-
NCERCAREA ECHIPAMENTELOR ELECTRICE
Introducere
ncercarea echipamentelor electrice i energetice este strict
necesar, att pentru asigurarea calitii constructive i funcionale a
acestora, pe ntreaga durata de via, ct i pentru ndeplinirea
condiiilor necesare de lansare n fabricaie a unui produs
(echipament). ncercrile echipamentelor electrice sunt divizate n
dou mari categorii:
- ncercri la nalt tensiune, pentru verificarea izolaiei
electrice, caracterizate de tensiuni nalte i foarte nalte, dar
cureni mici (maxim 1-3 A);
- ncercri la cureni inteni, pentru verificarea la capacitatea de
comutaie a echipamentelor electrice, respectiv la solicitrile
termice i electrodinamice, caracterizate de cureni mari, dar
tensiuni limitate, conform normelor de ncercare.
n general ncercrile se divid n dou mari clase: - ncercri de tip
- ncercri de serie
La ncercrile de tip sunt verificate integral calitile,
proprietile, parametrii electromagnetici ai aparatului, ai
echipamentului n totalitate. Aceste ncercri de tip sunt prevzute
pentru prototip, seria 0 sau dup un numr de ani (periodic), perioad
dup care se precizeaz c dei lent, totui au aprut anumite modificri
n procesul de fabricaie, anumite abateri de la produsul iniial.
ncercrile de serie sunt prevzute pentru marea serie de echipamente
electrice, pentru fiecare produs sau pe loturi de produse,
certificndu-se parial calitile constructiv funcionale ale
produsului. Aceste ncercri sunt efectuate n laboratoare
specializate, laboratoare de nalt tensiune (LIT) i mare putere
(LMP), dotate cu instalaii i staii adecvate pentru verificarea
calitii execuiei echipamentului respectiv, precum i pentru
atestarea /previzionarea c echipamentul realizat va rezista pe
ntreaga durata de via, dac sunt ndeplinite condiiile de exploatare.
Totodat, ncercrile mai urmresc, n cazul c echipamentul ncercat nu
rezist la proba de verificare, s evidenieze i s localizeze
defectele, deoarece unele dintre aceste sunt destul de greu de
depistat, proiectantul i constructorul avnd nevoie de aceste
informaii. Cum, din pcate, nu exista o singur metod de a descoperi
aceste defecte, pentru fiecare tip de defect corespunznd cate o
metoda de ncercare, cu instalaia adecvat, rezult c aceste
laboratoare sunt foarte complexe, cu o multitudine de instalaii de
ncercare, cu metodologii i aparatur standardizate de
verificare.
-
CAPITOLUL I
NCERCAREA IZOLAIEI ECHIPAMENTELOR ELECTRICE
1.1. LABORATOARE DE NALT TENSIUNE 1.1.1. Probleme generale
ncercrile izolaiilor cu tensiuni nalte distructive se efectueaz
n
laboratoare speciale de nalt tensiune prevzute cu utilaj
tehnologic corespunztor. n funcie de scopul cruia i sunt destinate
i pentru care sunt utilate,
laboratoarele de nalt tensiune pot fi: - laboratoare de
cercetare ale institutelor sau ale marilor firme productoare; -
laboratoare uzinale, destinate ncercrilor de tip i de control care
se
efectueaz n fabricile productoare asupra aparatajului de nalt
tensiune pe care acestea l produc;
- laboratoare care deservesc sistemul energetic pentru
efectuarea n special a ncercrilor preventive asupra izolaiei
echipamentului din sistem.
Utilaje de baz ale oricrui laborator de nalt tensiune constituie
sursele de nalt tensiune, alternativ, continu i de impuls, precum i
instalaiile de msur adecvat.
La echipamentul electric de tensiuni nalte i foarte nalte,
transporturile n aceste laboratoare fixe sunt deosebit de greoaie,
motiv pentru care s-au creat instalaii de ncercare mobile, de
performane ridicate. Pentru obinerea unor gabarite i greuti minime
s-au realizat variante constructive n mediul de SF6.
