vnt-skripta(1)(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za elektrotehniko

VISOKONAPETOSTNA TEHNIKA Maks Babuder

(Skripta predavanj na visokošolskem univerzitetnem študiju)

Ljubljana, januar 2004

2

Vsebina Uvod

5

1.

6

Električno polje v visokonapetostni tehniki 1.1 1.2

2.

Dielektrična trdnost in zdržnost izolacije 2.1 2.2

3.

Nastanek in vrste strel Načini določanja ogroženosti pred udarom strele Karta gostote strel Verjetnostna porazdelitev amplitud

Izolacijski materiali 7.1 7.2 7.3 7.4

8.

Opis pojava

Razelektritve v naravi 6.1 6.2 6.3 6.4

7.

Splošne ugotovitve Elektrodna konfiguracija pozitivna konica – plošča Elektrodna konfiguracija negativna konica – plošča Razvoj leaderjev (liderjev) in preskok med elektrodama Prikaz razelektritev ob obremenitvi z izmenično napetostjo

Delne razelektritve 5.1

6.

Uvodne ugotovitve Teorija razelektritve v dielektriku Streamerska razelektritev v kvazi homogenem polju

Razelektritve v nehomogenem polju 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

5.

Splošno Izkoristek elektrodne konfiguracije

Razelektritve v homogenem polju 3.1 3.2 3.3

4.

Osnovna izhodišča Metode in postopki za ugotavljanje jakosti električnega polja

Splošno Groba razvrstitev dielektričnih materialov Plinasti dielektriki Trdni izolacijski materiali.

Metode za ugotavljanje stanja izolacije 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7

Uvodne pripombe Merjenje izolacijske upornosti Ugotavljanje časovne konstante izolacije Ugotavljanje povratne napetosti Ugotavljanje koeficienta absorpcije Nizke frekvence in polarizacijska spektralna analiza Merjenje kota dielektričnih izgub

6 7

12 12 12

14 14 14 16

16 16 17 19 20 20

21 21

23 23 25 30 34

36 36 36 36 38

41 41 41 42 43 43 45 45

3 8.8 8.9

9.

Merjenje delnih razelektritev Kriteriji in analiza rezultatov ter ocena

Razporeditev potenciala vzdolž dolgih struktur 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

Uvodna pojasnila Primer verige izolatorjev Primer navitja (transformatorja ali dušilke) Izhod palice statorskega navitja generatorja iz utora statorskega paketa Tuji vplivi na razporeditev potenciala vzdolž dolgih izolatorjev

10. Proizvajanje in merjenje visokih izmeničnih napetosti 10.1 10.2 10.3 10.4

46 47

48 48 48 51 53 53

55

Splošno Vrste bremen ob preskusih z izmenično napetostjo Osnovne preskusne vezave glede na način napajanja Merjenje visokih izmeničnih napetosti

55 55 56 57

11. Proizvajanje in merjenje visokih enosmernih napetosti

62

11.1 11.2

Parametri enosmernih napetosti Proizvajanje enosmernih napetosti

12. Proizvajanje in merjenje visokih udarnih napetosti 12.1 12.2 12.3 12.4

Splošno o udarni napetosti Udarni generatorji Napetostni delilniki za udarne (hitre) pojave Proizvajanje velikih udarnih tokov

13. Nastanek prenapetosti 13.1 13.2 13.3

Kategorizacija prenapetosti Atmosferske prenapetosti Notranje prenapetosti

14. Prenapetostni odvodniki 14.1

Vrste odvodnikov

15. Koordinacija izolacije 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

Splošno o koordinaciji izolacije Prenapetosti Omejevanje prenapetosti Zdržnost izolacije Postopek koordinacije izolacije

62 63

67 67 67 71 74

75 75 75 76

78 78

80 80 82 83 84 85

16. Modeliranje visokonapetostnih naprav in omrežij z analizo prehodnih pojavov zlasti prenapetosti in optimiranjem zaščite 88 16.1 16.2 16.3

