UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za elektrotehniko

VISOKONAPETOSTNA TEHNIKA

Maks Babuder

(Skripta predavanj na visokošolskem univerzitetnem študiju)

Ljubljana, januar 2004

2

Vsebina

Uvod 5

1. Električno polje v visokonapetostni tehniki 6 1.1 Osnovna izhodišča 6 1.2 Metode in postopki za ugotavljanje jakosti električnega polja 7

2. Dielektrična trdnost in zdržnost izolacije 12 2.1 Splošno 12 2.2 Izkoristek elektrodne konfiguracije 12

3. Razelektritve v homogenem polju 14 3.1 Uvodne ugotovitve 14 3.2 Teorija razelektritve v dielektriku 14 3.3 Streamerska razelektritev v kvazi homogenem polju 16

4. Razelektritve v nehomogenem polju 16 4.1 Splošne ugotovitve 16 4.2 Elektrodna konfiguracija pozitivna konica – plošča 17 4.3 Elektrodna konfiguracija negativna konica – plošča 19 4.4 Razvoj leaderjev (liderjev) in preskok med elektrodama 20 4.5 Prikaz razelektritev ob obremenitvi z izmenično napetostjo 20

5. Delne razelektritve 21 5.1 Opis pojava 21

6. Razelektritve v naravi 23 6.1 Nastanek in vrste strel 23 6.2 Načini določanja ogroženosti pred udarom strele 25 6.3 Karta gostote strel 30 6.4 Verjetnostna porazdelitev amplitud 34

7. Izolacijski materiali 36 7.1 Splošno 36 7.2 Groba razvrstitev dielektričnih materialov 36 7.3 Plinasti dielektriki 36 7.4 Trdni izolacijski materiali. 38

8. Metode za ugotavljanje stanja izolacije 41 8.1 Uvodne pripombe 41 8.2 Merjenje izolacijske upornosti 41 8.3 Ugotavljanje časovne konstante izolacije 42 8.4 Ugotavljanje povratne napetosti 43 8.5 Ugotavljanje koeficienta absorpcije 43 8.6 Nizke frekvence in polarizacijska spektralna analiza 45 8.7 Merjenje kota dielektričnih izgub 45

3

8.8 Merjenje delnih razelektritev 46 8.9 Kriteriji in analiza rezultatov ter ocena 47

9. Razporeditev potenciala vzdolž dolgih struktur 48 9.1 Uvodna pojasnila 48 9.2 Primer verige izolatorjev 48 9.3 Primer navitja (transformatorja ali dušilke) 51 9.4 Izhod palice statorskega navitja generatorja iz utora statorskega paketa 53 9.5 Tuji vplivi na razporeditev potenciala vzdolž dolgih izolatorjev 53

10. Proizvajanje in merjenje visokih izmeničnih napetosti 55 10.1 Splošno 55 10.2 Vrste bremen ob preskusih z izmenično napetostjo 55 10.3 Osnovne preskusne vezave glede na način napajanja 56 10.4 Merjenje visokih izmeničnih napetosti 57

11. Proizvajanje in merjenje visokih enosmernih napetosti 62 11.1 Parametri enosmernih napetosti 62 11.2 Proizvajanje enosmernih napetosti 63

12. Proizvajanje in merjenje visokih udarnih napetosti 67 12.1 Splošno o udarni napetosti 67 12.2 Udarni generatorji 67 12.3 Napetostni delilniki za udarne (hitre) pojave 71 12.4 Proizvajanje velikih udarnih tokov 74

13. Nastanek prenapetosti 75 13.1 Kategorizacija prenapetosti 75 13.2 Atmosferske prenapetosti 75 13.3 Notranje prenapetosti 76

14. Prenapetostni odvodniki 78 14.1 Vrste odvodnikov 78

15. Koordinacija izolacije 80 15.1 Splošno o koordinaciji izolacije 80 15.2 Prenapetosti 82 15.3 Omejevanje prenapetosti 83 15.4 Zdržnost izolacije 84 15.5 Postopek koordinacije izolacije 85

16. Modeliranje visokonapetostnih naprav in omrežij z analizo prehodnih pojavov zlasti prenapetosti in optimiranjem zaščite 88

16.1 Splošno 88 16.2 Program EMTP-ATP 89 16.3 Primeri uporabe računalniških simulacij 92

17. Literatura 105

4

Predgovor

Tekst in slike v nadaljevanju tega dokumenta so namenjeni slušateljem predmeta Visokonapetostna tehnika in zajemajo snov, ki se predava v časovnem okviru enega semestra po dve šolski uri tedensko. Glede na razpoložljivi čas je obseg snovi razmeroma skromen. S tega vidika lahko objektivno uvrstimo vsebino tako podane snovi med osnove visokonapetostne tehnike.

Vsebina dopolnjuje slušateljeva spoznanja pri vrsti drugih predmetov in obravnava zlasti fizikalne pojave, ki omogočajo inženirjem močnostne elektrotehnike pravilno izbiro in dimenzioniranje visokonapetostne izolacije električnih strojev, naprav in vodov. V ta namen zajema tudi spoznavanje uveljavljenih standardnih delovnih metod in orodij.

Zapis je nastajal nekaj let in je deloma tudi rezultat izkušenj avtorja pri večletnem podajanju te snovi na drugi stopnji študija močnostne elektrotehnike na Fakulteti za elektrotehniko, nedvomno pa je na izbiro in pristop pri pojasnjevanju snovi vplivala vrsta odličnih učbenikov, ki jih navajamo ob koncu.

Avtor je dolžan zahvalo obema asistentoma za ta predmet g. Dr. Janku Kosmaču za obdelavo poglavja 6 in g.mag.Stanetu Vižintinu za obdelano poglavje 15. Zahvala gre tudi g. Mladenu Igliču za prikaz uporabe programskega orodja za simuliranje prehodnih pojavov v elektroenergetskem omrežju, ki je obdelano v poglavju 16. Avtor je dolžan zahvalo gg. Juretu Dirnbeku za izdelavo večjega števila tabel in slik in Timu Gradniku za tehnično oblikovanje teksta v zvezku.

5

Uvod

Vsebina, ki je predmet tega dokumenta, podprta s slikovnim delom zajema snov, ki se predava na

Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani v okviru predmeta Visokonapetostna tehnika na drugi stopnji univerzitetnega študija. Predmet po obsegu snovi in globini obravnave ustreza razpoložljivemu časovnemu obsegu predavanj in vaj; predava se en semester po dve uri tedensko. Cilj pouka tega predmeta je: opremiti kandidata z osnovnimi veščinami obravnave problemov ob uporabi visokih napetosti v elektroenergetskem sistemu.

V ta namen naj študent dovolj podrobno spozna naslednje teme:

Električno polje v visokonapetostni izolaciji: ugotavljanje, njegove pogoste oblike in problemi

poboljšanja rešitev Osnovna načela fizikalne slike dogajanj ob razelektritvah v izolacijskih snoveh (materialih) Vrste in osnovne značilnosti izolacijskih materialov, ki se pogosto uporabljajo v

visokonapetostnih napravah Načini preskušanja materialov in sestavnih delov visokonapetostnih naprav ter pripomočki, ki

se uporabljajo v ta namen (visokonapetostna preskusna tehnika) Vrsta in velikost dielektričnih obremenitev, ki jih doživljajo posamezni izolacijski deli v

visokonapetostnih elektroenergetskih napravah (prenapetosti v visokonapetostnih napravah) Načini preprečevanja nastanka in omejitev napetostnih obremenitev (prenapetosti) izolacije Odmerjanje zdržnosti izolacije ob upoštevanju vseh vplivnih dejavnikov (pričakovane

obremenitve, uporaba zaščite pred preobremenitvami) ter optimiranje glede na pričakovano gospodarnost izbrane rešitve (koordinacija izolacije).

V okviru programa pouka ni nič manj pomembna tematika, ki ukvarjanje z visokonapetostno

tehniko le spremlja. To so problemi obvladovanja problemov varnosti pri uporabi visoke napetosti v napravah, pri delu ob preskušanju izolacije v teku razvoja, njene izdelave in še posebej vgraditve ter kasnejšega spremljanja naprav v uporabi.

Visokonapetostne naprave in napeljave se razprostirajo v širšem prostoru in si prostor delijo z

drugimi uporabniki. V tem smislu se v teku podajanja ožje tematike namenja nekaj prostora tudi ekološkemu osveščanju bodočih načrtovalcev naprav in pripadajoči tehniški ter varstveni regulativi (EMC-elektromagnetna kompatibilnost, elektromagnetno sevanje).

Vaje iz predmeta Visokonapetostna tehnika se odvijajo skoraj v celoti v laboratorijih. Struktura

tematike zajema preskušanje nekaterih lastnosti materialov, ugotavljanje napetostne zdržljivosti sestavnih delov (komponent) naprav in postrojev in diagnosticiranje njihovega stanja z namenom ocenjevanja pričakovane zanesljivosti ob uporabi (v obratovanju naprave).

Program v grobem obsega preskuse z izmenično napetostjo, preskuse z udarno napetostjo in preskuse z enosmerno napetostjo. Vključeni so tudi merilni postopki enosmernih odvodnih tokov v izolaciji v območju nA-µA.

Pozornost je namenjena tudi diagnostiki po velikosti največjim med visokonapetostnimi elementi

postrojev – generatorju in energetskemu transformatorju. Študent se v okviru predmeta Visokonapetostna tehnika seznani tudi z značilnostmi razelektritev v

naravi. Spozna osnovne značilnosti sistemov za spremljanje tovrstnih pojavov in pomen ugotovljenih podatkov za pravilno izbiro zdržnosti visokonapetostne izolacije.

6

1. Elektr ično pol je v v i sokonapetostni tehniki

1.1 Osnovna izhodišča

Tokovni vodniki primarnih tokovnih poti so v visokonapetostnem omrežju na visokem potencialu

proti zemlji zato jih moramo od zemlje zanesljivo dobro izolirati. Zaradi kratkostičnih tokov, ki so v primarnih tokokrogih ob defektih, na vodnike delujejo tudi mehanske obremenitve. Ne nazadnje nastaja v izoliranih vodnikih zaradi izgub toplota in je električna izolacija večinoma kombinirano obremenjena: električno, toplotno in mehanično. V prvem približku pa velja, da njeno porušitev neposredno povzroči električno polje. Poznavanje jakosti električnega polja v izolaciji in tudi njegovega časovnega poteka je nujno za pravilno zasnovo in izdelavo električne izolacije tokovnih vodnikov v električnih strojih, napravah in vodih. Med posameznimi kovinskimi deli naprav na različnih potencialih je izolacija obremenjena z električnim poljem, med dvema kovinskima deloma elektrodama je električna napetost. V visokonapetostni tehniki govorimo tedaj o elektrodni konfiguraciji. Posledice delovanja električnega polja, toplotnih obremenitev in večinoma tudi mehanskih, so počasne spremembe karakteristik izolacije, ki jih imenujemo staranje izolacije. Hitre spremembe, ki lahko vodijo do odpovedi izolacije, do defekta, pa sproži električno polje z začetkom na mestu, kjer preseže najvišjo vrednost v notranjosti elektrodne konfiguracije, ki jo izolacija še zdrži. Zato je poznavanje električnega polja tako pomembno. Na podlagi poznavanja električnega polja med elektrodama sklepamo o najvišji napetosti med elektrodama, ki jo izolacija še zdrži. Govorimo o zdržni napetosti. Podatek o jakosti električnega polja pomaga tudi pri grobi oceni hitrosti staranja nekaterih izolacij. Pri snovanju izolacijskih sistemov, ki jih sestavlja več izolacijskih elementov, nas skrbi tudi dobra izkoriščenost vseh elementov v sistemu, razmišljamo o njegovi gospodarnosti. Najboljša je rešitev, pri kateri je vsak izolacijski element v celoti izkoriščen. Natančnejše poznavanje polja vodi k zmanjšanju dimenzij posameznega izolacijskega elementa in končno tudi sistema.

7

1.2 Metode in postopki za ugotavljanje jakosti električnega polja

1.2.1 Pregled metod

Električno polje v visokonapetostni izolaciji ugotavljamo s pomočjo: postopkov in metod prikazanih na sliki 1.1.

POZNAVANJE ELEKTRIČNEGAPOLJA: MAKSIMALNE VREDNOSTI

EKSPERIMENTALNEMETODE

RAČUNSKEMETODE

GRAFIČNEMETODE

Slika 1.1.

Konstruktor se odloči za tisto metodo, ki je glede na pogoje najprimernejša. Na izbiro vplivajo:

gospodarski vidiki razpoložljiv čas za izdelavo raziskave razpoložljiva finančna sredstva zahtevana natančnost kompleksnost raziskovanega problema.

Stohastični karakter obnašanja izolacijskih materialov slabo vpliva na zanesljivost računskih

ugotovitev, zato je ne glede na izbrano metodo za ugotavljanje polja potrebno končni predlog rešitve vselej potrditi eksperimentalno.

1.2.2 Osnovna izhodišča za računskih metode

Osnovo za izračunavanje polja predstavljajo Maxwellove enačbe:

BErotr&

r−= (1.1)

naj bo vektorski potencial, ki ga vpeljemo določen z enačbo

ArotBrr

= (1.2) iz obeh sledi najprej oblika

0)( =+ AErotr&

r (1.3)

in ker argument v enačbi (3) lahko zapišemo kot gradient potencialne funkcije sledi oblika

AgradEr&

r+−= ϕ (1.4)

Izkaže se, da pri običajnih razsežnostih posamezne elektrodne konfiguracije v prvem približku

lahko vzamemo sočasnost spreminjanja potenciala vzdolž celotne elektrode in tej predpostavki sledi enačba

ϕgradE −=r

(1.5)

8

To je znana relacija za elektrostatično polje. Na tej podlagi lahko opredelimo še pojem električne napetosti. Naj bo potencial v točki 1 ϕ1 in v točki 2 ϕ2 . Izraz za napetost dobimo po enačbi

∫ ∫ −=−==2

121

2

1

ϕϕϕ sdgradsdEU rrr (1.6)

Gostota električnega pretoka je linearno proporcionalna jakosti električnega polja, ko gre za polje v homogenem in izotropnem dielektriku. Torej velja

EDrr

ε= (1.7) Vektorsko polje električnega pretoka je polje izvorov; elektrina predstavlja izvore. Tako imamo ob

prisotnosti elektrine v prostoru in njeni prostorninski gostoti ρ v splošnem veljavni relaciji

dVdQ

=ρ in ∫=V

dVQ ρ (1.8)

in za divergenco vektorja Dr

ob prisotni prostorski elektrini ρ velja ρ=Ddiv

r (1.9)

Iz (5), (7) in (9) sledi znana Poissonova enačba, ki določa električno polje ob prisotnosti prostorske elektrine

ερϕ −=∆ (1.10)

Najpogosteje je prostorska elektrina v visokonapetostnih izolacijah zanemarljiva. Zaradi poenostavitve naj bo ρ = 0 (izjema so zelo nehomogena polja, kjer se lahko pojavi korone). Električno polje tedaj dovolj natančno opiše Laplaceova enačba:

0=∆ϕ (1.11)

1.2.3 Pregled računskih metod

Ugotavljanje električnega polja, zlasti njegove maksimalne vrednosti ob pomoči računskih metod je

pregledno prikazano na naslednji sliki 1.2:

RAČUNSKE METODE

Direktna zprilagoditvijo

koordinat

Indirektnas konturnimintegralom

S superpozicijoin zrcaljenjem

Numeričnemetode

Konformnepreslikave

Ocenjevalnemetode

Slika 1.2 Začetni podatek prestavlja geometrija elektrod. Ob enostavni geometriji in prilagoditvi

koordinatnega sistema bodo matematični izrazi enostavnejši in preprosto rešljivi. Ob težjih problemih se danes praviloma uporabljajo numerične metode prikazane na sliki 1.3.

9

Numerične metode za∆ϕ = 0 in ∆ϕ = -ρ/ε

POSTOPEK Z NABOJEM.SUPERPOZICIJA FIKTIVNIH

NABOJEV

METODAKONČNIH

ELEMENTOV

DIFERENČNA METODA.RAZVOJ V TAYLORJEVO

VRSTO ZA ∆ϕ

Slika 1.3

Uporaba računalnikov oziroma računalniških metod je potisnila večino drugih postopkov v

zgodovino. Izjema so približni računski pripomočki za izračun maksimalnih vrednosti polj, kot jih prikazujemo v tabeli 1.1.

d

r

Rd

dr

r d

R

r

dr

rd

dr

d

d

E = UdE = Ud

E = Ud

Rr

E Ud

r+dr= 9

10

E Ud

r+r= 9

10d

2

E U=r R

rln

E U=r r+d

rln9

10

E U= 910

r ln r+rd

2

E U= 910

r ln r+rd

2

E = Ud

E = 3Ud

E = 2Ud

r << d(krogle)

r << d(v alj a)

Dve ravnini

Dve koncentrični

krogliKroglapred

ravnino

Dve krogli

Dva koncentrična

valjaValjpred

ravnino

Dva valja

Dva prekrižana

valjaPolkrogla

na eniravniniPolvaljna eniravnini

Tabela 1.1

1.2.4 Grafične metode

Grafične metode so primerne le za zelo približno predstavo polj in bi jih danes uvrstili le med sredstva za enostavnejšo komunikacijo ob razgovoru med strokovnjaki. Med osnovnimi pravili za grafično ugotavljanje in prikazovanje električnih polj bi omenili naslednja:

1. Predpostavimo da so elektrode kovinske, zato bomo silnice narisali pravokotno na površino

elektrod 2. Elektrodi sta ekvipotencialni ploskvi 3. Črte, ki predstavljajo na risbi silnice in črte ekvipotencialnih ploskev se sekajo pod pravim

kotom

10

4. Razmak med sinicami in ekvipotencialnimi ploskvami izberemo tako da sta na nekem mestu približno enaka in tvorijo tako nastalo mrežo »kvazikvadrati«.

5. Na stiku dveh dielektričnih materialov z relativno dielektričnostjo ε1 in ε2 upoštevamo lomni zakon (zakonitost preloma elektrostatičnega polja).

Zakonitost se glasi:

2

1

2

1

αα

εε

tgtg

= (1.12)

Pri prehodu meje med dvema dielektričnima materialoma gre normalna komponenta gostote

električnega pretoka zvezno tangencialna pa nezvezno. To zakonitost prikazuje slika 1.4.

ε1 ε2

α1

α2

Dn2

D Dn1 n2 =

Dt1

Dt2

tg α1ε2 tg α2

ε1 =

- normalne komponente gredo zvezno

D

n

- tangencialne komponente gredo nezvezno

D

t

Dn1

D2D1

Slika 1.4.

1.2.5 Eksperimentalne metode

Eksperimentalne metode so se uveljavile že zelo zgodaj od zelo preproste metode z lebdečim naelektrenim telesom v električnem polju pa vse do analognih metod. Nekatere omenjamo ilustrativno in ne zaradi njihove uporabnosti.

Toeplerjeva metoda s slamnato bilko (lebdečim telesom) temelji na prikazu smeri silnic na podlagi lege lebdečega telesa v dejansko realiziranem polju, ki ga želimo spoznati, in jo pojasnjuje slika 1.5.

Slika 1.5.

Predmet (elektrodi z vmesnim izolacijskim sistemom, katerega del mora biti zrak), v okolici

katerega želimo ugotoviti električno polje, se nahaja v električnem polju zaradi napetosti med elektrodama. V eksperimentalne namene je lahko predmet izdelan v pomanjšanem merilu. Smeri silnic ugotovimo na podlagi svetlobne projekcije predmeta (v našem primeru je to enostavni izolatorski skoznik) in lebdečega telesa (slamica na tanki vrvici) na ravno ploščo v ozadju. Slamico premikamo vzdolž ravnine, ki je paralelna s ploščo, na katero rišemo smeri silnic. Sledi risanje ekvipotencialnih črt in pokaže se približna oblika polja v presečni ravnini preizkušanca.

Analogni postopki počivajo na dejstvu, da sta si elektrostatično in električno tokovno polje podobna.

Osnovne zakonitosti, iz katerih sledi ta ugotovitev, so navedene v naslednji tabeli.

11

Elektrostatično polje Električno tokovno polje ρ=divD Idiv =Γ ED ⋅= ε E⋅=Γ σ

ϕε gradD ⋅−= ϕσ grad⋅−=Γ

ερϕ −=divgrad

dVdIdivgrad ⋅−=

σϕ 1

0=ϕdivgrad 0=ϕdivgrad UCQ ⋅= UGI ⋅=

D gostota električnega pretoka Γ tokovna gostota Q elektrina U napetost ρ prostorninska gostota elektrine I tok ε koeficient dielektričnosti σ specifična prevodnost φ električni potencial V prostornina E električna poljska jakost G prevodnost C kapacitivnost Eksperimentalno je enostavneje realizirati tokovno polje. Dejansko to tudi izvedemo tako, da v

posodo napolnjeno s tekočino z manjšo specifično prevodnostjo položimo elektrodno konfiguracijo, ki jo želimo preiskati. Med elektrodi priključimo napetost, ki ustvari tokovno polje. Potencialne razlike ugotavljamo s primerjavo potencialov na podlagi ničelne indikacije. Primer delovanja elektrolitske kadi pojasnjuje shema na sliki 1.6.

50 Hz

2

1

4

3 Slika 1.6

Legenda: 1 napetostni izvor 2 potencialni delilnik 3 elektrodna konfiguracija 4 tipalo potenciala Podobno izvedemo tipanje potenciala tokovnega polja na ravnini. Ta postopek uporabimo običajno

tedaj, ko tak prikaz vsaj v prvem približku ponazarja prostorske razmere. Primer vezja za ugotavljanje polja po tej metodi je prikazan na sliki 1.7.

Tr1 Tr2

10 V

7,5 V

5 V2,5 V

0 %10 %20 %30 %40 %50 %60 %70 %80 %90 %

100 %

Sonda

Slika polja na prevodnem papirju

Mostično vezje za ugotavljanje ekvipotencialnih ploskev

Nalepljeni elektrodi iz aluminjaste folije Slika 1.7

Analogni prikaz električnega polja s pomočjo eksperimentalne realizacije tokovnega polja moremo

izvesti tudi s pomočjo mrežnega modela (uporovna mreža).

12

2. Dielektr ična trdnost in zdržnost izo lac i je

2.1 Splošno

Med dvema elektrodama, ki sta potencialno narazen je električno polje, katerega jakost je v visokonapetostni tehniki izredno pomembna in še posebej najvišja vrednost, kjerkoli se pač nahaja v prostoru med elektrodama. Med elektrodama je lahko napetost le, če sta med seboj dobro izolirani. Izolacijski material med elektrodama ni sposoben zdržati poljubno vrednost električnega polja. Kolikšno jakost polja še prenese/zdrži je tudi časovno pogojeno: načeloma zdrži krajši čas višje jakosti polja, daljši čas nižje. Visokonapetostni izolacijski elementi so v uporabi dolga časovna obdobja, obratujejo, »živijo« dalj časa in so obremenjeni električno, termično, mehansko in lahko tudi drugače (sevanje, kemični vplivi). Njihove lastnosti se spreminjajo, govorimo o staranju visokonapetostnih izolacijskih materialov oziroma elementov.

Ko govorimo o materialu v splošnem mislimo na izolacijski medij, ki se nahaja med elektrodama; lahko je plinasti, tekoči ali trdni in sprašujemo se po njegovi za nas najbolj zanimivi lastnosti: koliko je dielektrično obremenljiv. Kolikšno jakost električnega polja bo še zdržal, preden se bo njegova struktura porušila. Po analogiji z mehansko trdnostjo materialov govorimo o dielektrični trdnosti. Pri mehaniki smo izbrali enoto za opredelitev trdnosti N/m2, silo na enoto površine, kajti s površino prereza vzorca narašča porušna sila. Analogno smo se pri dielektrični trdnosti odločili za jakost električnega polja v V/m, torej za napetost na enoto dolžine, kajti vzorec večje debeline/dolžine (poti med elektrodama) zdrži višjo napetost kot tanjši. Ko navajamo ta podatek za konkretni izolacijski material (dielektrik) smo dolžni tudi navesti kakšen je bil časovni potek električnega polja ob ugotavljanju porušne vrednosti (dielektrične trdnosti).

Pri obravnavi visokonapetostnega elementa, ki bo vgrajen v omrežje, se ne sprašujemo več, kolikšno jakost polja še zdrži izolacija v točki, ki je najbolj dielektrično obremenjena. V omrežju merimo in izražamo dielektrične obremenitve z napetostjo. V trifaznem sistemu moramo navesti napetostne obremenitve izolacije med fazami in med posamezno fazo in zemljo; večinoma obravnavamo elemente, ki služijo kot mehanska opora faznim vodnikom in so vpeti med fazo in zemljo. Tako glede obremenljivosti elementa navajamo napetosti in bo najvišja napetost, ki jo element še zdrži poimenovana dielektrična zdržnost. Najpogosteje uporabljamo v ta namen sinonim zdržna napetost. Enako, kot velja za dielektrično trdnost, je tudi pri navedbi zdržne napetosti treba navesti kakšen je bil časovni potek električne napetosti ob ugotavljanju porušne vrednosti (dielektrične zdržnosti/zdržne napetosti ).

2.2 Izkoristek elektrodne konfiguracije

Dielektrično trdnost navajamo in preverjamo za razne materiale različno; kako to počnemo, je navedeno v

standardih. Pri ugotavljanju (merjenju, preskusu) dielektrične trdnosti materiala izberemo elektrode tako, da je material med elektrodama v praktično homogenem polju. V splošnem pa v konkretnih praktičnih primerih v uporabi polje odstopa od homogenega in čim bolj se razlikuje slabši je faktor izkoristka elektrodne konfiguracije η. Po definiciji je faktor naslednji

max

hom

EE

=η (2.1)

Omenjeno ilustrira slika 2.1.

13

d

Emax

U = V - Vp 1 2

E =p

Up

d ⋅η , [ ]kV/cm

V 1

V 1 Slika 2.1

V splošnem kategoriziramo nehomogeno polje kot:

Zmerno nehomogeno η> 0,15 Močno nehomogeno η< 0,15

Znani primeri polj imajo naslednje približne vrednosti faktorja izkoristka elektrodne konfiguracije:

Homogeno polje η= 1 Krogelno iskrilo η= 0,85 - 1 Kabel η= 0,5 – 0,7 Nadzemni vod η~ 0,01

14

3. Razelektr i tve v homogenem pol ju

3.1 Uvodne ugotovitve

Električno polje dosega v prostoru med elektrodama določeno vrednost, ki je funkcija časa. Odreja ga napetost med elektrodama, ki se vselej časovno spreminja. Najpogosteje nas zanima obnašanje materiala ali visokonapetostnega elementa ob polju, ki ga določa visoka izmenična napetost omrežne frekvence (pri nas 50Hz) in ob superponirani napetosti zaradi prehodnih pojavov izven ali znotraj sistema. Procesi, ki jih sprožajo dielektrične obremenitve te vrste, se, posebno še ob zelo visokih jakostih polja, odvijajo zelo hitro, v času mikrosekund (včasih celo hitreje, merijo se v nanosekundah) in v prvem približku lahko vzamemo, da se obratovalna napetost na elektrodah v času odvijanja teh procesov ni spremenila, kot bi bila enosmerna. Groba teoretična analiza fizikalnih dogajanj, ki sledi v nadaljevanju, zadovoljivo pojasnjuje nekatere pojave in pomaga pri kategorizaciji intenzivnosti razelektritev.

