VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Milan Buček

Transkript

1 VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky BAKALÁŘSKÁ PRÁCE 01 Milan Buček

2 VŠB Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroenergetiky Měření s impulzním generátorem proudu Measuring with Current Generator 01 Milan Buček

3

4

5 Abstrakt V této bakalářské práci budeme seznámeni s určením zbytkového napětí na omezovači přepětí a s impulzním generátorem proudu SSG-ZUS, jeho funkcí a využití v praxi. Práce je rozdělena na úvod, tři kapitoly, ve kterých se seznámíme s impulzním generátorem proudu, způsobem provedení zkoušky zbytkového napětí na omezovači přepětí, a závěr. První kapitola se zaměřuje na funkci a princip i technický popis omezovače přepětí ABB, dále je popisován postup a způsob určení zbytkového napětí na omezovači přepětí podle normy. Druhá kapitola obsahuje popis atmosférického proudového impulzu. Je zde popisován impulzní generátor, jeho konstrukce, matematické blokové schéma zapojení, možné druhy sestavení generátoru a výpočet parametrů zvoleného zapojení pro měření zbytkového napětí na omezovači ABB. V třetí kapitole jsou zaznamenány výsledky měření zbytkového napětí na keramickém omezovači přepětí, vykreslená Voltampérová charakteristika, nechybí ani popis ostatních komponentů, které slouží a jsou součástí systému pro jeho správnou funkci, dále je vyhotoven protokol a zhodnocení celého měření.. Klíčová slova Omezovač přepětí, Atmosférický impulz, generátor proudových impulzů, zbytkové napětí

6 Abstrakt In this barchelor thesis we will be aquainted with the residual voltage on excess voltage limiter and with impulse current generator SSG-ZUS, with its funcions and with its usage in practice. The thesis is divided into introduction, three chapters, in which we will be aquainted with the impulse current generator and means of the accomplishment the test of the residual voltage on voltage limiter, and the conclusion. The first chapter deals with the function and the principles with technical description of the limiter excess voltage ABB, then the residual voltage and assessment of the safety level of the residual voltage limiter is described and the order of measurement according to the norm. The second chapter deals with the description of lightning current impulz. The implulz generator is being described here - its construction, mathematical block diagram of the cut-in, possible kinds of construction of the generator and the calculation of the parameters of chosen cut-in for measuring the residual voltage on the limiter ABB. The third chapter deals with the results of the masurement of the residual voltage on the ceramic excess voltage limiter, the depicted volt-ampere characteristic and it contains also the description ot the other components, which are used as a work piece for its accurate function. The protocol of this measurement is executed with the evaluation of the whole measurement. Key words Surge arrester, lightning impulse, current impulze generator, residual voltage

7 Seznam použitých symbolů a zkratek C (F) kapacita generátoru d (-) označení průběhu proudového impulzu i (A) elektrický proud I m (A) výbojový elektrický proud L (H) indukčnost generátoru R (Ω) odpor generátoru T č (s) doba čela proudového impulzu T p (s) doba půltýlu proudového impulzu t (s) čas U 0 (V) nabíjené napětí U c (V) provozní napětí omezovače U r (V) jmenovité napětí omezovače U res. (V) zbytkové napětí omezovače

8 Obsah 1. Úvod Omezovač přepětí a určení zbytkového napětí....1 Omezovač přepětí.... Popis omezovače přepětí ABB Určení zbytkového napětí Atmosférický impulz a generátor SSG - ZUS Atmosférický proudový impulz Generátor SSG - ZUS Zapojení impulzního generátoru Výpočet parametrů impulzního generátoru pro měření na omezovači Měření a vyhodnocení zbytkového napětí Schéma zapojení Seznam použitých přístrojů Zapojení generátoru pro měření Popis použitých přístrojů a příslušenství k měření Uvedení generátoru do provozu pro měření Měření zbytkového napětí Protokol z měření zbytkového napětí Porovnání zapojení generátoru pro měření na omezovači Vyhodnocení měření Závěr Literatura... 5

9 1. Úvod Bakalářská práce se zabývá problematikou měření zbytkových napětí na varistorových omezovačích přepětí. Tyto omezovače chrání elektrické vedení a zařízení při přenosu a distribuci elektrické energie, dále slouží k ochraně distribučních transformátorů, ale také k ochraně zařízení domácnosti, které se mohou poškodit působením přepětí vznikajícího vlivem atmosférických přepětí nebo spínacími procesy v elektrickém vedení. Nejúčinnějším řešením pro ochranu proti přepětí je použití omezovače v blízkosti chráněného zařízení. Mezi nejdůležitější parametry omezovače je hodnota zbytkového napětí, která určuje jakost omezovače, tímto problémem se podrobně zabývá první část práce. Pro simulaci nepřímého úderu blesku do elektrického vedení slouží impulzní generátor proudu SSG- ZUS. V generátoru je dnes možné vytvořit atmosférickou proudovou vlnu tvaru 8 / 0 µs, díky této schopnosti lze přesně testovat ochranné hladiny omezovače přepětí. Čím vyšší hodnota ochranné hladiny omezovače, tím je menší pravděpodobnost vzniku přepětí. Atmosférický proudový impulz a základní funkce generátoru jsou popisovány v druhé části práce. V následující kapitole je uveden průběh zkoušky atmosférickým proudovým impulzem, určení zbytkového napětí a průběh voltampérové charakteristiky omezovače, porovnání teoretického výpočtu s reálným měřením a následné vyhodnocení celého měření. -1-

