impulse) Atmosférický (lightning impulse) T 1 =1,2 s 30%, T 2 =50 s 20%, Spínací impulz (schwitching impulse) T 1 =250 s 20%, T 2 =2500 s 20%

22 Zdroje implulzních napětí Useknutý impulz (chopped impulse)

23 Návrh rázového generátoru Návrh parametrů RG (Angelini) pro všechna zapojení RG lze výstupní napětí vyjádřit vzorcem ηu = αu c Θ e α+ α2 1 t Θ α 2 1 e α α2 1 t Konstanty,, pro zapojení RG A a B jsou uvedeny v tabulce Zapojení = = = A η 2 C R 2 C R 1 C 1 C 2 R 1 R 2 C R 1 C 1 R 2 2 B η 2 R 2 C 1 R 1 C C 2 C R 1 R 2 C 1 C 2 R 1 R 2

24 Návrh rázového generátoru vztahy pro stanovení konstant RG Zapojení X= R 1 = R 2 = A 1 α C 1 C 2 B 1 α C 2 C 1 αθ C X αθ C X αθ C 1 + C X αθ C 1 + C X

25 Návrh rázového generátoru

26 Návrh rázového generátoru

27 Návrh rázového generátoru Při návrhu RG většinou známe časový průběh (waveform) požadovaného impulzního napětí (doby T 1 a T 2 ) a hledáme parametry R 1, R 2, C 1 a C 2 Zvolíme jednu dvojici parametrů a druhou dopočítáme pomocí předchozího grafu Numerický způsob Při návrhu k výpočtu parametrů využijeme numerických metod (numerical methods) řešení soustavy rovnic (system of equations) (viz nb v software Mathematica)