3.2 Teorija razelektritve v dielektriku

Kot model dogajanja vzemimo razelektritev v zraku. Smatramo, da je razelektritev v tekočinah in trdnih dielektrikih podobna. Prosta elektrina v dielektriku ne miruje, če se pojavi električno polje. Prostorsko gibanje delcev predstavlja električni tok, ki sledi ob višanju vrednosti jakosti polja različnim fizikalnim mehanizmom. Tudi generiranje novih električno nabitih delcev je lahko zelo kompleksno in se nekoliko razlikuje glede na osnovne zvrsti dielektričnih materialov. V grobem razelektritve kategoriziramo kot delne (prasketanje, tlenje, korona) ali popolne (preboj izolacije). V zraku je značilni pojav, ki ga spremlja svetlobni efekt, korona.

Začetek pojava je ionizacija pri kateri pride do proizvodnje nosilcev elektrine na elektrodah (γ pojav) ali v prostoru (volumska ionizacija). Pri tem razlikujemo glede na vrsto med:

Trkovno ionizacijo (s trki med nabitimi in nevtralnimi delci) Fotoionizacijo Termično ionizacijo.

Trkovna ionizacija nastane, ko pospešeni nabiti delec trči z nevtralnim in mu izbije enega ali več

elektronov. Termična ionizacija nastane, ko imajo nabiti delci že višji energetski stadij z veliko termično energijo. V vsakem primeru pride do ionizacije tedaj, če elektroni v neki snovi pridobijo dovolj energije, da izbijejo naslednji elektron. Če se to ne zgodi pa lahko elektron pri trku sproži foton in pade v začetno stanje. Seveda takšni fotoni lahko vodijo do fotoionizacije, ko na svoji poti (gibljejo se s svetlobno hitrostjo) naletijo na nevtralni delec, ki ima zelo nizek ionizacijski prag torej nižjo potrebno ionizacijsko energijo.

Lavinska ionizacija ali Townsendova razelektritev se začne, ko nabiti delec prejme zadovoljivo energijo (ionizacijska meja), da izbije naslednjemu nevtralnemu delcu ob trku dva elektrona. Shematično je to prikazano na sliki 3.1.

d

xn0 nx

dx

Nx+d xK A

Slika 3.1

Legenda k sliki 9: K katoda A anoda d razmak med elektrodama n0 število delcev prve generacije nx število delcev na razdalji x nx+dx število delcev na razdalji x+dx

15

Pogoj, da se lavinska (plazovita) ionizacija lahko začne je naslednji:

iei UeEe ⋅≥⋅⋅ λ (3.1) kjer pomenijo: e naboj elektrona Ei jakost polja λe srednja vrednost proste poti elektronov e.Ui ionizacijska meja (potrebna energija)

Uvedimo še ionizacijski koeficient α, ki predstavlja število ionizacijskih parov na razdalji 1cm med elektrodama zaradi enega začetnega elektrona.

V splošnem velja za pline enačba

⋅=

pEfpα (3.2)

kjer predstavlja: p tlak plina E jakost električnega polja Za zrak velja relacija:

pEep

/255

8,8−

⋅=α

(3.3)

Po definiciji velja za ionizacijski koeficient α v homogenem polju in homogenem mediju ( α(x)=konst.)

dxndn x ⋅⋅= α (3.4) x

x enn α⋅= 0 (3.5)

Izraz pove, da se iz začetnih n0 delcev ob katodi generira na anodi nx delcev. Število narašča po eksponencialnem zakonu. Ionizacijo na katodi v nadaljevanju povzročijo ioni prve generacije delcev. Na anodo prispe n1=n0 .eαd delcev (elektronov prve generacije), na katodo pa prispe n0 .(eαd -1) ionov prve generacije). Ti dajo γn0 .(eαd -1) elektronov druge generacije. Tako lahko zapišemo za k-to generacijo lavin naslednjo enačbo:

( )132

0 1 −+⋅⋅⋅++++⋅= Kd MMMMenn α (3.6) kjer je M=γ.(eαd -1). Faktor M karakterizira intenzivnost pojava in v splošnem velja da bo pri vrednostih M M > 1 proces vse bolj intenziven M = 1 proces stagnira M < 1 proces usahne.

16

3.3 Streamerska razelektritev v kvazi homogenem polju

Ob izpolnitvi določenih pogojev lahko tudi v homogenem polju nastane streamerska razelektritev in sicer zaradi povečanja poljske jakosti na začetku in koncu lavine. Ne smemo zanemariti dejstva, da smo predpostavili vzdolž celotne poti med elektrodama konstantno vrednost polja in s tem tudi konstantno vrednost ionizacijskega koeficienta α , vendar smo pri tem zavestno zanemarili vpliv prostorske elektrine (ostali smo v Laplaceovih razmerah). Če vrednost αx preseže 20, tedaj doseže število ionov oziroma elektronov preko 108 (kritično ojačenje). To povečanje polja v glavi lavine lahko povzroči nove lavine v oddaljenosti od glave če so na razpolago začetni delci in ti lahko nastanejo zaradi fotonov torej fotoionizacije. Ta proces se lahko sproži pri glavi ali na repu lavine in se širi v obeh smereh. Razelektritvena pot se raztegne v smeri anode in v smeri katode. Dele poti preleti streamer s svetlobno hitrostjo, medtem ko gre rast same lavine počasneje (ca. 20cm/:s).

4. Razelektr i tve v nehomogenem pol ju

4.1 Splošne ugotovitve

V zmerno nehomogenem polju (η> 0,15) so pojavi razelektritev približno enaki kot v homogenem polju. Popolno razelektritev med elektrodama poimenujemo različno če gre za samoobnovljivo izolacijo ali izolacijo, ki se sama ne obnovi (to so večinoma izolacije iz trdnih izolacijskih materialov).

Pri samoobnovljivi izolaciji uporabljamo večinoma termin preskok Pri nesamoobnovljivi izolaciji pa govorimo o preboju izolacije

Prebojno napetost lahko približno izračunamo po naslednjem izrazu

η⋅⋅= dEU hpp (4.1)

kjer pomenijo: Up prebojno napetost d razdaljo med elektrodama Ehp jakost električnega polja, ki je potrebna za preboj v homogenem polju η faktor izkoristka elektrodne konfiguracije Pri močno nehomogenem polju (η< 0,15) pa ne moremo več računati s konstantno vrednostjo

ionizacijskega koeficienta vzdolž poti med elektrodama ( α(x) konst.), odvisen bo od višine jakosti električnega polja na poti 0<x<d. Za izračun števila parov nabitih delcev na poti med elektrodama bomo morali eksponent αd zamenjati z izrazom

( ) dxxx

⋅∫0

α (4.2)

Lokalno omejene zelo visoke vrednosti jakosti električnega polja v močno nehomogenem polju vodijo do stacionarnih delnih razelektritev in do drugačnega mehanizma razelektritve.

Vzemimo v obravnavo elektrodno konfiguracijo konica – plošča. Ko napetost doseže neko vrednost, ki preseže začetno napetost (napetost pojava ionizacije), pride do delnih razelektritev. Te razelektritve ne vodijo do porušitve potenciala vzdolž celotne poti med elektrodama. Ionizacija vzdolž celotnega intervala poti, kjer je izpolnjen pogoj zanjo, proizvaja nosilce elektrine, ki spremenijo izvorno polje brez prostorske elektrine. Vendar proces ni stabilen, ker se nosilci elektrine gibljejo v električnem polju in povzročajo časovno spremenljiv pojav. Ker se pozitivni ioni gibljejo počasneje od elektronov zaradi precej večje mase, časovni proces obnašanja konfiguracije ob pozitivni konici ni enak kot pri negativni konici. V nadaljevanju si pobližje oglejmo oba primera.

17

4.2 Elektrodna konfiguracija pozitivna konica – plošča

4.2.1 Primer brez kritičnega ojačenja

Razmere prikazujeta naslednji sliki. Na sliki 4.1 je zgoraj prikazan potek polja vzdolž celotne razdalje med elektrodama, spodaj pa le tistega dela, kjer izvorna (brez prostorske elektrine) vrednost jakosti polja presega kritično, t.j. potrebno, da se ionizacija začne. Slika predstavlja razmere v začetku, neposredno po priključitvi kritične napetosti.

EEm

Emin

x∆x

prostorskoelektrino

brezz

Emin

Em

∆x

Porazdelitev polja

x

0, n0x , nk a

n = n ea 0 ⋅α(E)dx∫

xk

E

Slika 4.1

EEmp

Em0

Emin

x

brezz prostorsko

elektrino

Območje konstantnega polja Slika 4.2

Razporeditev potenciala je zelo neenakomerna. Na začetku zelo hitro in nato počasneje pada proti

negativni plošči. Jakost električnega polja (ki je proporcionalna gradientu potenciala, je na tem intervalu zelo visoka. Na tem intervalu se odvija močna ionizacija. Generirajo se elektroni in pozitivni ioni in na spodnjem delu slike je prikazana struktura delcev (ki ustreza poljubno izbranemu trenutku): ob pozitivni konici so elektroni, ki jih bo slednja razmeroma hitro posesala. Pred konico bodo ostali pozitivni ioni, ki se zaradi razmeroma velike mase dosti počasneje od elektronov gibljejo proti negativni plošči (nanje sila zaradi pozitivnega naboja deluje ravno v obratni smeri kot na negativne elektrone).Prisotnost pozitivnih ionov pred konico bistveno spremeni polje. Na celotnem intervalu ∆x

18

jakost polja pade pod mejo trkovne ionizacije, vendar ne za dolgo. Čim se elektroni približajo anodi polje pred konico na nekoliko krajšem intervalu spet naraste, razmere prikazuje slika 4.2. Ko pa pozitivni ioni odletijo na katodo, se proces ponovi. Ponavlja se v nanosekundnem področju.

4.2.2 Primer kritičnega ojačenja – razvoj streamerjev (strimerjev)

Na sliki 4.3 je prikazan primer, ko jakost polja na koncu oblaka pozitivnih ionov, ki si ga lahko zamislimo v obliki krogle, doseže kritično vrednost.

Emin

Ex

EEm

x

prostorskoelektrino

brezz

Porazdelitev polja

∆x

13

4

2

Slika 4.3

V neposredni bližini oblaka prostorske elektrine se jakost električnega polja dvigne preko

minimalne vrednosti za začetek trkovne ionizacije. Zaradi fotoefekta se lahko sproži globoko v prostoru pred oblakom v smeri katode druga lavina , pri tem se slednja združuje z izhodiščno, prvo lavino in elektroni na čelu druge lavine, ki prodirajo k anodi, nevtralizirajo vpliv pozitivnih ionov izhodiščne lavine. S tem se polje na robu druge lavine še ojača. S tem je dana možnost proženja tretje lavine in polje se spremeni ustrezno krivulji 3. Na sliki 4.3 prikazani primer dokazuje, da se po proženju četrte lavine pogoji na robu poslabšajo in pojav se zaustavi. Po končanem procesu elektrina odteče in proces se lahko ponovi. Pogostost pojavljanja je na nekaj milisekund. Mehanizem pojava je podoben že omenjenemu pri homogenem polju. Z rastjo pojava s pomočjo fotoefekta se ionizacija lahko odvija daleč v prostor proti katodi na področja nizke jakosti polja, kjer sicer sploh ne bi nastala. Ker pa je elektrina vzdolž poti streamerja sproti nevtralizirana, je upornost te poti razmeroma visoka in padec napetosti preko 5 kV/cm.

19

4.3 Elektrodna konfiguracija negativna konica – plošča

4.3.1 Primer brez kritičnega ojačenja

Ob negativni konici oziroma pozitivni plošči so razmere nekoliko drugačne. Začetna razporeditev potenciala (brez prostorske elektrine) je sicer popolnoma enaka kot v prejšnjem primeru, vendar se z izpolnitvijo pogojev za trkovno ionizacijo na intervalu ∆x proces drugače odvija. Oglejmo si ga ob pomoči slike 4.4.

EEmp

Em0

Emin

x

brezz prostorsko

elektrino

Slika 4.4

Jakost električnega polja naj bo nižja od kritične in naj ne omogoča lavinskega ojačenja onstran

intervala ∆x). Počasne elektrone (polje izven ∆x je razmeroma šibko) pritegnejo molekule kisika, ki imajo afiniteto do njih in tvorijo negativne ione. Negativni ioni pred konico oslabijo polje in najprej nadaljnji lavinski procesi niso mogoči. Ko končno odleti pozitivni naboj proti konici, se tu polje močno ojača, kot je prikazano na sliki 4.4. In ponovno pride do tvorbe elektronov. Pojav ima frekvenco od nekaj kHz do 1Mhz. Ob višanju napetosti in superpoziciji teh pojavov dobi tok kvazi enosmerni karakter. Svetlobni učinek je podoben onemu pri pozitivni konici in ravno tako govorimo o koroni.

4.3.2 Primer kritičnega ojačenja – razvoj streamerjev (strimerjev)

Lavinska razelektritev nastopa pri negativni konici praviloma le pri zelo ostrih konicah. Če je konica zaobljena je področje ∆x širše in lahko pride do kritičnega ojačenja lavine, kar vodi k streamerski razelektritvi.

20

4.4 Razvoj leaderjev (liderjev) in preskok med elektrodama

Tudi ko se leader razprostre preko celotne razdalje med elektrodama se potencial ne poruši in šele z ponavljanjem pojava ali povišanjem polja se začne proces termične ionizacije. Ta proces je v začetku intenzivnejši ob konici in od tu rase prodi drugi elektrodi. Prevodnost tega dela poti se poveča in pot je dolga nekaj cm. Pojav je bistveno svetlejši kot pri streamerjih. Hitrost rasti leaderja je od 1 do 10cm/:s.

Leader ustvarja prevodno pot med elektrodama. Z vsakim skokom se elektrodna konica praktično podaljša v prostor, saj je padec napetosti v leaderju le ca 1kV/cm. Ko je pot v celoti premoščena (proces se v zadnjem delu intenzivira, ker se jakost polja na konici leaderja neprestano povečuje ob manjši razdalji njegovega vrha do druge elektrode. Proces do preskoka je ilustriran na sliki 4.5

t

t

t

U

I

a)

b)

c)2

1

Potek razelektritve do nastankastreamerja:

Območja razelektritve:

a) potek napetosti,b) potek toka inc) prodtorski/časovni potek razelektritve

1 streamer in2 leader

Slika 4.5

Slika prikazuje pojave razelektritev med elektrodama ob pozitivni konici in negativni plošči ter

dokaj hitrem višanju napetosti. Posebej je prikazano območje fotoionizacije in termične ionizacije z razvojem leaderjev vse do popolnega preskoka/preboja in nastanka obloka.

4.5 Prikaz razelektritev ob obremenitvi z izmenično napetostjo

Prikaz je na sliki 4.6. Slika kaže tri tipe razelektritev, ki se intenzivirajo z višanjem napetosti med elektrodama. Jasno se vidi, da se pri nižji napetosti najprej pojavi negativna korona 1 (na negativnem polvalu napetosti). Šele z višanjem napetosti nastane pozitivna trajna korona ob negativni 3. Ob nadaljnjem višanju napetosti pa se pojavijo poleg negativne trajne korone še razelektritve v šopu na pozitivnem napetostnem polvalu 2 .

t

U

negativna impulznakorona

negativna trajnakorona

pozitivna impulznakorona

pozitivna trajnakorona Razelektritve v šopu

1 3 2

Slika 4.6

21

5. Delne raze lektr i tve

5.1 Opis pojava

Delna razelektritev je premostitev (preskok) dela poti med dvema elektrodama. Intenzivnost pojava zavisi od dolžine poti, ki je bila premoščena. Večinoma preostali, zdravi del izolacije povečanje potencialne razlike kratkotrajno zdrži brez večje škode. Najpogosteje pa gre za premostitve izredno majhnih delov, ki so v izolaciji (večinoma trdni izolaciji!) kot defekt nastal pri izdelavi. To so nehomogenosti v raznih oblikah in kjerkoli na poti med elektrodama. Nekaj primerov je prikazanih na sliki 5.1.

a) b) c) d) e)

Slika 5.1

V trdni izolaciji se pojavijo zračni mehurčki ali kakega drugega plina in predstavljajo delček izolacije med elektrodama, ki ima manjši koeficient dielektričnosti, kar vodi k večji specifični napetostni obremenitvi v primerjavi z »zdravim delom izolacije«, poleg tega pa ima plin praviloma nižjo dielektrično trdnost kot zdrava izolacija. Obstaja torej velika verjetnost, da bo zračni mehurček ali špranja ali podoben defekt, ne glede kje se nahaja med elektrodama, ob dovolj visoki napetosti prebil. Ob izmenični napetosti se bo to lahko zgodilo ob vsakem polvalu priključene napetosti torej 100-krat v sekundi. Delne razelektritve same po sebi ne vodijo hitro do poškodbe izolacije. Zaradi bombardiranja notranje površine mehurčka prihaja do postopne erozije (povečanja defektnega mesta). K temu prispevajo: bombardiranje z ioni, nastanek rentgenskih žarkov, lokalna pregrevanja, kemične reakcije zaradi prisotnega s kisikom bogatega medija in podobno. Intenzivnost pojava v bistvu karakterizira elektrina na kondenzatorju c , ki znaša c. Vendar pa Vc ni dosegljiva za meritev.

Oglejmo si pojav razelektritve na mehurčku, ki je ostanek pomanjkljive izdelave in se nahaja nekje

na sredini med elektrodama kot je prikazano na sliki 5.2.

c

ba Va

Vc

Slika 5.2 Na električni nadomestni shemi sta v levi veji:

kondenzator c , ki ponazarja kapacitivnost mehurčka kondenzator b , ki ponazarja zdravi del izolacije v »cevki« v zaporedju z defektnim mestom in

na nadomestni shemi v desni veji je kondenzator a ki ponazarja ostali del zdrave izolacije.

Skupna napetost med ploščama kondenzatorja a je Va , na kondenzatorju b je Vb in na

kondenzatorju c je Vc. Ob preboju kondenzatorja c (ta pojav predstavlja delno razelektritev), se elektrina Qc rekombinira znotraj mehurčka. Leva veja ne predstavlja pomembne »obremenitve« za desno vejo, zato ostaja vrednost Va praktično nespremenjena. V tem primeru se je na kondenzatorju napetost povečala za Vc. Torej se je kondenzator dodatno napolnil z elektrino

22

cb VbQ ⋅=∆ (5.1)

To veličino imenujemo navidezna elektrina delnih razelektritev. Njeno velikost si prizadevamo spoznati, kajti škodljivost delnih (parcialnih) razelektritev (tudi navidezne vrednosti, ker je odvisna od Vc ) je v direktni korelaciji z intenzivnostjo pojava v defektnem mehurčku. Navidezna elektrina delnih razelektritev je merilo za kakovost izolacije in omogoča tudi oceno pričakovane življenjske dobe izolacije. Če izolacijo obremenimo z izmenično napetostjo, se delna razelektritev pojavi vselej tedaj, ko

jakost polja na mehurčku (imenujmo pri tej razlagi pojava sleherno nehomogenost v izolaciji »mehurček«) preseže mejno vrednost. Nehomogenih mest pa je v izolaciji lahko več, lahko jih je cela množica. Njihova velikost je različna, nahajajo se na raznih mestih med elektrodama in pojav razelektritve se pojavlja pri različnih vrednostih priključene napetosti. Poleg tega se ob ponavljanju razelektritve ne dogajajo pri natančno enaki napetosti. Polariteta priključene napetosti je izmenična izmenoma si sledita pozitivni in negativni polval sinusne oblike in iz vrste razlogov se razelektritev ne dogaja pri isti višini napetosti ob obeh polaritetah. V vsaki periodi priključene izmenične napetosti se torej pojavi večje število razelektritev. Če hočemo ugotoviti kakšna je izolacija, moramo z meritvijo zajeti vse te pojave.

23

6. Razelektr i tve v naravi

Benjamin Franklin je pred približno 200 leti v znamenitem poskusu z zmajem pokazal, da je strela električni pojav. Rezultati njegovih nevarnih poskusov so dali človeštvu izjemno pomembno pridobitev – strelovod, ki se kot glavni ukrep za zaščito pred strelo do danes ni bistveno spremenil.

Mehanizme nastanka strel in posledice udara so po Franklinu raziskovali veliki umi elektrotehnike, kot so Tesla, Berger in drugi. Njihovo delo je pomembno vplivalo na razumevanje procesov, povezanih s strelo. Kljub temu da je bil v zadnjih petdesetih letih narejen izjemen napredek v razumevanju temeljnih procesov, povezanih z ločevanjem nabitih delcev v oblaku, obstaja več teorij o procesih ločevanja, od katerih ni nobeden dokončno potrjen ali ovržen.

Ne glede na mehanizme, ki botrujejo nastanku strel, se posebno v poletnih mesecih, ko se pojavljajo pogosteje, sprašujemo, kakšna je dejanska ogroženost pred strelami in kako se moremo pred njimi zaščititi.

Da bi mogli odgovoriti na to vprašanje, moramo poznati takó verjetnost, da bo strela udarila na neko območje, kot tudi, na kakšen način smo pred neposrednimi in posrednimi učinki udara zaščiteni. Verjetnost udara podaja gostota strel na km2/leto in skupaj z verjetno amplitudo udara določa temeljne vhodne podatke v analize ogroženosti. Način zaščite pa definirajo lovilni, strelovodni in ozemljilni sistemi.

V tem poglavju se bomo omejili na ugotavljanje verjetnosti udara strele in verjetnost pojavljanja določenih amplitud, saj področje zaščite pred udarom presega obseg tega poglavja.

6.1 Nastanek in vrste strel

6.1.1 Pogoji za nastanek strele

Poenostavljeno lahko rečemo, da morajo biti za nastanek strele izpolnjeni trije pogoji [16]: vlaga, kondenzacijska jedra in toplota. Zaradi termičnega strujanja vlažnega zraka se v tipičnem nevihtnem oblaku začnejo pozitivno nabiti delci kopičiti v zgornjem delu, negativni pa ostajajo v spodnjem delu oblaka. Po ocenah raziskovalcev strel je z vsako strelo povezanih 10.000 - 20.000 m3 padavin. Navedene vrednosti lahko služijo za grobo oceno količin padavin na podlagi števila zaznanih strel.

0 0C-10 0C

-20 0C

gibanje zraka

Slika 6.1. Običajna razporeditev naboja v nevihtnem oblaku

Večina strel nastane znotraj oblaka in le majhno število se jih usmeri proti zemlji [7]. Mnogo strel

proti zemlji se tudi ne konča, ker niso izpolnjeni vsi potrebni pogoji za sklenitev prevodne poti.

24

6.1.2 Nastanek strele

Dielektrična trdnost zraka, premešanega z vodnimi kapljicami, znaša približno 10 kV/cm (za primerjavo, ta znaša v suhem znaku 30 kV/cm). Nad to kritično vrednostjo pride do ionizacije zraka. Ker je tudi električno polje znotraj oblaka večinoma močnejše kot pri zemlji, začne strela običajno nastajati v zraku. V določenih pogojih se zaradi visoke električne poljske jakosti iz streamerja oblikuje tako imenovani leader. Ta se iz spodnjega dela oblaka, ki ima presežek negativnega naboja, skokovito širi proti zemlji. Na svoji poti ionizira zrak in ustvarja negativno nabit kanal. Dolžina skoka leaderja je nekako v razponu od 5 do 50 m. Hitrost potovanja leaderja ni vselej enaka in je mnogo manjša od svetlobne hitrosti. Običajno jo ocenimo 0,1 % svetlobne hitrosti. V kanalu leaderja teče električni tok, ki je relativno majhne jakosti in znaša približno 20 mA, kar je posledica velike upornosti kanala - 1,45 MΩ. Ob tem nastane običajno več leaderjev, ki skupaj z glavnim leaderjem oblikujejo razvejano strukturo kanalov. Medtem ko se leader približuje tlom, električno polje narašča, dokler ne pride do preskoka. S preskusi je bila kot zdržna električna poljska jakost zraka v teh pogojih ugotovljena vrednost E = 5 kV/cm. Udarno razdaljo preskoka izračunamo, če poznamo potencial leaderja npr. V = 50 MV (s = V/E = 100 m). Izkaže se, da je dejanska udarna razdalja občutno daljša od izračunane po zgornjih predpostavkah. Potek nastanka strele je prikazan na sliki 6.2.

začetek negativnega liderja navzdol

združitev liderja inpovratni udar oblak

začetek nastajanjapovratnega udara

zemljanastanek povezovalnegaliderja

Slika 6.2. Potek nastanka strele (širjenja leaderja in povratni udar) Ko se leader približa tlom, se začne z zemlje v nasprotni smeri dvigovati povezovalni leader. Ko se

osnovni leader v tako imenovani točki združevanja dotakne enega od njih, pride do povratnega udara. Tok v kanalu tako hitro naraste na vrednost mnogo kA, običajno od 1 do 200 kA. Temperatura

znotraj kanala znaša nekaj 1000 K in segreti zrak zaradi hitrega širjenja povzroči zvočni val, ki ga slišimo kot grom.

Padec napetosti v kanalu je približno 60 V/cm. Hitrost širjenja povratnega udara je blizu 1/10 svetlobne hitrosti. Čas trajanja velikega toka je nekako med 200 in 500 µs, nato pade na neko nizko vrednost (npr. 1 kA) za tem pa nekaj časa (ms) pada mnogo počasneje. Ob tem so proti osrednji točki razelektrenja usmerjeni tokovi iz ostalih oziroma obrobnih delov naelektrenega dela oblaka. Medtem pride v delu oblaka, kjer je strela začela, zaradi izmenjave nabojev do povečanja potencialnih razlik do ostalih področij s presežkom negativnega naboja. To večkrat povzroči razelektritve med sosednjim področjem znotraj oblaka in razbremenjenim osnovnim področjem. Tako se med področjema oblikuje novi leader, ki na poti proti zemlji najprej naleti na še vroč in ioniziran zrak v kanalu. Hitrost tega leaderja je za razred velikosti večja od prvega. Ko se dotakne zemlje (tokrat ni povezovalnega leaderja), steče tok povratnega udara (ponovni povratni kanal). To dogajanje se lahko večkrat ponovi. Ta in vsi naslednji udari imajo bolj pravilno obliko od prvega. Čas trajanja čela je večinoma od 0,5 do 1 µs, upadanje toka pa je bolj ali manj eksponencialne oblike. Bolj ustrezno kot pri prvem je mogoče tok naslednjih udarov obravnavati kot potujoče valove vzdolž kanala strele. Opazovanja so pokazala, da je običajno tok prvega udara največji. V nekaterih primerih pa se največji tok pojavi pri drugem udaru, lahko pa tudi po katerem od naslednjih.

