Zagadnienia na egzamin z TWN 1. Rodzaje napięć w WN, napięcie
advertisement
Zagadnienia na egzamin z TWN 1. Rodzaje napięć w WN, napięcie przebicia, napięcie przeskoku, napięcie początkowe wyładowań Napięcie przebicia - Miarą wytrzymałości elektrycznej układu izolacyjnego jest natężenie pola elektrycznego lub odpowiadające mu napięcie, przy którym następuje przebicie układu Napięcie początkowe wyładowań - Jeśli w polu niejednorodnym przy pewnym napięciu pojawiają się w układzie izolacyjnym lokalne wyładowania, napięcie to nazywamy napięciem początkowym wyładowań. Napięcie przeskoku 2. Pole elektryczne, wartość średnia, współczynnik niejednorodności pola Pole elektryczne - Stan przestrzeni otaczającej ładunki elektryczne lub zmienne pole magnetyczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna. Wartość średnia – E0=U/a Współczynnik niejednorodności pola - β=Em/E0 3. Podstawowe układy elektrod i odpowiadające im rozkłady pól 4. Układy uwarstwione Naprężenia dielektryków w układach uwarstwionych W układzie płaskim dielektryków ułożonych szeregowo indukcja elektryczna Pozostaje niezmieniona przy przejściu z dielektryka o przenikalności ε1 do dielektryka o przenikalności ε2, a zatem naprężenia dielektruków są odwrotnie proporcjonalne do prznikalności elektrucznycz: E1/E2= ε2/ε1 Każdy z dielektryków można zamodelować w postaci równoległego połączenia rezystancji R oraz pojemności C. 5. Polaryzacja i jej rodzaje Dielektryk może być rozpatrywany jako zbiór różnoimiennych ładunków swobodnych i związanych, znajdujących się w stanie równowagi termicznej. Wzajemny układ ładunków różnoimiennych o jednakowej wartości może być: - symetryczny – elektrycznie obojętny, gdy punkty środkowe ładunku dodatniego i ujemnego pokrywają się, - niesymetryczny – polarny, gdy punkty środkowe są przesunięte względem siebie na pewną odległość. Umieszczenie dielektryka w polu elektrycznym może powodować polaryzację: - makroskopową (polaryzację ładunku przestrzennego), tj. przemieszczanie się ładunków swobodnych oraz jonowych nośników ładunków wzdłuż linii pola elektrycznego w kierunku powierzchni granicznych dielektryka, - dipolową (orientacyjną), tj. uporządkowanie dipoli przez zmianę kierunku ich momentów na bardziej zbliżony do kierunku natężenia pola zewnętrznego, - deformacyjną atomową lub jonową, tj. wzajemne przesunięcie sprężyste atomów, jonów lub grup polarnych cząsteczek przy równoczesnej deformacji ich powłok elektronowych, - elektronową, tj. sprężyste przesunięcie w atomie punktu środkowego chmury elektronowej względem dodatniego jądra. 6. Właściwości przewodzące dielektryków Oddziaływanie zewnętrznego pola elektrycznego na dielektryk wywołuje dwie składowe prądu, wynikające z istnienia ładunków swobodnych i ładunków związanych: - składową iu, zwaną prądem przewodzenia lub prądem upływu, - składową ia, zwaną prądem przesunięcia lub prądem absorpcji. Przepływający przez dielektryk prąd wypadkowy ma w zmiennym polu elektrycznym zdecydowaną przewagę składowej przesunięcia, która z kolei w stałym polu przyjmuje wartość równą zeru. Z przewodnictwem związane są rezystywność skrośna ρv, określająca właściwości przewodzące wnętrza dielektryka oraz rezystywność powierzchniowa ρs, określająca rezystancję kwadratu powierzchni dielektryka o boku 1 m. 7. Wytrzymałość elektryczna gazów, mechanizmy przebicia Naturalnym dielektrykiem gazowym, w którym pracują prawie wszystkie urządzenia elektroenergetyczne, jest powietrze. W wyniku zjawisk jonizacyjnych, po doprowadzeniu napięcia do układu elektrod może nastąpić rozwój wyładowania elektrycznego. Rozróżnia się następujące wyładowania elektryczne: - wyładowania zupełne (iskra, łuk elektryczny) powodujące małorezystancyjne zwarcie elektrod, - wyładowania niezupełne (ulot, wyładowania snopiaste, ślizgowe), nie powodujące zwarcia elektrod. Wyładowanie może być samodzielne (podtrzymywane bez udziału czynników zewnętrznych) i niesamodzielne. Mechanizmy przebicia: Mechanizm Townsenda oparty jest na założeniu, że wewnętrznym źródłem swobodnych elektronów jest wyłącznie ich emisja z katody pod wpływem bombardowania jej przez jony dodatnie, powstające w procesie jonizacji zderzeniowej w lawinie i że przy stosunkowo niedużym odstępie elektrod ładunek przestrzenny jest zbyt mały, aby mógł w istotny sposób wpłynąć na rozkład pola. Townsend wyjaśnił, że lawina elektronowa może być przyczyną powstawania nowych elektronów poza nią, w większej odległości od anody. Elektrony te dają początek nowym lawinom elektronowym i w ten sposób wyładowanie wzmaga się samodzielnie. Prąd rośnie do warunków zwarciowych. Mechanizm kanałowy oparty jest na założeniu, że wewnętrznym źródłem swobodnych elektronów jest fotojonizacja wywołana przez procesu odwzbudzeniowe i rekombinacyjne zachodzące w lawinie, a odstęp między elektrodami jest wystarczający do wzrostu w lawinie ładunku przestrzennego do znaczącej wartości. Mechanizm ten ogranicza iskrę do wąskiego kanału plazmowego. Droga iskry nie jest linią prostą lecz łamaną, a odcinki linii łamanej nie idą w kierunku pola elektrycznego. Występuje wzmocnienie pola elektrycznego w obszarze za i przed lawiną, co w rezultacie prowadzi do dalszej jonizacji bodźczej przed lawiną i