Splošno Program EMTP-ATP Primeri uporabe računalniških simulacij

17. Literatura

88 89 92

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: Œ Električno polje v visokonapetostni izolaciji: ugotavljanje, njegove pogoste oblike in problemi poboljšanja rešitev Œ Osnovna načela fizikalne slike dogajanj ob razelektritvah v izolacijskih snoveh (materialih) Œ Vrste in osnovne značilnosti izolacijskih materialov, ki se pogosto uporabljajo v visokonapetostnih napravah Œ Načini preskušanja materialov in sestavnih delov visokonapetostnih naprav ter pripomočki, ki se uporabljajo v ta namen (visokonapetostna preskusna tehnika) Œ Vrsta in velikost dielektričnih obremenitev, ki jih doživljajo posamezni izolacijski deli v visokonapetostnih elektroenergetskih napravah (prenapetosti v visokonapetostnih napravah) Œ Načini preprečevanja nastanka in omejitev napetostnih obremenitev (prenapetosti) izolacije Œ 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. Električno polje v visokonapetostni 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 ELEKTRIČNEGA POLJA: M AKSIM ALNE VREDNOSTI

RAČUNSKE METODE

GRAFIČNE METODE

EKSPERIMENTALNE METODE

Slika 1.1. Konstruktor se odloči za tisto metodo, ki je glede na pogoje najprimernejša. Na izbiro vplivajo: Œ gospodarski vidiki Œ razpoložljiv čas za izdelavo raziskave Œ razpoložljiva finančna sredstva Œ zahtevana natančnost Œ 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:

r r rotE = − B&

(1.1)

naj bo vektorski potencial, ki ga vpeljemo določen z enačbo iz obeh sledi najprej oblika

r r B = rotA

(1.2)

r r rot ( E + A& ) = 0

(1.3)

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

r r E = − gradϕ + A&

(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

r E = − gradϕ

(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

2

r r r U = ∫ Eds = − ∫ gradϕds = ϕ1 − ϕ 2 1

(1.6)

1

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

ρ= r

dQ dV

in

Q = ∫ ρdV

(1.8)

V

in za divergenco vektorja D ob prisotni prostorski elektrini ρ velja

r divD = ρ

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

∆ϕ = −

ρ ε

(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:

∆ϕ = 0

(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

Indirektna s konturnim integralom

S superpozicijo in zrcaljenjem

Direktna z prilagoditvijo koordinat

Konformne preslikave

Numerične metode

Ocenjevalne metode

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

METODA KONČNIH ELEMENTOV

POSTOPEK Z NABOJEM. SUPERPOZICIJA FIKTIVNIH NABOJEV

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

Dve ravnini D ve koncentrični krogli Krogla pred ravnino Dve krogli

r R

Dva prekrižana valja P olkrogla na eni ravnini Polvalj na eni ravnini

d

r

Dva koncentrična valja Valj pred ravnino Dva valja

d

r

d

E= E=

r

d r

d d

E=

U r ln Rr

9 U 10 r ln r+d r

U d r ln r+r 2 U E= d r ln r+r 2 E=

E= r(krogle)1 M=1 M 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). Œ Pri samoobnovljivi izolaciji uporabljamo večinoma termin preskok Œ Pri nesamoobnovljivi izolaciji pa govorimo o preboju izolacije Prebojno napetost lahko približno izračunamo po naslednjem izrazu

U p = Ehp ⋅ d ⋅η

(4.1)

kjer pomenijo: Up d Ehp

η

prebojno napetost razdaljo med elektrodama jakost električnega polja, ki je potrebna za preboj v homogenem polju 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 067 kA 95% ->48 kA

60

80 % ->25 kA

50

50 % ->14 kA

40 30

2

20

1

10

0

0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Am plituda toka [kA]

Am plituda toka [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

f p (x ) =

1 2π σ p x

(

1  ln x M p −  2 σp e 

) 2  

(6.1)

Porazdelitev je tako v celoti določena z dvema konstantama: Œ Mp vmesna vrednost porazdelitve (ne srednja vrednost) poljubnega parametra x Œ σp logaritmična (ln) disperzija Verjetnost pp , da se parameter pojavi znotraj intervala x1 in x2, izračunamo s porazdelitveno funkcijo pp ( x ) =

x2

∫ f p (x ) d x =

x1

1 2π σ p

x2

1

∫x

x1

(

)

1  ln x M p  −   2 σp  e 

2

dx

(6.2)

35

7

6

Verjetnost [%]

5

4

3

2

1

0 1

10

100 Amplituda toka [kA]

1000 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 = σp =

10,85 kA 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. Izolacijski materiali 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: Œ plinaste Œ tekoče in Œ 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:

δ=

p 0 273 + T ⋅ p 273 + T0

(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: Œ dušik (N2) Œ vodik (H2) Œ žveplov heksafluorid (SF6) Œ 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. Ud [kV] Ed [ kV/cm ]