1.1.2. Principale instalaii de ncercare Un laborator complet de
nalt tensiune trebuie s cuprind urmtoarele
instalaii de ncercare: - instalaii pentru producerea i msurarea
tensiunii nalte alternative de
frecven industrial; - instalaii pentru producerea i msurarea
tensiunii nalte de impuls de
trsnet; - instalaii pentru producerea i msurarea tensiunii nalte
de impuls de
comutaie; - instalaii pentru producerea i msurarea tensiunii
nalte continue; - instalaii pentru producerea i msurarea impulsului
de curent; - instalaii mixte de impuls de curent i tensiune
alternativ. Caracteristicile termice ale instalaiilor de ncercare
sunt determinate de
nivelele tensiunilor de ncercare propuse a se realiza care la
rndul lor sunt stabilite pe baza principiilor de coordonare a
izolaiei.
Instalaiile de ncercare trebuie s asigure parametrii prescrii i
mrimilor electrice pe care le produc.
De asemenea, instalaiile de ncercare sunt prevzute cu scheme de
msurare care trebuie s asigure convertirea tensiunilor nalte n
valori adecvate pentru msurri sau nregistrare.
-
O dotare complet a laboratorului - hal de nalt tensiune, include
i o instalaie de ploaie artificial, iar unele laboratoare sunt
prevzute cu o sal anex n care se dispune de o instalaie de
preparare a ceei saline. La dimensionarea laboratoarelor hal de
nalt tensiune trebuie s se in seama de o serie de considerente
tehnice i economice, cum sunt: asigurarea unor distane de izolaie
satisfctoare n condiiile unui volum ct mai mic al halei: dispunerea
instalaiilor de ncercare i a obiectului de ncercat astfel nct
legturile de racord s fie scurte, s fie uor de observat din camera
de comand, s se poat asigura lucrrile de ntreinere i s se prevad
accesul uor al echipamentelor de ncercat n laborator. Camera de
comand situat de obicei la o nlime de circa 2-3 m are dimensiunile
determinate de gabaritele pupitrelor de comand.
1.1.3. Protecia muncii n laboratoarele de nalt tensiune Sigurana
n exploatare ct i protecia personalului ce deservete
laboratoarele de nalt tensiune sunt asigurate dac instalaiile de
ncercare sunt ecranate i prevzute cu punere la pmnt, iar spaiul
destinat ncercrilor este nconjurat cu un gard metalic legat la
pmnt.
Ecranarea (cuca Faraday) unui laborator de nalt tensiune trebuie
s ndeplineasc urmtoarele condiii:
- micorarea perturbaiilor electromagnetice care ar strbate n
exterior n timpul ncercrilor;
- diminuarea cmpurilor parazite electromagnetice care ptrund din
exterior, pentru evitarea erorilor de msurare;
- realizarea repartiiei uniforme a cmpului n ncperea de ncercat;
- eliberarea instalaiei de pmntare de curenii datorai capacitilor
de
dispersie dintre electrozii de nalt tensiune i pmnt, acetia
putndu-se nchide prin cuc.
Necesitatea unei ecranri electromagnetice i unei puneri la pmnt
corespunztoare este evident mai ales n cazul laboratoarelor unde se
efectueaz ncercri la impuls de tensiune din urmtoarele
considerente:
- impulsurile de tensiune, al cror spectru conine frecvene pn la
ordinul zecilor de MHz, trecnd spre priza de pmnt determin pe
elementele legate la priza de pmnt cderi de tensiune considerabile,
deoarece la aceste frecvene conductoarele de legtur se comport ca o
linie de impedan mult mai mare dect rezistena de dispersie a prizei
n curent continuu;
- apare un flux magnetic rapid variabil n timp care poate induce
n conductoarele de joas tensiune sau pasive tensiuni
periculoase;
- capacitile parazite ale instalaiei de impuls sunt ncrcate i se
descarc n momentul producerii impulsului mrind curentul de
descrcare i crend descrcri de tensiune periculoase.
Ecranul se realizeaz din tabl de oel expandat sau chiar din plas
de srm cu ochiuri mici, sudate la ncruciri i legat prin sudur la
armturile cldirii.
Ecranul camerei de msur pentru oscilograf este indicat s fie din
tabl de cupru. Toate obiectele metalice din hal se leag la ecran
prin legturi ct mai scurte; trecerile conductelor de ap, abur etc.
prin ecran se fac cu tronsoane izolante, iar alimentarea cu energie
electric a instalaiilor de for i iluminat se face prin
transformator de izolare.