zwiększa prędkość czoła oraz sprzyja rozwojowi innych lawin w obszarze za lawiną główną. W tej fazie następuje przejście lawiny elektronowej w kanał plazmowy. Kojarzenie wielu lawin elektronowych składowych może odbywać się także równolegle, co daje wzrost grubości słupa wyładowania. Zjawisko to występuje w początkowym etapie rozwoju iskry długiej. Tę fazę szeroką nazywa się wyładowaniem wstęgowym (strimerowym). Wraz z jego rozwojem skupia się ono w coraz węższym kanale plazmowym. Mechanizmy przebicia gazów przy bardzo dużych odległościach, przebiegają według mechanizmu iskry bardzo długiej. W jej rozwoju można zaobserwować dwa zjawiska: - najpierw wyładowanie wstępne (tzw. lider), które wydłuża się zgodnie z teorią mechanizmu kanałowego, - po dotarciu wyładowania wstępnego do przeciwnej elektrody następuje rozwój wyładowania głównego od tej elektrody w kierunku powrotnym, na ogół z większą prędkością i bardziej intensywną emisją światła. Mechanizm próżniowy dotyczy przypadku, w którym odległość między cząsteczkami gazu jest większa niż odstęp międzyelektrodowy i niemożliwy staje się rozwój lawiny elektronowej. Warunkiem rozwoju wyładowania jest wtedy wystąpienie w przestrzeni przyelektrodowej zjonizowanych par metalu. W ich tworzeniu mogą mieć udział następujące zjawiska: - emisja polowa (termopolowa) elektronów, - makrocząsteczkowe bombardowanie elektrod, - międzyelektrodowa wymiana cząstek. Zjawisko ulotu. Między elektrodami ostrzowymi w polu niejednostajnym, przeskok elektryczny w gazie poprzedzony jest wyładowaniami niezupełnymi (wnz). W obszarach o największym natężeniu pola, czyli w pobliżu ostrzy, występują najpierw wyładowania świetlące, zwane ulotem bądź koroną. Dają one światło o małej jasności z przewagą fal fioletowych i promieniowania UV. Towarzyszy im charakterystyczny trzask i szmer. Wraz ze wzrostem napięcia ulot przechodzi w wiązki, tzw. Wyładowania snopiaste. Przy dalszym wzroście napięcia, wyładowania snopiaste wzmagają się i przy wyraźnej granicy napięciowej (UP) dochodzi do przeskoku iskry, zwierającej obydwie elektrody. Iskra stanowi zapłon wyładowania zupełnego, które w przypadku dostatecznej mocy źródła przechodzi w łuk elektryczny. 8. Czynniki wpływające na wytrzymałość elektryczną powietrza - kształt elektrod (a tym samym rozkład jednostajny lub niejednostajny pola elektrycznego), - rodzaj przyłożonego napięcia (stałe, przemienne, udarowe) i czas jego oddziaływania, - stan powierzchni (gładkość, ewentualne zabrudzenia). Natomiast do najważniejszych właściwości fizycznych należą: ciśnienie, temperatura oraz wilgotność (ma znaczenie w układach o polu niejednostajnym). 9. Wytrzymałość udarowa powietrza Wytrzymałość udarowa układów powietrznych. Udar napięciowy jest impulsem jednej biegunowości. Część wznosząca nazywana jest czołem udaru, a opadająca – dłuższa – grzbietem udaru. Udar charakteryzują: - wartość szczytowa Um, kV, - czas trwania czoła T1, μs, - czas do półszczytu na grzbiecie T2, μs, - kształt udaru – T1/T2. Rozróżnia się udary: piorunowe (krótkie) i łączeniowe (długie). Do celów probierczych stosowane są znormalizowane kształty udarów. Czas trwania udaru porównywalny jest z czasem jaki jest potrzebny do rozwoju wyładowania, dlatego wytrzymałość udarowa powietrza jest z reguły wyższa od wytrzymałości statycznej. 10. Czynniki wpływające na wytrzymałość elektryczną olejów izolacyjnych Czynniki powodujące starzenie olejów: - temperatura, - tlen, - katalizatory (np. miedź, ołów, żelazo, kwasy), - pole elektryczne. Na skutek działania tych czynników powstają produkty starzenia: - nadtlenki, - alkohole, - kwasy, - substancje asfaltożywiczne, - związki korozyjnej siarki, - woski, - cząstki węgla, - węglowodory nienasycone. Właściwości fizyczne oleju określają: - zawartość wody, - lepkość, - temperatura zapłonu, - zawartość obcych ciał stałych, - przewodność cieplna, - temperatura krzepnięcia, - temperatura mętnienia, - napięcie powierzchniowe, - kolor, - właściwości gazowe. 11. Mechanizmy przebicia olejów A. W olejach mineralnych starannie odgazowanych i oczyszczonych występuje jonizacyjny mechanizm przebicia w samej cieczy. B. W olejach oczyszczonych lecz nieodgazowanych występuje jonizacyjny mechanizm przebicia w pęcherzykach gazowych. Wyładowanie może rozpocząć się jako lawina elektronowa z silną jonizacją elektronową bodźczą. Rozwój kanału wyładowania może odbywać się poprzez wydłużenie pęcherzyka gazowego wskutek rozkładu oleju rozgrzewanego przez wyładowanie albo przez bezpośrednią jonizację oleju. C. Włókna zanieczyszczeń mają skłonność do ustawiania się w linii największych sił pola elektrycznego, czyli na drodze przebicia. Powstaje w ten sposób z zanieczyszczeń mostek o małej wytrzymałości elektrycznej. Można temu zapobiec stosując bariery np. z papieru, preszpanu czy folii. 