10 . Omezovač přepětí a určení zbytkového napětí.1. Omezovač přepětí Hlavním ochranným opatřením proti nepříznivým účinkům atmosférického přepětí na objektu je elektrický přístroj zvaný omezovač přepětí. Tento přístroj se zapojuje paralelně k chráněnému zařízení. Z konstrukčního hlediska je omezovač složen z válců varistorů, které jsou umístěny v porcelánových armaturách. Varistor je z 90 % tvořen oxidem zinečnatým (ZnO) a zbývajících 10 % se skládá z dalších oxidů kovů (bismut, kobalt, antimon), výše jmenované oxidy kovů jsou napěťově závislé a mají značně nelineární Voltampérovou charakteristiku. Voltampérovou charakteristiku omezovače přepětí popisuje rovnice[4]: I k u U ref. a (1) I - proud protékající varistorem k - konstanta závislá na typu varistoru u - okamžitá hodnota napětí na varistoru U ref.- vrcholová hodnota střídavého napětí dělená α - představuje stupeň nelinearity vodivosti varistoru Voltampérovou charakteristiku omezovače rozdělujeme do dvou oblastí. První oblast se nazývá svodová, v této části charakteristiky protéká obvodem zanedbatelný svodový kapacitní proud velikosti do ma a činná složka proudu je v několika desítkách µa, omezovač (varistor) se tedy chová jako lineární rezistor o velmi vysoké hodnotě odporu (až 10 9 Ω) a stupeň nelinearity α vodivosti je do hodnoty 1 až 7. Tato nelinearita odpovídá zavřenému stavu omezovače (varistoru), zde jde o rozpojený obvod. Ve svodové oblasti protéká svorkami omezovače provozní napětí U c. Druhou oblastí Voltampérové charakteristiky je pracovní část, která odpovídá vztahu (1), kde se varistor chová jako proměnný rezistor, jehož velikost odporu se snižuje na hodnoty jednotek ohmů a naopak se zvyšuje nelinearita α vodivosti až na velikost 50 (každý výrobce má jinou hodnotu), tento stav je charakterizován jmenovitým napětí, spínacím a atmosférickým přepětím. V této oblasti představuje plný sepnutý stav omezovače, při kterém dochází k omezení přepětí na danou hodnotu, tzv. zbytkové napětí (viz níže). Největší použitelnost omezovače přepětí je v oblasti Voltampérové charakteristiky s maximálními proudy v rozmezí od 1 A do 10 ka, kde je nejvyšší nelinearita varistoru. Technologickou nevýhodou (ZnO) varistoru je jeho tepelná závislost. Sváděním proudu při přepětí a unikajícího proudu při provozním napětí varistor stárne. Protékající proud poškozuje polovodičové přechody (ZnO) bloků, ze kterého je varistor vyroben. Při jmenovitém napětí se unikající proud zvětšuje, důsledkem toho je klesající elektrický odpor a narůst oteplení varistoru, čímž se deformuje --

11 Voltampérová charakteristika. Aby nedocházelo k poškození varistoru, je osazen tepelným odpojovačem. Ochranné vlastnosti omezovačů přepětí jsou charakterizovány hodnotou zbytkového napětí po průchodu zkušebním proudovým impulzem různých parametrů: - strmý impulz proudu 1 / 0 µs - atmosférický impulz proudu 8 / 0 µs - spínací impulz proudu s dobou čela od 30 do 100 µs a dobou půltýla od 60 do 00 µs. Výše uvedené druhy zkušebních proudových impulzů, jsou podkladem k parametrům popisující omezovač přepětí. Základní parametry omezovače přepětí: a) jmenovité napětí U r (kv) - je nejvyšší efektivní hodnota napětí síťové frekvence, pro kterou je omezovač konstruován, aby působil správně i v podmínkách dočasných přepětí.[1] b) trvalé provozní napětí U c (kv) - nejvyšší efektivní hodnota napětí síťové frekvence, které může být trvale připojeno na svorky omezovače (s ohledem na tepelné namáhání) je 80 % jmenovitého napětí U r. [1] Přepočet mezi jmenovitým napětím U r a trvalým provozním napětím U c : U U c r 0,8 () c) jmenovitý výbojový proud I m (ka) - hodnota proudu, který je schopen omezovač svést. [1] d) zbytkové napětí U res (kv) - vrcholové napětí, které se objeví na svorkách omezovače po průchodu výbojovým proudem.[1].1 Popis omezovače přepětí ABB Omezovač přepětí, který budeme popisovat je starší švýcarské výroby, typu ABB MVB-F, jeho základní parametry jsou v tabulce.1. Tabulka.1 - Základní parametry omezovače přepětí ABB MVB-F: Jmenovité napětí U r : 8 kv Provozní napětí U c : kv Zbytkové napětí U res : 78 kv Jmenovitý výbojový proud: 5 ka -3-

12 Vzduchová mezera Porcelánová izolace Bloky ZnO varistorů Podstavec Obr..1 Průřez omezovačem přepětí ABB Obr.. Omezovač přepětí ABB MVB-F -4-