-
Ecranul se leag la pmnt n ct mai multe puncte. Instalaia de
pmntare se realizeaz de obicei din evi de oel zincat cu
diametrul de 80-100 mm, grosimea peretelui de 5-10 mm, introduse
la mare adncime (5-15 m) i legate ntre ele cu benzi de oel sudate.
Rezistena total a prizelor de pmnt trebuie s fie sub 0,5 .
Sub pardoseal prizele de pmnt se leag cu o reea format din band
lat, pentru a avea inductivitatea redus i care formeaz ochiuri de
2-6 m. Pe ct posibil, sub divizorul de tensiune s se afle o priz de
pmnt cu rezistena de trecere ct mai mic.
Probleme deosebite ridic i realizarea instalaiilor de nclzire,
aerisire i climatizare. Compartimentarea este necesar n special
pentru laboratoarele care nu au camere de comand. Uile de acces n
zona de nalt tensiune sunt prevzute cu blocaje electromagnetice i
contacte de siguran. Dac proteciile acioneaz, tensiunea periculoas
este ntrerupt i sarcina remanent capacitiv este descrcat automat.
Funcionarea instalaiilor din hal este semnalizat de obicei prin
lumin plpitoare.
1.2. PRINCIPALELE METODE DE CONTROL PREVENTIV ASUPRA IZOLAIEI
1.2.1. Comportarea izolaiei instalaiilor electroenergetice Izolaia
echipamentelor electrice n exploatare este supus unui ansamblu
de
solicitri de natur electric, termic, mecanic, chimic, biologic,
climateric, etc., care determin proprietile izolante. n afar de
solicitrile mecanice care pot produce spargerea gurirea, fisurarea
izolaiei, n exploatare degradarea izolaiei se manifest sub dou
aspecte principale:
- contaminarea sau poluarea izolaiei generat de influenele
externe (praful industrial umezit); este o degradare
reversibil;
- mbtrnirea izolaiei datorit efectului cumulativ al descrcrilor
pariale i care conduce printr-un proces lent la degradarea
ireversibil a izolaiei echipamentelor electrice.
Viteza de mbtrnire a izolaiei depinde de: - calitatea
materialelor electroizolante; - particularitile constructive; -
condiiile de funcionare. Comportarea izolaiilor n exploatare poate
fi analizat pe caracteristica
tensiune timp generalizat, care reprezint dependene ntre
valoarea tensiunii disruptive raportat la valoarea maxim a
tensiunii de serviciu pe faz i durata acesteia.
O diagram orientativ tensiune timp pentru o izolaie de tip
hrtie-ulei (diagrama I) este reprezentat n figura 4.1.
Pe caracteristic sunt delimitate mai multe nivele care corespund
urmtoarelor solicitri distructive ale izolaiei :
1. supratensiuni externe; 2. supratensiuni de comutaie; 3.
supratensiuni temporare;
4. strpungerea termic a izolaiei solide; 5. strpungerea ionizant
datorit descrcrilor pariale;
-
6. mbtrnirea natural. Cu liniile ntrerupte se indic nivelele
tensiunilor de ionizare critic (Ucri i
Uii); cu linii pline nivelul de inere la frecvena industrial
Uinc i la impuls (50%). Prin UFF i UCP se noteaz valorile maxime
ale tensiunii de serviciu ntre
faz i respectiv pe faz, pentru a asigura o funcionare sigur, de
lung durat a izolaiei. Prin diagramele II i III s-au reprezentat
solicitrile caracteristice ale izolaiei ntre faze i respectiv fa de
pmnt, care apar n exploatare la echipamentul de 400 kV.
1.2.2. Sarcinile controlului preventiv asupra izolaiei Controlul
preventiv se efectueaz n primul rnd n fabricile constructoare
de echipamente electrice i const n verificarea nivelelor de
izolaie n principal. Uneori, se mai efectueaz i aa-zisele probe sau
ncercri de referin sau limit prin care se testeaz posibilitile
maxime, de inere a izolaiei.