12. Wytrzymałość dielektryków stałych i mechanizmy przebicia Wytrzymałość elektryczną dielektryków stałych – podobnie jak gazów i cieczy – określa napięcie przebicia. Oznacza ono w tym przypadku trwałą utratę zdolności izolacyjnych, czyli zniszczenie materiału. Wpływ na wytrzymałość ma struktura dielektryka, ograniczona powtarzalność warunków narażeniowych i czynniki zewnętrzne: rodzaj naprężeń (zmienne, stałe, impulsowe), czas oddziaływania naprężeń, wyładowania niezupełne, temperatura, wilgotność itd. Wyróżnia się trzy podstawowe mechanizmy przebicia, w zależności od czasu oddziaływania naprężeń: - mechanizm elektryczny (czas <1s), - mechanizm cieplny, następujący w czasie niezbędnym do wystąpienia skutków niestabilności cieplnej, czyli od 1 do 104 s, - mechanizm jonizacyjno-starzeniowy, następujący w wyniku stopniowej degradacji właściwości izolacyjnych dielektryka. Mechanizm elektryczny (przebicia istotnego). Związany jest on z ruchem jonów i elektronów w przestrzeni międzyelektrodowej. Ładunki te przyspieszając w polu elektrycznym zderzają się z atomami siatki krystalicznej powodując ich drgania i wybijanie kolejnych elektronów. W ten sposób powstają także ładunki dodatnie, a co za tym idzie ładunek przestrzenny. Elektryczny mechanizm przebicia zakłócany jest zazwyczaj efektami krawędziowymi. Jego wpływ ogranicza się poprzez metalizowanie powierzchni elektrod, zanurzanie układu w oleju (o większej ε niż powietrza) bądź zalewanie całego układu żywicą. Zależność napięcia przebicia od odległości a Mechanizm cieplny. Występuje on, gdy napięcie działa na materiał przez dłuższy czas, np. rzędu godzin. Wskutek strat dielektrycznych następuje nagrzewanie materiału izolacyjnego, przy czym straty te rosną wraz z temperaturą. Przy odpowiednio wysokim napięciu temperatura dielektryka nie ustala się z biegiem czasu, ale wzrasta nieograniczenie. Tym samym zniszczenie dielektryka może mieć charakter cieplny – stopnienie, wyparowanie, zwęglenie lub spalenie, lecz również może wystąpić zapalenie wyładowania w wąskim kanale. Istotą procesu jest doprowadzenie do dielektryka wysokiej temperatury, przy której wyładowanie wymaga tylko stosunkowo niskiego napięcia. Mechanizm cieplny zależy od odprowadzania ciepła z dielektryka (przewodność cieplna, wymiary), od warunków oddawania ciepła do otoczenia (powierzchnia), warunków otoczenia. Moc związana z ciepłem wydzielonym na jednostkę objętości dielektryku: - dla napięcia stałego i - dla napięcia przemiennego, gdzie: γ – konduktywność. Mechanizm starzeniowy. Rozwija się on zazwyczaj przez okres wielu lat, jednak w skrajnie niekorzystnych warunkach okres starzenia może wynieść już tylko kilka godzin. Procesy starzenia są natury chemicznej. Często polegają one na utlenianiu, niekiedy na polimeryzacji, polikondensacji lub depolimeryzacji. Mechanizm starzeniowy jest intensywnie przyspieszany przez obecność w dielektryku pęcherzyków gazowych, wilgoci oraz oddziaływanie pola elektrycznego. 13. Wytrzymałość układów złożonych (bariery) Rodzaje układów: - zawierające bariery, - wieloelektrodowe, - o powierzchni granicznej równoległej do linii pola, - narażone na opady i zanieczyszczenia, - skłonne do wyładowań pełznych i ślizgowych. Bariery (przegrody). Bariera to cienka warstwa lub płyta umieszczona prostopadle do kierunku pola w przerwie międzyelektrodowej wypełnionej cieczą lub gazem. Płyta umieszczane są w pewnej odległości od elektrody i mogą być izolacyjne lub przewodzące. Warstwy pokrywają natomiast powierzchnię elektrody i są wykonane z materiału izolacyjnego. W dielektryku gazowym bariery wpływają na rozkład pola i ładunku przestrzennego, a w dielektryku ciekłym dodatkowo zapobiegają tworzeniu się mostków. Układ wieloelektrodowy. Przykładami takiego układu są iskiernik wieloprzerwowy i łańcuch izolatorów kołpakowych. O wytrzymałości takiego układu decyduje rozkład napięcia między poszczególne ogniwa. Przy rozkładzie równomiernym napięcie przeskoku całego układu jest wielokrotnością napięcia przeskoku na pojedynczym ogniwie. Przy rozkładzie nierównomiernym o przeskoku decyduje ogniwo najbardziej naprężone. W pozostałych wyładowanie rozwija się kaskadowo, pod wpływem zwiększonego napięcia, po zwarciu pierwszego ogniwa. Wytrzymałość układu równoległego. Wytrzymałość takiego układu zależy od stopnia niejednorodności pola. W polu jednorodnym zmniejszenie napięcia przeskoku może być spowodowane przez: - wyładowania niezupełne, gdy w punkcie potrójnym występują szczeliny lub wgłębienia dielektryka, - ładunek gromadzący się na powierzchni dielektryka stałego, gdy czas oddziaływania naprężeń jest wystarczająco długi, - konduktancję powierzchniową dielektryka stałego, gdy charakteryzuje się on właściwościami hydrofilowymi. Największe znaczenia mają lokalne zakłócenia pola prowadzące do wyładowań niezupełnych. Wytrzymałość układu może się obniżyć nawet o 20%. Parafiny przy wilgotności w=80% Wytrzymałość izolatorów pod deszczem. Przy napięciu udarowym wpływ deszczu na wytrzymałość jest pomijalnie mały. Przy napięciu przemiennym obniżenie wytrzymałości jest wyraźne i zależy od parametrów układu i deszczu. Wynika to z właściwości przewodzących zmywanych części izolatora, co wpływa na krócenie drogi przeskoku. Następuje zmiana rozkładu napięcia wzdłuż tej drogi i w efekcie zmniejszenie naprężeń na częściach przewodzących, a zwiększenie między nimi. Do oceny wytrzymałość izolatorów pod deszczem stosuje się znormalizowane parametry: - intensywność 5·10-3 cm·s-1, - przewodność 100 μS·cm-1, - kąt odchylenia opadu od pionu 45°. W celu nadania izolatorom odpowiedniej wytrzymałości niezbędne jest wydłużenie