13 Omezovač přepětí ABB je v barevném podání hnědo-červené a skládá se ze dvou částí, a to z části aktivní a pasivní. Pasivní část je tvořena izolačním pláštěm, který odolává vnějšímu mechanickému působení a kompletně izoluje celý omezovač, je v provedení porcelánovém. Aktivní část je složena z odporových bloků oxidů kovů (ZnO) a je ve formě zapečetěna porcelánem. Konstrukční nevýhodou je, že mezi porcelánovou izolací a varistorem je vzduchová mezera. Při přetížení na varistoru vzniká oblouk, který způsobí zvýšení tlaku vzduchu v mezeře a porcelánové pouzdro může prasknout.. Určení zbytkového napětí Určení zbytkového napětí na omezovači slouží k získání komplexních údajů od výrobce, aby dle platných norem omezovač prokazoval svou schopnost omezit přepětí vzniklé v elektrických sítích. Měření bude probíhat dle normy ČSN EN , která stanoví, že na omezovač přepětí přivedeme jeden normalizovaný atmosférický proudový impulz v rozmezí 0,01 až násobku jmenovitého proudu. Atmosférický proudový impulz musí být s tolerancí pro nastavení zdroje, aby měřené hodnoty byly v rozmezí od 7 μs až 9 μs pro dobu čela a od 18 μs do μs pro dobu půltýlu.[1] V našem případě normalizovaný atmosférický proudový výboj je tvaru 8/0 µs a velikosti 5000 A tvaru 8 / 0 µs, bude popsán v kapitole 3. K našemu měření a zjištění zbytkového napětí použijeme omezovač přepětí starší švýcarské výroby typu ABB MVB-F. Na měřený omezovač přivedeme proudový atmosférický impulz 8 / 0 µs o hodnotě 5 ka, uvedenou hodnotu proudu lze vytvořit s napětím o velikosti 115 kv, tato velikost napětí je součtem výstupního napětí generátoru a výrobcem stanovena velikost zbytkového napětí, výsledkem je nabíjené napětí pro zkoušky na omezovači přepětí. Po průchodu proudu 5 ka se objeví na svorkách omezovače zbytkové napětí U res vyvolané tímto proudem, toto zbytkové napětí změříme a porovnáme s údajem stanovené výrobcem. Maximální hodnoty zbytkových napětí na omezovači se vynesou do grafu v závislosti na čase, dále sestrojíme závislost změřeného zbytkového napětí a jmenovitého výbojového proudu. Pro náš měřený omezovač typu ABB MVB-F jsou stanoveny dle normy ČSN EN , rozmezí hodnot zbytkového napětí pro atmosférický impulz tvaru 8 / 0 µs a proudu 5 ka [1]: U res = od 67, do 100,8 kv. Pro nastavenou hodnotu výbojového proudu, měříme 1krát z důvodu přehřátí bloků ZnO varistoru, vychlazení na provozní teplotu trvá minimálně 1 hodinu a výše, tato doba je dána výrobcem, nedodržením předepsaného času ochlazení hrozí poškození omezovače. Naše měření bude probíhat při standardních atmosférických podmínkách, teplota 0 C, tlak 101,3 kpa, vlhkost 11 g / m 3. Pro simulaci proudového impulzu použijeme generátor proudových impulzů. Zkouška zbytkového napětí se nemusí opakovat až do té doby pokud změna konstrukce omezovače přepětí zapříčiní změnu jeho charakteristiky, např. stárnutím odporových bloků omezovače. -5-

14 3. Atmosférický impulz a generátor SSG-ZUS 3.1 Atmosférický proudový impulz Je zkušební aplikace vytvořená v impulzním proudovém generátoru, který co nejvěrněji simuluje atmosférické proudové výboje, vznikající vlivem způsobeným nepřímým nebo vzdáleným úderem blesku. Atmosférický proudový impulz 8 / 0 µs, slouží k zjištění zbytkového napětí na omezovači přepětí. Popis proudového impulzu: Tvar impulzu je charakterizován rychlým nárůstem z nulové do vrcholové hodnoty a následným poklesem k nule. Tento typ impulzu znázorňuje (obr. 3.1) a je definován maximální amplitudou I m, dobou čela T 1 i dobou půltýlu T. Maximální proudová amplituda I m: Vrcholová hodnota zkušebního proudu (v některých případech může nastat překmit v takovém případě, vrchol určuje největší hodnota proudu).[1] Doba čela T 1 : Skutečný parametr definovaný jako 1,5 násobek intervalu T mezi okamžiky, kdy hodnoty proudu jsou v 10 % a 90 % vrcholové hodnoty.[1] Skutečný počátek O 1 : Okamžik předcházející o 0,1 T 1 okamžiku, v němž proud dosáhne 10 % vrcholové hodnoty a je to průsečík časové osy a přímky, procházející v čele referenčními body C (10 %) a B (90 %).[1] Doba půltýlu T : Skutečný parametr definovaný jako časový úsek mezi skutečným počátkem O 1 a okamžikem, kdy proud klesne na polovinu vrcholové hodnoty.[1] 100 % 90 % i (t) B I m Vrchol vlny Čelo vlny Týl vlny 50 % 10 % C 0 T T 1-8 µs Vrchol v opačné polaritě t T 0 µs Obr. 3.1 Zkušební normalizovaný atmosférický proudový impulz (8 / 0 µs) -6-