Aceste ncercri se pot efectua sistematic i n exploatare la locul
de funcionare, asigurndu-se astfel mrimea duratei de serviciu a
izolaiei.
Controlul preventiv are urmtoarele sarcini: - asigurarea unor
lucrri de calitate superioar de montaj, punere n
funciune i reparaii; - depistarea unor condiii de funcionare
anormale ale izolaiei (temperatur
sau umiditate excesiv etc.); - scoaterea n eviden a unor defecte
incipiente n izolaie i luarea de
msuri corespunztoare; - evidenierea gradului de mbtrnire a
izolaiei, n scopul restabilirii
siguranei n funcionare.
Fig.1.1. Diagrama tensiune timp pentru izolaie tip hrtie
ulei
-
1.2.3. Clasificarea metodelor de control preventiv Pentru
fiecare tip de construcie izolant sunt caracteristice anumite
tipuri
de defecte, care necesit metode adecvate de control preventiv.
Defectele izolaiei pot fi de dou feluri:
- defecte locale sau concentrate care ocup o parte mic din
volumul izolaiei, ca de exemplu: fisuri de izolaie, urme de
carbonizare etc. ;
- defecte distribuite, care ocup n ntregime sau o parte mare din
volumul izolaiei, cum ar fi de exemplu umezirea acesteia.
Starea izolaiei se poate constata prin examinare i prin ncercri
i msurtori n laborator sau la locul de montare.
Aceste ncercri se efectueaz la punerea n funciune a utilajului
respectiv, valorile obinute servind ca date de comparaie pentru
verificrile ulterioare. De asemenea ele se execut dup reparaii
precum i periodic pentru a determina starea izolaiei i a depista
locurile defecte n vederea reparrii i nlocuirii elementelor
respective.
Din acest motiv ele se numesc ncercri preventive. Metodele de
tensiuni pot fi: a) Distructive, care pot duce la distrugerea
izolaiei. Acestea au ca scop verificare comportrii izolaiei la
aciune
supratensiunilor din punct de vedere al probabilitii de inere. n
aceast categorie se includ ncercrile pentru stabilirea
caracteristicilor de performan (care se efectueaz la tensiunea de
descrcare disruptiv) precum i ncercrile de verificare la tensiunile
nominale de inere (n cadrul controlului uzinal) i la tensiunile de
ncercare ale izolaiei (n cadrul ncercrilor de exploatare).
Dei tensiunile de inere ct i cele de ncercare sunt inferioare
tensiunilor de ncercare disruptiv, n timpul efecturii acestor
ncercri exist pericolul deteriorrii ireversibile a izolaiei.
Din acest motiv toate ncercrile susceptibile s produc descrcri
disruptive sunt considerate distructive.
b) Nedistructive, n urma crora izolaia nu se deterioreaz.
Acestea au ca scop determinarea strii unei izolaii prin
determinarea, intensitii anumitor fenomene fizice care au loc n
dielectrici sub aciunea solicitrilor electrice i care preced i
determin distrugerea unei izolaii.
Din prima categorie fac parte ncercrile cu tensiune mrit,
alternativ, continu i de impuls.
Principalele metode nedistructive sunt: - msurarea tangentei
unghiului de pierderi, tg; - msurarea caracteristicilor capacitive;
- msurarea descrcrilor pariale n izolaie; - determinarea repartiiei
tensiunii pe izolaie; - metode utiliznd tensiunea continu; -
defectoscopia cu tensiune de impuls nedistructiv; - defectoscopia
prin raze RNTGEN i ultrasunete. Fiecare din aceste metode evideniaz
un anumit tip de defect; de aceea,
pentru descoperirea ntregii serii de defecte posibile n
instalaie, e necesar s se utilizeze toate metodele.