drogi przeskoku przez zastosowanie odpowiednio ukształtowanych kloszy. Przy zastosowaniu kloszy o dużych średnicach zwiększa się wytrzymałość pod deszczem a przy stosunku s/t>0,5 osiąga wartość równą 90% wytrzymałości w stanie suchym. Wpływ przewodności deszczu na wytrzymałość Izolatorów. Przeskok zabrudzeniowy. Zanieczyszczenia wraz z wilgocią, najczęściej w postaci rosy lub mgły, tworzą warstwę przewodzącą. Pod wpływem doprowadzonego napięcia płyną w niej prądy (10-3 – 10-1 A), które ją ogrzewają i w miejscach zwiększonej gęstości prądu (mniejsze szerokości i grubości warstwy) osuszają ją. W miejscach tych występuje wzrost naprężeń i powstają niezupełne wyładowania łukowe, stabilizowane przez rezystancję pozostałej części powierzchni. Za podstawę doboru izolatorów do warunków zabrudzeniowych uznaję się 50% napięcie przeskoku, przy czym musi być spełniony warunek Upz>0,9Um Inne metody na zwiększenie wytrzymałości izolatorów to: - stosowanie powłok hydrofobowych i półprzewodzących, które umożliwiają stabilizację rozkładu pola - nachylenie kloszy i całych izolatorów w taki sposób aby gromadzące się zanieczyszczenia mogły być usuwane przez deszcz i wiatr, - okresowe czyszczenie izolatorów. Wyładowania pełzne. Związane są one z utratą właściwości izolacyjnych przez powierzchni materiałów organicznych pod wpływem wyładowań elektrycznych niezupełnych, wilgoci i temperatury. Powodują one postępującą erozję powierzchni, ślady wyładowań charakteryzują się zwęgleniem i hydrofilnością, a więc wzrostem przewodności. Wyładowania ślizgowe. Ich wystąpienie stanowi kontynuację rozwoju wyładowań podtrzymywanych, w przypadku gdy Rs jest nieskończenie duża, a układ można zastąpić układem pojemności Cs i Cz (szeregowych i równoległych). Warunkiem przekształcenia wyładowań podtrzymywanych w ślizgowe o charakterze strimerowo-kanałowym jest wzrost napięcia i prądu do wartości umożliwiających wystąpienie jonizacji cieplnej. Napięcie początkowe wyładowań ślizgowych określa wzór: Środki stosowane do ograniczania powstawania wyładowań ślizgowych: - ograniczenie pojemności C przez zmianę wymiarów geometrycznych układu, - stosowanie sterowania rezystancyjnego oraz barier na drodze wyładowania, - stosowanie ekranów sterujących rozkładem pola w przepustowych układach izolacyjnych. 14. Układ wieloelektrodowy i układ równoległy Układ wieloelektrodowy. Przykładami takiego układu są iskiernik wieloprzerwowy i łańcuch izolatorów kołpakowych. O wytrzymałości takiego układu decyduje rozkład napięcia między poszczególne ogniwa. Przy rozkładzie równomiernym napięcie przeskoku całego układu jest wielokrotnością napięcia przeskoku na pojedynczym ogniwie. Przy rozkładzie nierównomiernym o przeskoku decyduje ogniwo najbardziej naprężone. W pozostałych wyładowanie rozwija się kaskadowo, pod wpływem zwiększonego napięcia, po zwarciu pierwszego ogniwa. O rozkładzie napięcia decydują wartości pojemności szeregowych Cs i pojemności sprzęgających poszczególne ogniwa z urządzeniami zewnętrznymi od strony zasilania Cp i od strony uziemienia Cz. Wytrzymałość układu równoległego. Wytrzymałość takiego układu zależy od stopnia niejednorodności pola. W polu jednorodnym zmniejszenie napięcia przeskoku może być spowodowane przez: - wyładowania niezupełne, gdy w punkcie potrójnym występują szczeliny lub wgłębienia dielektryka, - ładunek gromadzący się na powierzchni dielektryka stałego, gdy czas oddziaływania naprężeń jest wystarczająco długi, - konduktancję powierzchniową dielektryka stałego, gdy charakteryzuje się on właściwościami hydrofilowymi. Największe znaczenie mają lokalne zakłócenia pola prowadzące do wyładowań niezupełnych. Wytrzymałość układu może się obniżyć nawet o 20%. W polu silnie niejednorodnym obecność powierzchni dielektryka równoległej do przerwy międzyelektrodowej nie powoduje zmniejszenia wytrzymałości. 15. Przeskok zabrudzeniowy, wyładowania pełzne i ślizgowe Przeskok zabrudzeniowy. Zanieczyszczenia wraz z wilgocią, najczęściej w postaci rosy lub mgły, tworzą warstwę przewodzącą. Pod wpływem doprowadzonego napięcia płyną w niej prądy (10-3 – 10-1 A), które ją ogrzewają i w miejscach zwiększonej gęstości prądu (mniejsze szerokości i grubości warstwy) osuszają ją. W miejscach tych występuje wzrost naprężeń i powstają niezupełne wyładowania łukowe, stabilizowane przez rezystancjępozostałej części powierzchni. Gdy: Ez > Eł dochodzi do wędrówki łuku. Kryterium to wymaga, by napięcie Ułz doprowadzone do łuku ze źródła nie było mniejsze niż napięcie Ułw, wynikające z charakterystyki wewnętrznej łuku, potrzebne do jego podtrzymania. Za podstawę doboru izolatorów do warunków zabrudzeniowych uznaje się 50-procentowe napięcie przeskoku Upz, wyznaczone przy maksymalnej konduktywności powłoki zabrudzeniowej dla danej strefy Wymaganą wartość jednostkowej drogi upływu uzyskuje się przez: - zwiększenie liczby i odpowiednie ukształtowanie kloszy (użebrowanie, powierzchnie schodkowe, stosunek s/t > 1), - wydłużenie izolatora, gdy zmiana jego ukształtowania prowadziłaby do niemożliwego – ze względów konstrukcyjnych i wytrzymałościowych – przekroczenia przez drogę upływu 30-krotnej długości izolatora. Wyładowania pełzne. Związane są one z utratą właściwości