15 Náběh vlny: Čelo vlny část vlny proudu před vrcholem Doba vrcholu časový úsek mezi počátkem vlny a jejím vrcholem (šipka 8 μs) Doba čela vlny je to 1,5 násobek doby vzrůstu proudu mezi body 10 % a 90 % Doba trvání vrcholu proudu časový interval, v němž je proud vyšší než 0,9 násobek vrcholové hodnoty Strmost čela vlny poměr vrcholové hodnoty a doby čela vlny Týl vlny: Část vlny je napětí za vrcholem Doba půl-týlu vlny: Časový interval mezi začátkem vlny a okamžikem v týlu kdy napětí klesne na polovinu vrcholové hodnoty (šipka 0 µs) Tolerance: Vrcholová hodnota I m ± 10 % Doba čela T 1 ± 10 % Doba půltýla T ± 10 % 3. Generátor SSG-ZUS Impulzní generátor vyrábí švýcarská firma Haefely, který se používá pro experimentální měření v laboratořích nebo ve specializovaných vysokých školách dle norem ČSN, IEC a jiných vnitrostátních norem. Obr. 3. Generátor impulzu SSG-ZUS [3] -7-

16 SSG-ZUS generátor může být použit pro vytvoření impulzního proudu od 5 ka do 15 ka, tvaru vlny 4 / 10 a 8 / 0 µs a k určení zbytkového napětí omezovače do 111 kv. Konstrukce SSG-ZUS systému je menších rozměrů i nízké hmotnosti a je vybaven kolečky pro snadnější přemístění na místo zkoušky, svou lehkou váhou a flexibilností je vhodný i do menších prostorů. Při zkoušení s impulzními proudy a nabíjeným napětím musí být mezi jednotlivými intervaly čas, ve kterém je generátor v klidu. Tento čas je omezen tepelnými účinky proudu, protékajícího přes rezistory, indukčnost a energii vznikajících na kondenzátorech. Časový interval mezi impulzy snížíme nabíjeným napětím nebo změnou indukčností obvodu. Tabulka Parametry impulzního generátoru proudu[3]: 1. Tvar proudové vlny s impulzem 8 / 0 μs, I Max = 15 ka Doba čela T 1 proudového impulzu Doba půltýlu T proudového impulzu Maximální proudová amplituda Maximální zbytkové napětí v maximální proudové amplitudě Maximální zbytkové napětí pro 5 ka proudové amplitudy 8 μs ± 1 μs 0 μs ± μs 15 ka cca. 71 kv cca. 60 kv. Tvar proudové vlny s impulzem 8 / 0 μs, I Max = 10 ka Doba čela T 1 proudového impulzu Doba půltýlu T proudového impulzu Maximální proudová amplituda Maximální zbytkové napětí v maximální proudové amplitudě Maximální zbytkové napětí pro 5 ka proudové amplitudy 8 μs ± 1 μs 0 μs ± μs 10 ka cca. 111 kv cca. 100 kv Podmínky okolního prostředí: Impulzní generátor proudu může být provozován při okolních teplotách - 5 C až + 40 C a relativní vlhkosti < 90 % (nesmí dojít ke kondenzování vody), generátor je určen do vnitřního prostoru. Výše zmiňované parametry a okolní prostředí platí pro nadmořskou výšku do 1000m. -8-

17 3..1 Zapojení impulzního generátoru Na impulzním generátoru proudu lze sestavit sérioparalelní zapojení kondenzátorů s3p a 3sp, z těchto sestavení lze vytvořit čtyři kombinace, které vytvářejí periodické průběhy proudového impulzu. Tabulka 3. - Způsoby zapojení impulzního generátoru proudu [3]: 1.) Sérioparalelně s3p - 8 / 0 μs, I max = 15 ka - sestavení 1 pro omezovače se zbytkovým napětím v rozmezí 15 kv < U res. < 60 kv.) Sérioparalelně s3p - 8 / 0 μs, I max = 15 ka - sestavení pro omezovače se zbytkovým napětím v rozmezí U res < 1,5 kv 3.) Sérioparalelně s3p - 8 / 0 μs, I max = 15 ka - sestavení 3 pro omezovače se zbytkovým napětím v rozmezí 1,5 kv < U res. < 15 kv 4.) Sérioparalelně 3sp - 8 / 0 μs, I max = 10 ka pro omezovače se zbytkovým napětím v rozmezí 60 kv < U res. < 100 kv K měření na omezovači přepětí použijeme testovacího systému, který je složen: - Impulzní generátor proudu - Nabíjecí usměrňovač - Řídicí systém - Měřicí systém - Dělič napětí -9-

18 Obvodové schéma (Obr. 3.3), ukazuje základní funkce generátoru. Impulz z generátoru je řízený řídicím systémem. Čas nabíjení a nabíjecí napětí je nastavena na řídicí jednotce, když dosáhneme požadovaného nastaveného napětí, generátor vyšle impulz, který se uzavírá přes první kulové jiskřiště, které je nejprve spínáno u zdroje, protože je nejblíže potenciálu vůči zemi. Kapacitní dělič napětí slouží k změně hodnoty napětí na hodnotu, která je vyhovující pro měření na měřicím systému. SSG- ZUS se skládá z několika kondenzátorů, zapojených tak, aby byl výsledný proud 5 ka. 3.. Výpočet parametrů impulzního generátoru pro omezovač přepětí ABB K našemu měření použijeme omezovač přepětí keramického provedení typu ABB MVB-F. V době měření na omezovači nám nebyly známy od výrobce technické údaje zbytkového napětí k vzhledem k stáří omezovače, proto jsme vycházeli z nového katalogu výrobce, kde zbytkové napětí na omezovači při jmenovitém napětí U r = 8 kv odpovídá 60 kv, tedy jsme zvolili zapojení generátoru sérioparalelně s3p sestavení 1, údaj zbytkového napětí od výrobce ABB typu MVB-F byl dodán později. V zapojení generátoru s3p sestavení 1, je kombinace dvou paralelních rezistorů, dvě sériové cívky a sérioparalelní varianta šesti kondenzátorů. Odpor zapojení: R 1 = 6 Ω, R = 6 Ω R = R 1 R R1 R = 3 Ω Indukčnost zapojení: L 1 = 1 µh, L = 5 µh L = L 1 + L = 37 µh Kapacita zapojení: C 1 = 1 µf, C = 1 µf, C 3 = 1 µf, C 4 = 1 µf, C 5 = 1 µf, C 6 = 1 µf C 13 = C 1 + C + C 3 = 3 µf C 456 = C 4 + C 5 + C 6 = 3 µf C = C 13 C C13 C = 1,5 µf Parametry impulzního generátoru v zapojení sérioparalelně s3p sestavení 1: R = 3 Ω, L = 37 µh, C = 1,5 µf Po matematických úpravách jsme zjednodušili obvod a můžeme pro jeho další výpočet použít náhradní schéma impulzního generátoru proudu (obr.3.3). Jedná se tedy o sériový obvod, který se skládá z kondenzátoru s celkovou kapacitou C s, z indukčnosti L a z rezistoru R. Takové obvody se řeší buď graficky, výpočtem nebo linearizací. V našem případě použijme výpočet. -10-