-
1.2.4. ncercri distructive ale izolaiei cu tensiune mrit
1.2.4.1. ncercarea cu tensiune alternativ mrit Prin aceast metod se
permite, verificarea prezenei unei rezerve necesare
n ceea ce privete rigiditatea dielectric a izolaiei i pentru
evidenierea unor defecte locale, care determin reducerea valorii
tensiunii de strpungere. Acest tip de ncercare poate fi:
a) Cu tensiune aplicat de frecven industrial care servete la
verificarea tuturor izolaiilor externe precum i a izolaiei interne
a aparatelor de comutaie i a izolaiei principale uniforme a
transformatoarelor, caz n care puterea surselor este:
92 102 = incfCUS [kVA], (1.1.) n care: f este frecvena C
capacitatea total de sarcin (inclusiv cele parazite) [pF] Uinc
tensiunea de ncercare [kV] b) Cu tensiune indus, care se poate
aplica la echipamentele ce au cel puin
dou nfurri cuplate magnetic i servete la verificarea izolaiei
longitudinale a transformatoarelor ca i a izolaiei principale a
transformatoarelor cu izolaie redus.
Pentru micorarea saturaiei circuitului magnetic i deci a puterii
absorbite, se impune mrirea frecvenei de obicei pn la 150 Hz.
n acest caz se modific i timpul de ncercare dup formula:
ft 20060= [s] (1.2.)
Scheme de ncercare pentru transformatoare sunt date n fig. 4.2.
pentru tensiunea aplicat i fig. 4.3. pentru tensiune indus.
n aceste figuri 4.2.a,b i 4.3.a,c,d,e corespund ncercrii cu
alimentare monofazat, iar 4.2.c i 4.3.b ncercrii cu alimentare
trifazat.
nainte de ncercare, toate obiectele de ncercat sunt curate, nu
se supun ncercrii:
Fig. 1.2. Scheme pentru ncercarea transformatoarelor
trifazate cu tensiune alternativ mrit aplicat
-
- izolaiile cu defecte evidente sau cele cu depuneri; -
izolaiile care prin metode precedente de control nedisruptive au
fost
gsite necorespunztoare; - izolaiile n ulei, la care nivelul
acestuia nu este suficient. Tensiunea se aplic brusc pn la cel mult
50% din valoarea tensiunii de
ncercare, apoi se crete lent i continuu sau n trepte de maxim 5%
ntr-un timp cuprins ntre 10 i 30 secunde, se menine un minut, dup
care se micoreaz continuu pn la cel puin 50% din tensiunea de
ncercare n cel mult 5 s i se deconecteaz, aceasta n scopul
reducerii supratensiunilor de comutaie. Prezena defectelor n
izolaie poate fi sesizat prin oscilaiile indicaiilor aparatelor de
msur, declanare automat, strpungeri sau conturnri vizibile, zgomote
specifice, prin oscilografiere i prin prezena unor nclziri locale
ale izolaiei. ncercarea se execut dup reparaii capitale i prezint
unele neajunsuri, n special pentru izolaiile cu hrtie ulei ca:
- reprezint o solicitare grea pentru izolaie favoriznd
descrcrile pariale, fr a le putea detecta i avnd posibilitatea de
producere a defectelor remanente;
- este insuficient de sensibil fa de exigenele siguranei n
exploatare a echipamentelor.
Pentru a ine seama de pericolul defectrii izolaiei, datorit
efectului cumulativ, valoarea tensiunii de ncercare pentru control
preventiv se alege cu 20 30 % mai mic dect nivelul de inere la
tensiunea alternativ de 50 Hz.
ncercarea cu tensiune alternativ mrit prezint unele avantaje;
reproduce modul de solicitare din exploatare; strpungerea se observ
uor prin creterea brusc a curentului i scderea la zero a tensiunii
de ncercare, iar sursele tensiunii de ncercare nu sunt complicate.
De aceea este i cea mai rspndit ncercare.
Fig. 1.3. Scheme pentru ncercarea transformatoarelor trifazate
cu tensiune mrit alternativ indus
-
1.2.4.2. ncercarea cu tensiune continu mrit n anumite situaii,
cnd nu se dispune de surse de tensiune alternativ, sau
n cazul obiectelor cu capacitate mare, ncercare cu tensiune mrit
se poate face folosind tensiunea continu. Fa de ncercarea cu
tensiune alternativ mrit, aceast ncercare prezint urmtoarele
avantaje:
- nu reprezint o solicitare att de grea pentru izolaie n ce
privete fenomenul de descrcri pariale i ca urmare, valoarea
tensiunii de ncercare n curent continuu poate fi de 3 4 ori mai
mare dect cea n curent alternativ;
- o serie de defecte locale, legate de creterea conductibilitii
unor straturi de izolaie, sunt evideniate mai bine la ncercarea cu
tensiune continu;
- verificarea rigiditii dielectrice cu tensiune continu permite
totodat msurarea curenilor de scurgere, care dau indicaii cu
privire la umezirea izolaiei.