izolacyjnych przez powierzchni materiałów organicznych pod wpływem wyładowań elektrycznych niezupełnych, wilgoci i temperatury. Powodują one postępującą erozję powierzchni, ślady wyładowań charakteryzują się zwęgleniem i hydrofilnością, a więc wzrostem przewodności. Wyładowania podtrzymywane. Stanowią one szczególny rodzaj wyładowań powierzchniowych niezupełnych, powstających w ukośnym układzie dielektryków pod wpływem ładunku przestrzennego, przy zaniku zmieniającego się okresowo napięcia zewnętrznego. Wyładowania ślizgowe. Ich wystąpienie stanowi kontynuację rozwoju wyładowań podtrzymywanych, w przypadku gdy Rs jest nieskończenie duża, a układ można zastąpić układem pojemności Cs i Cz (szeregowych i równoległych). Warunkiem przekształcenia wyładowań podtrzymywanych w ślizgowe o charakterze strimerowo-kanałowym jest wzrost napięcia i prądu do wartości umożliwiających wystąpienie jonizacji cieplnej. str.132-145 16. Izolatory – główny podział oraz budowa ceramicznych i kompozytowych Podział izolatorów według materiału izolacyjnego: A. Izolatory ceramiczne - porcelana elektrotechniczna (izolatory niskiego napięcia, izolatory WN o umiarkowanej wytrzymałości mechanicznej), - tworzywo ceramiczne wysokoglinowe (izolatory liniowe długopniowe i kołpakowe, izolatory wsporcze, niektóre izolatory aparatowe). B. Izolatory szklane - szkło krzemianowo-wapniowe (izolatory NN, izolatory WN stojące na niewielkie siły łamiące), - szkło o wysokiej mikrojednorodności, wysokotopliwe, hartowalne (izolatory liniowe kołpakowe). C. Izolatory z materiałów nieceramicznych - lane kompozycje epoksydowe (izolatory wnętrzowe wsporcze i przepustowe, elementy konstrukcyjno-izolacyjne, izolatory trakcyjne prętowe), - izolatory kompozytowe (izolatory liniowe prętowe i długopniowe SN i WN, izolatory wsporcze napowietrzne, osłony izolatorów przepustowych, osłony odgromników i in.), - betony polimerowe (izolatory wsporcze napowietrzne, osłony). Budowa izolatora kompozytowego 17. Zalety izolatorów kompozytowych i problem punktu potrójnego - konstrukcja -wymiary -ciężar -eksploatacja Punkt potrójny Newralgicznym miejscem w każdym izolatorze kompozytowym jest obszar połączenia okucia, pręta i osłony. Obszar ten musi być dobrze zabezpieczony przez wnikaniem wilgoci. Powoduje ona bowiem korozję chemiczną pręta i okucia oraz sprzyja rozwojowi wyładowań ślizgowych. 18. Kable – rodzaje, budowa, mufy, głowice Podział kabli elektroenergetycznych: - wg liczby faz (jednofazowe i trójfazowe), - rozkładu pola elektrycznego (promieniowy, rdzeniowy), - rodzaju i sposobu wykorzystania materiałów izolacyjnych, o izolacji: - papierowej wypełnionej syciwem (tzw. kable masowe), - z tworzyw sztucznych (polwinit, polietylen), - papierowo-olejowej niskociśnieniowej (kable ciśnieniowe), - papierowo-olejowej wysokociśnieniowej (kable wysokociśnieniowe), - papierowo-gazowej wewnątrz- i zewnątrzciśnieniowej, - gazowej. - szczegółów rozwiązań konstrukcyjnych. Głowica to element izolacyjny o charakterze przepustowym, stosowanym na końcu kabla w celu przyłączenia go do urządzenia rozdzielczego. Mufy służą do łączenia ze sobą odcinków kabli. 19. Przepięcia i ich rodzaje Przepięcie – każdy wzrost napięcia w urządzeniu elektrycznym powyżej najwyższego napięcia roboczego. Źródło przepięcia może być w układzie, w którym pracuje urządzenie, jak też wynikać z oddziaływania czynników zewnętrznych. Przebiegi przepięć są na ogół nieregularne, ze względu na nieregularność przebiegów zakłócających zewnętrznych i różnej częstotliwości nakładających się na siebie drgań przejściowych w obwodach wewnętrznych. Wprowadzono unormowane przebiegi do celów analitycznych i probierczych: przemienne, łączeniowe i piorunowe. Losowość zjawisk sprawia, że ocena wartości przepięć opiera się na probabilistyce. 20. Fale przepięciowe w liniach, impedancja falowa Obwody, w których występują przepięcia mogą zawierać: - elementy o stałych skupionych, których wymiary są pomijalnie małe w stosunku do długości fali przepięciowej, - elementy o stałych rozłożonych, wymiarami są porównywalne z długością fali, - elementy liniowe o parametrach stałych, - elementy nieliniowe o zmiennych parametrach pod wpływem wartości przebiegu falowego. Odcinek linii jest układem o stałych rozłożonych, które do obliczeń zastępuje się elementami skupionymi : Wzdłużnymi( R, L ) oraz poprzecznymi ( G, C). Jednorodne równania falowe ( telegraficzne) 21. Tłumienie i odkształcanie fal Tłumienie i odkształcenie fal. Przebiegające wzdłuż linii fale ulegają tłumieniu, maleje ich wartość i zmienia się kształt. Rodzaje tłumienia: - tłumienie oporowe: wywoływane stratą energii w rezystancjach przewodów lub przewodów i ziemi. Rezultatem jest zmniejszenie stromości czoła i amplitudy. Przy dużych stromościach czoła istotny wpływ ma naskórkowość. Straty energii w ziemi są na ogół znacznie większe niż w przewodach, - tłumienie izolatorowe: ma charakter pojemnościowy i następuje na czole fali, która ładuje pojemności izolatorów. Zmienia to kształt czoła fali, lecz bez strat energii, gdyż ładunek zmagazynowany w pojemności izolatorów oddawany jest na grzbiecie fali, który tym samym ulega wydłużeniu, - tłumienie ulotowe: powodowane jest stratą energii, związaną z odpływem ładunków z przewodów i zmniejszaniem się prędkości części fali o wartości przekraczającej napięcie jonizacji. Przy dostatecznie dużym napięciu fali, przebiegnięcie przez nią nawet niewielkiej drogi może powodować znaczne zmniejszenie stromości jej czoła i wartości szczytowej. 