25

6.1.3 Vrste strel

Strele delimo po različnih merilih. Najprej jih razdelimo po lokaciji: strele znotraj oblaka, strele med oblaki in strele med oblakom in zemljo. Strele med oblakom in zemljo naprej razdelimo na pozitivne in negativne. Negativne so tiste, ki ob razelektritvi odvedejo iz oblaka negativni naboj. Teh je približno 90 % vseh strel med oblakom in zemljo. Strele med oblakom in zemljo lahko razdelimo na padajoče in dvigajoče.

negativnetip 1

90 %Lv I

10 %

tip 3

pozitivne

Lv I

tip 2negativne

tip 4

pozitivne

v I

v

I

strele proti zemlji

(večina strel) (samo zelo visoki obkjekti)

strele proti oblaku

strele znotraj oblaka

(ne povzročajo

velikih prenapetosti)

vse vrste strelstrele med zemljo in oblakom

(povzročajo visoke prenapetosti)

Slika 6.3: Različne vrste strel

Posebnost strel je v tem, da so izjemno nepredvidljive. Njihovo pojavljanje na določeni

mikrolokaciji je praktično izjemno težko napovedati. Vse ocene podajajo le verjetnost, da se bodo na določenem območju pojavile strele.

6.2 Načini določanja ogroženosti pred udarom strele

Ogroženost določenega območja pred udarom strele določamo s pomočjo beleženj, opazovanj ali meritev, ki jih razdelimo v tri skupine:

meteorološka opazovanja merjenje števila atmosferskih razelektritev in sistem za lociranje atmosferskih razelektritev.

Pred pojavom sodobnih sistemov za lociranje atmosferskih razelektritev so se za ugotavljanje

ogroženosti pred udarom strele uporabljala predvsem meteorološka opazovanja in števci atmosferskih razelektritev.

6.2.1 Meteorološka opazovanja

Pri meteoroloških opazovanjih se od opazovalca zahteva, da zabeleži, ali je v tistem dnevu slišal grmenje. Če je opazovalec v tistem dnevu slišal grmenje, so temu dnevu rekli nevihtni dan. S primerno gosto mrežo meteoroloških opazovalnic je bilo tako mogoče z dolgoletnim opazovanjem podati

26

keravnični nivo, oziroma izdelati keravnično karto določenega geografskega območja. Krivuljam, ki so povezovale območja z istim številom nevihtnih dni, so rekli izokeravnične krivulje.

V Sloveniji je štetje nevihtnih dni potekalo od leta 1955 do 1975. Na sliki 6.4 je podana izokeravnična karta Slovenije za obdobje 1955 - 1975.

število nevihtnih dni

< 2020-3030-4040-5050-6060 <

< 2020 - 3030 - 4040 - 5050 - 6060 <

Slika 6.4. Izokeravnična karta Slovenije za obdobje 1955-1975

6.2.2 Števci atmosferskih razelektritev

V letu 1975 so bili uvedeni števci atmosferskih razelektritev. Njihova naloga je bila, da beležijo število atmosferskih razelektritev na določenem območju.

Prva različica števca je bila narejena z elektronko in kar 14 m dolgo anteno iz šestih bakrenih žic, ki je bila razpeta med 20 m oddaljena stebra.

Druga generacija števcev je namesto elektronke uporabljala tranzistor, kar je omogočalo uporabo baterij z nižjo napetostjo in je v splošnem zelo olajšalo vzdrževanje števca.

Tretja generacija števcev je prinesla bistvene izboljšave pri konstrukciji antene [8], napajanju in občutljivosti vhodnega vezja. Ta različica se je uporabljala vse do nastopa sistemov za spremljanje strel v realnem času. V Sloveniji je bilo postavljenih 5 števcev.

6.2.3 Sistemi za lociranje atmosferskih razelektritev

Proti koncu 70. let prejšnjega stoletja so se je pojavili prvi sistemi za avtomatsko lociranje atmosferskih razelektritev. Z njihovo pomočjo je bilo mogoče na nekaj km natančno locirati strele, ki so bile oddaljene nekaj 100 km. S hitrim razvojem mikroprocesorjev in uvedbo sistema za globalno pozicioniranje (GPS) se sta se natančnost in učinkovitost lociranja bistveno izboljšali.

Pri določanju lokacije strele s posebnimi senzorji merimo različne parametre elektromagnetnega vala. Elektromagnetni val, ki ga povzroči tok strele, se širi med ionosfero in zemljinim površjem od točke udara na vse strani in je odvisen predvsem od vrste strele in njene jakosti. V splošnem je lažje locirati strele z večjo amplitudo toka kot tiste, katerih amplitude so manjše od 5 kA. Razlog je v tem, da se nivo signala in šuma pri oddaljenih strelah z majhnimi amplitudami že močno približata in je detekcija otežena. Jakost razelektritev je pomembna še z vidika učinkovitosti detekcij, saj se učinkovitost običajno podaja za strele z jakostjo nad 5 kA.

Načini določanja lokacije se od začetkov niso bistveno spremenili in tako ločimo dva osnovna načina: smernega in časovnega. Tretji, kombinirani način združuje prednosti smernega in časovnega principa.

6.2.3.1 Smerni način določanja lokacije Za določanje mesta atmosferske razelektritve med oblakom in zemljo potrebujemo senzorje, ki

lahko izmerijo azimut elektromagnetnega vala (angl. Magnetic Direction Finding), pod katerim iz opazovališča “vidimo” določeno strelo, in računska orodja, s katerimi nato na podlagi dveh ali več meritev izračunamo mesto udara.

27

Bistvo te metode je torej natančno merjenje azimuta. Teoretično za izračun mesta zadostujeta dve točki in dva azimuta, kot prikazuje slika 6.5.

α

β

γ

TAB

TBC TAC

Senzor A

Senzor C

Senzor B

Slika 6.5. Izračun lokacije udara s pomočjo dveh azimutov

Smiselno je poudariti, da je za izračun mesta treba upoštevati ukrivljenost zemljinega površja, kar narekuje uporabo sferične trigonometrije. Ker zemlja ni idealna krogla, računamo s povprečnim radijem na območju, kjer izračunavamo lokacijo.

Slaba stran sistema z dvema detektorjema je ta, da so pogreški lokacij, ki ležijo blizu zveznice AB, zaradi slabe matematične pogojenosti lahko veliki. Zato gradimo sisteme, ki imajo vsaj 3 ali več senzorjev ter so postavljeni tako, da njihove zveznice tvorijo približno enakostranične trikotnike.

6.2.3.2 Časovna metoda določanja lokacije razelektritve Za določanje mesta atmosferske razelektritve po časovni metodi potrebujemo najmanj tri senzorje,

ki lahko izmerijo točen čas detekcije elektromagnetnega vala in njegovo jakost. Za doseganje točnega časa, ki je bistveni parameter pri določanju lokacije, se uporablja sinhronizacija na GPS (Global Positioning System), kar zagotavlja natančnost ure senzorja velikosti psevdo-naključne motnje, poznane kot SA (Selecitve Availability), in je manjša od 340 ns.

V tem primeru vsak od senzorjev izmeri čas detekcije. Razlika med časom udara in časom, ko senzor zazna elektromagnetni val, je enaka času, ki ga val potrebuje, da prepotuje pot od točke udara P0(x0, y0) do senzorja.

28

senzor A

senzor B

senzor C

senzor D

∆tAD

∆tAC

∆tAB

∆tCD

∆tBD

∆tBC

P

Slika 6.6. Izračun lokacije udara s pomočjo treh časovnih senzorjev

Matematična analiza enačb za določanje lokacije po časovnem principu pokaže, da za nedvoumno določitev lokacije potrebujemo podatke s štirih senzorjev. To v vsakem primeru podraži sistem in prav ta lastnost je ena od glavnih hib sistema, ki deluje po časovnem principu.

6.2.3.3 Kombinirana metoda Kombinirana metoda združuje prednosti obeh načinov in v zadnjem času zgrajeni sitemi delujejo po

tem principu. Sprejemljivo točnost dobimo na tak način tudi v primerih, ko je kot sekanja azimutov zelo top in bi

sam smerni način dal slabe ali nesprejemljive rezultate. Boljše določanje lokacije omogoča poznavanje časovnih značk obeh meritev, kar omogoča, da se pri izračunu uporabi tudi modficiran časovni algoritem določanja lokacije.

αβ

senzor Asenzor BP

Slika 6.7. Izračun lokacije udara po kombinirani metodi

29

6.2.4 Slovenski sistem za lociranje atmosferskih razelektritev

V Sloveniji od aprila leta 1998 deluje Slovenski center za avtomatsko lokalizacijo atmosferskih razelektritev (SCALAR), s pomočjo katerega zbiramo podatke o strelah med oblakom in zemljo, ki so se zgodile na širšem območju Slovenije. Strele med oblaki je veliko težje detektirati na večje razdalje, saj je ocenjena amplituda takih strel samo okrog 5 kA.

Sistem temelji na dveh časovnih senzorjih, ki sta nameščena v Črnomlju in Novi Gorici, ter osmih kombiniranih senzorjih, ki so postavljeni v Avstriji.

ž

Slika 6.8. Lokacije senzorjev v Sloveniji in Avstriji

Hkrati pa je sistem SCALAR del vseevropskega sistema za detekcijo strel EUCLID (EUropean Cooperation for LIghtning Detection) s prek 100 senzorji, ki pokrivajo večino zahodne in del severne Evrope. Sistem se iz leta v leto širi in zagotavlja visoko redundanco, večjo točnost in učinkovitost lociranja strel.

Slika 6.9: Države, ki so povezane v sistem EUCLID Izračun lokacije strele na podlagi informacij, ki jih posredujejo senzorji se, vzporedno izvaja na

Dunaju (Avstrija) in v Karlsruheju (Nemčija). Za prenos podatkov med senzorji in računskim centrom se uporablja fleksibilno digitalno telekomunikacijsko omrežje, za prenos podatkov na Dunaj ali v Karlsruhe pa javno internetno omrežje.

Shematsko je sistem za detekcijo atmosferskih razelektritev predstavljen na sliki 6.10.

30

Slika 6.10. Shematski prikaz sistema SCALAR

Vsaka zabeležena strela ima več parametrov. Numerični parametri, ki jo definirajo so naslednji: časovna značka, zemljepisna širina lokacije, zemljepisna dolžina lokacije, amplituda toka v kA, število povratnih udarov, večja polos elipse napake, manjša polos elipse napake, naklon elipse in parameter kakovosti.

Glavna parametra, ki govorita o kakovosti sistema, sta točnost in učinkovitost detekcije strel. Sistem SCALAR zagotavlja točnost lokacij pod 500 - 600 m. Dejanska korelacija med izračunano lokacijo strele in znano lokacijo (dobimo jo s primerjavo posledic udarov v stanovanjske objekte in izpadov daljnovodov) pa nakazuje, da je dejansko odstopanje lokacij pod 300 m.

Učinkovitost, ki govori, koliko strel, večjih od 5 kA, detektiramo, je več kot 92-odstotna. Zaradi teh parametrov se sistem SCALAR uvršča med najboljše sisteme za lokalizacijo strel v svetu. SCALAR-jev informacijski sistem je plod slovenskega znanja [14], [15] in temelji na tehnologiji JAVA in internetu, kar omogoča dostop do vseh podatkov o strelah z običajnim spletnim odjemalcem.

6.3 Karta gostote strel

Verjetnost udara strele podajamo z gostoto strel. Karta gostote strel podaja število strel zabeleženih na km2 na leto. Gostota strel se na ozemlju Slovenije giblje v zelo širokem področju od 0,6 – 1,1 strele/km2/leto v Prekmurju, 2,5 – 3,7 strel/km2/leto v ljubljanski kotlini, pa vse do 6,3 strele/km2/leto in več na trnovski planoti. Predvsem zahodni del Slovenije je tudi v evropskem merilu izrazito ogrožen zaradi udarov strel.

Za izdelavo karte je treba določeno geografsko območje razkosati na 1 km x 1 km velike kvadrate in prešteti, koliko strel smo zabeležili v določenem kvadrantu. Zaradi velike količine podatkov je tako

31

nalogo mogoče rešiti samo z računalnikom. Širše območje za izdelavo karte meri kar 51.000 km2, kar je približno 2,3-krat več, kot je površina Slovenije. Trenutno je v podatkovni zbirki več kot 1.200.000 podatkov o strelah.

Izdelava karte gostote strel za širše območje Slovenije iz osnovnih podatkov tako traja nekaj ur, zato si pri obdelavah pomagamo s predprocesiranjem in razvrščanjem strel v podatkovno zbirko, kjer so shranjeni podatki za vsak kvadratni kilometer Slovenije. Kumulativna zbirka nam omogoča, da izdelamo karto gostote v nekaj minutah.

6.3.1 Izpopolnjena metoda izračunavanja karte gostote strel po metodi elipse

Z razvojem sistema SCALAR se je spremenila tudi metoda izračunavanja karte gostote strel. Razvili smo tako imenovano karto gostote strel po metodi elipse [13]. Za razliko od prejšnje metode [11], kjer smo preštevali število udarov v referenčni mreži kvadrantov, izpopolnjena metoda upošteva še elipso napake. Pri tem smo ukinili referenčno mrežo, saj je pri tovrstnih preračunavanjih ne potrebujemo. Uvedli smo Gass-Krügerjevo transformacijo in s tem dosegli dvodimenzionalno linearnost koordinatnega sistema.

Mesto udara strele je točkovni pojav, vedar lahko sistem SCALAR določi le najverjetnejšo točko (koordinato) udara s pripadajočo elipso napake. Prav to elipsasto območje napake, ki je določeno s 50-odstotno verjetnostjo, je najpomembnejši parameter pri izračunu karte gostote strel po metodi elipse. Preštevanje udarov v referenčnih kvadrantih se prelevi v ploskovno utežno označevanje. Pri tem dobi udar strele ploskovni pomen, ki pri točnosti sistema 500 - 600m in z upoštevanjem enakih polosi elipse (površina ~ 1km²) predstavlja utež z enoto 1.

izračunana lokacija strele

manjša polos elipse

večja polos elipse

območje verjetnosti

p ≤ 0,5

p > 0,5

a

b

meja območja s50-odstotno verjetnostjo

večja polos

manjša polos

αnaklon

Slika 6.11. Ogrinjača verjetnosti lokacije v odvisnosti od X - Y koordinate

6.3.1.1 Lastnosti nove metode Z določanjem uteži, ki temeljijo na velikosti površine elipse napake, dosežemo:

koordinatno neodvisnost (nismo vezani na referenčne kvadrante), večjo natančnost, izboljšano (manjšo) razpršenost gostote, da so v izračunu upoštevane lastnosti sistema SCALAR (natančnost, zanesljivost, matematična

pogojenost izračuna lokacije udara), nastavljivo granulacijo preračunavanj.

6.3.1.2 Osnove preračunavanj izpopolnjene metode Obsežnost preračunavanja (pribl. 1.200.000 strel) razdelimo na dva osnovna procesa.

Elipso napake pretvorimo v mrežo diferencialnih poljubno velikih kvadrantov, ki s svojo površino nosijo ustrezni utežni koeficient.

32

Osnovne kvadrante razdelimo na manjše podenote.

Slika 6.12. Diferenciranje elipse napake

Na sliki 6.12 je prikazan princip diferenciacije elipse na nastavljive kvadrante, katerim lahko spreminjamo velikost. Ta pomembno vpliva tako na natančnost karte gostote strel kot tudi na čas preračunavanja. Ker je preračunavanje sorazmerno s kvadratom števila kvadrantov, je velikost kvadrantov omejena na 25 m x 25 m.

Osnovni kvadranti imajo lahko različne velikosti. Najmanjšo velikost omejuje natančnost sistema SCALAR in je 500 m x 500 m.

6.3.1.3 Grafični rezultati karte gostote strel po metodi elipse Zaradi povečanja natančnosti karte gostote strel se lokalno pojavljajo tudi reliefne značilnosti

terena. Na sliki 6.13 je prikazan RTV-oddajnik na Kumu, ki je zelo izpostavljen strelam v primerjavi z njegovo okolico.

Slika 6.13. Prikaz gostote strel za mikrolokacijo RTV-oddajnik na Kumu

Za primerjavo nam slika 6.14 prikazuje dejanske elipse napak in preračunano karto gostote strel po

metodi elipse. Vizualno opazimo odstopanje skupine elips, kar je zavajajoče in ob uporabi prejšnjih metod vnaša določene pogreške. Šele z izpopolnjeno metodo dosežemo dejansko točnost, ki jo lahko primerjamo z znano geografsko lokacijo (v tem primeru Kum).

33

Slika 6.14. Primerjava karte gostote strel po metodi elipse z izvornimi elipsami napake okrog Kuma za obdobje treh let.

Na sliki 6.15 je prikazana praktična uporaba karte gostote strel pri 110-kilovoltnem daljnovodu

Ajdovščina–Idrija. Koridor obsega 1 km široko območje, na katerem sta vidni izpostavljeni mesti s povečano gostoto strel, ki sovpadata z reliefom po katerem gre trasa daljnovoda.

Slika 6.15. Gostota strel okrog objekta 1 km (daljnovod Ajdovščina – Idrija, 110kV)

34

6.4 Verjetnostna porazdelitev amplitud

Verjetnostna porazdelitev amplitud atmosferskih razelektritev podaja verjetnost, s katero se na izbranem območju pojavljajo določene amplitude. Kumulativna verjetnostna porazdelitev pa podaja verjetnost pojavljanja amplitud, ki so manjše od določene vrednosti.

Fizikalno dogajanje, kolikor ga poznamo do sedaj, ne daje zadovoljive osnove za teoretično

določanje verjetnostne porazdelitve. Hkrati pa se pri dimenzioniranju zaščite pred udari uporablja računske metode, kjer je zaželen analitični opis verjetnosti pojavljanja določene amplitude. Na sliki 6.16 sta podani verjetnost in kumulativna verjetnost porazdelitev amplitud atmosferskih razelektritev na območju Kuma, ki jih je zabeležil sistem SCALAR v obdobju treh let.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Amplituda toka [kA]

Verje

tnos

t [%

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Amplituda toka [kA]

Kum

ulat

ivna

ver

jetn

ost [

%]

50 % ->14 kA

95% ->48 kA

80 % ->25 kA

98% ->67 kA

Slika 6.16. Verjetnostna in kumulativna verjetnostna porazdelitev amplitud atmosferskih razelektritev

Kljub temu opazovanja kažejo, da se amplituda pri večini strel podreja verjetnosti, ki jo lahko opišemo [5, 6, 8] z logaritmično normalno porazdelitvijo. Gostoto porazdelitve podamo z naslednjim izrazom

( )( ) 2

p

pln21

pp e

21

−

=σ

σπ

Mx

xxf (6.1)

Porazdelitev je tako v celoti določena z dvema konstantama:

Mp vmesna vrednost porazdelitve (ne srednja vrednost) poljubnega parametra x σp logaritmična (ln) disperzija

Verjetnost pp , da se parameter pojavi znotraj intervala x1 in x2, izračunamo s porazdelitveno

funkcijo

( ) ( )( )

∫∫

−

==2

1

2

p

p

de12

1d

ln21

p

2

1pp

x

x

Mxx

x

xx

xxfxp σ

σπ (6.2)

35

0

1

2

3

4

5

6

7

1 10 100 1000

Amplituda toka [kA]

Verje

tnos

t [%

]

Izmerjene vrednosti

Matematični model normalne porazdelitve

Slika 6.17. Primerjava izmerjenih vrednosti z matematičnim modelom

Verjetnost porazdelitve amplitud lahko tako primerjamo z matematičnim modelom (1). Rezultat

podaja slika 6.17, ki potrjuje ustreznost modela in je zaradi boljše predstave narisana v desetiškem logaritemskem merilu. Pri tem smo amplitudno os izmerjenih vrednosti transformirali v logaritemsko merilo, model Gaussove normalne porazdelitve pa smo vpeli na dobljeno krivuljo. Če bi graf na sliki 6.17 vrnili v prvotno linearno merilo, bi se Gaussova normalna porazdelitev spremenila v logaritemsko normalno porazdelitev (1).

Pri matematičnem modelu so bile izračunane vrednosti: Mp = 10,85 kA σp = 0,478 Pri tem treba poudariti, da je Mp vmesna vrednost porazdelitve že transformirane izmerjene krivulje

in ne mediana, ki je nekaj čez 14 kA. To je razvidno tudi s slike 11, kjer je izmerjena krivulja za malenkost dvignjena od matematičnega modela v zadnjem področju (čez 25 kA), kar posledično prinese prej omenjeno razliko.

36

7. Izo lac i j ski mater ia l i

7.1 Splošno

Na celotni poti električne energije od njenega nastanka v generatorjih v elektrarnah do zadnjega v verigi - transformatorja 20/0,4kV ali včasih 10/04kV - se pojavlja kot izolacijski material med faznimi vodniki ali med vodniki in maso poleg drugih materialov tudi zrak. Gotovo je najbolj razširjen izolacijski material v visokonapetostni tehniki. Pojavlja se v kombinaciji z drugimi izolacijskimi materiali, ki dajejo tokovnim potem potrebno oporo. V strojih in napravah pa dielektrična trdnost zraka ob običajnem tlaku večinoma ne zadošča. Tedaj uporabimo vrsto drugih materialov, katerih lastnosti ustrezajo vsem predvidenim dielektričnim, mehaničnim, termičnim in drugim obremenitvam. Materiali zaradi raznih vplivov spreminjajo svoje lastnosti, se starajo; zlasti nas skrbijo spremembe dielektričnih karakteristik in med temi je na prvem mestu dielektrična trdnost. Izbiro materialov pogosto narekujejo kombinacije potrebnih lastnosti glede na raznovrstnost obremenitev, vselej pa je pomemben gospodarski motiv. Na podlagi obstoječih in poznanih materialov so se uveljavile določene tehnične rešitve, vendar se kot rezultati razvoja pojavljajo nove. Na izbiro materialov danes pogosto vplivajo tudi zahteve glede omejevanja obremenitve okolja in vse večje zahteve za zanesljivost visokonapetostnih naprav, napeljav in postrojev. Konstruktor posameznega izolacijskega elementa mora dobro poznati lastnosti izolacijskega materiala, da bi med elektrodi v električno polje znane jakosti in časovnega poteka ob znanih ostalih obremenitvah (mehanične, termične, kemične) vgradil pravi material.

7.2 Groba razvrstitev dielektričnih materialov

Delimo jih na:

plinaste tekoče in trdne

upoštevaje pogoje njihove uporabe. Pri trdnih izolacijskih materialih pogosto uporabimo v procesu

izdelave impregnacijo s tekočino. Impregnant je vselej tekoč v fazi izdelave izolacije. Kasneje pa je ob delovni temperaturi lahko v trdnem stanju ali v tekočem, kot je to na primer pri kombinirani izolaciji olje - papir.

7.3 Plinasti dielektriki

V našem primeru je najpomembnejša lastnost plinov dielektrična trdnost, ki je močno odvisna od tlaka plina. V primerjavi z drugimi dielektriki, so plini praktično brez dielektričnih izgub. Uporaba plinov ob normalnem tlaku (okoli enega bara) je zelo potratna glede potrebnega prostora. Ne glede na to pa se danes še vedno gradijo nadzemni elektroenergetski vodi, kjer je zrak v naravnem stanju in je njegova relativna gostota odvisna od vremenskih razmer, od tlaka in temperature. V prvi aproksimaciji jemljemo, da je dielektrična trdnost zraka linearno odvisna od relativne gostote zraka: gostejši je zrak, višja je njegova dielektrična trdnost. Tako običajno navajamo dielektrično trdnost za normalne razmere (20°C, 101,3kPa ali 760mmHg) in vrednosti ugotovljene v drugih atmosferskih razmerah (p,T) preračunavamo na normalne ob uporabi korekcijskega faktorja k, za katerega vzamemo lahko v prvem približku k ≈ δ. Relativno gostoto zraka pa izračunamo po enačbi:

0

0

273273

TT

pp

++

⋅=δ (7.1)

37

Raziskave lastnosti drugih plinov pa so pokazale, da imajo nekateri med njimi zelo dobre dielektrične lastnosti, še boljše kot zrak zlasti pri višjih delovnih tlakih. Danes se v visokonapetostni tehniki poleg zraka pojavljajo v uporabi naslednji plini:

dušik (N2) vodik (H2) žveplov heksafluorid (SF6) helij(He)

Dušik je bil pogosto v uporabi za tlačne kondenzatorje (visokonapetostne kapacitivne normale)

vendar ga v zadnjem času pogosto zamenjuje SF6. Vodik ima poleg dielektričnih še zlasti dobre termične lastnosti in je primeren za hlajenje. Zato se

uporablja v velikih turbogeneratorjih. Spektakularen razvoj je naredil SF6 v zadnjih tridesetih letih, Njegovi uporabi v raznih izvedbah

stikalnih aparatov je sledila uporaba v izoliranih razdelilnih postrojih pod tlakom (Gas Insulated Substations - GIS) in končno še v izoliranih vodih (Gas Insulated Lines - GIL).

Helij ima dobre lastnosti ob zelo nizkih temperaturah in ga uporabljajo v eksperimentalne namene pri razvoju supraprevodnih elementov.

Primerjava dielektrične trdnosti plinov v odvisnosti od tlaka je prikazana na naslednjih slikah. Na sliki 7.1 je prikazana vse do tlakov okoli 60 bar za vse omenjene pline, na sliki 7.2 pa navajamo prebojno napetost za konkretno elektrodno konfiguracijo (krogli premera 50mm na razdalji 20mm) in sicer za SF6 in zrak (N2 + O2 ).

Na račun drastično boljše dielektrične trdnosti SF6 in njegove uporabe pod tlakom so se dimenzije postrojev močno zmanjšale. S plinom izoliran razdelilni postroj tvorijo elementi, ki jih srečamo pri konvencionalnem, le da so vgrajeni v dele okrova, ki omogoča sestavo posameznih delov (zbiralnice, ločilniki, tokovniki, napetostniki, odklopniki, prenapetostni odvodniki) v celovit okrov z plinom pod tlakom. Glede na osnovni princip sta v uporabi dve izvedbi: enopolna in tripolna. Pri enopolni je v cevnem oklopu le ena faza, pri tripolnem pa vse tri. Pri enopolni je v celoti rešen problem izolacije med fazami. Zasnova elementov z SF6 izolacijo se precej razlikuje glede na konvencionalno. Kot primer omenjamo obdelavo elektrod. Pri konvencionalni izvedbi smo bili razmeroma hitro zadovoljni, pri oklopljeni pa močno vpliva še tako majhna izboklina. Drugačne so tudi dielektrične lastnosti izolacije. Ker so pomembni elementi v okrovu in nimajo stika z atmosferilijami, ne nastopa problem vlage, dežja , onesnaženja in posledično oksidacije in korozije. Pričakovana življenjska doba takega elementa je pomembno daljša.

Podobno je pri z plinom SF6 izoliranih vodih. Zlasti je treba omeniti možnost za vgraditve vodnikov večjega prereza in s tem doseganja znatno večje prenosne zmogljivost voda v primerjavi s konvencionalnim. Ne nazadnje je omeniti pri enopolni izvedbi rešen problem medfazne izolacije, ki je zaradi stikalnih prenapetosti pri vodih višjih napetostnih razredov (pri nas 220kV in 400kV) odločilen za širino koridorja.