19 -11- V zapojení se kulové jiskřiště bude chovat jako spínač a kondenzátor C S jako zdroj napětí. Velikost napětí na kondenzátoru C S budeme znát, protože je to nastavená hodnota napětí na zdroji. Krátkodobé impulzy proudů se získávají pomocí výboje z nabitých vysokonapěťových kondenzátorů a spínacím jiskřištěm dochází k jejímu vybití. KJ Kulové jiskřiště Obr. 3.3 Náhradní schéma zapojení impulzního generátoru Počáteční podmínky pro napětí []: 0 ) ( ) ( ) ( t u t u t u R L C (3) 0 ) ( ) ( (0) ( 1 0 t i R dt t di L u d i C C t (4) Obecné řešení časové závislosti průběhu proudu []: ) exp( ) exp( bt at K i (5) kde K je integrační konstanta, a a b jsou kořeny charakteristické rovnice[]: 1, d L R R C L L R a (6)

20 Při označení průběhu d []: 6 L C 1,5 10 d 3,31> 1 (7) R 3 Podmínka pro periodický tlumený průběh d > 1. Výbojový proud bude mít periodický tlumený průběh, protože d je vyšší než jedna. Při znalosti velikosti první amplitudy proudu I m1 = 5 ka, vypočteme velikost nabíjeného napětí[]: arctg 1 arctg 3, d L U 0 I 1 exp 5000 exp m 37 6 kv (8) C 1 1,5 10 d 3,31 1 Druhá amplituda proudového impulzu má velikost[]: arctg 1 3, d artg U I m exp exp 1845A (9) L 6 d ,31 1 C 6 1,5 10 Průběh proudu určuje rovnice[]: i R U exp d 1 R L R t sin L i exp 3 3, d 1 t 3 t sin ,31 1 t (10) Časový průběh proudu je dán součinem exponenciálního průběhu s průběhem harmonickým. Vzniká průběh harmonický tlumený, který charakterizuje periodický průběh impulzního proudu. Pro dosažení velikosti 5 ka výbojového proudu, použijeme nabíjené napětí U 0 = 37 kv, které je výstupní napětí generátoru bez připojení omezovače do obvodu. Atmosférický impulz má tvar 8 / 0 µs a splňuje požadavky dle normy ČSN EN

21 4. Měření zbytkového napětí a vyhodnocení měření 4.1 Schéma zapojení Hlavní rozváděč Podružný rozváděč Nabíjecí zdroj Řídicí a měřicí jednotka LGR GC 3 Izolační transformátor SSG-ZUS CS TR-AS 5-8 IGP Kapacitní dělič Obr. 4.1 Celkové zapojení pro měření Náhradní zapojení generátoru: Obr. 4. Náhradní schéma zapojení SSG-ZUS Kapacitní dělič napětí: C D = 500 pf Omezovač přepětí: R VAR Pro měření použijeme zapojení generátoru s3p sestavení

22 4. Seznam použitých přístrojů Impulzní generátor proudu SSG ZUS Haefely High Voltage Test Řídicí jednotka GC 3 Haefely High Voltage Test Měřicí systém TR-AS 5-8 Dr. Strauss Systém-Elektronik GmbH 4.3 Zapojení generátoru pro měření Obr. 4.3 Zapojení SSG-ZUS (měření s3p sestavení 1) -14-

23 Generátor Usměrňovač Omezovač Kapacitní dělič Obr. 4.4 Celkové zapojení měření s3p sestavení Popis použitých přístrojů a příslušenství k měření Impulzní generátor proudu v zapojení s3p sestavení 1 Generátor v tomto zapojení se skládá z jedné cívky červené barvy L 1 = 1 µh a druhé cívky modré barvy L = 5 µh. Každá cívka je navinutá na izolační trubičku a pomocí plug-in systému připevněna do konstrukce generátoru, tyto indukčnosti jsou propojeny sériově. V generátoru jsou zapojeny i rezistory, které jsou zabudované do externího modulu, opět pomocí plugin systému. Rezistory jsou označené červenou barvou s modrým proužkem a skládají se z izolační textilní pásky s odporovým drátem navinutým na ni, díky tomu mají nízkou indukčnost. Jsou zde dva rezistory R 1 = 6 Ω, R = 6 Ω navzájem propojené paralelně. Kondenzátory v generátoru jsou zabudované do ocelového pouzdra a napuštěné ricinovým olejem. Pouzdra jsou pružného provedení, aby se olej mohl roztahovat pod vlivem tlaku. Kondenzátory jsou označené modrou barvu a pro naše zapojení je to sérioparalelní kombinace šesti kondenzátorů, velikost jednoho kondenzátoru je 1 µf. Zapojení impulzního generátoru proudu v zapojení s3p sestavení 1 je na obrázku