22. Fale w uzwojeniach maszyn i transformatorów Fale w uzwojeniach transformatorów i maszyn. Schemat zastępczy uzwojenia transformatora jest bardziej złożony niż schemat odcinka linii długiej. Składają się na niego: - indukcyjności szeregowe L, - pojemności równoległe Cz, - sprzężenia indukcyjne M, - sprzężenia pojemnościowe Cs. Po dotarciu do uzwojenia fali prostokątnej napięciowej U’1 występują w nim drgania, w przebiegu których można wyodrębnić trzy stany: - stan początkowy, - stan końcowy, - stan przejściowy. W stanie początkowym (t = 0) indukcyjności stanowią przerwy w układzie, ze względu na nieskończenie wielką stromość narastania fali, i do analizy uwzględnia się tylko pojemności szeregowe i doziemne. analizy uwzględnia się tylko pojemności szeregowe i doziemne. W stanie końcowym (t → ∞) wpływ pojemności ustaje i układ przekształca się w szeregowe połączenie indukcyjności. W stanie przejściowym w układzie występują drgania, których amplituda zależy od różnicy napięć rozkładu początkowego i końcowego. Amplituda drgań, a przez to i naprężenia izolacji uzwojeń zależą od stromości narastania czoła napięciowej fali pobudzającej, trafiającej na uzwojenie. Im większa stromość czoła, tym większa amplituda drgań napięcia w uzwojeniu transformatora. Do środków sprzyjających ograniczaniu przepięć i zapobieganiu uszkodzeń izolacji uzwojeń zaliczamy: - zmniejszenie różnicy między rozkładem początkowym i końcowym napięcia, np. przez konstrukcyjne zwiększenie pojemności Cs, zmniejszenie pojemności Cz (ekrany kompensujące), zestopniowanie tych pojemności, rezystancyjne wysterowanie rozkładu napięcia, - złagodzenie czoła i amplitudy fali wchodzącej do uzwojenia przez zastosowanie urządzeń ochronnych, - wzmocnienie najbardziej naprężonej izolacji końców uzwojenia, - uziemienie, jeśli to możliwe, końca uzwojenia Najbardziej zagrożona jest izolacja na początku uzwojenia z krańcem uziemionym i na izolowanym końcu uzwojenia. W uzwojeniach maszyn elektrycznych warunki przebiegów falowych zbliżone są do warunków w liniach długich, co wynika z ułożenia uzwojeń w żłobkach. Zarówno w uzwojeniach maszyn wirujących, jak i w uzwojeniach transformatorów naprężeniu ulega izolacja główna i izolacja wzdłużna. W pierwszym przypadku zagrożenie wiąże się z amplitudą, w drugim zaś – ze stromością narastania czoła fali 23. Przepięcia atmosferyczne, rodzaje i parametry Przepięcia atmosferyczne. Wyładowania piorunowe wiążą się z istnieniem burz piorunowych, które można podzielić na: - burze frontowe (czołowe), - burze termiczne. Burze frontowe powstają w klimacie umiarkowanym na granicy zderzających się mas zimnego i ciepłego powietrza lub ciepłego powietrza z pochyłościami terenu. Wilgotne ciepłe powietrze unoszone jest na duże wysokości, gdzie ulega schłodzeniu, generując rozległą chmurę burzową. Może ona obejmować setki kilometrów i przemieszcza się zwykle z prędkością większą niż 50 km/h. Towarzyszy jej nieduża częstość wyładowań atmosferycznych. Burze termiczne charakteryzują się większą intensywnością wyładowań piorunowych. Powstają one pod wpływem silnego nagrzania i unoszenia dolnych mas wilgotnego powietrza ku górze z zawirowaniami, gdzie następuje jego ochłodzenie, a tworzące się kropelki wody ulegają zamarzaniu. W procesie tym tworzy się naelektryzowana chmura burzowa. 24. Przepięcia wewnętrzne Przepięcia wewnętrzne. Przepięcia dynamiczne. Są one rezultatem procesów łączeniowych. Do typowych procesów wywołujących przepięcia dynamiczne należą: - nagłe odłączenie dużego obciążenia od generatora na jego zaciskach lub na końcu linii długiej, - włączenie na napięcie przemienne linii bardzo długiej nieobciążonej lub nieznacznie obciążonej. Pierwszy przypadek związany jest z opóźnieniem zadziałania regulatora napięcia wzbudzenia generatora. Przykładowo dwukrotny skok wartości napięcia wystąpić może na końcu linii o długości kilkuset kilometrów, po wyłączeniu odbiorów o mocy kilkuset megawatów. Przy włączeniu bardzo długiej linii nieobciążonej na napięcie robocze, przepięcia dynamiczne przyjmują postać fali stojącej, będącej rezultatem nakładania się fali odbitej na końcu linii na falę przychodzącą. Przepięcia rezonansowe. Przeciwny znak napięć o charakterze indukcyjnym i pojemnościowym sprawia, że w stanie ustalonym, po załączeniu układu RLC, napięcia składowe UL i UC mogą okazać się znacznie większe od napięcia źródła. W obwodzie elektrycznym, nie spełniającym warunków rezonansu w czasie normalnej pracy, może dojść do przepięć bez zmiany amplitudy i częstotliwości napięcia zasilania, gdy zmieni się wartość L lub C, w wyniku manewrowego lub awaryjnego przełączenia obwodu. Wzrost napięcia na elementach pojemnościowych lub indukcyjnych może osiągnąć nawet trzykrotną wartość napięcia roboczego. Wzrost amplitudy napięcia zasilania może spowodować przepięcia ferrorezonansowe w obwodzie, w którym występuje element indukcyjny z nasycającym się rdzeniem, gdy stromość początkowa charakterystyki napięciowej elementu indukcyjnego jest większa od tej charakterystyki elementu pojemnościowego. Jego efektem jest zjawisko przewrotu, gdy następuje skokowy wzrost wartości prądu oraz skokowy wzrost wartości napięć UL i UC wraz ze zmianą znaku na przeciwny. 