Slika 7.1 Slika 7.2

0 10 20 30 40 50 50

200

400

600

800SF6 zrak N2

H2

He

p 10 Pa[ ]5

E d kV/cm[ ]

20 mm50 mm

0 1 2 3 4 5 6

50

100

150

200

Ud kV[ ]

p [ ]1bar = 10 Pa5

SF6

zrak

38

7.4 Trdni izolacijski materiali.

Vpetje tokovnih vodnikov, ki predstavljajo tokovne poti, ne bi bilo mogoče brez uporabe trdnih izolacijskih materialov. Izhodiščno zahtevamo pri teh materialih poleg mehanske obremenljivosti še dielektrično. Pri materialih, ki se bodo uporabljali na prostem (zunaj zgradb) pa hkrati neobčutljivost osnovnih karakteristik v takšnih pogojih obratovanja. Pomemben vplivni faktor na kakovost izolacije in na njeno stanje predstavlja njena delovna temperatura. Pri delovni temperaturi naj izolacijski material ohrani svoje lastnosti čim daljši čas, govorimo o življenjski dobi izolacije. V zvezi s funkcijo nekega konkretnega izolacijskega elementa po so lahko pomembne še druge lastnosti: toplotna prevodnost, temperaturni koeficient razteznosti in podobno.

Temperatura zelo vpliva na bistvene lastnosti izolacije, zato so se odločili razvrstiti materiale glede na dopustno delovno temperaturo v razrede materialov. V naslednji tabeli so materiali razporejeni po razredih.

Razred

Izolacijski material

Obdelava

Maks. Temp. ºC

Y Bombaž, Celulozna volna, Umetna in naravna svila, Papir, Prešpan, Oljni laki

90

A Bombaž, Celulozna volna, Umetna in naravna svila, Papir, Prešpan

Impregniran z polnilno maso ali tekočim dielektrikom

105

Lakirana žica tudi s celuloznimi folijami, Celulozna folija, Triacetatna folija, Acetubutirat

Impregniran z polnilno maso

Fenolne in melaminske smole z organskim polnilom, Šelakpapir

Strjeno

E

Fenolne in melaminske plastne plošče s papirjem, bombažem, celulozno volno; asfaltni kompaundi z mehčalcem

-

120

Šelak -

Sljuda, Azbest, Stekleni izdelki z organskim nosilcem (Micanit, Micafolija)

Inpregnirano s šelakom

B

Fenolne in melaminske prešane mase z anorganskim nosilcem Strjeno

130

Veziva in inpregnanti obstojni do 155°C npr. Silikon, modificirani z umetnimi laki

_

F

Sljuda, Azbest, Stekleni izdelki z anorganskimi nosilci Impregnirani ali napolnjeni z vezivi do 155°C

155

Čisti silikonski laki ali čista guma - H

Sljuda, azbest ali stekleni izdelki z anorganskim nosilcem Inpregnirano s čistimi silikonskimi laki

180

C Sljuda, Porcelan, Steklo, Steatit, Brez veziva >180

Življenjska doba izolacije je v neposredni povezavi z njeno delovno temperaturo. Montsinger je opredelil to

odvisnost analitično v naslednji enačbi:

∆−

−

⋅= 0

0

20

ϑϑ

ŽŽ TT (7.1)

Kjer pomenijo: TŽ življenjska doba TŽ0 izhodiščna življenjska doba(10 let) θ0 temperatura, ki ustreza življenjski dobi 10 let θ temperatura ∆0 povišanje temperature, ki zmanjša življenjsko dobo na polovico (∆0=8°C)

39

Izolacijski materiali imajo celo vrsto za uporabo v visokonapetostni tehniki pomembnih lastnosti. V naslednji tabeli bomo navedli vsaj nekatere, ker ni namen teh skript v navajanju podrobnih podatkov, ki jih moremo najti v ustreznih priročnikih.

Raz. izol.

Izolacijski material

Prebojna napetost

Up[kV/cm]

Relat. diel. εr

(pri 90ºC)

tgδ [10-3]

(pri 90ºC)

- Transformatorsko olje 60 - 300 2,3 20

- Les 30 - 50 - -

A Papir v olju 200 - 400 4 - 5 15

A Prešpan v olju 150 - 250 4 50

E V olju impregniran lak 600 - 1200 5 200

E Specialni laki 600 - 1200 5 150

B Mikanit 350 3,5 100

B Mika – papir 200 - 250 6 80

F Samicatherm 500 6 30

H Silikon 250 - 500 7,5 60

C Steklena svila 200 - 300 6 1

C Porcelan 340 - 380 6,5 80

C Steatit 200 - 300 6,5 50

C Sljuda 500 - 1000 8 1,5

Izolacijska upornost omenjenih materialov kot lastnost sicer ni primerljiva z ustrezno pri kovinah,

ker njena vrednost pri enosmernem polju ni konstantna, vendar za prvo aproksimacijo navajamo primerjavo na naslednji sliki 7.3.

10 1 10 10 10 10 -5 5 10 15 2 0

ρ [Ω ]cm

Kov

ine

Voda

Izol

acijs

ki

mat

eria

l

Plin

i

Specifi na upornost materialov v elektrotehnikič

Slika 7.3

Ob pojavu enosmernega polja v dielektriku se v njem začne gibanje elektrine. Poskusimo pojasniti dogajanje na preprostem modelu. Predstavljajmo si, da sta v notranji strukturi materiala dve prostorski mreži elementov: prva se obnaša kot kovina in med elektrodama prispeva tok, ki je proporcionalen med elektrodama priključeni napetosti in konstanten (neodvisen od časa). Pravimo mu kondukcijski tok.

Drugo mrežo tvorijo dipolski elementi, ki se zaradi pojava polja začnejo orientirati in prispevajo tok imenovan polarizacijski ali absorpcijski tok, ki postopoma pojema, je torej časovno odvisen in sledi približno naslednjemu zakonu

n

a tUki −⋅⋅= 0 (7.2)

0b priključitvi enosmerne napetosti med elektrodi, nastane polje v dielektriku šele, ko je na elektrodi ("plošči kondenzatorja") dospela elektrina, ki ustreza napetosti in kapacitivnosti med elektrodama. Ta proces spremlja tokovni pojav, ki ustreza že omenjeni napetosti in kapacitivnosti ter notranji upornosti napetostnega izvora. Ta tok za več velikostnih razredov presega izolacijski tok in za spremljanje obnašanja izolacije ni pomemben.

Značilno obnašanje izolacije v času, ki sledi, pojasnjuje njena prevodnost prikazana na sliki 7.4.

kteIi −⋅= 0

40

10-3 10-1 101 103 105t s[ ]

χ

1 min

Odvisnost prevodnostiizolacijskega olja od časaob enosmernem toku

Slika 7.4 Na abscisi je naveden čas t v logaritmičnem merilu v sekundah, na ordinati pa prevodnost χ

tipičnega trdnega izolacijskega materiala brez navedbe vrednosti. Tokovni časovni potek, ki je najbolj razgiban na intervalu med 10 in 1000s, odraža stanje izolacije. Na podlagi empiričnega spremljanja izolacije so bili določeni kriteriji za oceno stanja in kakovosti izolacije.

41

8. Metode za ugotavl janje s tanja izo lac i je

8.1 Uvodne pripombe

Zelo pogosti neposredni vzrok za odpoved visokonapetostne naprave je preboj njene izolacije. Zato obstaja zelo velik interes za ugotavljanje njenega stanja in pričakovane zanesljivosti. Proces spremljanja se začne že ob ugotavljanju kakovosti izolacijskih materialov, ki jih uporabimo v tovarni za njeno izdelavo, vse do kontrole kakovosti na pragu tovarne. Po vgraditvi v elektroenergetski postroj se opravijo predobratovalna preverjanja. V obratovanju se izvajajo kontrole periodično ob zaustavitvah. Nadalje, v času obratovanja se danes srečujemo z velikimi ambicijami za tkzv. "on-line" popolnoma avtomatizirano ugotavljanje stanja. Postopki za diagnozo stanja se načeloma delijo v tri skupine:

destruktivni postopki potencialno destruktivni postopki in nedestruktivni postopki.

Destruktivni postopki se praviloma izvajajo v tovarni in na modelih, da bi se ugotovilo, kolikšna je

rezerva med obremenitvami, ki jih izolacija mora zdržati med potencialno destruktivnimi preskusi in dejansko maksimalno zdržnostjo. Rezultat preskusa je preboj izolacije. Zelo redko se izvajajo na gotovih izdelkih in se večinoma v ta namen pripravijo reprezentativni preskusni vzorci.

Potencialno destruktivni postopki se izvajajo ob dielektričnih (napetostnih) obremenitvah, ki jih

izolacija mora zdržati, da bi zadostila kriterijem za pozitivno oceno pričakovane zanesljivosti. V to skupino spadajo zlasti vsi napetostni preskusi z zdržno napetostjo, kot tudi preskusi, pri katerih je izolacija dielektrično nazivno obremenjena (kot v normalnem obratovanju)

Nedestruktivni postopki praktično ne morejo povzročiti poškodbe izolacije. Jakost električnega

polja je pri teh postopkih vsaj za en velikostni razred nižja od vrednosti v normalnem obratovanju. Nedestruktivne postopke uporabimo vselej, preden bomo izolacijo napetostno obremenili in ni bila dalj časa v uporabi. Najpogosteje tedaj pričakujemo, da se je morebiti navlažila. Zlasti pomembna pa je ugotovitev stanja pred izvedbo napetostnega preskusa. Sem spadajo postopki na podlagi merjenja pojavov ob napajanju z enosmerno napetostjo. Med nedestruktivne diagnostične postopke uvrščamo tudi vse tiste postopke, pri katerih naprava/stroj normalno obratuje in se izvaja diagnostika ob spremljanju in analizi pojavov, ki so posledica obremenitev v normalnem obratovanju. To pomeni, da ne gre za nikakršno dodatno obremenitev in s tem tudi tveganje zaradi diagnoze.

8.2 Merjenje izolacijske upornosti

Izolacijsko upornost merimo v odvisnosti od časa. Merjeni objekt napajamo z enosmerno napetostjo in merimo odvodni tok. Upornost pa izračunamo po U-I metodi. Objekt je lahko enostavni izolator ali veliko bolj kompleksni element. V veliko primerih gre za izolacijski sistem, vendar si upornost predstavljamo vselej kot izolacijski material med dvema kovinskima gmotama na primer dvema navitjema energetskega transformatorja. Vsak del (vsak ovoj) posameznega navitja je na enakem potencialu proti zemlji ali proti drugemu navitju. Z meritvijo zajamemo vsoto vseh odvodnih tokov posameznih delov ene kovinske gmote proti drugi. S tem dobimo globalno (povprečno) sliko stanja. Ne moremo na primer ugotoviti ali je morda k negativnemu rezultatu prispevalo eno samo šibko mesto v izolaciji. Izredno pomembno je, da je priključena napetost zares konstantna (stabilna), kajti sleherno spreminjanje napetosti lahko povzroči tok, kot je navedeno v naslednji enačbi,

dtdUCi ⋅= (8.1)

42

ki se prišteje k izolacijskemu toku in vodi k napačnim zaključkom. Nadomestno shemo vezave in časovni potek toka z navedbo parametrov krivulje i-t prikazuje slika 8.1.

V

A

C R

i

mer jenec

iz

i=f t( )

t

S

i

k

1’

i

i

ai

ki

15’’

'1

''15

''60''15 i

iIP ='10

'1

'10'1 i

iIP =

Slika 8.1 Za nekatere objekte, na primer velike generatorje in transformatorje, obstajajo empirično dobljeni

kriteriji za minimalne vrednosti izolacijskih upornosti in za vrednosti navedenih indeksov polarizacije. Če so dobljene vrednosti pod minimalnimi se izolacija oceni kot nezanesljiva. Splošni kriterij za oceno stanja vlažnosti izolacije na podlagi polarizacijskega indeksa I1'/I10' je, naj indeks ne bi padel pod vrednost 2,5. Izolacija, ki ima nižji indeks je nevarno vlažna. Ni pa samo vlažnost izolacije vzrok za v splošnem nižjo izolacijsko upornost in polarizacijski indeks. Podobno vplivajo na omenjene parametre še posledice staranja izolacije ali včasih tudi prisotnost onesnaženja izolacije.

8.3 Ugotavljanje časovne konstante izolacije

Ko obravnavamo izolacijsko upornost ne omenjamo geometrije izolacije. Upornost je snovno-geometrijska lastnost in z navlaženjem ali onesnaženjem se bo spremenila le specifična upornost, ne pa geometrija. In ker je geometrija zajeta še v enem nam pogosto poznanem ali lahko merljivem podatku, kapacitivnosti objekta, se je uveljavil način ugotavljanja stanja izolacije na podlagi njene časovne konstante τ, kot je definirana v naslednji enačbi:

50'10 CR ⋅=τ (8.2)

kjer pomenita: - R10' izolacijska upornost po času desetih minut in - C50 kapacitivnost objekta izmerjena pri napetosti frekvence 50Hz Produkt obeh veličin ima dimenzijo časa in je neodvisen od velikosti objekta. Časovna konstanta

izolacije močno zavisi od temperature. Izolacijska upornost s temperaturo hitro pada in z njo tudi časovna konstanta, ker se kapacitivnost s temperaturo na merilnem temperaturnem intervalu praktično ne spremeni. Na podlagi dolgoletnih izkušenj in zbranih podatkov za veliko število objektov je nastala krivulja τ = f(T) , ki označuje mejo med suho in vlažno izolacijo, kot prikazuje naslednja slika 8.2.

suha izolacija

vlazna izolacija

][sτ

50'10CR ⋅=τ

][ CT o Slika 8.2

43

8.4 Ugotavljanje povratne napetosti

Med trajanjem obremenitve izolacije z enosmerno napetostjo poteka tudi proces polarizacije dipolov. Gibanje elektrine v izolaciji je merljivi tok in smo ga uporabili za ugotavljanje izolacijske upornosti. Ko se enosmerna napetost izvora odklopi in nastopi obdobje relaksacije (ali depolarizacije), se na elektrodah objekta (ki je vselej hkrati neke vrste "kondenzator") začne nabirati na elektrodah elektrina, ki se zaradi prekinitve tokokroga ne more rekombinirati. Na "kondenzatorju" se pojavi napetost, ki je časovno odvisna. Njen časovni potek zavisi od stanja izolacije. Za boljšo predstavitev dogajanja se tudi tukaj naslonimo na model izolacije omenjen v poglavju 7.4. Govorili smo o dveh mrežah o kondukcijski in o polarizacijski mreži. Na elemente kondukcijske mreže močno vpliva vlaga in njena prisotnost znižuje upornost in kondukcijski tok se poveča. Prevodnost (konduktivnost) materiala vpliva na časovni potek napetosti tako da na podlagi analize časovnega poteka napetosti sklepamo o vlažnosti izolacije. Merilno vezje je na sliki 8.3.

V

A

C R

S Smerjenec

1 2

1 iz V2

Slika 8.3

8.5 Ugotavljanje koeficienta absorpcije

Pri merjenju izolacijske upornosti v odvisnosti od časa (glej 8.2.!) smo na izolacijo priključili enosmerno napetost (v razmeroma hitrem napetostnem skoku) in zabeležili potek toka. Izolacija se je odzvala napetostni obremenitvi. Kako se bo odzvala izolacija, če po določenem času skokovito povišamo napetost na dvojno vrednost in po enakem času na trojno, nato podobno na štirikratno vrednost in tako naprej. Ali lahko pričakujemo, da bo napetostni skok od U→2U povzročil enak tok, kot ob skoku 0→U? Če bi bili elementi v izbranem modelu izolacije (obe "mreži"!) linearni, potem bi bilo obnašanje izolacije ob naslednjem napetostnem skoku podobno prejšnjemu. Koeficient absorpcije Ka nam pove za koliko realne razmere odstopajo od idealnih. Napetost stopnjujemo v primernih skokih ∆U do vrednosti, ki predstavlja obremenitev nad nazivno vrednostjo in ta preskus uvrščamo hkrati med napetostne preskuse, ki so potencialno destruktivni.

Merjenje koeficienta absorpcije temeljimo na izhodišču, da se konduktivna komponenta toka v

izolaciji linearno veča z napetostjo in da se absorpcijska spreminja po naslednjem zakonu:

na tUki −⋅⋅= 0' (8.3)

in na dejstvu, da dejanske razmere odstopajo od te norme. Postopek ugotavljanja koeficienta se

odvija kot sledi (vezje je na sliki 8.4). Na izolacijo se priključi napetost stopničaste oblike s prvo stopnico na primer višine 2kV in časovne dolžine 10 minut, naslednje stopnice so enake višine, le da je trajanje le po 5 minut. Vseh stopnic je pet in skupno trajanje preskusa oziroma meritve je 30 minut.

44

Označimo absorpcijske tokove z ia. Skupni tok pa tako, da je izračunani (normirani) tok označen s črtico in z indeksom spodaj, ki pomeni čas od začetka meritve (na primer i15’), dejansko izmerjeni tok pa z dvema črticama in indeksom, ki navaja čas (na primer i15'' ). Skupni tok, ki ga prispeva po določenem času le del skupne napetosti ∆U pa označimo le z navedbo časa (na primer i15 ).

Skupni normirani tok po času τ ob U0 bo v splošnem:

kn

ka iUkiii +⋅⋅=+= −τττ 0 (8.4) Izračun skupnega normiranega toka po na koncu vsake stopnice pa je naslednji:

21,15 515 k

nk

n iUkiUki +⋅∆⋅++⋅∆⋅= −− (8.5) Ker je konduktivni tok, ki ga prispeva napetost ene stopnice za vsako stopnico enak (vsak ∆U

prispeva enak ik) torej je ik1= ik2 = ik3 = . . .= ikm . Temu sledi splošna oblika za izračun normiranih tokov:

2,15 2515 k

nn iUkUki +⋅∆⋅+⋅∆⋅= −− (8.6)

2,20 351020 k

nnn iUkUkUki +⋅∆⋅+⋅∆⋅+⋅∆⋅= −−−

2,25 45101525 k

nnnn iUkUkUkUki +⋅∆⋅+⋅∆⋅+⋅∆⋅+⋅∆⋅= −−−−

2,30 5510152030 k

nnnnn iUkUkUkUkUki +⋅∆⋅+⋅∆⋅+⋅∆⋅+⋅∆⋅+⋅∆⋅= −−−−− Koeficienti absorpcije kažejo razmerje odstopanja od normirane vrednosti skupnega izolacijskega

toka

'15

''15

15 iiKa = '

20

''20

20 iiKa = '

25

''25

25 iiKa = '

30

''30

30 iiKa = (8.7)

Ta metoda se večinoma uporablja za diagnostiko trdne izolacije pri visokonapetostnih rotacijskih

strojih, zlasti pri statorski izolaciji velikih generatorjev in motorjev. Vrednosti koeficienta absorpcije so pri dobri izolaciji pod 2, pri zelo starani pa lahko dosežejo tudi 5 – 6.

Stopničastigenerator

Predupor

KVA

Objekt

Mikro ali nano A-meterz zapisovalcem

Slika 8.4

45

8.6 Nizke frekvence in polarizacijska spektralna analiza

Pri dosedanjem opazovanju gibanja elektrine v izolacijskem materialu (pojav polarizacije smo precej poenostavili!) smo izhajali iz predpostavke, da je med procesom gibanja elektrine jakost polja konstantna in je ves čas veljala enačba (7). Procesi gibanja elektrine se gotovo spremenijo v razmerah, ko velja:

( ) )(tEtD ⋅= ε (8.8) Želimo zajeti in vrednotiti gibanje elektrine ob časovno odvisni napetosti. Merilno so postopki

razmeroma zahtevni in zapis toka ob napetosti sinusne oblike vodi do vrednosti kota med tokom in napetostjo. Posnetek vrednosti tgδ v odvisnosti od frekvence, ki jo variramo od zelo nizke vrednosti (10-4Hz) pa vse do vrednosti nekaj kHz. Z višanjem frekvence se pri objektih večjih kapacitivnosti lahko uporabi le dovolj nizka napetost. Metoda je še v fazi razvoja in o njej poročajo na znanstvenih konferencah si pa strokovnjaki od nje obetajo veliko zlasti za ocenjevanje stopnje ostarelosti izolacije.

8.7 Merjenje kota dielektričnih izgub

Elektrodno konfiguracijo (dve kovinski gmoti), ki ju električno izolira vmesni dielektrik, lahko opazujemo kot kondenzator in običajno to v visokonapetostni tehniki naredimo, razen v primeru, ko na elektrodi priključimo hitre napetostne pojave. Tak realni kondenzator lahko prikažemo kot par:

idealni kondenzator in paralelni upor idealni kondenzator in serijski upor.

Na naslednji sliki je prikazana nadomestna vezava za oba primera.

Slika 8.5 a) Slika 8.5 b) Kot dielektričnih izgub δ izražamo z vrednostjo tgδ absolutno ali relativno v % ali ‰, od vrednosti

tgδ=1 (kar ustreza δ=45º). Če je le mogoče, merimo kót pri približno nazivni napetosti (in nazivni frekvenci napajalne napetosti). Zapišemo pa tudi vrednosti pri nižjih napetostih in ugotavljamo kolikšen je prirastek na posameznem napetostnem intervalu. Uveljavil se je kriterij prirastka ∆tgδ/0,2Un . Čim nižji je prirastek tem bolj homogena je izolacija. Prirastek tgδ z napetostjo je običajno tudi proporcionalen intenzivnosti delnih razelektritev. Kót običajno merimo s Scheringovim mostičem ter s posebnimi vezavami, da bi se izognili raznim vplivom (na primer ob ozemljenem objektu). Tipično shemo vezave prikazuje slika 8.6

CX RX U

U

ICx

IRx

I

tg =δIRx

ICx= 1

R CX X ω

I =Rx

URX

; I = UC x ωCX

δ

Odvisnost od !Male frekvence > tg Velike

ωδ

frekvence < tg δ

ω

CX

RX

U

UCx

URx

tg =δUR x

UC x= R CX X ω

U = I RR x X

δ

; U =C x

IωCX

U

I

I ω

46

Slika 8.6

8.8 Merjenje delnih razelektritev

Merjenje delnih razelektritev (merjenje PD) lahko poteka električno, ultrazvočno ali optično. Pojav sam nastaja v notranjosti sicer zdrave izolacije (glej poglavje 5!) in povzroči električni, akustični in svetlobni učinek. Pogosto je že zajetje intenzivnosti pojava moteno in še težje je ugotavljanja mesta izvora razelektritev. Z električnim odkrivanjem in merjenjem najpogosteje ugotavljamo vrednost navidezne elektrine PD. Merjenje izvajamo podobno kot merjenje kota dielektričnih izgub do nazivne napetosti, včasih pa tudi med napetostnim preskusom izolacije. Ko odkrivamo in merimo pojav električno, predstavljajo velik problem motnje (korona na VN priključkih, električni prehodni pojavi iz napajalnega dela tokokroga, tuja VF polja in podobno) in v izogib motnjam so se uveljavili razni principi zajetja pojava z širokopasovnim ojačenjem oziroma ozkopasovnim ojačenjem. Kvaliteto odkrivanja in merjenja PD določa občutljivost meritve. Koristni signal mora presegati motnje, da dosežemo zadovoljivo S/N razmerje.

Pojav zajamemo lahko kompleksno, da ugotovimo strukturo impulzov po amplitudi, fazi in številu in jih prikažemo v prostorskem koordinatnem sistemu (primere PD prikazujemo kot prstni odtis - "finger-print"). Osnovno vezje za merjenje delnih razelektritev je prikazano na naslednji sliki.

VN Tr. Merjenec

C

Ck

Zvezni kondenzator

Zm

Merilnik

PDFI

LT

ER

FI

LT

ER

Napajanje

Merilnaimpedanca

Slika 8.7

Glavni elementi vezja so:

izvor napetosti s primerno regulacijo, zvezni kondenzator, ki predstavlja za visokofrekvenčni pojav praznitev majhno impedanco. filter, ki prepreči vdor motilnih pojavov v merilni tokokrog, merilnik napajalne visoke napetosti, merilni sistem PD (merilnik impulzov z števcem impulzov po amplitudi in fazi, shranjevanje

podatkov, obdelava podatkov za slikovni prikaz)

VN SN NN

R3

Cn

V

R4

C4

VN

NN

VN:SN(NN+M)

47

Napetost postopoma dvigamo in zapisujemo vrednosti pri posameznem napetostnem nivoju, oziroma naredimo posnetek PD.

Intenzivnejše PD, ki so karakteristične za pospešeni proces staranja ali oznanjujejo možni bližnji defekt (odpoved) izolacije pa je možno odkriti s pomočjo zajetja ultrazvočnega signala. Zajamemo ga s posebnimi ultrazvočnimi sondami, ki jih namestimo na preskušani aparat ali stroj. Za presojo stanja obstajajo kriteriji mejnih vrednosti ultrazvočnega signala. S pomočjo ultrazvočnih metod je včasih možno tudi lociranje izvora delnih razelektritev.

V raziskovalne namene se izvaja uspešno odkrivanje PD s pomočjo optičnih senzorjev. Pri trdnih

izolacijskih materialih gre to le v primerih prosojnih materialov. Dosegamo pa zaenkrat še dokaj nizko občutljivost meritve.

8.9 Kriteriji in analiza rezultatov ter ocena

Neregularen proces staranja izolacije, nezanesljivost izvedbe meritve, pomanjkanje podatkov o dogajanjih v času obratovanja izolacije, nezanesljivi kriteriji glede dopustnih vrednosti in podobno vplivajo na zanesljivost presoje stanja izolacije. Zanesljivost presoje bo zadovoljiva, če:

se diagnostika izvaja s pomočjo več različnih postopkov, se diagnostika izvaja dovolj pogosto in so na razpolago rezultati prejšnjih meritev.

Trendi v spremembi posameznih pojavov oziroma njihovih značilnih parametrov nas vodijo pri

izdelavi kompleksne ocene stanja izolacije. Za posamezne pojave so v standardih za opremo navedene mejne vrednosti, ki veljajo za novo

opremo (npr. za tgδ, za prirast tgδ, za delne razelektritve in podobno). Za izolacijo v obratovanju in za mejne primere, pa obstaja vrsta zanesljivih kriterijev.

48

9. Razporedi tev potencia la vzdolž dolg ih s truktur

9.1 Uvodna pojasnila

Z izrazom strukture so mišljene sestave enakih ali podobnih elementov serijsko povezanih s priključkoma na obeh koncih. Če v ilustracijo navedemo nekaj značilnih primerkov, je smiselno najprej pojasniti primer navitja velikih transformatorjev. Tako navitje sestavlja večje število ovojev, ki si sledijo vzdolž osi navitja. Vzemimo navitje ene faze trifaznega navitja transformatorja v vezavi "zvezda". V prvem približku se obratovalne napetosti posameznih ovojev od nevtralne točke do faznega priključka prištevajo in v tem smislu narašča potencial od vrednosti nič (če je nevtralna točka ozemljena) do vrednosti U/√3=Uf, če je U medfazna napetost na navitju transformatorja. Napetost enega ovoja sledi znani zakonitosti

Φ⋅⋅⋅= NfU 44,4 (9.1)

Seveda veljajo navedene ugotovitve za napetosti omrežne frekvence. Ob napetostnih pojavih, ki so

veliko hitrejši pa omenjeno ne velja več. Vsekakor so taki hitri pojavi prenapetosti, ki so posledica udarov strel v naprave v elektroenergetskem omrežju.