24 Kapacitní dělič Zapojení induktorů Omezovač Zapojení kondenzátorů Zapojení rezistorů Obr. 4.5 Zapojení generátoru s3p sestavení 1 s omezovačem a kapacitním děličem Legenda R 1 = 6 Ω, R = 6 Ω - paralelní zapojení rezistorů v externím modulu (červená barva) L 1 = 1 µh, L = 5 µh sériové zapojení induktorů L 1 = 1 µh (červená barva), L = 5 µh (modrá barva) C 1 = 1 µf, C = 1 µf, C 3 = 1 µf, C 4 = 1 µf, C 5 = 1µF, C 6 = 1 µf sérioparalelní zapojení s3p kondenzátorů (modrá barva) Kapacitní dělič Kapacitní děliče napětí se používají k měření impulzního atmosférického vysokého napětí. Je tvořen dvěma sériovými kondenzátory o celkové velikosti 500 pf a je zapojený za vnějšími paralelními rezistory před měřícím objektem. -16-

25 Napájení usměrňovacího obvodu LGR Nabíjení usměrňovače LGR slouží k nabíjení kapacitních prvků a uchovávání energie impulzního generátoru s napětím do 100 kv. Usměrňovač je instalovaný v blízkosti impulzního generátoru proudu. Připojení je řešeno hliníkovou propojovací trubicí. Transformátor vysokého napětí je izolován olejem nebo pryskyřicí, ostatní prvky jsou izolovány okolním vzduchem. Nabíjení usměrňovače je řešeno konstrukčně flexibilností a postaveno s kolečky pro větší mobilitu a případné externí použití mimo laboratoř. Usměrňovač LGR má jmenovité napětí 100 kv. Řídicí systém GC 3 Řídící systém vyrábí firma Haefely, který slouží k testování systému SSG-ZUS, lze s ním plně automaticky testovat sekvence systému, které mají být použité k měření. Řídící systém je ovládán automaticky nebo manuálně a pracuje ve speciálně vyvinutých počítačových sběrnicích PCI, ovládání řídícího systému je vyhovující dle normy VDE Řídicí systém GC 3 Měřící soustava TR-AS 5-8 Obr. 4.6 Měřící soustava TR-AS 5-8 a řídicí systém GC 3-17-

26 Měřící soustava TR-AS 5-8 Měřící systém TR-AS vyrábí firma Dr. Strauss, který pracuje v operačním systému Windows NT. TR-AS je kompatibilní s řízenou databází dat DBase, tato databáze ukládá všechny naměřené údaje s rychlostí vzorkování 5 MS/s a výsledně vyhodnocuje parametry zkušebních atmosférických proudových nebo napěťových impulzů. Nezpracovaná data jsou k dispozici ve virtuálním kanále a dočasně uložena k pozdějšímu vyhodnocení dat z měření. 4.5 Uvedení generátoru do provozu pro měření - Zapnutím hlavního vypínače se připojuje napětí na oddělovací transformátor impulzního generátoru proudu. - Odstraníme zemnící tyče z nabíjecího zdroje a uzavřeme i zamkneme dveře do laboratoře. - Uzavřením dveří a odemčením Emergency panelu se aktivuje síťový vypínač řídící jednotky GC 3. - Nastavením parametrů pro měření na impulzním generátoru a aktivací tlačítka READY se odpojí uzemnění nabíjecího zdroje a rozsvítí se výstražně upozorňující červené světlo. - Zapnutím tlačítka HV-On se nabíjí impulzní generátor (nestlačím tlačítka HV-On na řídící jednotce GC 3 do 10 vteřin od aktivace tlačítka READY, dochází k uzemnění nabíjecího zdroje). Nabíjení můžeme kdykoliv ukončit tlačítkem HV-OFF. - Nabitím generátoru na zvolenou hodnotu, aktivuje se zvukový signál houkačky a měřicí systém TR- AS 5-8 zaznamená data do počítače. - U každé další manipulace ve zkušebním prostoru laboratoře se musí vypnout impulzní generátor na panelu tlačítkem Emergenci. Tímto se automaticky územní kondenzátory, z bezpečnostních důvodů dáváme na nabíjecí zdroj uzemňovací tyč před vstupem na měřicí pracoviště. - Otevřením dveří, během měření se systém automaticky vypne. Celý proces měření můžeme provést uzamčením Emergency panelu, tímto krokem se vypíná řídicí jednotka, měřicí systém a hlavní vypínač. 4.6 Měření zbytkového napětí Měření probíhalo v budově L v areálu školy. Tato budova slouží jako laboratoř pro výuku techniky vysokého napětí. Impulzní generátor, dělič napětí a nabíjecí obvod jsou umístěny uvnitř budovy v hale a měřicí prvky jsou v 1. patře budovy v místnosti L10. Pro změření průběhu zbytkového napětí použijeme měřící soustavu TR-AS 5-8 (8bitový převodník s rychlostí vzorkování 5 MS/s). Impulzní generátor je nastaven na normalizovaný proudový impulz 8 / 0 μs a maximální napětí pro měření bude 115 kv. Aby měření bylo co nejpřesnější, tak v prostorách, kde je instalovaný generátor, se udržuje pořádek, z důvodu výskytu nečistot, které ovlivňují měření. Naše měření bude probíhat dle normy ČSN EN , která stanoví, že na omezovač přepětí přivedeme jeden normalizovaný atmosférický proudový impulz 8 / 0 µs, v rozmezí 0,01 až dvojnásobku jmenovitého proudu. V případě našeho měření jde o jmenovitý proud velikosti 5 ka pro omezovač přepětí typu ABB MVB-F.Pro měření jsme zvolili méně destruktivní zkoušku omezovače v zapojení generátoru s3p sestavení 1, která splňuje školní požadavky na seznámení s měřením zbytkového napětí na omezovači. -18-