25. Środki ochrony przeciwprzepięciowej – podział Środki ochrony przeciwprzepięciowej i odgromowej można podzielić na dwie podstawowe grupy: - ograniczniki przepięć – środki służące do ochrony urządzeń przed przepięciami i prądami przenoszonymi przewodowo. Do grupy tej należą iskierniki, odgromniki wydmuchowe i warystorowe (iskiernikowe i beziskiernikowe), a także kondensatory, dławiki, rezystory, diody i inne elementy półprzewodzące oraz różne kombinacje tych elementów. - urządzenia osłonowe – środki służące do zapobiegania bezpośrednim i elektromagnetycznym oddziaływaniom wyładowań piorunowych. Do grupy tej należą urządzenia piorunochronne złożone ze zwodów, przewodów odprowadzających i uziemień, a także ekrany pomieszczeń, urządzeń i połączeń przewodowych. 26. Iskierniki, odgromniki wydmuchowe Iskierniki. Iskiernik jest najprostszym ogranicznikiem przepięć. Składa się z dwóch elektrod rozdzielonym dielektrykiem gazowym, zwykle powietrzem. Odstęp elektrod (przerwa iskowa) jest regulowany w zależności od wymaganego poziomu ochrony. Zapłon iskiernika powoduje iskrowe lub łukowe zwarcie elektrod i dwustopniowe ograniczenie napięcia: najpierw do napięcia Uz wywołującego zapłon, a następnie do napięcia obniżonego U0, wynikającego ze spadków napięć w przerwie iskrowej i na impedancji Z obwodu iskiernika. Jeżeli iskierniki nie muszą spełniać specjalnych wymagań, to długość przerwy iskrowej iskierników prętowych dobiera się z szeregu następujących wartości a/UN (przerwa iskrowa (cm)/napięcie znamionowe chronionego urządzenia (kV)): 7/10, 9/15, 12/20, 20/30, 40/60, 60/110, 120/220, 190/400. Odgromniki wydmuchowe. Odgromnik wydmuchowy jest iskiernikiem dwuprzerwowym, z jedną przerwą iskrową w specjalnej obudowie, dzięki której może samoczynnie gasić łuk, podtrzymywany w niej przez prąd następczy po zaniku napięcia. Obudowa iskiernika wewnętrznego wykonana jest z materiału silnie gazującego pod wpływem łuku elektrycznego (fibra, ebonit, metapleks). Zapłon łuku w komorze i jej gazowanie prowadzi do wzrostu ciśnienia i do intensywnego wydmuchu zjonizowanych gazów przez dyszę. Wydmuch zapobiega ponownym zapłonom łuku, który gaśnie przy naturalnym przejściu prądu następczego przez zero. Zdolność gaszenia łuku przez wydmuch jest określona dolną Id i górną Ig granicą prądową. Przy prądzie mniejszym od dolnej granicy gazowanie jest zbyt małe i nie następuje gaszenie łuku, przy prądzie większym od górnej granicy gazowanie jest zbyt duże i może doprowadzić do eksplozji odgromnika. 27. Warystorowe ograniczniki przepięć 28. Warystorowe ograniczniki przepięć. Charakteryzują się malejącą wraz ze zwiększaniem się prądu rezystancją. Dzieli się je na: - iskiernikowe (zaworowe), wyposażone w warystory z węgliku krzemu (SiC), z szeregową przerwą iskrową, wyróżniają się samoczynnym przerywaniem prądu następczego (po zaniku przepięć), - beziskiernikowe, wyposażone w warystory z tlenków metali, głównie tlenku cynku (ZnO), bez szeregowej przerwy iskrowej, wyróżniają się skutecznym ograniczaniem wartości prądu następczego. Odgromniki zaworowe mają znacznie większą zdolność gaszenia łuku i stabilność zapłonu niż odgromniki wydmuchowe. Ze względu na szczelną obudowę są mało wrażliwe na oddziaływanie czynników środowiskowych. Podstawowym zadaniem iskierników wieloprzerwowych jest: - utrzymanie stanu bezprądowego odgromnika przy napięciu roboczym układu, - zapewnienie stabilnego zapłonu odgromnika przy pojawieniu się przepięć, - łatwość gaszenia łuku przy prądzie następczym po zaniku napięcia. Odgromniki beziskiernikowe Charakteryzują się prostą konstrukcją, dobrymi właściwościami ochronnymi, zdolnością pochłaniania znacznych porcji energii i ciągłością charakterystyki napięciowo-prądowej. Nie istnieje w nich stan bezprądowy, ponieważ przy napięciu roboczym płynie w nich prąd rzędu miliamperów. Pojawienie się przepięć powoduje płynne lecz gwałtowne przejście z małych prądów do dużych. 29. Ochrona odgromowa (zwody, uziemienia itd.) Zwody i przewody odgromowe. Zwodem nazywana jest górna część urządzenia piorunochronnego przeznaczona do przejmowania na siebie trafień piorunowych. Przewody odprowadzające. Każdy zwód pionowy ma zazwyczaj jeden przewód odprowadzający, zaś poziomy co najmniej dwa. Średni odstęp między nimi nie może przekroczyć 20 m. Elementy metalowe biegnące wzdłuż ścian obiektu wykorzystuje się jako przewody naturalne. Uziemienia. Uziemienie to celowo wykonane połączenie elektryczne jakiegoś urządzenia z ziemią. Rozróżnia się uziemienia: - ochronne, odnoszące się do części nie będących w normalnym stanie pod napięciem, - robocze, odnoszące się do określonego punktu obwodu elektrycznego, stosowane w celu zapewnienia poprawnej pracy urządzenia, - odgromowe, dotyczące ochronników i urządzeń piorunochronnych, stosowane w celu bezpiecznego odprowadzenia prądu piorunowego do ziemi, - pomocnicze, dotyczące pozostałych przypadków, stosowane w celu wykonania pomiaru lub wyrównania potencjału urządzeń i ziemi. Uziemienie składa się z przewodów uziemiających, zacisków (rozłącznych lub nierozłącznych) i uziomów. 