Dezavantajul metodei const n aceea c instalaiile de ncercare
sunt mult mai complicate dect cele cu tensiune nalt alternativ. Pe
de alt parte, repartizarea tensiunii continue aplicat pentru
ncercarea izolaiei se face dup rezistenele de izolaie ale
structurilor izolante i nu dup permitivitile dielectrice ale
acestora cum se ntmpl sub aciunea tensiunii de serviciu i a
supratensiunilor ce apar n sistem.
Instalaia de ncercare este o surs de tensiune nalt redresat,
adesea mobil.
1.2.5. ncercri nedistructive ale izolaiei 1.2.5.1. Metode de
ncercare utiliznd tensiunea
continu Schema electric echivalent a unei izolaii poate fi
reprezentat n fig. 1.4. C reprezint capacitatea geometric a
izolaiei.
Ramura care conine capacitatea Cp i rezistena r caracterizeaz
gradul de neomogenitate al dielectricului i determin pierderile
dielectrice n izolaie n curent alternativ.
Rezistena rs caracterizeaz curentul de conducie prin izolaie. C,
C, r in seama de fenomenul de descrcare parial: C modeleaz
capacitatea incluziunii gazoase, C modeleaz capacitatea
dielectricului aflat n limitele liniilor de cmp ce limiteaz
incluziunea, r este rezistena canalului de descrcare iar
comutatorul modeleaz amorsarea i stingerea descrcrilor pariale. La
aplicarea tensiunii U, prin izolaie circul curentul i care conine
trei componente:
- curentul de impuls, de ncrcarea a capacitii geometrice, i; -
curentul ip de polarizare a izolaiei, numit curent de absorie;
Fig.14.4. Schema echivalent complet (a) i simplificat (b)
-
- curentul de conducie is , numit i curent de scurgere pe
suprafaa sau prin masa izolaiei.
Variaia n timp a curentului de polarizare poate fi caracterizat
prin relaia.
Tt
p erUi
= (1.3.) unde constanta de timp T=r. Cp are durata de ordinul
secundelor sau zecilor de secunde.
Curentul de conducie, care se menine constant pe durata aplicrii
tensiunii, are valoarea dependent de conductibilitatea straturilor
dielectrice, crescnd n prezena umiditii, a impuritilor conductoare
etc.:
SS r
Ui = (1.4.) Variaia n timp a componentelor curentului prin
dielectric sub aciunea tensiunii continue este dat n fig. 4.5.
Dup terminarea proceselor de polarizare, capacitatea total fizic
a izolaiei este:
C=C+Cp (1.5.) i determin sarcina total ce se poate acumula pe
electrozii construciei izolante.
Rezistena de izolaie a unui dielectric msurat ntre doi
electrozi, este
definit de raportul ntre tensiunea continu U aplicat
electrozilor i curentul total i:
iURiz =
Variaia de timp a acestei rezistene este reprezentat n fig. 1.5.
Msurarea rezistenei de izolaie constituie o metod practic de
control preventiv i se realizeaz dup 60 s de la aplicarea tensiunii
continue, cnd prin izolaie circul numai curentul de conducie.
Umezirea izolaiei conduce la scderea rezistenei de izolaie.
De asemenea, impurificarea masiv sau prezena unor defecte de
strpungere determin o scdere accentuat a rezistenei de izolaie.
Fig. 1.5. Variaia curentului prin dielectric sub aciunea
tensiunii continue
-
Diagnosticarea izolaiei prin aceast metod nu este sigur, existnd
defecte (incluziuni gazoase) care pot duce la reducerea substanial
a tensiunii de strpungere fr a influena valoarea rezistenei de
izolaie.
Aprecierea strii izolaiei prin msurarea rezistenei se recomand s
se fac prin comparaie cu datele iniiale i nu dup valorile
absolute.