27 Obr. 4.7 Vnitřní prostory laboratoře Techniky vysokého napětí Na omezovači přepětí byly provedené čtyři měření, první ve velikosti 0,3 násobku jmenovitého proudu 5 ka, druhé 0,7 násobku jmenovitého proudu, třetí 0,9 a čtvrté měření 1 násobek jmenovitého proudu 5 ka. Pro všechny čtyři měření použijeme zapojení generátoru s3p sestavení 1. Pro měření jsme nastavili na řídící jednotce GC 3 dobu nabíjení kondenzátorů 0 vteřin, po dobití na požadovanou hodnotu generátoru a obvodu zazní akustický signál houkačky a měřicí systém TR-AS 5-8 zaznamená data. Měření začínalo na hodnotě 1,6 ka a postupným zvyšováním výbojové proudové amplitudy 3,5 ka, 4,5 ka až na hodnotu jmenovitého výbojového proudu 5 ka, tento vykreslený a zaznamenaný impulz je na obrázku 4.8 v porovnání s teoretickým výpočtem. Jak je vidět z obrázku 4.8 naměřený atmosférický proudový impulz je v záporné půl vlně periody utlumený, je to způsobené zapojením omezovače a dalších měřicích zařízení včetně přívodních a propojovacích kabelů, které zvyšují indukčnost a odpor celkového zapojení. Atmosférický proudový impulz ovlivníme změnou odporu, utlumíme zápornou půl vlnu a změnou indukčnosti měníme tvar (šířku) vlny. Zaznamenaný atmosférický výbojový proud z měření je tvaru vlny 8 / 0 µs a hodnoty 5 ka splňující požadavky dle normy ČSN EN v rozmezí tolerance ± 10 %. -19-

28 I [ka] Výbojový proud bez zapojení omezovače do obvodu. Skutečný výbojový proud po zapojení omezovače do obvodu, data zpracoval měřicí systém TR-AS t [µs] Obr. 4.8 Vykreslení atmosférických impulzů v zapojení s omezovačem a bez omezovače Výše zmiňovaný postup zvyšováním jmenovitého výbojového proudu při měření, se objevilo na svorkách omezovače zbytkové napětí, které je uvedeno v tabulce 4.1, každé jednotlivé naměřené zaznamenal měřicí systém TR-AS 5-8. Tabulka 4.1 Naměřené zbytkové napětí na omezovači Velikost výbojového proudu [ka] Hodnota zbytkové napětí [kv] 1,6 40 3,5 63 4, Na obrázku 4.9 je znázorněný časový průběh zbytkového napětí po průchodu výbojovým proudem 5 ka s nejvyšší naměřenou hodnotou 77 kv. -0-

29 U [kv] U [kv] t [µs] Obr. 4.9 Průběh zbytkového napětí na omezovači I [ka] Obr Voltampérová charakteristika omezovače Jak je vidět z obrázku 4.10 Voltampérové charakteristiky, měřený omezovač přepětí se blíží k ideální pravoúhlé charakteristice, okamžitě zareaguje na výbojový proud a objevuje se zbytkové napětí na -1-

30 svorkách omezovače s malými oscilacemi způsobené indukčnosti v obvodu. Dalším zvyšováním proudu klesá odpor a odporové bloky omezovače absorbují vzniklou energii z přepětí a ta je svedena do země. Tímto se při zvyšování proudu nemění výše zbytkového napětí na svorkách omezovače přepětí. 4.7 Protokol z měření zbytkového napětí Zkoušený předmět: Typ: Výrobce: Hodnota zbytkového napětí: Velikost proudového výboje: Provedené zkoušky: Keramický omezovač přepětí MVB-F ABB 77 kv 5 ka Měření zbytkového napětí Specifikace zkoušek: ČSN EN Výsledek zkoušek: Keramický omezovač přepětí typu MVB-F vyhověl zkoušce zbytkového napětí ČSN EN Datum zkoušek: Měření v zapojení s3p sestavení 1 Na omezovači přepětí ABB typu MVB-F byly provedeny následující zkoušky: 1. Zkouška atmosférickým impulzem 8 / 0 μs, dle ČSN EN Datum měření: Atmosférické podmínky při měření: Teplota 19 C Tlak 10,6 kpa Vlhkost 5 % Zkoušky a měření bylo provedeno v laboratoři vysokého napětí areálu školy VŠB-TU Ostrava v budově L. Seznam použitých přístrojů Impulzní generátor proudu SSG ZUS Haefely High Voltage Test Řídicí jednotka GC 3 Haefely High Voltage Test Měřicí systém TR-AS 5-8 Dr. Strauss Systém-Elektronik GmbH --