200

800 SF6

zrak

SF6

N2

zrak

150

600

H2

400

100

200

50

He p [10 Pa]

50 mm 20 mm

5

0

10

20

30

Slika 7.1

40

50

50

p [ 1bar = 10 Pa] 5

0

1

2

3

Slika 7.2

4

5

6

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

Y

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

A

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

Impregniran z polnilno maso ali tekočim dielektrikom

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

Impregniran z polnilno maso

Fenolne in Šelakpapir

Strjeno

E

melaminske

smole

z

Obdelava

organskim

polnilom,

90

F

-

Šelak

-

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

Inpregnirano s šelakom

Fenolne in melaminske prešane mase z anorganskim nosilcem

Strjeno

Veziva in inpregnanti obstojni do 155°C npr. Silikon, modificirani z umetnimi laki Sljuda, Azbest, Stekleni izdelki z anorganskimi nosilci

H

105

120

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

Maks. Temp. ºC

130

_ Impregnirani ali napolnjeni z vezivi do 155°C

Čisti silikonski laki ali čista guma

155

180

C

Sljuda, azbest ali stekleni izdelki z anorganskim nosilcem

Inpregnirano s silikonskimi laki

Sljuda, Porcelan, Steklo, Steatit,

Brez veziva

čistimi >180

Življenjska doba izolacije je v neposredni povezavi z njeno delovno temperaturo. Montsinger je opredelil to odvisnost analitično v naslednji enačbi:

TŽ = TŽ 0 ⋅ 2 Kjer pomenijo: TŽ življenjska doba temperatura θ

TŽ0 ∆0

 ϑ −ϑ0 −   ∆0

  

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

(7.1)

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 Transformatorsko olje

-

Les

A

Papir v olju

A E

Prebojna napetost Up[kV/cm]

Relat. diel. εr (pri 90ºC)

tgδ [10-3] (pri 90ºC)

60 - 300

2,3

20

30 - 50

-

-

200 - 400

4-5

15

Prešpan v olju

150 - 250

4

50

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

10

-5

1

10

5

10

Plini

Izolacijski material

Voda

Kovine

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

10

15

20

10

ρ [Ωcm]

Specifična upornost materialov v elektrotehniki 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

ia = k ⋅ U 0 ⋅ t − n i

=

I

0

⋅ e

−

(7.2)

kt

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.

40

Odvisnost prevodnosti izolacijskega olja od časa ob enosmernem toku

χ

t [ s] -3

10

-1

10

1

10 1 min

3

10

5

10

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 ugotavljanje stanja izolacije 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: Œ destruktivni postopki Œ potencialno destruktivni postopki in Œ 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,

i=C⋅

dU dt

(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. mer jenec

i

S

i15’’ i=f (t)

V

C

R iz

i1’

ia

ik ik

A

t

IP15''

60' '

=

i15 ' i1'

i IP1 ' = 1' 10 ' i10 '

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 snovnogeometrijska 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:

τ = R10' ⋅ C50 kjer pomenita: - R10' - C50

(8.2)

izolacijska upornost po času desetih minut in 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. τ [ s]

τ = R 10' ⋅ C50

suha izolacija

vlazna izolacija

T [ oC ]

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. merjenec S1

S2

V1

C

R iz

V2

A 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:

ia' = k ⋅ U 0 ⋅ t − n

(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:

iτ = iaτ + ik = k ⋅ U 0 ⋅ τ − n + ik

(8.4)

Izračun skupnega normiranega toka po na koncu vsake stopnice pa je naslednji:

i15, = k ⋅ ∆U ⋅ 15− n + ik1 + k ⋅ ∆U ⋅ 5− n + ik 2

(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:

i15, = k ⋅ ∆U ⋅ 15− n + k ⋅ ∆U ⋅ 5− n + 2ik 2 −n

(8.6)

−n

−n

i = k ⋅ ∆U ⋅ 20 + k ⋅ ∆U ⋅ 10 + k ⋅ ∆U ⋅ 5 + 3ik 2 , 20

, i25 = k ⋅ ∆U ⋅ 25− n + k ⋅ ∆U ⋅ 15− n + k ⋅ ∆U ⋅ 10− n + k ⋅ ∆U ⋅ 5− n + 4ik 2 , i30 = k ⋅ ∆U ⋅ 30− n + k ⋅ ∆U ⋅ 20− n + k ⋅ ∆U ⋅ 15− n + k ⋅ ∆U ⋅ 10− n + k ⋅ ∆U ⋅ 5− n + 5ik 2