V vrsti primerov struktur sestavljenih iz večjega števila enakih izolatorjev v dolžini več metrov pa

do nelinearne (neenakomerne) razdelitve potenciala pride že pri napetosti omrežne frekvence. To so podporni izolatorji, izolatorji za nadzemne vode (kapasti ali paličasti), izolatorski skozniki (na velikih transformatorjih so dolgi več metrov) in podobno.

Posebej pomembno je poznavanje mehanizma nelinearne razporeditve potenciala pri napetostnih delilnikih za hitre pojave v laboratorijih za visoke napetosti (LVN) in visokonapetostnih preskuševališčih nasploh.

9.2 Primer verige izolatorjev

Primer verige izolatorjev moremo obravnavati na dva načina, najprej na enostavnejši, ko uporabimo nadomestno shemo z kapacitivno zvezo le proti masi, sicer pa uporabimo kompleksnejši model s kapacitivnostmi tudi proti faznemu vodniku. Shemo prikazuje naslednja slika

C cC cC cC c

cC cC cC

C cC cC cC c

cC cC cC

C

k

k

k

k

k

k

k

k

a) b) Slika 9.1

49

Oglejmo si najprej, kako je razporejen potencial ob omrežni napetosti na verigi, če izhajamo iz modela verige na sliki 9.1 a). Kapacitivnost posameznega člena označimo z C , parazitno kapacitivnost proti masi pa z c . Naj ima celotna veriga N členov, poljubni člen pa označimo z n . Za kapacitivne tokove skozi posamezne člene velja: In=ωC(Un-Un-1) in podobno in=ωcUn . Podobno lahko ugotovimo za tokove v ostalih vejah. Enačba ravnotežja tokov je naslednja

( )11 )( −+ −−−=⋅ nnnnn UUUUUCc

(9.2)

Ob predpostavki, da je število členov dovolj veliko, pretvorimo to diferenčno enačbo v naslednjo

diferencialno enačbo:

UCc

dnUd

⋅=2

2

(9.3)

Rešitev nam poda razporeditev potenciala vzdolž verige v naslednji obliki

NshnshUU gn γ

γ⋅=

Cc

=γ (9.4)

Čim večje je razmerje c/C , bolj nelinearna je razporeditev potenciala, kot prikazuje slika 9.2a).

Najbolj so obremenjeni prvi elementi, bližje visokemu potencialu, torej bližje vodniku. To je rezultat uporabljenega modela, sicer pa moramo ob analizi oceniti, kolikšne so kapacitivnosti posameznih elementov proti vodniku in jih upoštevati, kot je prikazano v nadaljevanju.

Podobni model, kot je prikazan na sliki 9.1a) lahko uporabimo za analizo primera, ko upoštevamo

le parazitne kapacitivnosti proti vodniku, ki jih označimo z k (predstavljajmo si shemo, če na sliki 9.1b) odstranimo kapacitivno povezavo z zemljo - zbrišemo kondenzatorje z oznako c ) . V tem primeru izvedemo podobni postopek kot zgoraj (glej enačbo 9.3), le da je rezultat naslednji:

( )gUUCk

dnUd

−⋅=2

2

(9.5)

Potek potenciala vzdolž verige je za omenjeni primer prikazan na sliki 9.3b). Potencial kaže v tem

primeru zrcalno sliko poteka, ko upoštevamo le kapacitivne povezave z zemljo. Z večanjem razmerja k/C postaja potek vse bolj nelinearen, najbolj so obremenjeni elementi blizu zemlje.

Dejansko pa je izolator daljnovoda vključno z armaturami (rogljiči ali obroči) izveden tako, da je

smiselno uporabiti kompleksni model, ki upošteva tako kapacitivno zvezo z vodnikom, kot tisto z zemljo.

50

1,00.90,80,70,60,50,40,30,20,1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10,3

0,05

UnUg

n

0

01C

=∞

=k

1,00.90,80,70,60,50,40,30,20,1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10,3

0,05

n

0

UnUg

01C

=∞

=c

a) b)

Slika 9.2 Če pa naj upoštevamo model s kapacitivno povezavo tako proti masi, kot tudi proti faznemu

vodniku, kot je prikazan na sliki 33 b), potem pridemo analogno kot zgoraj do diferencialne enačbe

( )gUUCkU

Cc

dnUd

−+⋅=2

2

(9.6)

Njena približna rešitev je ob upoštevanju robnih pogojev

n=0→U=0 n=N→U=U

naslednja:

( )Nsh

NshNnshnshUU

g

n

ζζζκζκζχ +−+

= (9.7)

Kjer so: c/C=χ , k/C=κ in χ+κ=ζ Pri vrednostih koeficientov χ in κ pod približno 10 je nelinearnost že zelo izražena. Ko prevladuje med parazitnimi kapacitivnostmi c , je potek potenciala podoben prikazanemu na

sliki 9.2a), če pa prevladuje zveza z vodnikom, torej k , potem je slika zrcalna, kot kaže slika 9.2b). Zanimiv je potek, ko sta oba vpliva v ravnotežju ( c = k ). Tedaj je krivulja simetrična in sta najbolj

napetostno obremenjena prvi in zadnji člen v verigi. Sklepamo lahko, da se da lineariziranje poteka potenciala reševati na različne načine:

S primerno izbiro armatur (povečanjem k z vgraditvijo zaščitnih obročev. S stopnjevanjem kapacitivnosti v glavni veji ( C ) in sicer tako, da izberemo za člen, ki je

najbližje vodniku največji C in ga nato postopoma manjšamo. Izolatorjev z različnimi vrednostmi kapacitivnosti med kapo in betičem ni enostavno dobiti in vgraditi.

S približevanjem vodnika spodnjemu izolatorju oziroma s snopastimi vodniki. S povečanjem kapacitivnosti C na račun manjše debeline izolacije med betičem in kapo, kar pa

gre lahko na škodo notranje zdržne napetosti izolatorja. Upoštevati je tudi, da imajo armature še drugo nalogo in sicer varovanje izolatorske verige pred škodljivim vplivom obloka, kar omejuje izbor rešitev za linearizacijo potenciala vzdolž verige.

51

9.3 Primer navitja (transformatorja ali dušilke)

Navitje lahko najprej predstavimo kot induktivnost. Počasni napetostni pojavi poženejo skozi navitje induktivni tok, vsak ovoj ima praktično enako induktivnost in linearna razporeditev potenciala je s tem zagotovljena. O "parazitnih kapacitivnostih" prikazanih v naslednji sliki in njihovem vplivu ni potrebno razmišljati, ker je pri omrežnih frekvencah zanemarljiv.

i

iK

Cdx Cdx CdxKdx

Ldx i + δiδx dx

Ik +δiK

δx dxP

x

Kdx

a) b)

Slika 9.3

Kot bomo spoznali v naslednjem analitičnem prikazu, dozemne in medovojne kapacitivnosti prispevajo ob hitrih napetostnih pojavih k znatni porušitvi linearnosti razporeditve potenciala. Na podrobnejši sliki smo v simetralo navitja postavili os x in infinitizimalno majhne razporejene elemente izrazili s specifično vrednostjo na dolžino za kapacitivnosti in induktivnost in diferencialom dx. V ta namen smo uporabili oznake

L induktivnost na enoto dolžine C dozemna kapacitivnost na enoto dolžine K medovojna kapacitivnost na enoto dolžine i tok v vodniku tuljave iK tok v vzdolžni kapacitivni zvezi.

Iz omenjenega sledijo tri enačbe:

( )tuC

xii K

∂∂

⋅−=∂+∂

(9.8)

txuKiK ∂∂

∂⋅−=

2

(9.9)

tiL

xu

∂∂

⋅−=∂∂

(9.10)

Če jih združimo, dobimo naslednjo diferencialno enačbo:

022

4

2

2

2

2

=∂∂

∂⋅+

∂∂

⋅−∂∂

txuLK

tuLC

xu

(9.11)

Rešitev poiščemo z nastavkom

tjtj eeUu αω ⋅⋅= (9.12)

kjer sta

LKLC

21 ωωα

−±= ,

+

=21 α

αω

CKLC

(9.13)

52

Splošno rešitev najdemo v obliki

( )∑ −+=n

tjjn

jn eebeau nn ωκακα (9.14)

Manj splošna rešitev velja za pravokotni napetostni skok enotin skok na vhodu navitja. V prvi

aproksimaciji lahko atmosferski napetostni udar ponazorimo z enotinim skokom. Dobimo enostavnejšo rešitev, ki pa velja samo za začetno razporeditev potenciala. V praktičnem smislu nas to zadovolji, ker so kasnejša dogajanja (napetostni pojavi) razmeroma dobro dušeni in predstavljajo manjši problem od začetnega dogajanja.

Ob začetku prehodnega pojava ob naletu udarnega vala na navitje se le-to odzove kot veriga kondenzatorjev (podobno kot je bilo ugotovljeno za verigo izolatorjev z enim prečnim odvajanjem (samo kapacitivnosti proti masi) in sledi razporeditev potenciala hiperbolični funkciji. Ravnotežna enačba za točko p na sliki 9.3b) je naslednja:

00220

200

0 =∂∂

+

∂∂

−∂∂

−+

∂∂

+dxKdx

xu

dxKdx

xudx

xuCdxdx

xuu (9.15)

S preoblikovanjem dobimo podobno diferencialno enačbo kot v primeru verige izolatorjev z enim

prečnim odvajanjem:

020

2

uKC

dxud

= (9.16)

Če postavimo še robne pogoje in sicer:

x=0 u=1 x=l u=0

če je l dolžina tuljave v aksialni smeri, bo razporeditev potenciala:

( )lsh

xlshuγ

γ −=0

KC

=γ (9.17)

Na začetno razporeditev potenciala vzdolž navitja vpliva faktor γ , oziroma razmerje med prečno in

vzdolžno kapacitivnostjo. Ko je γ zelo majhen, je razporeditev potenciala praktično linearna. Ukrepi za linearizacijo potenciala vzdolž navitij zasledujejo iste cilje:

Stopnjevanje vzdolžne kapacitivnosti s posebnim načinom navijanja prvih ovojev (tkzv. "Porušeno navijanje")

Konstrukcijski ukrepi za uravnotežanje kapacitivnih zvez. Sicer pa je začetne prenapetosti mogoče omejiti z dodatno zaščito pred prenapetostmi z vgrajenimi

nelinearnimi kovinskooksidnimi upori.

53

9.4 Izhod palice statorskega navitja generatorja iz utora statorskega paketa

Palica navitja statorja pri velikih generatorjih je del statorskega navitja. Ker gre pri velikih generatorjih za izredno velike tokove, ima vodnik statorskega navitja izredno velik prerez in je tudi zaradi mehanske togosti prejel naziv "palica". Položen je v utor statorskega paketa. Palice, ki so blizu faznega priključka imajo proti paketu napetost, ki je lahko preko 20kV. Iz podobnih razlogov kot je bilo zgoraj omenjeno, prihaja do zelo močnih polj vzdolž tistega dela palice, ki je izven utora in se imenuje glava navitja. Primer je shematično prikazan na sliki 9.4b).

PREREZ SKOZNIKA Metalizirana obloga

vodnik

IZHOD PALICE IZ UTORA

prevodni premaz polprevodnaobloga

vodnik

izolacija

a) b)

Slika 9.4

Uporovno krmiljenje uporabimo tudi v tem primeru. Običajno se v ta namen uporabljajo premazi z nelinearno karakteristiko prevodnosti, ali na drugi način nanesen uporovni material (npr. uporovna vrvica ali trak).

9.5 Tuji vplivi na razporeditev potenciala vzdolž dolgih izolatorjev

Najpogosteje se razporeditev potenciala, takšna kot je bila dosežena pri novem elementu, spremeni zaradi vpliva snovi, ki se nabirajo na zunanji površini izolatorjev. Praviloma je to pri izolatorjih, ki so na prostem. Že dež in sneg močno vplivata na obnašanje izolatorjev in zlasti na porazdelitev potenciala vzdolž plazilne poti. Ravno s tem namenom je plazilna pot, to je najkrajša pot vzdolž celotne površine izolatorja med obema elektrodama, s primernim oblikovanjem izolatorjevega telesa, podaljšana. Pri tem seveda mislimo na vse vplive, ki jih na mestu vgraditve izolatorja lahko pričakujemo. Govorimo o tuji oblogi na površini izolatorja. Površinska upornost čistega izolatorja je zelo visoka in tuja obloga jo drastično zniža. Običajno se pojavi na posameznih odsekih površine izolatorja vzdolž poti med elektrodama. Ker je upornost dela izolatorja s tujo oblogo bistveno nižja od ostalih delov se napetost porazdeli praktično le na tiste dele izolatorja, kjer obloge ni. S tem se specifična obremenitev teh delov poveča in napetostna zdržnost izolatorja zniža.

Proces ni statičen, ker se obloga ob dežju vlaži in se upornost dodatno zniža, kar povzroči znatne izgube na površini izolatorjev in neenakomerno sušenje obloge ter s tem posledično spremembe površinske upornosti. Proces je zelo kompleksen in se odvija naključno.

Onesnaženje površine izolatorjev je različnega izvora. Omenimo le nekatere:

Slana megla na obalah, ki so tako orientirane, da pihajo močni vetrovi iz smeri morja na obalo, Industrijsko onesnaženje kot posledica smoga, Vpliv intenzivne uporabe umetnih gnojil v bližini visokonapetostnih naprav Droben prah zemlje ali droben pesek, Kemične snovi v bližini kemične industrije ipd.

54

Računati je s kombinacijami posameznih vplivov in vlaženjem obloge. Poleg znižane napetostne zdržnosti pa v nekaterih primerih spremenjena razporeditev potenciala

zaradi tuje obloge usodno vpliva na njeno zanesljivost. To se dogaja v primerih vpliva tuje obloge na razporeditev potenciala vzdolž kovinskooksidnih prenapetostnih odvodnikov brez iskrišča. Upornost nelinearnih uporov odvodnika je v obratovalnih razmerah izredno visoka in na razporeditev potenciala vpliva v glavnem kapacitivnost aktivnega dela odvodnika. Posmezni nelinearni uprovni elementi predstavljajo veliko serijsko kapacitivnost C . Tuja obloga ima pogostoma večji vpliv od serijske kapacitivnosti in deli odvodnika, ki prevzamejo višjo napetost so lahko "žrtev" tuje obloge in te preobremenitve ne zdržijo.

Rešitev tega problema je v uporabi izolatorjev z uporovnim krmiljenjem potenciala, ki pa je razmeroma draga.

Sicer pa je v zvezi z uporabo izolatorjev za posebej ogrožena področja potrebno intenzivnost vpliva poznati in z reprezentativnimi preskusi dokazati, da je ob določeni intenzivnosti vpliva tuje obloge napetostna zdržnost izolatorja zadovoljiva.

55

10. Proizvajanje in merjenje v i sokih izmeničnih napetost i

10.1 Splošno

Obravnava visokih izmeničnih napetosti v tem okviru se nanaša izključno na naprave za potrebe preskušanja v laboratorijih in preskuševališčih industrije visokonapetostne opreme. Preskušanje z visoko izmenično napetostjo se je uveljavilo zlasti zato, ker je njeno proizvajanje razmeroma enostavno in so se zato že zelo zgodaj odločili preskusiti izolacijo z napetostjo, ki je višja od obratovalne. Omenimo nekaj razlogov za to:

Izolacija dejansko kratkotrajno doživlja napetostne preobremenitve, ki presegajo najvišjo

obratovalno napetost omrežja Um oziroma najvišjo napetost opreme Um (TOV), Za nekatere izolacije je poznana dokaj zanesljiva korelacija med napetostno zdržnostjo ob

obremenitvi z izmenično napetostjo sinusnega poteka oziroma z napetostmi drugačnega časovnega poteka,

Zaradi uveljavljene inženirske prakse v določenih okoljih, se je ta postopek zasidral med standardne postopke, ker je enostaven ali cenen in le počasi so ga uspeli nadomestiti z ustreznejšimi, vsaj za tista preverjanja izolacije, kjer nam zdržnost ob visoki izmenični napetosti zares ne pove veliko.

10.2 Vrste bremen ob preskusih z izmenično napetostjo

Večina bremen pri teh preskusih je kapacitivnih. Pojavljajo se tudi induktivna bremena, ki pa so običajno z magnetnim jedrom (transformatorji, dušilke, instrumentni napetostni transformatorji) in je za te primere ob povišani napetosti treba uporabiti izvor z višjo frekvenco, da ne bi obremenili magnetnih jeder s previsokimi magnetnimi gostotami. Kapacitivnost bremen se giblje od nekaj pF (pikofaradov) do nekaj µF na zelo visokih napetostih. Če ima podporni izolator za 400kV le nekaj pF, pa bo imel 3km dolg 400kV kabel že preko 1 µF .

Za posebne preskuse v pogojih onesnaženja izolatorske površine pa so potrebni izvori večjih moči za uporovna bremena.

Potrebna moč izvorov se glede na potrebno preskusno napetost in kapacitivno breme izračuna po naslednji enačbi:

CUP ω2= (10.1) S tem seveda še nimamo nazivne moči izvora, ker moramo še računati ali bomo izvor uporabili pri

njegovi polni napetosti ali pri nižji. Ne nazadnje je pri izvorih visokih napetosti nekoristno poznavanje nazivne moči enako kot pri močnostnih transformatorjih, saj se praktično vselej uporabljajo le za enominutne preskuse. Obremenljivost izvora je sicer potrebno poznati glede na trajni tok a zlasti glede stopnje preobremenljivosti z navedbo dopustnega časa preobremenitve.

Včasih izvor, ki ga bomo uporabili, nima zadovoljive moči ali zadovoljive končne napetosti. V prvem primeru si pomagamo z kompenzacijo s paralelno dušilko. Vezje in kazalčni diagran prikazuje naslednja slika 37 a).

UT

iT

ie iC

ω

iT ie

iC

U = U = Ui = i - iP = U i

T L C

T C e

T T⋅

1ω⋅C

ω⋅L

i

UTU =C

iω⋅C

U = LL ω⋅

UT

i

ω

Slika 10.1 a) b)

56

Napetost transformatorja UT je enaka kot napetosti na dušilki in na bremenu (UL , UC ). Tok kondenzatorja iC prehiteva napetost za π/2 , tok dušilke ie zaostaja za π/2 in se odšteva in tako je potrebni tok transformatorja iT manjši in tako tudi navidezna moč PT . Podobno si pomagamo ob prenizki napetosti izvora z vezjem z zaporedno dušilko , kot prikazuje slika 37 b). Ob istem toku i tokokroga sta si padec napetosti na dušilki UL in padec napetosti na bremenu (kapacitivnost) UC v opoziciji in se odštevata. Napetost transformatorja UT je tako lahko nižja.

10.3 Osnovne preskusne vezave glede na način napajanja

Preskusne vezave so prikazane na sliki 38 in jih tvorijo: a) regulacijski transformator, VN transformator, merilna naprava in breme, b) sinhronski generator, VN transformator, merilna naprava in breme, c) spremenljivi upor (lahko je tudi spremenljiva dušilka), VN transformator, merilna naprava

in breme Poleg omenjenih se srečujemo v laboratorijih najvišjih napetosti tudi z vezavami enakih

transformatorjev v kaskadi. Glede na to, da so transformatorji teh napetosti iz vrste razlogov v izolacijski tekočini (transformatorsko olje) zahteva en transformator za celotno izhodno napetost izolacijo za to napetost proti vsem delom (vključno nizkonapetostnemu navitju) ki so na potencialu zemlje ali praktično na potencialu zemlje. S transformatorji v kaskadni vezavi se temu izognemo z dodatnim nižjenapetostnim navitjem na izhodnem potencialu, ki služi za napajanje primarnega navitja naslednjega transformatorja. Naslednji transformator v kaskadi mora biti v celoti izoliran od zemlje za napetost, ki ustreza izhodni napetosti prve stopnje. Podobno je z naslednjo stopnjo.

Poleg prednosti, da je vsak izmed transformatorjev izoliran le za lastno napetost je prednost tudi v

dejstvu da je vsaka izmed posameznih enot lažja. Končno pa je prednost tudi v primeru defekta enega izmed transformatorjev; ostale lahko uporabimo in zgubimo le del napetosti (1/3 ali 1/4, pač glede na število enot v kaskadi). Kaskadno vezavo prikazuje slika 38

iV

UV1

UV2

UV2

UV

U U + U + UV V 1 V2 V3≅

Slika 10.2

57

10.4 Merjenje visokih izmeničnih napetosti

10.4.1 Splošno

Za ugotavljanje ali odmerjanje obremenitve izolacije z izmenično napetostjo je njen najpomembnejši parameter njena temenska vrednost. Zato ob merjenju, ne glede na obliko napetosti, ki po standardih sme le minimalno odstopati od sinusne oblike, vselej merimo njeno temensko vrednost in jo navajamo deljeno s √2. Torej je naša veličina h kateri ob merjenju stremimo Ū/√2.

Najbolj preprost in grob način za ugotavljanje temenske vrednosti napetosti je krogelno iskrišče. Napetosti, ki bo obremenila izolacijo in katere vrednost bi želeli poznati pa ob pomoči krogelnega iskrišča direktno ne moremo izmeriti. Uporabili ga bomo kot referenco za umerjanje drugih merilnih priprav.

Pomemben element merilnega sistema je napetostni delilnik. V ta namen se v preskusni tehniki uporabljajo skoraj izključno kapacitivni delilniki, katerih visokonapetostni del je pogosto izoliran s plinom (N2 , SF6 ) , da lahko služi tudi kot normalni kondenzator pri merjenju tgδ ali kot zvezni kondenzator pri merjenju delnih razelektritev.

Na nizkonapetostni (sekundarni) del delilnika priključimo merilni inštrument, ki reducirano napetost (bolj ali manj verno, zavisi od točnosti delilnika!) izmeri. Na sekundarni strani delilnika lahko priključimo analogne ali digitalne merilnike.

Poleg krogelnega iskrišča bomo prikazali nekaj analognih vezij, ki so primerni za razumevanje merilnih principov raznih merilnih sistemov, ki so še v uporabi. Sodobna digitalna merilna tehnika nudi neprimerno večje možnosti zapisa in vrednotenja parametrov izmenične napetosti.

10.4.2 Merjenje napetosti s krogelnim iskriščem

Krogelno iskrišče je grob, razmeroma drag in barbarski inštrument. Grob zato, ker je njegova točnost le v mejah 3%, drag, ker je pri večjih premerih krogel izredno težko izdelati dovolj natančno verno geometrijsko kroglo in barbarski zato, ker napetost ob merjenju izniči. Merjenje visoke napetosti s krogelnim iskriščem temelji na naslednjih predpostavkah:

da je na podlagi znane geometrije krogel (premer D) in prostora med kroglama (najmanjše

razdalje med kroglama S ) poznana maksimalna jakost polja Emax., da poznamo prebojno trdnost zraka Ep pri normalnih atmosferskih razmerah (20˚C, 101,3kPa) in da poznamo odvisnost dielektrične trdnosti zraka od tlaka in temperature Ep=f(p,T) (zaradi

nezanesljivega poznavanja vpliva vlage slednjega ne upoštevamo). Krogelno iskrišče postavimo v prostor tako, da razdalje do sten in drugih predmetov ne vplivajo na

polje med kroglama. Običajno sta krogli postavljeni tako, da je njuna simetrala vertikalna. Ker običajno merimo visoko napetost med neko točko in zemljo priključimo iskrišče tako, da spodnjo kroglo ozemljimo, zgornjo pa preko upora povežemo z točko, v kateri želimo ugotoviti napetost. Pri izbiri vrednosti upora moramo upoštevati dve omejitvi:

upor naj omeji tok ob preboju do te mere, da oblok ne poškoduje površine krogel, padec napetosti na uporu zaradi kapacitivnega toka in tokov razelektritev tik pred prebojem ne

sme pomembno vplivati na točnost meritve. Na sliki 10.3 je prikazano krogelno iskrišče (Povzeto po standardu IEC Publikacija 60052).

58

Slika 10.3

Legenda k sliki: 1. Izolacijski nosilec P mesto nastanka obloka ob preboju na kroglah 2. Kovinski nosilec krogle A višina zgornje krogle nad zemljo 3. Pogonski mehanizem za dviganje in spuščanje spodnje krogle B minimalni radij prostega prostora okoli krogel 4. Visokonapetostni priključek s preduporom D premer krogel 5. Elektroda za razporeditev potenciala s kazalom maksimalne razdalje S razmak krogel S krogelnim iskriščem preverjamo

točnost in linearnost druge merilne priprave oziroma drugega sistema. Velikokrat umerjanje opravimo pri nižjih napetostih, vendar vsaj pri dveh napetostih, ki naj bosta dovolj narazen, da se dokaže linearnost sistema, ki naj bo v določenih mejah (običajno <1%).

V naslednji tabeli je dan primer vrednosti

za prebojne napetosti na kroglah različnih premerov v odvisnosti od razdalje med kroglama. Vrednosti se navajajo kot 50%-ne verjetnosti prebojne napetosti za konkretno vrsto preskusnih napetosti. V tej tabeli navajamo vrednosti za izmenične napetosti, negativne atmosferske udarne napetosti (1,2/50), negativne stikalne udarne napetosti (250/2500), in enosmerne napetosti obeh polaritet.

Temenska napetost Ut [kV] Premer krogel D [mm]

Razdalja

S [mm] 6,25 12,5 25

5 17,2 16,8

10 31,9 31,7

15 45,5 45,5

20 58,5 59,0

25 69,5 72,5 72,5

30 79,5 85,0 86,0

35 (87,5) 97,0 99,0

40 (95,0) 108 112

45 (101) 119 125

50 (107) 129 137

55 (112) 138 149

60 (116) 146 161

65 154 173

70 (161) 184

80 (174) 206

90 (185) 226

59

Vrednosti v tabeli so rezultat več kot 35 let trajajočih mednarodnih primerjav in so standardizirane.

Veljajo za relativno gostoto zraka δ=1,0 (20˚C, 101,3kPa oziroma 760mmHg). Veljajo tudi za pogoje, ki so navedeni v standardu (določbe glede razdalj, navedenih v sliki). Omejevalni pogoj je tudi relativna vlaga zraka, ki naj ne presega 90%. Korekcijski faktor, s katerim pomnožimo napetost iz tabele Ut , da bi dobili dejansko merjeno napetost Ud je:

td kUU = (10.1)

Korekcijski faktor k se le minimalno razlikuje od relativne gostote zraka δ izračunamo po enačbi

(7.1). Ne naredimo velike napake, če privzamemo kar δ ≈ k. V standardu so navedene vrednosti za k . Iz tabele se vidi, da je za vsak premer iskrišča le za določen interval razdalj med kroglama (<0,5D) zagotovljena največje odstopanje v okviru ± 3%. Za vrednosti S navedene v oklepajih je odstopanje znotraj ±5%.

10.4.3 Merjenje izmenične napetosti po metodi Chubb in Fortescue

Temensko vrednost napetosti lahko merimo s pomočjo merjenja srednje vrednosti kapacitivnega toka kondenzatorja, ki je praktično brez izgub. Kot je prikazano na sliki 10.4, v tem primeru ne uporabimo delilnika ampak le visokonapetostni del in mu v spodnji veji zaporedno priključimo usmerniški ventil in merilnik srednje vrednosti toka, paralelno k tej veji pa še usmerniški ventil z zaporo v nasprotni smeri. Tako dosežemo, da je v kondenzatorju izmenični tok (v obeh polperiodah), v inštrumentu pa enosmerni (pozitivni del sinusnega toka).