30. Technika probiercza (przemienne, stałe, udarowe) Podstawową i najbardziej powszechną próbą urządzeń jest próba napięciem przemiennym. Stosuje się zespół probierczy napięć przemiennych. Zasadniczymi częściami zespołu są: - źródło napięcia (zazwyczaj sieć nn), - urządzenie regulacyjne (transformator regulacyjny, prądnica synchroniczna z regulacją wzbudzenia, zahamowany silnik indukcyjny jako regulator indukcyjny) - transformator probierczy (jednofazowe, o dużej grubości izolacji). Zasilacze napięć stałych. Stosowane są do prób układów o dużej pojemności, np. kabli lub kondensatorów, do badania wyładowań niezupełnych i do zasilania generatorów impulsowych. Otrzymuje się je metodą konwersji napięcia przemiennego (prostowniki) lub generacji elektrostatycznej. Generatory udarów napięciowych piorunowych i łączeniowych. W zależności od wymaganej amplitudy udaru stosuje się układy jedno i wielostopniowe.W najprostszym układzie jednostopniowym ładowanie następuje z odpowiednio dobranego zasilacza. Gdy wartość napięcia z pojemności C1 przekroczy wytrzymałość iskiernika I, następuje przeskok i nakładają się na siebie dwa zjawiska: rozładowanie kondensatora C1 i ładowanie kondensatora C2. W układzie generatora wielostopniowego wyróżnić można dwa stany pracy: stan ładowania i rozładowania. W pierwszym pojemności poszczególnych stopni C1 są ładowane równolegle przez rezystory. Po naładowaniu do wartości przekraczającej wytrzymałość iskierników następuje ich zapłon, począwszy od pierwszego z nich. Zapłon przekształca układ z równoległego na szeregowy, a napięcia z kondensatorów sumują się. Problemem w pracy takiego generatora jest stabilność, na którą wpływ mają stan elektrod i opóźnienie przeskoku. 31. Technika pomiarowa Iskierniki pomiarowe. Iskierniki pomiarowe to jednakowe elektrody kuliste o niewielkim odstępie a i dostatecznie dużych średnicach D, co gwarantuje równomierny rozkład pola w przestrzeni międzyelektrodowej. Za pomocą iskierników pomiarowych wykonać można pomiar wartości maksymalnej dowolnego przebiegu napięciowego. Zapewnienie dostatecznej dokładności pomiaru wymaga m.in.: - utrzymania wymiarów układu pomiarowego w dopuszczalnych granicach, - przestrzegania warunków: a/D ≤ 0,5 dla pomiarów z dokładnością 3% napięć przemiennych i udarów o T2 ≥ 50 μs, a/D ≤ 0,8 dla pomiarów z dokładnością 5% napięć przemiennych i udarów o T2 ≥ 50 μs, a/D ≤ 0,4 dla pomiarów z dokładnością 5% napięć stałych, - przestrzegania osiowego ustawienia elektrod. Woltomierze elektrostatyczne. W ich konstrukcji wykorzystuje się działanie sił w polu elektrycznym. Jeśli natężenie pola E wytworzone jest przez napięcie U0 między dwiema płaskimi elektrodami o powierzchni S i odstępie a, to siła F działająca na elektrodę w kierunku pola związana jest z nagromadzoną w układzie energią. W praktyce stosuje się woltomierze elektrostatyczne techniczne, w których wykorzystywana jest zmiana położenia elektrody pomiarowej zezmianą pojemności C. Woltomierz wirnikowy. Służy do pomiaru pola stałego lub wolnozmiennego i działa na zasadzie pomiaru prądu pojemnościowego w zmieniającym się cyklicznie układzie elektrod. Dzielniki napięcia. Dzielnik napięcia tworzy się przez dwa szeregowo połączone człony impedancyjne, górny Zs1 i dolny Zs2. Doprowadzone napięcie musi być tak rozłożone, by wartość przypadająca na człon dolny odpowiadała zakresowi napięciowemu przyłączanego do tego członu przyrządu pomiarowego. Stosunek napięcia U na wejściu dzielnika do napięcia U2 na jego wyjściu stanowi przekładnię dzielnika. Do pomiaru WN stosuje się: - dzielniki rezystancyjne – nadają się do wszystkich rodzajów napięć, najczęściej stosowane do napięć stałych i udarów piorunowych, - dzielniki pojemnościowe – stosowane do pomiaru napięć udarowych i przemiennych, - dzielniki mieszane – uniwersalne, do napięć złożonych. Boczniki. Są to rezystory służące do przekształcenia udaru prądowego o dużej wartości szczytowej w udar napięciowy o wartości szczytowej umożliwiającej pomiar oscylograficzny. Przekształcenie to musi następować bez odkształceń, co wymaga bezindukcyjnego wykonania rezystora. Transformator Rogowskiego. Służy do przekształcenia prądu w napięcie, które indukuje się w płaskiej cewce o jednakowym przekroju na całej długości, opasującej przewód z prądem, stąd nazwa pas Rogowskiego. Mierniki wartości szczytowej. Przebieg napięcia ładuje przez prostownik D kondensator C do wartości szczytowej przebiegu Um. Pomiar następuje na pojemności woltomierzem, skąd ładunek nie może szybko odpłynąć przez prostownik ani rezystancję woltomierza. Mostki pomiarowe. W pomiarach WN podstawowym mostkiem jest mostek Scheringa. Służy do pomiaru przenikalności oraz stratności izolacji. Stosuje się układ prosty, gdy obiekt badany Cx nie ma bezpośredniego kontaktu z ziemią oraz odwrócony, gdy jedna z elektrod jest uziemiona. Głównymi wielkościami są: - pojemność Cx (z upływnością Rx) obiektu badanego, - pojemność wzorcowa C2, - rezystancja regulowana R3 - regulowany układ równoległy pojemnościowo-rezystancyjny C4R4, - wskaźnik równowagi.