Koeficienti absorpcije kažejo razmerje odstopanja od normirane vrednosti skupnega izolacijskega toka

K a15 =

i15'' i15'

K a 20 =

'' i20 ' i20

K a 25 =

'' i25 ' i25

K a 30 =

i30'' i30'

(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. Objekt Predupor Stopničasti generator

KV

A Mikro ali nano A-meter z 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: D(t ) = ε ⋅ E (t ) (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: Œ idealni kondenzator in paralelni upor Œ idealni kondenzator in serijski upor. Na naslednji sliki je prikazana nadomestna vezava za oba primera. U ω

RX

CX

U

I

I I Rx

RX

U UR x

CX

U δ

δ I Rx 1 = I Cx R X ωC X U I Rx = R ; I C x = UωC X X

tg δ =

Slika 8.5 a)

I Cx Odvisnost od ω! Male frekvence > tg δ Velike frekvence < tg δ

I

ω

tg δ =

UR x = R X ωC X UC x

UC x

I UR x = I R X ; UC x = ωC X

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

46

VN:SN(NN+M)

VN

VN

SN

NN

Cn

R4

NN

R3 C4 V

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. Merjenec

F I L T E R

Napajanje

F I L T E R

VN Tr.

Zvezni kondenzator

Ck C Merilnik

Zm

PD

Merilna impedanca

Slika 8.7

Glavni elementi vezja so: Œ izvor napetosti s primerno regulacijo, Œ zvezni kondenzator, ki predstavlja za visokofrekvenčni pojav praznitev majhno impedanco. Œ filter, ki prepreči vdor motilnih pojavov v merilni tokokrog, Œ merilnik napajalne visoke napetosti, Œ merilni sistem PD (merilnik impulzov z števcem impulzov po amplitudi in fazi, shranjevanje podatkov, obdelava podatkov za slikovni prikaz)

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: Œ se diagnostika izvaja s pomočjo več različnih postopkov, Œ 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. Razporeditev potenciala vzdolž dolgih struktur 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

U = 4,44 ⋅ f ⋅ N ⋅ Φ

(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

c

k

C

c

C

c

k

C

c

C

c

k

C

c

C

c

k

C

c

c

k

C

c

C

c

k

C

c

C

c

k

C

c

k

C

C 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

c ⋅ U n = (U n +1 − U n ) − (U n − U n −1 ) C

(9.2)

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

d 2U c = ⋅U dn 2 C

(9.3)

Rešitev nam poda razporeditev potenciala vzdolž verige v naslednji obliki

Un = U g ⋅

shγn shγN

γ=

c C

(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:

d 2U k = ⋅ (U − U g ) dn 2 C

(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

Un 1,0 Ug 0.9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Un 1,0 Ug 0.9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

c 1 = =0 C ∞ 0 0,05

0,3 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 n

1 0,3 0,05 0

k 1 = =0 C ∞ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 n

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

d 2U c k = ⋅ U + (U − U g ) 2 dn C C

(9.6)

Njena približna rešitev je ob upoštevanju robnih pogojev n=0→U=0 n=N→U=U naslednja:

U n χsh ζ n + κsh ζ (n − N ) + κsh ζ N = Ug ζsh ζ N

(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: Œ S primerno izbiro armatur (povečanjem k z vgraditvijo zaščitnih obročev. Œ 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. Œ S približevanjem vodnika spodnjemu izolatorju oziroma s snopastimi vodniki. Œ 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

i+

Ldx

P

Ik

K dx Cdx

+

δi dx δx

δiK dx δx K dx Cdx x

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 Œ L induktivnost na enoto dolžine Œ C dozemna kapacitivnost na enoto dolžine Œ K medovojna kapacitivnost na enoto dolžine Œ i tok v vodniku tuljave Œ iK tok v vzdolžni kapacitivni zvezi. Iz omenjenega sledijo tri enačbe:

∂(i + iK ) ∂u = −C ⋅ ∂x ∂t 2 ∂u iK = − K ⋅ ∂x∂t ∂i ∂u = −L ⋅ ∂x ∂t

(9.8) (9.9) (9.10)

Če jih združimo, dobimo naslednjo diferencialno enačbo:

∂ 2u ∂ 2u ∂ 4u − LC ⋅ + LK ⋅ =0 ∂x 2 ∂t 2 ∂x 2∂t 2

(9.11)

u = U ⋅ e jωt ⋅ e jαt

(9.12)

Rešitev poiščemo z nastavkom

kjer sta

α = ±ω

LC , 1 − ω 2 LK

ω=

α  K  LC 1 + α 2   C 

(9.13)

52 Splošno rešitev najdemo v obliki

(

)

u = ∑ an e jα nκ + bn e − jα nκ e jωt

(9.14)

n

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:

 ∂u0 ∂u0  K ∂ 2u0 2  K ∂u0   u + dx Cdx dx dx  + dx = 0 + − −  0  2  ∂x  dx ∂x   ∂x  dx ∂x

(9.15)

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

d 2u0 C = u0 dx 2 K

(9.16)

Če postavimo še robne pogoje in sicer: Œ x=0 u=1 Œ x=l u=0 če je l dolžina tuljave v aksialni smeri, bo razporeditev potenciala:

u0 =

shγ (l − x ) shγl

γ=

C K

(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: Œ Stopnjevanje vzdolžne kapacitivnosti s posebnim načinom navijanja prvih ovojev (tkzv. "Porušeno navijanje") Œ 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). IZHOD PALICE IZ UTORA prevodni premaz PREREZ SKOZNIKA

Metalizirana obloga

polprevodna obloga izolacija vodnik

vodnik

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: Œ Œ Œ Œ Œ

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 visokih izmeničnih napetosti 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: Œ Izolacija dejansko kratkotrajno doživlja napetostne preobremenitve, ki presegajo najvišjo obratovalno napetost omrežja Um oziroma najvišjo napetost opreme Um (TOV), Œ Za nekatere izolacije je poznana dokaj zanesljiva korelacija med napetostno zdržnostjo ob obremenitvi z izmenično napetostjo sinusnega poteka oziroma z napetostmi drugačnega časovnega poteka, Œ 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: P = U 2ωC (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

ω

iT

UC = ie

i

iC

Slika 10.1

UT = UL = UC i T = iC - ie PT = U ⋅ iT

a)

UT

ω⋅L

iC iT ie

i ω⋅C

1 ω⋅C

UT

ω i

UL = ω⋅L

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

UV2

UV UV2

UV1

UV ≅ UV 1 + UV2 + UV3

iV

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: Œ da je na podlagi znane geometrije krogel (premer D) in prostora med kroglama (najmanjše razdalje med kroglama S ) poznana maksimalna jakost polja Emax., Œ da poznamo prebojno trdnost zraka Ep pri normalnih atmosferskih razmerah (20˚C, 101,3kPa) Œ 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: Œ upor naj omeji tok ob preboju do te mere, da oblok ne poškoduje površine krogel, Œ 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 2. Kovinski nosilec krogle 3. Pogonski mehanizem za dviganje in spuščanje spodnje krogle 4. Visokonapetostni priključek s preduporom 5. Elektroda za razporeditev potenciala s kazalom maksimalne razdalje

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 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: xmax =

(U zdrž − U zašč ) c 2⋅S

(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: Območje II:

Nad 1 kV do vključno 245 kV 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: Œ standardna kratkotrajna (enominutna) zdržna napetost U50Hz (ustreza časnim prenapetostim) Œ standardna atmosferska zdržna udarna napetost U1,2/50 (ustreza prenapetostim s strmim čelom) Œ 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: Œ napetost U50Hz in U1,2/50 za izolacijo območja I Œ 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

[kV]

Un

[kV]

Um

U50Hz

U1,2/50

U250/2500

I

110

123

230

550

−

I

220

245

460

1050

−

II

400

420

−

1425

1050

[kV]

[kV]

[kV]

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: Viri in razvrstitev prenapetosti, zaščitni nivo prenapetostne zaščite, lastnosti izolacije. Karakteristike in kriterij obnašanja izolacije, porazdelitev prenapetosti, netočnosti vhodnih podatkov (faktor kc).