Izračun srednje vrednosti toka izhaja iz naslednjih enačb:

∫=2

0

)(

T

CM dttii (10.2)

dtdUCiC = (10.3)

Iz (47) in (48) sledi:

∫∫+

−

⋅⋅⋅=+==∂

∂=

U

U

T

M UCfUTCU

TCCdU

Tdt

tUC

Ti

ˆ

ˆ

2

0

2ˆˆ11 (10.4)

in končno odvisnost temenske vrednosti napetosti in srednje vrednosti (kapacitivnega!) toka:

CfiU M

⋅⋅=

2ˆ (10.5)

Navedeno velja, če sta temenski vrednosti izmenične napetosti v obeh polperiodah enaki, in

običajno sta enaki.

60

iM

i (t)C

u (t) = u ⋅ ωsin t

ZOV V

iV T

T

T/2

-u

+u

i (t), u (t)C

i (t)C u (t)

t

a) b)

u =iM

2 f C⋅ ⋅

i =M1T ∫

0

T/2

i (t) dtC = CT ∫

+u

-udu = 2 f C u⋅ ⋅ ⋅

Slika 10.4

Ob predpostavki, da uporabimo običajni normalni kondenzator (z majhnim odstopanjem <10-4) in

inštrument razreda 0,2 lahko dosežemo skupno odstopanje <0,5%. Vezje znatno izboljšamo z preduporom v glavni veji za kondenzatorjem in pred ventiloma. Ob hitrih porušitvah merjene napetosti nastane na njem padec napetosti, ki sproži zaščitni odvodnik (običajno plinski odvodnik) in zaščiti usmerniško vezje. Vpliv frekvence lahko rešimo z elektronsko krmiljenimi vrati in ob uporabi A/D pretvornikov danes lahko dosežemo do 10 krat boljšo točnost.

10.4.4 Merjenje temenske vrednosti po metodi Davis, Bowdler in Standring

V ta namen so uporabili običajni kapacitivni delilnik. S pomočjo usmerniškega ventila V in kondenzatorja CM so napetost U2 usmerili in ob pogoju visoke zaporne upornosti ventila in nizke porabe inštrumenta za merjenje napetosti U2 so izmerili temensko vrednost napetosti. Merilna priprava mora slediti gibanju napetosti ob dviganju in ob spuščanju. V ta namen so dodali upor RM , vendar s tem vnesli dodatno sistematično odstopanje zaradi njegove odvodnosti. Slednje je še sprejemljivo, če je vrednost časovne konstante merjenja τM=RM . CM približno 1s. Nastane dodatna težava, kajti ko je ventil V odprt se preko upora RM kondenzator C2 prazni. Zaradi nesimetrične obremenitve delilnika v obeh polperiodah je potrebno dodati paralelni upor R, da bi se znebili enosmerne komponente na kondenzatorju C2. S tem se poruši ravnotežje delilnika. Vse omenjeno vnese dodatna sistematična odstopanja in to merilno vezje je imelo razmeroma veliko skupno odstopanje. Vezje prikazuje slika 10.5.

C1

C2 RMCM

V

R

u (t)1

u (t)2 u2

Slika 10.5

61

10.4.5 Merjenje temenske vrednosti po Rabusu

Rabus je prej omenjeno vezje bistveno izboljšal z uravnovešeno obremenitvijo delilnika. Dodal je namreč še eno usmerniško vejo, ki praktično enako obremeni delilnik še v drugi polperiodi. V ta namen je dodatni ventil obrnil. Sistematično skupno odstopanje je od približno 4% reduciral na pod 1%. Vezje prikazuje slika 10.6.

C1

C2 RM 1CM1RM 2 CM2

Merilna vejaIzravnalna veja

V1 V2

Slika 10.6

62

11. Proizvajanje in merjenje v i sokih enosmernih napetost i

Visoke enosmerne napetosti so se v preteklem obdobju uporabljale pretežno za potrebe raziskav, kjer so proizvajali v ta namen najvišje napetosti. Sicer pa je bilo na področju elektroenergetike enosmernih visokonapetostnih naprav manj. Izjema so elektrofilterske naprave v termoelektrarnah. Na področju gradnje in vzdrževanja visokonapetostnih naprav se enosmerna napetost za preskusne namene pojavi le kot najbolj primerna z vidika ustvarjanja visokih vrednosti polja a vendar najpogosteje kot nadomestek. Razen prej omenjenih enosmernih naprav (večinoma za napetosti <100kV DC) se visoka enosmerna napetost uporablja za preskuse kablov večjih dolžin (pri polietilenski izolaciji se ji v zadnjem času, če se le dà, radi izognemo in kot nadomestno vzamemo napetost zelo nizke frekvence ~0,1Hz). Visoke enosmerne napetosti pa slej ko prej uporabljamo kot izvor za vse vrste udarnih generatorjev. V zadnjih dveh desetletjih pa je uporaba enosmernih napetosti v elektroprenosu ponovno oživela. Izvedenih je bilo veliko projektov veleprenosa na večje razdalje. Močnostna elektronika se še naprej hitro razvija in obetamo si še pogostejšo uporabo enosmernih napetosti.

11.1 Parametri enosmernih napetosti

Višino enosmerne napetosti navajamo kot aritmetično srednjo vrednost. Napetost že zaradi načina proizvajanja za preskusne namene (s pretvorbo - usmerjanjem – iz izmenične, ki je povsod na razpolago) nikoli ni konstanta ampak funkcija časa. Tako srednjo vrednost lahko zapišemo kot:

∫=T

dttuT

U0

)(1 (11.1)

Superponirana nihanja so odstopanja navzgor in navzdol od te vrednosti. Temenska vrednost

prenihanja je definirana z izrazom:

( )minmax5,0 uu − (11.2) Relativno odstopanje od srednje vrednosti definiramo kot valovitost in znaša:

( )U

uu minmax5,0 − (11.3)

Ko enosmerno napetost navajamo v določilih standarda kot obremenitev navajamo:

a) Polariteto b) Višino in c) Trajanje obremenitve.

Valovitost naj ne presega 5%. Nazivni tok izvora mora zadoščati za napajanje preskušanega objekta

in merilne veje. Isti objekt glede na stanje izolacije lahko za enosmerni izvor napetosti predstavlja zelo različno breme (prisotnost vlage v izolaciji, onesnažena površina izolatorjev in podobno). Skupna kapacitivnost izvora in gladilnega člena mora zadoščati, da tudi v primeru delnih razelektritev ne pride do nedopustnih nihanj napetosti.

63

11.2 Proizvajanje enosmernih napetosti

11.2.1 Enofazno enohodno vezje

Sestavljajo ga trije bistveni elementi: Visokonapetostno navitje transformatorja Usmerniški ventil Kondenzator kot gladilni člen

Vezje in časovni potek napetosti sta shematično prikazana na sliki 11.1.

U~U~ U=

α

0

i

iα0

U=

α0 t

Slika 11.1

Čas odprtja ventila zavisi od kapacitivnosti in odvodnosti bremena. Če je „časovna konstanta“

bremena višja in upornost ventila v zaporni smeri zelo velika se čas α lahko zelo skrajša in s tem tudi valovitost.

11.2.2 Dvofazno enohodno vezje

Sestavljata ga dve navitji enake višine izmenične napetosti in dva ventila. Znatno se izboljša (zniža)

valovitost napetosti. Vezje je na sliki 11.2.

U~

U=

α

0

i ,

α0

U=

0 ti

,,

β

1 ,

1 ,,

ββ

i ,

i ,,

1 ,

1 ,,

α

Slika 11.2

64

11.2.3 Trifazno enohodno vezje

Nadaljnje izboljšanje valovitosti nudi trifazno enohodno vezje, kot je prikazano na sliki 11.3.

U=

0

00 t

Slika 11.3

11.2.4 Pomnožitveno vezje

Za najvišje napetosti, kjer se predvideva relativno male odvodnosti bremen (preskušanih visokonapetostnih izolacijskih elementov), je najprej predlagal Greinacher in kasneje izboljšala dvojica Cockroft in Walton vezje, ki je prikazano na sliki 11.4.

U

0

1 2

3

4

5

C1 C3

C2 C4R

V

Slika 11.4

Vezje ozemljimo v točki z oznako 0. Ko je na vzbujalnem navitju, kjer je izmenična napetost iz omrežja, točka 1 negativna, se kondenzator C1 nabije na vrednost U√2: točka 1 je negativna, točka 2 je pozitivna. Ko se polariteta izmenične napetosti obrne in je točka 1 pozitivna, se kondenzator C2 nabije na 2U√2. Enako se nabijeta tudi C3 in C4 . Polariteta je urejena tako, da je v točki 5 pozitivna napetost proti zemlji 4U√2.

Meritev se lahko izvaja s preduporom kalibrirane vrednosti in meri tok upora direktno, lahko pa se

meri tok s pomočjo shunta in milivoltmetra ter izračuna napetost,. Prednost usmernika v tej izvedbi je v relativno enostavni uporabi; ob preskusih izven laboratorija v

objektih, se ga enostavno transportira in sestavi.

65

11.2.5 Van De Graafov generator

Za sorazmerno majhne moči se s pomočjo tega generatorja, ki ga imenujejo tudi elektrostatični generator, lahko ustvarijo izredno visoke napetosti. V tem generatorju se mehanična moč direktno pretvarja v električno, je pa relativno mala in zadostuje v glavnem le v raziskovalne namene. Generatorje te vrste uporabljajo v laboratorijih za nuklearne raziskave. Tudi največji med temi generatorji je bil zgrajen v raziskovalnem centru Oak Ridge National Laboratory. Njegova zmogljivost je 25MV.

T

Ue

ED

R

B

A

Izolator

Slika 11.6

v hitrost gibanja traku b širina traku a debelina glavnika l efektivna dolžina traku Ue polnilna napetost CDE kapacitivnost med D in E Et jakost el.polja vzdolž traku Z usmernika napajamo »kondenzator« D-E, med katerega ploščama je trak iz bune, ki ima zelo

visoko površinsko upornost. Na obeh ploščah se ustvari obloga σ, ki je v naslednji relaciji:

DEe CUbaQ ⋅=⋅⋅= σ (11.4)

Tok je premo sorazmeren s hitrostjo gibanja traku in znaša:

bvI ⋅⋅= σ (11.5)

Tako ustvarjeno elektrino trak odnaša na zgornjo elektrodo, ki je na izolacijskem cilindru in ima proti zemlji kapacitivnost C. Napetost na elektrodi proti masi narašča, če imamo konstanten tok in ni nikakršnega odvoda. Napetost bo po času tch znašala:

Ctbv

CtI

CQU chchC ⋅⋅⋅

=⋅

==σ

(11.6)

66

Glede na obremenitev generatorja se mora regulirati dotok elektrine, če naj napetost ostane konstantna. To lahko dosežemo z regulacijo hitrosti traku v ali z regulacijo gostote elektrine σ. Računati moramo, da je tokovni odvod že zaradi porabe merilne veje, pa tudi zaradi odvoda skozi izolacijo vrhnje elektrode proti masi.

Izhodno napetost generatorja lahko izrazimo še z efektivno dolžino traku in tangencialno jakostjo polja vzdolž površine traku.

lEU t ⋅= (11.7)

Tako bo moč generatorja upoštevaje (11.5) in (11.7):

vblEIUP t ⋅⋅⋅⋅=⋅= σ (11.8)

Ostali podatki o zmogljivostih elektrostatičnih generatorjev so še: Vrednosti σ gredo do 2.10-9 C/cm2 Et gre do 3kV/cm Napetosti gredo preko 15MV Stabilnost napetosti lahko doseže vrednosti do 10-5.

Generatorju lahko pomembno zmanjšamo dimenzije, če njegovo izolacijo proti masi realiziramo v

plinu (SF6 ali mešanica N2 - SF6). Generator te vrste s primerno regulacijo lahko obratuje tudi pri izmenični napetosti zelo nizke frekvence.

67

12. Proizvajanje in merjenje v i sokih udarnih napetost i

12.1 Splošno o udarni napetosti

Interes za ustvarjanje napetosti z udarnim (impulznim) časovnim potekom se je pojavil ob spoznanju, da je izolacija v obratovanju pogosto obremenjena s prenapetostmi udarnega karakterja in jo moramo preskusiti z napetostmi podobnega časovnega poteka, da bi dobili zagotovilo, da te obremenitve zdrži. Kaj je po definiciji udarna napetost ?

Udarna napetost je enkraten pojav dvojne eksponencialne oblike, ki ga približno opiše funkcija

( )tt eeUtu αβ −− −= *

12 )( (12.1)

u (t) 2

U2

-U1*

+U1*

t1

U e1* - tβ

-U e1* - tα

1/α

1/β Slika 12.1

12.2 Udarni generatorji

Vezje, ki ustvari časovni potek napetosti, kot je prikazano na sliki 12.1, je prikazano shematično na sliki 12.2.. Sestavljajo ga naslednji elementi:

1. Kondenzator C1 , v katerega iz usmernika ustrezne napetosti dovedemo električno energijo, ki je namenjena obremenitvi preskušane izolacije,

2. Iskrišče, ki deluje kot stikalo z zelo kratkim časom prenosa potenciala s kondenzatorja na obremenilno π –vezje (časi se merijo v nanosekundah!),

3. Serijski upor Rs, preko katerega se v času naraščanja napetosti polni kondenzator C2 4. Kondenzator C2, ki je vselej zelo majhen v primerjavi s C1 5. Paralelni upor Rp , ki je zelo velik v primerjavi z Rs.

To vezje predstavlja enostopenjski udarni generator. Kasneje bomo omenili tudi večstopenjske.

C1 C2 u2

RS

U1Rp

Slika 12.2

68

Polnilna napetost U1 je običajno med 100 in 300kV, redko je višja. Izjemoma so za generatorje v eni stopnji napetosti do največ 1MV. Upori Rs , Rp in kondenzator C2 so namenjeni določitvi časa čela in hrbta udara; torej je zveza med njimi in koeficientoma α in β .

Z natančnejšo analizo lahko ugotovimo, da se napetosti U1 in U1

* le malo razlikujeta (ob že privzetih pogojih: Rs << Rp in C1 >> C2) in v prvem približku lahko vzamemo, da sta enaki.

Napetostni udar kot časovni pojav analiziramo s pomočjo enostavnejših postopkov in udaru določimo tri parametre:

čas čela čas do padca na polovico temenske vrednosti ali čas hrbta in temensko vrednost udara.

Na sliki 12.3. je prikazana analiza udara in vsi trije parametri.

U

čelna premica

čelo

teme

hrbet

čas

napetost %[ ]

10090

50

30

Tč

Tp

001

0 … začetek udara … čas čela1 T čU … temenska vrednost Th … čas do polovične vrednosti

T

A

B

Slika 12.3

Ob upoštevanju delovanja vezja na sliki 12.2. in ob izpolnitvi pogojev: Rs << Rp in C1 >> C2

Lahko enačbo (12.1) zapišemo drugače:

−=

−−12

12 )( ττtt

eeUtu (12.3)

kjer sta τ1 in τ2 časovni konstanti polnenja kondenzatorja C1 preko Rs in praznjenja C1 in C2 preko Rp, torej

21 CRs≈τ in ( )212 CCRp +≈τ (12.4)

In končno lahko zapišemo približno odvisnost med τ1 in Tč ter in τ2 in časom hrbta Th.

13τ≈čT in 272,0 τ≈hT (12.5)

69

Podatek, ki je bistven pri navajanju zmogljivosti udarnega generatorja je njegova skupna najvišja akumulirana električna energija:

2

211 UCW ⋅

= (12.6)

Za več kondenzatorjev v seriji velja vsota energije akumulirane v vseh kondenzatorjih ( na primer

za n stopenj):

∑⋅

=n

UnC

W2

21

1

(12.7)

Navedene relacije veljajo za uvodoma omenjene pogoje (Rs << Rp in C1 >> C2), vendar je potrebno upoštevati, da je kapacitivnosti C2 potrebno prišteti še kapacitivnost bremena in ne le bremensko kapacitivnost generatorja. Z večanjem kapacitivnosti bremena pa se slabša izkoristek generatorja izražen z razmerjem (glej sliki 12.1 in 12.2):

1

2ˆ

UU

=η (12.8)

Z dodatnim iskriščem paralelno preskušanemu objektu oziroma izhodu generatorja ter upravljanem

proženju dobimo odrezani udar. Odrezani udar naj bi ponazoril obliko prenapetosti, ki nastane ob preboju enega od elementov izolacije v omrežju, kar povzroči preoblikovanje časovnega poteka prenapetosti na preostalih elementih. Ker so le-ti občutljivi na hitre spremembe napetosti (tudi negativne napetostne odvode po času) je preskušanje z udari te vrste potrebno in koristno. Potek odrezanega udara prikazuje slika 12.4..

U

trenutek rezanja

čas

napetost %[ ]

10090

50

30

Tč

Tp

001

T

A

B

Tr

0 … začetek udara … čas čela1 T čU T … temenska vrednost … čas do polovične vrednostip

Tr … čas rezanja Slika 12.4

Udarni generator lahko ustvari čedalje višje vrednosti temenske napetosti istih časov čela in hrbta.

To pomeni, da se čas čela z višino napetosti ne spremeni in napetost v enakem času doseže lahko bistveno višje vrednosti. S tem se hitrost vzpona napetosti ali strmina udara (∆u/∆t) povečuje. V ta namen lahko tudi zmanjšamo vrednosti Rs. Z višanjem strmine se kaže na vzorcih samoobnovljive izolacije potek napetosti, kot se vidi s slike 12.5.. Vidi se izrazit primer strme udarne karakteristike.

70

T d [µ ]s

Ud kV[ ]

Preskok na čelu udara

Preskok na temenu udara

Preskok na hrbtu

Td

U … presločna napetostT … čas do preskoka

d

d

Ud 50%

Slika 12.5

Udarni generatorji običajno niso izvedeni le v eni stopnji, kot je prikazano na gornji sliki. Uveljavila se je večstopenjska izvedba udarnega generatorja, ki temelji na dejstvu, da je z primerno vezavo možno realizirati kondenzator C1 z več kondenzatorji v seriji. Vezava nosi naziv Marxova vezava in je prikazana na sliki 12.6.

RV

RL

CS1

RL

RL

CS2

RL

RL

CS3

RL

RL

CS4 CS5

C2RP

RsK I

V I

V N

+ (-) UL

POLNITEV

RV

RL

CS1

RL

RL

CS2

RL

RL

CS3

RL

RL

CS4 CS5

C2RP

RSK I

V I

V N

+ (-) UL

VŽIG

RV

RL

CS1

RL

RL

CS2

RL

RL

CS3

RL

RL

CS4 CS5

C2RP

RS

K I

V I

V N

+ (-) UL

PRAZNITEV

Slika 12.6

71

Prikazana je vezava udarnega generatorja s petimi stopnjami. Z izvora enosmerne napetosti preko

polnilnih uporov RL polnimo kondenzatorje CS1 do CS5 z napetostjo UL. Ko napolnimo generator do izračunane višine napetosti (to izračunamo na podlagi izkoristka η in temenske vrednosti izhodne napetosti) sprožimo delovanje prvega iskrišča (VI) in ob prehodnem pojavu se v zelo kratkem času sproži vseh ostalih 5 iskrišč. Proces traja nekaj 10 ns. Na C2 se pojavi napetost s časovnim potekom dvojne eksponencialne oblike. Impulz na prvi dve krogli iskrišča VI pripeljemo preko VN impulznega transformatorja. Preboj med prvima dvema kroglama VI zadostuje, da nastane spontani preboj med srednjo in desno kroglo in nato si sledijo preboji na kroglah v ostalih stopnjah ter končno na iskrišču z oznako KI. Krogelna iskrišča delujejo kot stikalni elementi in njihov spontani preboj je včasih moten zaradi vrste vplivov (onesnaženi zrak, ionski oblaki zaradi pojava korone v bližini in podobno. Danes se uporabi izvedba z zaščitenimi krogelnimi iskrišči, ki so v ohišju napolnjenem s plinom ali čistim zrakom.

Udarni generatorji se danes gradijo za napetosti temenske vrednosti do približno 5MV. Energija generatorjev je običajno pod 500kJ.

Običajno se generatorji opremijo z upori za proizvajanje tako atmosferskih (1,2/50) kot tudi stikalnih (250/2500) udarov. Zaradi potrebnih velikih razdalj med deli generatorja in stenami, se generatorji namestijo v prostore velikih dimenzij. Ker predstavlja udar hiter potencialni skok od nič do nekaj MV in imajo deli, ki se povzpnejo na ta potencial kapacitivno zvezo (parazitno) proti zemlji, se ob nastanku udara in še posebej ob preboju izolacije, ki ga spremlja še hitrejša porušitev potenciala, pojavijo razmeroma veliki tokovi v ozemljenih delih, ki lahko povzročijo precejšnje napetosti. Laboratoriji so običajno opremljeni z mrežo v stenah (Faradayeva kletka). Intenzivno dušenje močnih polj vzbujanih v laboratoriju je obveza glede motenj koristnih VF signalov v okolju v bližini laboratorija.

12.3 Napetostni delilniki za udarne (hitre) pojave

Ko želimo opazovati ali meriti visoke napetosti, jih moramo najprej verno pomanjšati, kajti vse merilne ali zapisovalne naprave imajo nizko vhodno napetost. Redukcijo napetosti smo spoznali že pri visoki enosmerni in izmenični napetosti. Zveza med visoko napetostjo in merilnikom je uporovna ali kapacitivna in njene dinamične lastnosti zadovoljujejo ne glede na to kakšne elemente uporabimo pri realizaciji uporov ali kondenzatorjev. Pri zelo hitrih pojavih pa so parazitne induktivnosti, tako v elementih samih, kot induktivnost celotnega tokokroga, lahko zelo vplivne. Te delilnike moramo zato posebej zasnovati in konstruirati. Pri tem so pomembne karkteristike tako elementov samih, kot tudi sestava vezja.

Te delilnike strukturiramo kot: kapacitivne, mešane uporovno kapacitivne paralelne uporovne in mešane uporovno kapacitivne serijske.

Shematično so prikazani na spodnjih slikah 12.7a), b), c) in d)..

C2

u (t)1

u (t)2

C1

R1

R 2

u (t)1

C1

C2 u (t)2

R1

R 2

u (t)1

u (t)2

R1

R 2

u (t)1

u (t)2

C1

C2

Slika 12.7: a) b) c) d)

72

12.3.1 Analiza dinamičnih lastnosti delilnika

Analiza temelji na splošnem nadomestnem vezju vertikalnega napetostnega delilnika ki ima v splošnem porazdeljene impedance Z’ v vzdolžni (Zl) in v prečni smeri (Zq), kot je shematično prikazano na sliki 12.8a). Na slki 12.8b) pa je prikazano nadomestno vezje posameznega elementa.

a) b)

Slika 12.8 Legenda

R = N.R’ R' upornost posameznega elementa delilnika L = N.L' L' induktivnost posameznega elementa delilnika K = K'/N K' zaporedna kapacitivnost posameznega elementa delilnika KS = KS '/N KS ' kapacitivnost parlelno k elementu delilnika C = N.C' C' kapacitivnost elementa delilnika proti zemlji

Naj bo število elementov v vsaki smeri po N. Nizkonapetostna veja zajema n elementov, če jih štejemo od zemlje navzgor. Potencial se razporedi po enačbi (9.4). Prehodno karakteristiko delilnika prikažemo kot odziv na nizkonapetostni strani un(t) ob stopničasti napetosti u(t) = U0 na vhodu.

( ) ( )nN

UtutG n

0

= (12.9)

Ob skupni dolžini delilnika l bo mesto odcepa nizkonapetostne veje na višini lnNx = . Tako na

podlagi (9.4) lahko izrazimo napetost Un kot odziv na enotin skok z naslednjo enačbo:

lshxshUUn γ

γ0=

q

l

ZZ

l1

=γ (12.10)

Vnesemo vrednosti za Zl in Zq iz sheme na sliki 12.8b) v kompleksni obliki in ob uporabi

Heaviside-ovega teorema dobimo splošno rešitev za un(t):

( ) ( )

+

++

+−+

+−= ∑

∝

=

−

122

22

0

1112

61)(

k SS

kat

Sn

CkK

KkC

KK

shbtbachbt

eKK

CUNntu

ππ

(12.10)

LRa

2=

+

++−

=

2222

222

1

1

2 ππ

π

kCK

kLC

KkC

KK

LRb

S

S

(12.11)

73

Če gremo iz splošnega vezja na uporovni delilnik (in v tem primeru vzamemo K'=∞ in K=∞) se izraz

( )

+

+−+−= ∑

∝

=

−

1220

1121)(

k S

rrkatn

CkK

tshbbatchb

eUNntu

π

+

−

=

2222

2

1

12 π

πk

CK

kLCL

RbS

r (12.13)

Odziv bo nagnjen k oscilatorni obliki, če bo prisotna večja induktivnost oziroma nižja upornost. Na sliki 12.9 je prikazan normiran odziv za uporovni delilnik z naslednjimi podatki: R=3kΩ, C=40pF, KS =1pF.

Slika 12.9

Seveda se induktivnosti poizkušamo izogniti s posebnim navijanjem uporov (bifilarno), vendar je že

nekaj 10µH dovolj, da se oscilatornemu odzivu ne moremo izogniti.

V literaturi se najdejo še enostavnejša nadomestna vezja za uporovni delilnik. Zelo razširjen primer je na sliki 12.10.

U1

U2

R2

R12

R12

CE

a) b)

Slika 12.10

Odziv tako prikazanega in izvedenega delilnika je oscilatoren le, če je prisotna večja induktivnost (krivulja 3!) ob nizki induktivnosti pa približno naslednji:

Tt

eu−

−≈ 12 41 eCRT = (12.14)

Krivulje so za naslednje vrednosti L/R: krivulja 1: L/R=3,3ns, krivulja 2: L/R=10ns krivulja 3: L/R=30ns

74

12.4 Proizvajanje velikih udarnih tokov

12.4.1 Splošno

Visoke vrednosti udarnih tokov potrebujemo v razvojnih in preskusnih laboratorijih za preskušanje

tistih elementov, ki služijo pri odvajanju tokov strele. Včasih preverjamo tudi dele opreme, katerih ne moremo popolnoma zaščititi in jih je potrebno preizkusiti ali predvidene obremenitve zdržijo. Največkrat ne gre za termične obremenitve zaradi tokov te vrste, ker trajajo zelo kratek čas. Gre pretežno za napetostne obremenitve, ki jih povzročijo zaradi velikih padcev napetosti. Standardizirani sta bili naslednji obliki udarnih tokov:

Tok za preskus zdržnosti: Tč =4µs , Th =10µs, Tok za ugotavljanje zaščitne sposobnosti: Tč =8µs , Th =20µs

Časovni potek toka prikazuje naslednja slika:

I

čelna premica

čelo

teme

hrbet

čas

tok %[ ]10090

50

10

Tč

Tp

001

0 … začetek udara … čas čela1 T č I T … temenska vredno st … čas do polovične vrednostip

TA

B

Slika 12.11

Tokovne udare proizvajamo tako, da kondenzator velike kapacitivnosti praznimo preko dušilke in je pojav podoben, kot smo ga opisali pri nastanku stikalnih prenapetosti. Gre za poznano obnašanje tokokroga s serijskim dušenjem (glej tudi sliko 13.3 !). Tokokrog je prikazan na spodnji sliki 12.12.