31 4.8 Porovnání zapojení generátoru pro měření na omezovači V době našeho měření na omezovači nám nebyly známy od výrobce technické údaje zbytkového napětí vzhledem k stáří omezovače, proto jsme vycházeli z nového katalogu výrobce, kde zbytkové napětí na omezovači U r = 8 kv odpovídá 60 kv, proto jsme zvolili zapojení generátoru sérioparalelně s3p sestavení 1. Údaj zbytkového napětí od výrobce ABB typu MVB-F byl dodán později. V dnešní době jsou omezovače přepětí vyráběny z kvalitnější odporových materiálu a konstrukce, proto se u novějších typů zmenšuje zbytkové napětí, než u dříve vyrobených omezovačů. Proto jsme se rozhodli ověřit výpočtem možné nesrovnalosti mezi jednotlivými zapojení generátoru: Sérioparalelně 3sp - 8 / 0 μs, I max = 10 ka - pro omezovače se zbytkovým napětím v rozmezí 60 kv < U res. < 100 kv. Parametry: I m = 5 ka, U 0 = 65 kv, R = 3 Ω, L = 75 µh, C = 0,67 µf Sérioparalelně s3p - 8 / 0 μs, I max = 15 ka - sestavení 1 - pro omezovače se zbytkovým napětím v rozmezí 15 kv < U res. < 60 kv. Parametry: I m = 5 ka, U 0 = 37 kv, R = 3 Ω, L = 37 µh, C = 1,5 µf U porovnání jsme zjistili, že u našeho měření celkové nabíjené napětí je 115 kv, zatím co u zapojení generátoru sérioparalelně 3sp by bylo nabíjené napětí 143 kv, rozdílné hodnoty jsou v kapacitě obvodu, je to změna k vyššímu nabíjenému napětí. Změnou indukce měníme tvar vlny a sekundárně napětí. Ve srovnání vyšly zanedbatelné rozdíly tvaru vlny, které jsou v rozmezí normy ČSN EN Vyhodnocení měření zbytkového napětí Provedlo se měření zbytkového napětí na keramickém omezovači přepětí, metodou dle normy ČSN EN Měření probíhalo v zapojení generátoru s3p sestavení 1. Z výsledných zaznamenaných hodnot byla určena velikost zbytkového napětí omezovače ve velikosti 77 kv po průchodu atmosférickým impulzem 5 ka a byly vytvořeny grafy v závislosti zbytkového napětí a impulzního proudu i času. Pro měření jsme zvolili méně destruktivní zkoušku omezovače v zapojení generátoru s3p sestavení 1, která splňuje školní požadavky na seznámení s měřením zbytkového napětí na omezovači a plnohodnotně prověření schopnosti daného omezovače svést přepětí vzniklé v elektrických sítích. Pro měření destruktivní zkoušky omezovače v zapojení sérioparalelně 3sp se používá v akreditovaných zkušebnách výrobce tzv. typová zkouška. U typové zkoušky výrobce garantuje, po ukončení vývoje svého výrobku, v našem případě omezovač přepětí dle platných norem, prokazoval svou schopnost omezit přepětí. Tyto zkoušky se provádí na více než třech kusech omezovače. -3-

32 5. Závěr Cílem této bakalářské práce bylo seznámit čtenáře s omezovačem přepětí jeho funkcí a způsobem zjištění zbytkového napětí na omezovači, dále je v práci zmiňován popis a druhy zapojení impulzního generátoru proudu a měření vyhodnocení celého měření. V první kapitole této práce byl vysvětlen obecně princip omezovače přepětí a to, že se skládá z oxidu zinečnatého, který má značně nelineární odpor a měnící svou nelinearitu s rostoucím napětím, dále je čtenář seznámen se základními parametry popisující omezovač přepětí a určením zbytkového napětí pomocí výbojové impulzní atmosférické vlny 8 / 0 µs a velikosti 5 ka, který je popisován v normě. V druhé kapitole se čtenář seznámí s popisem atmosférického proudu, který vytváří impulzní generátor a lze s ním simulovat nepřímý úder blesku a tím prokázat ochranné schopnosti daného omezovače. V generátoru sestavíme čtyři různé druhy zapojení pro měření zbytkového napětí až do hodnoty 111 kv. Další kapitola je věnována měření a vyhodnocení. Pro samotné měření bylo vybráno zapojení generátoru s3p sestavení 1, nabíjené napětí po teoretickém výpočtu je 37 kv, ale k této hodnotě musíme přičíst úbytek napětí vyvolaný průchodem atmosférického proudu omezovačem, výsledné celkové nabíjené napětí je tímto navýšené na 115 kv. Celkem se provedly čtyři měření a výsledky jsou zaznamenány v tabulce. Hodnoty zbytkového napětí z měření jsou vyneseny v grafech v závislosti na výbojovém proudu a čase. Po teoretické přípravě a provedeném měření můžeme napsat, že keramický omezovač přepětí vyhověl zkouškám zbytkového napětí. Podle výrobce je jeho velikost 78 kv. Při našem měření po průchodu atmosférickým proudovým impulzem byla maximální hodnota zbytkového napětí 77 kv, stáří omezovače neprokazoval vliv na změnu Voltampérové charakteristiky, která má téměř ideální pravoúhlý průběh. -4-

33 6. Literatura 1. Norma ČSN EN : Omezovače přepětí bez jiskřišť pro sítě střídavého napětí. MACH, Veleslav: Cvičení z TVN. Ostrava, ES VŠB, Uživatelský manuál k Impulznímu proudovému generátoru SSG-ZUS 4. MACH, Veleslav: Technika vysokého napětí. Ostrava