Analiza sistema Reprezentativne prenapetosti Urp Izbira izolacije glede na kriterij Zdržne napetosti koord. izolacije Ucw

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

Zahtevane zdržne napetosti Urw

Pogoji pri preskušanju, območja

Izbira standardnih zdržnih napetosti Uw

Razlika med preskusi in

NAZIVNI IZOLACIJSKI NIVO

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: Œ predpostavljene maksimalne vrednosti Œ skupine temenskih vrednosti Œ verjetnostne porazdelitve temenskih vrednosti

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: U cw = k c ⋅ U rp

(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: U rw = k a ⋅ k s ⋅ U cw

(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: Œ Œ Œ Œ

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: Œ pogostosti vzroka prenapetosti Œ verjetnostni porazdelitvi prenapetosti, ki nastanejo zaradi posameznega vzroka Œ 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 ∞

Rpr =

∫ f (U ) ⋅ P(U ) ⋅ dU

(15.4)

0

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:

1 0,8 0,6 0,4 0,2

P(U) f(U)

Rpr

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:

(

)(

)(

Rpr = 1 − 1 − Rpr1 ⋅ 1 − Rpr2 ⋅ 1 − Rpr3

)

(15.4)

Pogostost okvar zaradi istovrstnih prenapetosti nam da zmnožek Rpr s celotnim številom prenapetosti.

88

16. Modeliranje visokonapetostnih naprav in omrežij z analizo prehodnih pojavov zlasti prenapetosti in optimiranjem zaščite 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: Œ Izračun stacionarnih stanj lineranih sistemov z izmeničnimi izvori določene frekvence. Stacionarno stanje lahko uporabimo tudi kot začetno vrednost pri izračunu prehodnih pojavov, Œ Izračun stacionarnih stanj linearnih sistemov, kjer se frekvenca izmeničnega izvora spreminja s korakom ∆f med minimalno in maksimalno frekvenco, Œ Izračun elektromagnetnih prehodnih pojavov, Œ 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: Œ Œ Œ Œ Œ

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, Œ nelinearni upori predstavljeni z enolično U-I karakteristiko ali z upoštevanjem histereze in preostalega magnetnega pretoka, Œ časovno spremenljive upornosti, Œ stikala za simuliranje odklopnikov, iskrišč ali katerekoli spremembe povezav v vezju. Diode in tiristorji so tudi vključeni v to skupino,

90 Œ 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), Œ 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, Œ 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: Œ Časovni korak ∆t za izračun prehodnih elektromagnetnih pojavov ob času: t=0, ∆t, 2∆t.... Œ 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, Œ Enote vnešenih podatkov, ki jih lahko podamo na dva načina in sicer: Œ upornosti, induktivnosti in kapacitivnosti v Ω,

91 Œ upornosti v Ω, induktivnosti v mH in kapacitivnosti v µF, Œ 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: Œ Kontrolne podatke, s katerimi definiramo način prikaza rezultatov, Œ Podatke za vsak primer posebej in Œ Zaključne podatke. Vsak posamezni primer pa je potrebno opisati s t.i. podatkovnimi karticami, ki si morajo slediti v naslednjem vrstnem redu: Œ indentifikacijska kartica »BEGIN NEW DATA CASE«, Œ mešane ali posebne kartice (določanje ∆t, vklučevanje TACS, podprogrami LINE KONSTANTS..., podprogrami napisani v MODELS itd., Œ podatkovne kartice za linearne in nelinearne veje, transformatorje, daljnovode, kable, prenapetostne odvodnike itd., Œ podatkovne kartice za stikala (odklopnike, ločilnike, tiristorje, diode), Œ podakovne kartice za izvore, Œ podatkovne kartice za sinhronske generatorje in motorje, Œ podatkovne kartice za pretoke moči, Œ podatkovne kartice za določevanje začetnih pogojev, Œ kartice za izpis izhodnih veličin (napetosti, tokov, moči, energije itd.) in Œ 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: Œ napake, zaradi katerih se izvajanje programa ne ustavi in Œ 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: Œ vozliščne napetosti, Œ napetostne razlike med vozlišči, Œ tokovi med vozlišči,

92 Œ moči med vozlišči in Œ 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: Œ 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, Œ urejevalnik programa, kot sta npr. EDITEUR, SIDEKICK, Œ grafični pregled rezultatov, npr. PCPLOOT in GSVIEW in Œ 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

171 kV

R

R

S

T

S

T

R

S

T

odpoved prenapetostnega odvodnika- zemeljski stik

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

104

delovanje regulacijskega stikala 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] [2] [3] [4]

Hochspannungstechnik 1, TU Graz, Skripta Hochspannungstechnik 2, TU Graz, Skripta Hochspannungstechnik 3, TU Graz, Skripta 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