C

R dL

Rsh

RP

P

L

C RUP

V KI

KO

TR

R …polnilni uporTR … trans formatorV … ventilKI … krogelno iskriloL … induktivnos t

P R …dušilni uporR … skupna upornostP … preskušanecR … shuntU … polnilna napetost

d

sh

P

Načelna vezava generatorja udarnih tokov Poenosta vljena shema ob praznitvi

Slika 12.12

Preko usmernika napolnimo kondenzator C do potrebne napetosti za doseganje želene temenske

vrednosti toka. Ob sprožitvi iskrišča imamo zahtevano začetno napetost v LRC tokokrogu, ki požene dušeni sinusni tok frekvence, ki jo določata L in C. Tok mora biti toliko dušen, da je drugi polval toka nižji kot 30% prvega. Čas čela in hrbta nastavimo z vrednostjo dušilke L. V tokokrogu je že prikazan preizkušanec (prenapetostni odvodnik) in v spodnjem delu shunt za registracijo in merjenje toka.

75

13. Nastanek prenapetost i

13.1 Kategorizacija prenapetosti

Prenapetosti so glede na časovni potek razvrščene v poglavju o koordinacije izolacije. Glede nastanka jih delimo na notranje in zunanje. Zunanje tedaj, ko imajo svoj izvor zunaj tokokroga, katerega izolacijo obravnavamo. Najpogostejše so tiste, ki so posledica atmosferskih udarov ob razelektritvah direktno v naše naprave. Lahko pa strela udari v neposredni bližini naprav in tedaj se pojavijo v našem tokokrogu atmosferske prenapetosti (tako jih imenujemo) bodisi zaradi induktivne povezave ali zaradi velikega dviga potenciala zemlje.

Prenapetosti, ki nastanejo zaradi prehodnih stanj obratovalnega izvora kot: hitre razbremenitve, stik ene faze z zemljo, vklapljanje in izklapljanje naprav ali prekinjanje tokov kratkih stikov, uvrščamo med prenapetosti notranjega izvora ali notranje prenapetosti.

13.2 Atmosferske prenapetosti

Najbolj je značilen nastanek prenapetosti ob direktnem udaru v fazni vodnik nadzemnega voda. Tedaj tokovi višine več deset ali celo več sto kiloamperov povzročijo tolikšen dvig potenciala vodnika proti zemlji, da izolacija voda večinoma ne zdrži. Pa si na primeru oglejmo kolikšen tok je potreben, da udar zanesljivo povzroči defekt. Na sliki 13.1 je poenostavljeni prikaz dviga potenciala na vodniku nadzemnega voda, kar pomeni, da bo izolacija proti masi obremenjena s to prenapetostjo.

20kA

Z=450ohm Z=450ohm

UF-Z

I/2 I/2

ZEMLJA Slika 13.1

Vzemimo, da se tok strele 20kA enakomerno razdeli v obe smeri voda. Toku se upira valovna

upornost voda, ki je sorazmerno visoka in zavisi od razporejene kapacitivnost proti zemlji in vzdolžne razporejene induktivnosti voda, ki jo izračunamo po znanem izrazu:

CLZV = (13.1)

Udarni tok bi povzročil padec napetosti na vodu v višini UF-Z=I/2.Z=10.103.450=4,5MV. Tolikšne

napetosti seveda ne bo, ker bo že ob njenem dviganju izolacija kateregakoli voda pri nas prebila in povzročila stik vodnika z zemljo ali drugače zemeljski stik. Ostala izolacija, do katere bo prispel potujoči napetostni udar, ga bo doživela kot odrezani udar.

Kadar pride do udara strele v vod se najpogosteje kanal strele konča na zaščitnem vodniku vrh voda, ki je namenjen zaščiti pred direktnim udarom v fazne vodnike. Zaščita je učinkovita, če tvorita vertikalna premica skozi zaščitni vodnik in premica, ki seka zaščitni vodnik in fazni vodnik, kót manj kot 30°.

Ob udaru strele v zaščitni vodnik pa na dvig potenciala stebra proti faznim vodnikom vpliva v glavnem ozemljilna upornost stebra. Ob izjemno hitrih pojavih in večjih višinah stebrov je potrebno včasih upoštevati tudi valovno upornost stebra. Za večino pojavov pa je preprost izračun produkta toka I v stebru in ozemljilne upornosti R dovolj, da izračunamo prenapetost na dozemni izolaciji voda. Razmere so prikazane na sliki 13.2.

76

Iau

pov ratni

preskok

IZ R0Z

Slika 13.2

13.3 Notranje prenapetosti

V vsakem tokokrogu, ki je sestavljen iz elementov z upornostjo, kapacitivnostjo in induktivnostjo, nastanejo strukture, ki so nagnjene k nihanju. Hipne spremembe toka ob vklopih ali izklopih povzročijo bolj ali manj dušena nihanja in obratovalnim napetostim, pa naj bodo to fazne ali medfazne, se superponirajo prenapetostni pojavi. Velja torej, da sleherna sprememba stanja v visokonapetostnem omrežju sproži pojav prenapetosti.

Delimo jih v: stikalne prenapetosti, ki so udarnega karakterja in sledijo dvojni eksponencialni krivulji in

njihovo trajanje se meri v milisekundah in časne prenapetosti, ki najpogosteje nastanejo kot kombinacija (zemeljski stik, hitra

razbremenitev) in trajajo nekaj sekund ali nekaj deset sekund. Izjema med njimi je lahko (pri zelo dolgih vodih) Ferantijev pojav, ki lahko traja dalj časa. Med dejavnike, ki prispevajo k časnim prenapetostim uvrščamo še resonanco in feroresonanco.

Nastanek stikalnih prenapetosti si bomo ogledali na dveh tokokrogih. Nihajni tokokrog s serijskim dušenjem je prikazan na sliki 13.3 .

C

RSL

Nihajn i krog s serijskim du šenjem Slika 13.3

Vzemimo primer, ko gre za izklop defekta ob prehodu toka skozi vrednost 0. Naj bo tedaj

obratovalna napetost u’, ki se v trenutku dvigne na u''. Tokokrog bo zanihal in obratovalni napetosti se bo superponirala napetost z naslednjim časovnim potekom:

( ) tfuuu aac π2cos''' −−= (13.2)

LCfa

121π

= (13.3)

( ) tfLCuui aac π2sin''' −−= (13.4)

77

Naslednja dva primera, ki se pogosto pojavita sta tokokroga s paralelnim dušenjem (izolacija z močnim odvajanjem, na primer onesnažena izolacija voda) in tokokrog brez dušenja. Prikazana sta na sliki 13.4 a) in b).

C

L

Nihajni krog s paralelnim dušenjem

RP

C

L

Nih ajni krog brez dušenja

Z =

L

LC

a) b)

Slika 13.4

Vklapljanje in izklapljanje posebnih konfiguracij delov omrežja, ki so nagnjena k prenapetostnim pojavom so prikazana na sliki 13.5.

VKLO

PIZ

KLO

PVK

LOP

in IZ

KLO

P

1) Vklop dolgega voda

2) Ponovni vklop dolgega voda s preostalo elektrino

3) Vklop voda z neobremenjenim transformatorjem

4) Izklop bremena na koncu dolgega voda

5) Izklop neobreme njenega voda

6) Vklop neobremenjenega transformatorja

7) Vklapljanje dušilk

8) Izklop enopolnega kratkega stika

Preostala elektrina

Slika 13.5

78

14. Prenapetostni odvodniki

14.1 Vrste odvodnikov

Omejevanje prenapetosti se je začelo z uporabo elektrod v zraku imenovanih zaščitna iskrišča, ki so jih naravnali na takšno razdaljo, da so odreagirala preden je nastopil preboj izolacije ščitenega objekta. Iskrišče je ščitilo dobro pri razmeroma počasnih udarih, pri zelo strmih naraščanjih napetosti, zelo strmih čelih pa je včasih udarna karakteristika iskrišča sekala karakteristiko objekta in pri zelo kratkih časih je iskrišče reagiralo pri višji napetosti kot izolacija.

Na iskrišču se je pojavil oblok, ki so ga elektromehanske sile lahko prenesle na zelo neugodna mesta in je lahko povzročil veliko škode. Iskrišča so vgradili v izolacijske cevi, oblok se je zadržal pretežno v notranjosti ohišja, povzročil izpuh, ni pa oblok »potoval«. Tako je nastal cevni odvodnik. Kasneje so odkrili, da ima silicijev karbid zelo nelinearno U-I karakteristiko. Naredili so upore, ki zdržijo velike tokove in ob odvajanju zaradi nelinearnosti upora napetost ne naraste preko določene vrednosti. V kombinaciji s serijskim iskriščem, ki reagira, ko se pojavi prenapetost in ugasne, ko se konča sledilni tok, ki ga požene obratovalna napetost, predstavlja ventilni odvodnik element, ki ob ščitenju ne moti normalnega obratovanja. Iskrišče in cevni odvodnik namreč povzročita »kontroliran« zemeljski stik, ki ga mora zaščita odpraviti. Ventilni odvodnik in prikaz poteka toka in napetosti na njem ob delovanju prikazuje slika 14.1.

PRENAPETOSTNIODVODNIK ZISKRIŠČEM

Pol periode

Sprožilna napetost

Tok zaradi prenapetostiIzmenični sledilni tok

ODVODNIK Z ISKRILOM

Preostala napetost

a) b)

Slika 14.1

Ventilni prenapetostni odvodnik lahko reagira na čelu udara ali na temenu in obe napetosti sledita udarni karakteristiki iskrišča ter zavisita od strmine udara, torej nista enaki. Po tem, ko je iskrišče sprožilo, mora odvodnik odvesti velike količine elektrine v zemljo, v njem je zelo velik tok in pri tem toku napetost na njegovih sponkah naraste skladno z U-I karakteristiko. V vseh treh primerih gre za različna stanja odvodnika in za različne napetosti na njegovih sponkah. Ko ga preizkusimo, ugotovimo:

napetost delovanja (reagiranja) ob točno določeni strmini čela udarne napetosti (strmina je določena v standardu),

napetost delovanja na temenu standardnega udara 1,2/50 in napetost na sponkah ob odvajanju nazivnega odvodnega toka 8/20.

Najvišja vrednost izmed teh treh pedstavlja zaščitni nivo ventilnega odvodnika. Zadnji dve desetletji so se začeli uvajati odvodniki z nelinearnimi upori iz kovinskih oksidov

(MOA). Značilno za ta material je, da ima izredno »pravokotno U-I karakteristiko«. Na sliki 65 jo navajamo in primerjamo z ustrezno za SiC upore.

79

0,2 10⋅ 3

0,5 10⋅ 3

103

0,2 10⋅ 4

0,5 10⋅ 4

104

10−4 10−3 10−2 10−1 1 101 102 103 104 105

I A[ ]

U V[ ]

25 C° 100 C°

150 C°

200 C°

ZnO upor

SiO upor

Slika 14.2

Odvodni tokovi so pri MOA tako nizki, da so ob obratovalni napetosti v uporih tako nizke izgube, da jih ohišje brez večjih težav odvede na okoliški zrak. Odvodniki brez iskrišča morajo biti izbrani ob upoštevanju vseh napetostnih obremenitev (zlasti časne prenapetosti moramo dobro poznati in preveriti ali jih bo odvodnik zdržal!). Ob segrevanju se odvodniku karakteristika upogne navzdol, kar pomeni, da ima večje izgube in lahko se zgodi da „temperaturno pobegne“, če mu temperatura naraste preko kritične točke. Na sliki 66 je prikazana vezava odvodnika in njegovo delovanje ob omejevanju prenapetosti.

KOVINSKO - OKSIDNIODVODNIK

Pol per iode

Obrušeno čeloprenapetosti

Pre ostala napetost

Tok zaradi prenapetosti

Izmenična napetost

ODVODNIK BREZ ISKRILA a) b)

Slika 14.3

Zaščitni nivo MOA odvodnika predstavlja napetost na njegovih sponkah ob prevajanju nazivnega

odvodnega toka 8/20. Prenapetostni odvodnik je postal, tako zaradi visoke kakovosti, kot tudi dobrih zaščitnih

karakteristik in nizke cene zelo uporaben. Danes proizvajajo odvodnike v okrovu iz kompozitne izolacije, kar mu daje še večje možnosti uporabe (npr. v okolju z visoko stopnjo onesnaženosti).

80

15. Koordinaci ja izo lac i je

15.1 Splošno o koordinaciji izolacije

Koordinacija izolacije je usklajevanje dielektrične zdržnosti opreme z napetostmi, ki se pojavljajo v omrežju, za katerega je oprema predvidena ob upoštevanju vgrajenih zaščitnih naprav in vplivov iz okolja. Z ustrezno izbiro stopnje izolacije želimo doseči z ekonomskega stališča optimalno rešitev, ki upošteva stroške za okvare in stroške za izolacijo. Stroški za okvare so v veliki meri odvisni od pomembnosti naprave ali objekta. Slika 1 prikazuje potek stroškov in način optimizacije.

Slika 15.1: Stroški in optimizacija stopnje izolacije

Da bi mogli število okvar ustrezno omejiti, moramo poznati prenapetosti, njihove vzroke in temu

ustrezno ukrepati. Za opis in razumevanje postopka koordinacije izolacije in z njim povezanih prenapetosti je treba podati osnovne definicije.

15.1.1 Napetosti v sistemu

Naprave v elektroenergetskem sistemu ves čas obratujejo z napetostjo, ki jo označimo kot: Trajna napetost (omrežne frekvence): Napetost omrežne frekvence, ki je priključena na katerikoli

par priključkov določene konfiguracije izolacije in za katero predpostavljamo, da ima konstantno efektivno vrednost.

Za osnovne vrednosti napetosti veljajo naslednje definicije: Nazivna napetost sistema Un : Ustrezna približna vrednost napetosti, ki se uporablja pri označevanju

oz. identifikaciji sistema. Najvišja napetost sistema: Najvišja vrednost obratovalne napetosti, ki se lahko pojavi v normalnih

pogojih obratovanja kadarkoli in na kateremkoli mestu v sistemu. Najvišja napetost opreme Um : Najvišja efektivna vrednost medfazne napetosti, za katero je izdelana

oprema, glede izolacije in ostalih karakteristik, ki so povezane s to napetostjo.

Stroški

Zdržna napetost izolacije

Stroški za izolacijo

Stroški za izpade

Skupni stroški

OPTIMALNA IZBIRA

81

15.1.2 Ozemljevanje nevtralne točke sistema

Glede na način ozemljevanja nevtralnih točk (zvezdišč) pri energetskih transformatorjih v sistemu ločimo:

Sistem z izolirano nevtralno točko: Sistem, kjer nevtralna točka ni namenoma ozemljena, razen preko visokoimpedančnih povezav namenjenih za zaščito ali meritve.

Sistem z direktno ozemljeno nevtralno točko: Sistem, ki ima nevtralno točko oz. nevtralne točke ozemljene direktno (učinkovito ali neučinkovito).

Sistem ozemljen preko impedance: Sistem, ki ima nevtralno točko oz. nevtralne točke ozemljene preko impedance (npr. upor nizke vrednosti) za omejevanje tokov ob zemeljskem kratkem stiku.

Resonančno ozemljen sistem: Sistem, ki ima eno ali več nevtralnih točk ozemljenih preko dušilke, ki pretežno kompenzira kapacitivno komponento toka enofaznega zemeljskega stika.

15.1.3 Vrste izolacije

Lastnosti izolacije bistveno vplivajo na postopek koordinacije izolacije: Zunanja izolacija: Zračne razdalje in površine (v stiku z zrakom) trdne izolacije opreme, ki so

podvržene dielektričnim obremenitvam ter vplivom iz atmosfere in ostalim zunanjim vplivom (onesnaženje, vlaga ...). Ob tem je bistveno, ali je izolacija predvidena za obratovanje na prostem (nezaščitena pred vremenskimi vplivi) ali v zaprtem prostoru (zaščitena pred vremenskimi vplivi).

Notranja izolacija: Notranji trdni, tekoči ali plinasti deli izolacije opreme, ki so zaščiteni pred vplivi iz atmosfere in ostalimi zunanjimi vplivi (onesnaženje, vlaga ...).

Samoobnovljiva izolacija: Izolacija, ki po razelektritvi (preskoku) popolnoma obnovi svoje izolacijske lastnosti.

Nesamoobnovljiva izolacija: Izolacija, ki po razelektritvi (preskoku) izgubi ali popolnoma ne obnovi svoje izolacijske lastnosti.

15.1.4 Konfiguracija izolacije

Pod pojmom konfiguracija izolacije se skriva celotna geometrijska konfiguracija izolacije v obratovanju, ki jo določajo izolacija in priključki. Vsebuje vse elemente (izolacijske in prevodne), ki vplivajo na dielektrično obnašanje. Poznamo naslednje vrste konfiguracije izolacije:

Trifazna: Izolacija s tremi faznimi priključki, enim nevtralnim in enim ozemljitvenim priključkom. Med fazo in zemljo: Trifazna izolacija, kjer dveh faznih priključkov ne upoštevamo, nevtralni pa je

ozemljen (razen v posebnih primerih). Medfazna: Trifazna izolacija, kjer enega od faznih priključkov ne upoštevamo. V posebnih primerih

ne upoštevamo niti nevtralnega niti ozemljitvenega priključka. Vzdolžna: Izolacija z dvema faznima in enim ozemljitvenim priključkom. Fazna priključka

pripadata isti fazi trifaznega sistema, ki je začasno razdeljen na dva neodvisno napajana dela (odprte stikalne naprave). Preostalih štirih priključkov drugih dveh faz ne upoštevamo ali pa so ozemljeni. V posebnih primerih je eden od obeh priključkov ozemljen.

82

15.2 Prenapetosti

Koordinacija izolacije je neločljivo povezana s prenapetostmi, ki se pojavljajo v elektroenergetskem sistemu. Razdelitev napetosti in prenapetosti v posamezne skupine (po lastnostih) določa mednarodni standard za koordinacijo izolacije IEC 60071, opise različnih prenapetosti in vzroke za njihov nastanek pa najdemo tudi drugje. V začetku moramo definirati pojem prenapetosti:

Prenapetost: Katerakoli napetost faze proti zemlji ali med dvema fazama, ki ima temensko vrednost

višjo od ustrezne temenske vrednosti najvišje napetosti opreme Um . Če ni v posameznem primeru drugače določeno, se prenapetost, izražena s faktorjem prenapetosti v enoti p.u. (na enoto - "per unit"), nanaša na Um √2 / √3 . Za kakršnokoli konfiguracijo izolacije je prenapetost vsaka napetost med priključki, ki je v določenem trenutku višja od temenske vrednosti napetosti omrežne frekvence na teh priključkih v primeru, ko napajamo napravo z najvišjo napetostjo opreme Um na vseh faznih priključkih.

Ločimo časne, prehodne in kombinirane prenapetosti. Razvrščene so glede na trajanje in obliko:

Časne prenapetosti: Izmenične prenapetosti omrežne frekvence s sorazmerno dolgim trajanjem, ki so nedušene ali slabo dušene. Včasih je frekvenca nekajkrat višja ali nižja od omrežne frekvence.

Prehodne prenapetosti: Kratkotrajne prenapetosti s trajanjem nekaj milisekund ali manj, izmenične ali ne, ki so običajno močno dušene. Običajno so ene polaritete. Prehodne prenapetosti dalje delimo na:

o Prenapetosti s položnim čelom:Čas do temenske vrednosti znaša 20 µs <T1 ≤

5000µs in čas hrbta T2 ≤ 20 ms o Prenapetosti s strmim čelom: Čas do temenske vrednosti znaša 0.1 µs < T1 ≤ 20 µs

in čas hrbta T2 < 300 µs. o Prenapetosti z zelo strmim čelom: Čas do temenske vrednosti znaša T1 ≤ 0.1 µs in

celotno trajanje < 3 ms. Imajo superponirane oscilacije s frekvencami na intervalu 30 kHz < f < 100 MHz

Kombinirane prenapetosti (časne, s položnim, strmim in zelo strmim čelom): Sestavljene so iz dveh

napetostnih komponent, ki se istočasno pojavita med vsakim od dveh faznih priključkov izolacije (medfazne ali vzdolžne) in zemljo. Razvrščamo jih po komponenti z višjo temensko vrednostjo.

83

Prenapetosti, ki jih najpogosteje uporabljamo v postopkih koordinacije izolacije in pripadajoče lastnosti so prikazane v tabeli 15.1:

VRSTA PRENAPETOS

TI:

Časne prenapetosti

Prenapetosti s položnim čelom

Prenapetosti s strmim čelom

Oblika:

Običajni vzroki za nastanek:

Zemeljski stiki, izpadi bremen, feroresonanca

Stikalne manipulacije Atmosferske razelektritve

Lastnosti: 10 Hz < f < 500 Hz 3600 s ≥ t ≥ 0.03 s

5000 µs ≥ T1 > 20 µs T2 ≤ 20 ms

20 µs ≥ T1 > 0.1 µs T2 ≤ 300 µs

Standardni preskus zdržnosti:

Kratkotrajni preskus z izmenično napetostjo

Preskus s stikalno udarno napetostjo

Preskus z atmosfersko udarno

napetostjo

Tabela 15.1: Razvrstitev prenapetosti skladno s standardom IEC 60071

V zvezi s časnimi prenapetostmi, ki nastanejo v zdravih fazah ob zemeljskih stikih, je pomemben

parameter: Faktor zemeljskega stika: Razmerje najvišje efektivne vrednosti napetosti omrežne frekvence

zdrave faze proti zemlji med eno ali večfaznim zemeljskim stikom kjerkoli v sistemu in efektivno fazno napetostjo industrijske frekvence, ki je bila na tem mestu pred okvaro. To velja na določenem mestu v trifaznem sistemu in ob dani konfiguraciji sistema.

15.3 Omejevanje prenapetosti

Že v začetku smo omenili, da je v postopku koordinacije izolacije treba upoštevati vpliv zaščitnih

naprav. Ob tem seveda mislimo na naprave, ki so namenjene omejevanju prenapetosti:

zaščitni rogljiči (iskrišča) prenapetostni odvodniki

Predvsem pri slednjih gre za kakovostne zaščitne naprave. Najvišjo napetost, ki preostane po

delovanju na odvodniku (ali drugi zaščitni napravi) ob pojavu prenapetosti, imenujemo zaščitni nivo zaščitne naprave Uzašč . Ščitena naprava (npr. energetski transformator), ki je priključena v isti točki kot odvodnik, je ob tem prav tako obremenjena z napetostjo Uzašč . Pomembna lastnost izolacije te naprave je zdržna napetost Uzdrž . Seveda mora veljati, da je Uzdrž večja od Uzašč :

Uzdrž > Uzašč (15.1)

Razmerje med Uzdrž in Uzašč imenujemo zaščitni faktor. Večji, ko je zaščitni faktor, boljša je

ščitenost naprave. Ko izbiramo zahtevani zaščitni faktor, nikoli ne gremo povsem na mejno vrednost

84

in vedno upoštevamo tudi nek varnostni faktor. Nenazadnje se s staranjem izolacije znižuje tudi njena zdržna napetost.

V praksi odvodnik nikoli ni priključen v isti točki kot transformator, pač pa je med njima neka

razdalja x. Z oddaljenostjo odvodnika pa se povečuje zaščitni nivo Uzašč , kar je slabo, saj se ob tem zmanjšuje zaščitni faktor za ščiteno napravo. Drug dejavnik, ki prav tako vpliva na zmanjševanje zaščitnega faktorja je strmina čela prenapetosti S [kV/µs]. Maksimalno oddaljenost xmax odvodnika od ščitene naprave lahko izračunamo z naslednjim obrazcem:

( )c

SUUx zaščzdrž

⋅−

=2max (15.2)

kjer predstavlja c hitrost potovanja napetostnega vala.

15.4 Zdržnost izolacije

Standardne najvišje napetosti opreme Um so po standardu IEC 60071 razdeljene v dva območja:

Območje I: Nad 1 kV do vključno 245 kV Območje II: Nad 245 kV

Napetost Um (običajno 10 % višja od nazivne napetosti Un) se izbira glede na najvišjo obratovalno

napetost, ki se lahko trajno pojavi na kateremkoli mestu sistema v normalnem obratovanju. Ker mora izolacija zdržati tudi prenapetosti do določene višine, je mogoče za vsako Um izbrati ustrezen standardni izolacijski nivo. Za definiranje izolacijskih nivojev se uporabljajo tri standardne zdržne napetosti:

standardna kratkotrajna (enominutna) zdržna napetost U50Hz (ustreza časnim prenapetostim) standardna atmosferska zdržna udarna napetost U1,2/50 (ustreza prenapetostim s strmim čelom) standardna stikalna zdržna udarna napetost U250/2500 (ustreza prenapetostim s položnim čelom)

Pri slednji so določene posebne zahteve glede vzdolžne in medfazne izolacije. Vsak izolacijski nivo

določata dve standardni zdržni napetosti:

napetost U50Hz in U1,2/50 za izolacijo območja I napetost U250/2500 in U1,2/50 za izolacijo območja II

Ko govorimo o zdržnih napetostih moramo vedeti, da je to vrednost preskusne napetosti, ki jo pri

določenih pogojih uporabimo v preskusih zdržnosti. Ob tem se dopušča določeno število preskokov. Zdržna napetost je določena kot:

Konvencionalna zdržna napetost: Napetost, ob kateri ne dopuščamo nobenega preskoka. Domneva

se, da ustreza 100 % zdržni verjetnosti. Statistična zdržna napetost: Napetost, ob kateri se dopušča neko število preskokov, ki ustreza

določeni zdržni verjetnosti (npr. 90 %). Za določitev standardnega izolacijskega nivoja s pripadajočimi zdržnimi napetostmi moramo

seveda vedeti, kakšne prenapetosti se pojavljajo. To pa je odvisno od razmer v sistemu (lastnosti omrežja, ozemljevanje nevtralne točke, delovanje strel ipd). Glede na tri napetostne stopnje pri VN omrežjih, se kot ustaljena praksa v Sloveniji uporabljajo standardni izolacijski nivoji navedeni v tabeli 2:

85

Območje Un

[kV] Um

[kV] U50Hz [kV]

U1,2/50 [kV]

U250/2500 [kV]

I 110 123 230 550 −

I 220 245 460 1050 −

II 400 420 − 1425 1050

Tabela 15.2. Standardni izolacijski nivoji pri VN omrežjih

15.5 Postopek koordinacije izolacije

Cilj postopka koordinacije izolacije je določitev standardnega izolacijskega nivoja. To hkrati

pomeni izbiro standardnih zdržnih napetosti, katerim mora ustrezati izolacija naprav. Analiza elektroenergetskega sistema nam da vhodne podatke o prenapetostih, ki so potrebni pri optimizaciji. Postopek koordinacije izolacije je grafično prikazan na sliki 15.2:

Slika 15.2. Postopek koordinacije izolacije Določitev reprezentativnih prenapetosti Urp : Napetosti in prenapetosti, ki obremenjujejo izolacijo v

obratovanju, morajo biti obravnavane glede na njihovo temensko vrednost, obliko in trajanje. Sistemska analiza mora upoštevati tudi morebitne naprave za omejevanje prenapetosti (iskrišča, odvodniki). Za vsako skupino prenapetosti je nato treba, ob upoštevanju karakteristik izolacije, določiti reprezentativne prenapetosti v obliki:

predpostavljene maksimalne vrednosti skupine temenskih vrednosti verjetnostne porazdelitve temenskih vrednosti

Reprezentativne prenapetosti Urp

Zdržne napetosti koord. izolacije Ucw

Zahtevane zdržne napetosti Urw

NAZIVNI IZOLACIJSKI NIVO

Viri in razvrstitev prenapetosti, zaščitni nivo prenapetostne zaščite, lastnosti izolacije.