Raportul rezistenelor de izolaie msurate dup 15 s i dup 60 s de
la aplicarea tensiunii continue, definete coeficientul de
absorie
'
'
15
60
iz
izabs R
RK =
Cu ajutorul acestui coeficient este apreciat coninutul de
umiditate al
izolaiei. La izolaia uscat coeficientul de absorie este
supraunitar, pe cnd la izolaia umed coeficientul de absorie este
aproximativ egal cu unitatea datorit polarizrii dipolice
accelerate.
Aprecierea gradului de umiditate a izolaiei se poate face i dup
examinarea curbelor de absorie, care reprezint variaia n timp a
rezistenei de izolaie la tensiune continu constant (fig. 1.6.).
Dac stabilizarea valorii rezistenei de izolaie se produce repede
i la o valoare relativ mic, nseamn c procesele e polarizare decurg
cu vitez mare, iar curentul de conducie are o valoare ridicat, ceea
ce corespunde izolaiei umede. Aceast metod e indicat pentru
izolaiile cu capacitate mare, cu constante de timp
de polarizare de ordinul orelor. Pentru msurarea rezistenei de
izolaie se utilizeaz ca instrumente:
megohmetre sau teraohmetre. Valoarea tensiunii la care se execut
msurarea influeneaz mrirea rezistenei de izolaie (fig. 1.7.).
Fig. 1.6. Curbele de absorie
Fig. 1.7. Dependena rezistenei de izolaie de tensiune
-
Pentru ca msurarea rezistenei de izolaie s nu fie influenat de
valoarea tensiunii sursei trebuie ca valoarea tensiunii s fie sub
Ucr .
La aprecierea strii izolaiei servesc i curbele I=f(U) i
Riz=f(U). Cu ct cotul curbelor apare la o tensiune mai mare i cu ct
trecerea de la o pant la alta este mai lin, cu att este mai bun
starea izolaiei (fig. 1.8.).
Dac se are n vedere comportarea dielectricului neomogen cruia i
se
aplic o tensiune nalt continu i apoi este scurtcircuitat a crui
schem echivalent este dat n fig. 1.9. a, se poate determina starea
izolaiei cu referire la umiditatea coninut. n fig. 1.9. a, se
consider dou straturi cu caracteristici dielectrice diferite.
La conectarea izolaiei la o surs de tensiune nalt continu
tensiunea se
repartizeaz invers proporional cu mrimea capacitilor
)0(,2
1
2
1 == tC
C
U
U (1.8.)
Dup un anumit timp, repartiia tensiunii este determinat de
rezistenele de izolaie:
)(,2
1
2
1 = tRR
UU
(1.9.)
Dac izolaia se deconecteaz de la surs, n primul moment
tensiunile se repartizeaz conform relaiei (1.9.) i n continuare
tensiunea la bornele izolaiei variaz dup curbe rezultate din suma
celor dou exponeniale de descrcare (fig. 1.9. b). Caracteristica
U=f(t) astfel ridicat se numete curb de autodescrcare.
Fig. 1.8. Curbele I=f(U)
Fig.1.9. Schema echivalent a unei izolaii n dou straturi
(a),
curbele de autodescrcare (b) i de revenire (c)
-
Dac, curba scade mai repede, rezult c starea izolaiei este slab,
deci prezint un grad mai mare de umezire.
Dac dup deconectarea sursei se scurtcircuiteaz pentru un timp
izolaia, tensiunile U1 , U2 vor fi egale i de semn contrar, iar
sarcina electric de pe suprafaa de separaie a straturilor izolante
se repartizeaz proporional cu capacitile C1 i C2 . n primele
momente dup desfacerea scurtcircuitului, tensiunea crete relativ
repede i apoi scade la zero mai lent (fig. 1.9. c) .
Caracteristica U=f(t) rezult prin nsumarea celor dou tensiuni U1
i U2 poart denumirea de curb de revenire. Pentru izolaia umed
revenirea se face mai ncet i pn la o tensiune mai mic. Aceste
metode de control a umiditii izolaiei aplicabile la izolaiile
neomogene sunt caracterizate prin mare sensibilitate i uurin n
execuia msurrii. Pentru a evidenia gradele mici de umezire a
izolaiei se poate aplica metoda coeficientului real de absorie,
utiliznd schema din fig. 1.10.