Karakteristike in kriterij obnašanja izolacije, porazdelitev prenapetosti, netočnosti vhodnih podatkov (faktor kc).

Korekcija zaradi atmosferskih pogojev (faktor ka); različne konstrukcije izolacije, kakovost izdelave, staranje (faktor ks).

Pogoji pri preskušanju, območja

Analiza sistema

Izbira izolacije glede na kriterij

Razlika med preskusi in

Izbira standardnih zdržnih napetosti Uw

86

Kadar nam ustreza uporaba predpostavljene maksimalne vrednosti, so reprezentativne prenapetosti predstavljene v obliki ustreznih standardnih napetosti: Um (ustreza najvišji trajni obratovalni napetosti), U50Hz , U1,2/50 in U250/2500 .

Določitev zdržnih napetosti koordinacije izolacije Ucw : Najnižje vrednosti zdržnih napetosti

izolacije, ki ustrezajo obnašanju izolacije ob reprezentativnih prenapetostih v obratovalnih pogojih, so zdržne napetosti koordinacije izolacije. Prav tako kot reprezentativne prenapetosti Urp imajo standardne oblike. Napetosti Ucw dobimo dobimo tako, da Urp pomnožimo s faktorjem koordinacije kc:

rpccw UkU ⋅= (15.3)

Vrednost faktorja kc je odvisna od točnosti ugotavljanja Urp ter ocene (empirične ali statistične)

porazdelitve prenapetosti in karakteristik izolacije. Določitev zahtevanih zdržnih napetosti Urw : Ob določanju zahtevanih zdržnih napetosti priredimo

Ucw na standardne pogoje ob preskušanju. Rezultati preskušanja zunanje izolacije se namreč podajajo za referenčne atmosferske pogoje temperature T, tlaka p in vlage h (T = 20 °C, p = 101,3 kPa in h = 11 g/m3). Določeni preskusi na napravah se izvajajo v umetnem dežju, kar pa ne more ustvariti enakih pogojev, kot se pojavljajo v dejanskem obratovanju. Napetost Urw določimo na naslednji način:

cwsarw UkkU ⋅⋅= (15.4)

Prvi faktor korekcije atmosferskih pogojev ka upošteva razliko med povprečnimi atmosferskimi

pogoji v dejanskem obratovanju in referenčnimi atmosferskimi pogoji. Drugi faktor ks pa zajema vse ostale vplive kot so:

razlike pri konstrukciji in montaži naprave različno kakovost izdelave staranje izolacije ostale neznane vplive

Zahtevane zdržne napetosti Urw morajo zajeti vsakršne pogoje, ki jim je izpostavljena naprava v

svoji življenjski dobi. Izbira nazivnega izolacijskega nivoja: Z izbiro nazivnega izolacijskega nivoja določimo optimalno

(gledano ekonomsko) skupino standardnih zdržnih napetosti Uw . Pri uspešnem preskušanju izolacije z Uw dokažemo, da ta zadosti vsem zahtevanim zdržnim napetostim Urw .

V prvem koraku določimo Um , ki je prva večja standardna vrednost od najvišje trajne obratovalne

napetosti daljnovoda. Temu sledi določitev standardnih zdržnih napetosti Uw , kjer prav tako izberemo prvo višjo vrednost od ustrezne Urw . Napetost Uw ima običajno enako, standardno obliko kot Urw , v nasprotnem primeru moramo uporabiti posebne faktorje za pretvorbo. Napetosti Uw ne smemo poljubno kombinirati. Standardni izolacijski nivo zato dvigujemo navzgor, dokler niso vse Uw nad ustreznimi Urw . Te napetosti se upoštevajo tudi pri nekoliko bolj zapletenem, sestavljenem preskušanju medfazne in vzdolžne izolacije razreda II.

Pri določanju zdržnih napetosti Ucw v postopku koordinacije izolacije za prehodne prenapetosti se

uporabljata dve metodi: deterministična in statistična, mnoge pa so kombinacija obeh.

87

15.5.1 Deterministična metoda

Kadar ni na voljo nobenih statističnih podatkov o možni pričakovani pogostosti okvar (preskoki na

izolaciji) v obratovanju običajno uporabimo deterministično metodo. Z uporabo faktorja kc enostavno preračunamo reprezentativno prenapetost Urp (predpostavljen maksimum) na nekoliko višjo zdržno napetost Ucw , ki naj bi jo izolacija zanesljivo zdržala. Metoda je enostavna, vendar ne upošteva možne (verjetnost) pogostosti izpadov v obratovanju.

15.5.2 Statistična metoda

Bolj napredna metoda od prve je statistična metoda, ki je osnovana na:

pogostosti vzroka prenapetosti verjetnostni porazdelitvi prenapetosti, ki nastanejo zaradi posameznega vzroka verjetnosti preskoka na izolaciji

Izhodišče pri statistični metodi je sprejemljivo tveganje oz. dopustna pogostost okvar na napravi.

Pogostost okvar je povezana z verjetnostjo preskoka Rpr na izolaciji in jo izrazimo s številom okvar na leto. Verjetnost preskoka lahko izračunamo z izrazom

( ) ( )∫∞

⋅⋅=0

pr dUUPUfR (15.4)

kjer je: f(U) porazdelitev pogostosti prenapetosti P(U) verjetnost preskoka ob prenapetosti

V koordinaciji izolacije se pogosto uporablja Weibull-ova porazdelitvena funkcija. Določitev Rpr je

grafično prikazana na sliki 15.3:

Slika 15.3. Določitev verjetnosti preskoka ob prenapetosti Verjetnost Rpr velja za eno prenapetost. Če se prenapetost pojavi večkrat, npr. trikrat, moremo

izračunati verjetnost preskoka na naslednji način:

( ) ( ) ( )pr3pr2pr1pr 1111 RRRR −⋅−⋅−−= (15.4) Pogostost okvar zaradi istovrstnih prenapetosti nam da zmnožek Rpr s celotnim številom

prenapetosti.

Rpr

P(U)f(U)

1

0,4 0,6 0,8

0,2

88

16. Model iranje v i sokonapetostnih naprav in omreži j z anal izo prehodnih pojavov z las t i prenapetost i in opt imiranjem zašč i te

Računalniški program EMTP (ATP)

16.1 Splošno

Med obratovanjem EES sistema se srečujemo z različnimi obratovalnimi stanji EES. Vzroki za

različna stanja EES so lahko normalni ali pa izredni dogodki. Zato je potrebno opraviti analize, zakaj je do teh stanj prišlo. Analize stanj v EES lahko opravimo na podlagi obratovalnih meritev, lahko pa se opravijo tudi posebne meritve. Prav posebne meritve električnih veličin so običajno drage (merilna oprema in izpad energije med opravljanjem meritev) in zamudne ter zahtevajo običajno veliko ljudi na terenu. Pri meritvah časnih prenapetosti pa lahko pride tudi do poškodb na vgrajeni opremi. Zelo dober način za analiziranje stacionarnih stanj in prehodnih pojavov v EES, so računalniške simulacije s katerimi lahko ponazorimo različna stanja EES. S primernim programom modeliramo določeno omrežje in izračunavamo željene veličine ob določenih vhodnih podatkih. V modelu omrežja lahko vhodne podatke smiselno spreminjamo in tako na enostaven način ugotavljamo vpliv teh na izhodne veličine (napetost, tok, moč, itd.). Da bi se dobljeni rezultati ujemali z dejanskim stanjem v omrežju, moramo veliko pozornost posvetiti izdelavi kakovostnega nadomestnega modela.

Analize elektromagnetnih prehodnih pojavov v elektroenergetskem sistemu se izvajajo v širokem

frekvenčnem pasu in sicer od 0 - 50 MHz, ali pa celo več. Kot vemo, so prehodni pojavi s frekvenco različno od 50 Hz, posledica najrazličnejših normalnih in nenormalnih dogodkov v elektroenergetskem sistemu. Ta frekvenčni pas (0 - 50 MHz ali pa celo več (GIS)), za lažjo analizo na digitalnem računalniku, razdelimo na štiri frekvenčna območja, ki so prikazana v tabeli 1.

Vrsta prenapetosti Frekvenčno območje Časne prenapetosti 0,1 Hz - 3 kHz

Prehodne prenapetosti s položnim čelom 50 Hz - 20 kHz Prehodne prenapetosti s strmim čelom 10 kHz - 3 MHz

Prehodne prenapetosti z zelo strmim čelom 100 kHz - 50 MHz

Tabela 16.1: Frekvenčna območja za računalniške simulacije

Predstavitev posameznih elementov in delov elektroenergetskega omrežja, se izvede s pomočjo

veličin: časa, upornosti, kapacitivnosti, induktivnosti, itd. Če bi želeli ponazoriti te strukture z modeli, ki naj veljajo za celoten frekvenčni pas (0 - 50 MHz ), bi imeli nemalo težav, ker bi modeli postali preobsežni in težavni za digitalno simulacijo. Zato je potrebno izdelati nadomestna električna vezja teh struktur za posamezno frekvenčno območje, v katerega spada normalno ali nenormalno stanje elektroenergetskega sistema. S tem si bistveno olajšamo delo, pa tudi rezultati se še gibljejo v realnih mejah (+/- 5%). Potrebno pa je opozoriti, da je pri izdelavi električnih nadomestnih vezij, potrebno imeti veliko znanja in izkušenj s tega področja, kajti le v tem primeru lahko pričakujemo realne rezultate. Že majhna napaka pri modeliranju lahko povzroči bistveno drugačen rezultat od realnega.

Na modelu nato opravimo simulacije s primernim programom. Na področju analize

elektroenergetskih sistemov daleč prevladuje uporaba programa EMTP, kar dokazujejo navedbe v strokovni literaturi.

89

16.2 Program EMTP-ATP

ElectroMagnetic Transients Program ali krajše EMTP je predvsem simulacijski program za

raziskave v VN EES in postrojih. Z njim lahko ugotavljamo časovni potek izbranih električnih veličin. Običajno nas zanima dogajanje po določeni motnji kot je npr. preklop stikala, defekt v omrežju, udar strele ipd.

EMTP so pričeli razvijati pri Bonneville Power Administration (BPA) na agenciji U.S. Department

of Energy, katere sedež se nahaja v Portland-u, Oregon (ZDA). Trud skupine strokovnjakov (Hermann W. DOMMEL, Luis MARTI, Vladimir BRANDWAJN itd) in finančna podpora, sta pripomogla k temu, da je BPA desetletje in pol prevladovala v razvoju EMTP. Rezultati dela so bili v javni lasti (public domain) z namenom, da služijo kot osnova in podpora strokovnjakom širom sveta za nadaljnje raziskave s tega področja.

Pred poskusom komercializacije (poletje 1984) je bil EMTP na voljo vsem, ki so ga želeli. V

zadnem času pa program ni več v javni lasti. Ta ukrep je bil potreben, da bi EMTP zaščitili pred izkoriščanjem v komercialne namene. Kasneje je nastala posebna verzija EMTP z imenom Alternative Transients Program ali krajše ATP in je last tistih, ki so program razvili.

Sčasoma je bilo vedno več posameznikov ali organizacij vključenih v delo, na nek način povezano z

EMTP. Program sam pa je strokovnjakom po svetu postal ključno orodje za raziskave pojavov v VN EES s pomočjo računalniških simulacij.

16.2.1 Glavne značilnosti programa EMTP

Kot je že omenjeno, se EMTP uporablja predvsem za simulacije v VN EES. Program omogoča

analizo eno ali več faznega omrežja in sicer:

Izračun stacionarnih stanj lineranih sistemov z izmeničnimi izvori določene frekvence. Stacionarno stanje lahko uporabimo tudi kot začetno vrednost pri izračunu prehodnih pojavov,

Izračun stacionarnih stanj linearnih sistemov, kjer se frekvenca izmeničnega izvora spreminja s korakom ∆f med minimalno in maksimalno frekvenco,

Izračun elektromagnetnih prehodnih pojavov, Izračun stacionarnih stanj nekaterih nelinearnih sistemov.

Gledano z matematičnega stališča lahko rečemo, da s tem programom rešujemo algebraične,

navadne in parcialne diferencialne enačbe, ki izhajajo iz vezij sledečih elementov:

koncentrirane upornosti R, koncentrirane induktivnosti L, koncentrirane kapacitivnosti C, večfazni π ekvivalenti, kjer postanejo prejšnji skalarji R, L, C matrike [R], [L] in [C], večfazni vodi s porazdeljenimi parametri, kjer je predstavljen čas širjenja veličine. Poleg

konstantnih lahko upoštevamo tudi frekvenčno odvisne parametre, nelinearni upori predstavljeni z enolično U-I karakteristiko ali z upoštevanjem histereze in

preostalega magnetnega pretoka, časovno spremenljive upornosti, stikala za simuliranje odklopnikov, iskrišč ali katerekoli spremembe povezav v vezju. Diode in

tiristorji so tudi vključeni v to skupino,

90

napetostni in tokovni izvori. Poleg običajnih matematičnih funkcij (sinus, stopnica, rampa itd.) lahko uporabnik določi časovni potek tudi točko za točko, s FORTRAN-om ali s TACS ali podprogramo napisanim v MODELS),

rotacijski električni stroji, kjer običajno nastopajo klasični trifazni sinhronski stroji. Mogoče je modelirati tudi ostale eno, dvo ali trifazne električne stroje. Takšne modele strojev lahko priključimo tudi ta TACS sisteme in s tem omogočimo napetostno in hitrostno krmiljenje,

pred leti se je dinamika sistemov običajno raziskovala s tako imenovanimi analognimi računalniki. Ta način modeliranja je bil običajno imenovan TACS (Transient Analysis of Control Systems). Dovoljene so različne nelinearne in logične operacije. Vhodi in izhodi so lahko priključeni na ostala vezja EMTP. Vse TACS konfiguracije lahko uporabnik poljubno spreminja.

Večina običajnih diferencialnih enačb, ki opisujejo posamezne dele vezij, se rešuje z numerično

integracijo po trapezni metodi. Kot rezultat dobimo določeno število med seboj povezanih realnih, istočasnih, algebraičnih enačb, ki morajo biti rešene za vsak korak posebej. Te enačbe nastopajo v obliki vozliščnih prevodnosti. Rešitev nam da iskane vrednosti električne veličine.

Na izhodu programa dobimo rezultat v izbranih spremenljivkah komponent (npr. tokovi, napetosti,

hitrost ali navor stroja itd.) kot funkcijah časa. Podatke moremo tabelarično izpisati s številkami ali jih grafično prikazati. Kot izhodne enote lahko poleg zaslona uporabljamo tudi tiskalnike in risalnike.

V večini primerov program sam ugotovi začetne vrednosti diferencialnih enačb. Najbolj pomembne

omejitve programa so v zvezi z linearnostjo posameznih elementov. Vzbujanje vezij lahko definiramo z napetostjo ali močjo, torej lahko opazujemo tudi pretoke energije. Modeliranje regulacijskih sistemov je mogoče izvajati s superpozicijo poljubnega števila linearnih rešitev različnih frekvenc.

16.2.2 Modeliranje EES in postroja

Na osnovi podatkov, ki jih dobimo s pomočjo analitičnih izračunov, meritev in izračunov podprogramov, izdelamo model (nadomestno vezje) električnega omrežja ali postroja. Da je nadomestno vezje na nek način verna podoba realnega stanja, je potrebno v analizo pritegniti tiste podatke oziroma elemente, ki imajo ključen vpliv na rezultate računalniških simulacij. Ostale odmislimo (abstrahiramo), saj nimajo bistvenega vpliva na končni rezultat. Tako v modelu električno omrežje predstavljajo med seboj povezana vozlišča, ki so označena v programu z nizom šestih znakov. Potencial zemlje prav tako predstavlja vozlišče, vendar ga ni potrebno posebej označevati (šest praznih mest oz. presledkov).

V veje med vozlišči pa glede na določen primer vstavljamo elemente mreže. Med podatki vsakega

elementa so vedno vpisane oznake vozlišč, ki določajo položaj elementa v vezju, ter specifični podatki, ki definirajo lastnosti elementa.

16.2.3 Priprava podatkov

Pred začetkom vnašanja podatkov je potrebno definirati pomembne osnovne programske parametre:

Časovni korak ∆t za izračun prehodnih elektromagnetnih pojavov ob času: t=0, ∆t, 2∆t.... Maksimalni čas v katerem naj bi bila simulacija končana. Priporočljivo je, da je ta čas dovolj

kratek, saj je od tega odvisna hitrost izračuna določene naloge, Enote vnešenih podatkov, ki jih lahko podamo na dva načina in sicer: upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti v Ω,

91

upornosti v Ω, induktivnosti v mH in kapacitivnosti v µF, Shemo povezav, ki določajo simulirano električno omrežje ali postroj. Vsem vozliščem je

potrebno določiti imena. Izvore ponazorimo z napetostnimi in tokovnimi generatorji.

16.2.4 Vnos podatkov

Predenj se lotimo pisanja programa mora biti uporabnik le tega seznanjen z določenimi omejitvami

programa (število vozlišč, nelinearnih elementov,...), ki so definirane v STARTUP.WNT. in LISTSIZE.MAX datoteki.

Program lahko obdeluje poljubno število primerov, vendar pa je potrebno podatke za določeno

izvajanje vnesti po naslednjem vrstnem redu:

Kontrolne podatke, s katerimi definiramo način prikaza rezultatov, Podatke za vsak primer posebej in Zaključne podatke.

Vsak posamezni primer pa je potrebno opisati s t.i. podatkovnimi karticami, ki si morajo slediti v

naslednjem vrstnem redu:

indentifikacijska kartica »BEGIN NEW DATA CASE«, mešane ali posebne kartice (določanje ∆t, vklučevanje TACS, podprogrami LINE

KONSTANTS..., podprogrami napisani v MODELS itd., podatkovne kartice za linearne in nelinearne veje, transformatorje, daljnovode, kable,

prenapetostne odvodnike itd., podatkovne kartice za stikala (odklopnike, ločilnike, tiristorje, diode), podakovne kartice za izvore, podatkovne kartice za sinhronske generatorje in motorje, podatkovne kartice za pretoke moči, podatkovne kartice za določevanje začetnih pogojev, kartice za izpis izhodnih veličin (napetosti, tokov, moči, energije itd.) in kartice za grafični prikaz izračunanih veličin v odvisnosti od časa.

16.2.5 Prikaz podatkov in rezultatov

Vneseni podatki za posamezni primer se na zaslonu izpišejo takoj ko poženemo program in jih le ta

prebere. Program pred izpisom preveri tako smiselnost kot mesto vnosa vnešenih podatkov in nas ob morebitni napaki nastali pri vnosu ali sistemski napaki v podatkih med izpisom obvesti. Program loči dve vrsti napak:

napake, zaradi katerih se izvajanje programa ne ustavi in napake, pri katerih se izvajanje programa ustavi in je napake potrebno odpraviti.

Izračunani podatki se izpišejo na ekranu, po potrebi pa jih lahko shranimo v datoteko ali pa

izpišemo na tiskalnik. Izpis dobljenih rezultatov poteka po naslednjem vrstnem redu:

vozliščne napetosti, napetostne razlike med vozlišči, tokovi med vozlišči,

92

moči med vozlišči in energije med vozlišči.

Poleg rezultatov program izpiše še komentarje k izračunanemu primeru s katerimi nas opozori prvič

na pravilnost izvajanja samega programa na določena dogajanja v izračunu kot so vklop ali izklop stikala, proženje odvodnikov itd.

Dobljene rezultate je mogoče prikazati tudi grafično. Programov, ki to omogočajo je več, vendar se

najpogosteje uporabljata PCPLOOT in GSVIEW.

16.2.6 Potrebna programska in strojna oprema

Za uspešno in učinkovito izvajanje računalniških simulacij in pregledovanje ter analiziranje

rezultatov, potrebujemo nasledjno programsko in strojno opreme:

računalniški program EMTP-ATP, ki deluje na različnih operacijskih sistemih, kot so npr: DOS, WINDOWS 95, 98, 2000, WINDOWS NT, UNIX, LINUX, OS/2 itd,

urejevalnik programa, kot sta npr. EDITEUR, SIDEKICK, grafični pregled rezultatov, npr. PCPLOOT in GSVIEW in procesor minimalno 486.

16.3 Primeri uporabe računalniških simulacij

V tem poglavju so prikazani različni primeri uporabe računalniških simulacij.

16.3.1 Koordinacija izolacije transformatorske postaje na jamboru 20 kV

Za potrebe koordinacije izolacije transformatorske postaje na drogu, ki je prikazana na enopolni

shemi na sliki 16.1, je bil izdelan nadomestni model, ki je prikazan na sliki 16.2. Na tem modelu so bile opravljene računalniške simulacije ob spreminjanju lokacije ZnO odvodnika, iskrišča in upornosti ozemljitve. Na podlagi dobljenih rezultatov pa je bila opravljena analiza prenapetostnih razmer v vseh ključnih točkah z namenom, da prenapetosti v nobeni ključni točki ne presežejo vrednosti zdržnih napetosti izolacije vgrajene opreme. Na slikah od 16.3 do 16.6 so prikazani rezultati računalniških simulacij (poteki prenapetosti v odvisnosti od časa in absorbirana energija v odvodniku).

93

Slika 16.1: Enopolna shema TP 10-20/0,4 kV (TJ 250 R)

94

Slika 16.2: Nadomestno vezje TP na jeklenem jamboru

95

Slika 16.3: Udar strele 160 kV (1,2/50 µs) v točko VN1 in potek prenapetosti na odvodniku (VN2) in transfor.

(VN3)

Slika 16.4: Potek prenapetosti na NN navitju transformatorja in na NN odvodniku

96

Slika 16.5: Energijska obremenjenost odvodnika v točki VN2 in NN9

Slika 16.6: Neposredni udar strele v točko A1 in potek prenapetosti na iskrišču (ISK); lZnO – ISK = 18 m

97

16.3.2 Zemeljski stik

Naslednji primer obravnava prehodne pojave, ki so posledica zemeljskih stikov in jih lahko

uvrstimo v frekvenčni razred prehodnih napetosti s položnim čelom. Slika 16.7 prikazuje enopolno shemo obravnavanega distribucijskega omrežja v katerem so bile opravljene meritve časnih prenapetosti. Ker so meritve dobra referenca za kontrolo rezultatov računalniških simulacij, je bil izdelan nadomestni model predmetnega omrežja in opravljene simulacije omenjenih zemeljskih stikov. Na slikah od 16.8 do 16.13 je prikazana primerjava rezultatov, ki so dobljeni s pomočjo meritev in računalniških simulacij. Iz primerjav slik je razvidno, da so odstopanja temenskih vrednosti simuliranih napetosti z izmerjenimi napetostmi minimalna.

16.3.2.1 Zemeljski stiki

Slika 16.7: Enopolna shema obravnavanega distribucijskega omrežja

98

Slika 16.8: Izmerjena napetost

Slika 16.9: Simulacija zemeljskega stika (potek napetosti na zbiralkah)

99

Slika 16.10: Absorbirana energija ZnO odvodnika (MWK 19)

Slika 16.11: Izmerjena napetost

100

Slika 16.12: Simulacija zemeljskega stika

Slika 16.13: Absorbirana energija ZnO odvodnika (MWK 19)

101

16.3.3 Feroresonanca

Pojav feroresonance je v EES zelo redek. Toda kadar pride do tega pojava v EES, le ta povzroča

visoke prenapetosti, ki lahko poškodujejo izolacijo VN opreme. Slika 16.14 prikazuje izmerjene vrednosti napetosti na kondenzatorju, dušilki in tok skozi model ob nastanku pojava feroresonance na laboratorijskem modelu, ki služi za praktične vaje iz predmeta VN tehnika. Izdelan je bil nadomestni model laboratorijskega modela in na sliki 16.15 sta prikazana poteka napetosti na kondezatorju in dušilki ob simuliranju pojava feroresonance.

Slika 16.14: Prehod 1, obrat faze k višjim napetostim (L ≥ C)

Slika 16.15: Časovni potek napetosti na induktivnosti z železnim jedrom in na kondenzatorju

102

Pred leti je v 110 kV stikališču lastne rabe NEK prišlo do pojava feroresonance in s tem do uničenja prenapetostnih odvodnikov v dveh fazah (L1 in L3). Pri izklopu odklopnika v TEB je prišlo do zatajitve izklopa pola odklopnika v fazi L2, tako da je bil transformator lastne rabe v NEK enofazno napajan preko daljnovoda in kablovoda. Zaradi prenizke napetosti na sekundarni strani tr., je prišlo do delovanja regulacijskega stikala tr. in v določenem trenutku je prišlo zaradi kapacitivnosti in induktivnosti daljnovoda ter kablovoda in povečane nelinearne induktivnosti tr. do obrata faze in s tem do nastanka feroresonance (Slika 16.17). Za razumljivejšo analizo nastalega dogodka je bil izdelan nadomestni model na katerem je bil simuliran pojav feroresonance. Rezultati računalniških simulacij so prikazani na sliki 16.18 in 16.19.

DV 110 kV TE Brestanica

Slika 16.16: Enopolna shema analiziranega 110 kV omrežja

103

R S T

171 kV

R S T

odpoved prenapetostnegaodvodnika- zemeljski stik

TSR

Slika 16.17: Potek nastanka feroresonance v NEK, ki ga je registriral merilni sistem SOREL

104

delovanje regulacijskegastikala T3

174 kV

Slika 16.18: Nastanek feroresonce na simulacijskem modelu obravnavanega dela omrežja

mejna vrednost 588 kJ absorbirane energije v odv.

zemeljski stik 60 s, zaradi uničenja odv.

Slika 16.19: Absorbirana energija v odvodniku

105

17. Literatura

[1] Hochspannungstechnik 1, TU Graz, Skripta [2] Hochspannungstechnik 2, TU Graz, Skripta [3] Hochspannungstechnik 3, TU Graz, Skripta [4] E. Kuffel, W.S. Zaengl, J. Kuffel: High Voltage Engineering, Fundamentals, Newnes: Oxford,

2001 [5] B. Heller, A. Veverka: Surge Phenomena in Electrical Machines, Academia, Prague 1968 [6] L. Milanković: Tehnika visokog napona, Naučna knjiga, Beograd 1987 [7] M. Beyer, W.Boeck, K. Moeller und W.Zaengl: Hochspannungstechnik, Springer-Verlag, 1986 [8] IEC Standard 60060, High Voltage Test Techniques [9] IEC Standard 60052, Recomendations for Voltage Measurements by Means of Sphere-gaps

(one sphere earthed), [10] A.J. Schwab:High Voltage Measurement Techniques, MIT Press, Cambridge, 1972