Coeficientul real de absorie este dat de raportul valorilor
curenilor de
polarizare, msurai la dou momente succesive de timp t1 i t2
T
tt
p
pr eti
tiK
abs
21
)()(
2
1
== (1.10.)
n relaia de mai sus am inut cont i de expresia curentului de
polarizare
(1.3.). Odat cu creterea gradului de umezire, crete
conductibilitatea straturilor
dielectrice, ceea ce duce la micorarea lui T i creterea lui
absrK . n schema din fig. 4. 10. capacitatea C a izolaiei de
ncercat se ncarc cu
tensiunea continu U, apoi se descarc pe rezistena r de valoare
mic. Curba de variaie a cderii de tensiune produs de curentul de
polarizare
care trece prin r este oscilografiat cu ajutorul oscilografului
catodic O.C. Exist aparate speciale care dau direct valoarea
coeficientului real de absorbie.
Fig. 1.10. Schema pentru determinarea coeficientului real de
absorie.
-
1.2.5.2. Msurarea tangentei unghiului de pierderi Tangenta
unghiului de pierderi (tg ) este tangenta unghiului cu care se
micoreaz defazajul dintre curent i tensiunea aplicat
dielectricului, fa de cazul condensatorului ideal. El se numete
unghiul pierderilor dielectrice i caracterizeaz apariia pierderilor
n dielectric. Utiliznd schema din fig. 1.4. dac se aplic o tensiune
sinusoidal U, cu pulsaia , curentul rezultat prin izolaie I va
conine mai multe componente conform diagramei fazoriale din fig.
1.11.
n fig. 1. 11. a s-a reprezentat diagrama exact, iar n fig. 1.
11. b diagrama simplificat n care:
Ip-reprezint curentul de polarizare cu componenta activ Ipa i
reactiv Ipr ; Is- curentul de conducie;
I - curentul de ncrcare a capacitii geometrice; Ic- componenta
total reactiv a curentului.
Pe baza diagramei simplificate din fg. 1.11. b, pierderile
totale n dielectric
vor fi: tgUIUIUIP c=== sincos (1.11.)
dar CUI c = , de unde: tgCUP 2= (1.12.)
n care C reprezint capacitatea fizic total.
Se observ din relaia (1.12.) c pierderile totale n dielectric
depind de dimensiunile geometrice ale izolaiei i pentru aprecierea
acesteia se utilizeaz raportul:
c
a
IItg = , (1.13.)
care nu depinde de volumul izolaiei. Utiliznd notaiile din fig.
4.4., componentele activ i reactiv ale
curentului vor avea expresiile (fig. 1.11.).
])(1
1[ 2TTC
rUI p
aa
++= (1.14.)
Fig. 1.11. Diagramele: exact i simplificat a curenilor prin
izolaie.
-
])(1[ 2T
CCUI pc
++= (1.15.) Prin msurarea tg se poate aprecia starea izolaiei
pentru echipamente cu
diferite capaciti. Creterea tg indic o stare proast a izolaiei i
anume o umezire puternic a ei, precum i existena unor impuriti i
incluziuni gazoase n masa dielectricului.
Prezena umiditii determin deci creterea tg , dat practic acestea
nu depind de tensiune. Prezena descrcrilor pariale n incluziunile
gazoase ale izolaiei solide determin creterea brusc a tg , ncepnd
de la o anumit tensiune critic de ionizare Ui (fig. 1.12.).
Punctul de inflexiune A de pe curb este numit punct de ionizare
peste
tensiunea Ui izolaia nu mai prezint siguran n exploatare putnd
apare strpungerea ei.
Unghiul de pierderi tg variaz i n funcie de temperatur n sensul
c la creterea temperaturii, crete conductibilitatea straturilor
active Ia i deci la creterea tg .
Considernd variaia n timp se constat c tg crete n timp la
izolaiile cu defect i scade la izolaiile n stare bun, la material
la izolaie lichid.
Punerea tg a construciilor izolante se face cu puntea aerian, a
crui schem principal este dat n fig. 1.13.
Prin Zx (Cx Rx) s-a notat impedana dielectricului studiat, priza
(Ze) un
condensator etalon Ce , prin R3 o rezisten reglabil (Z3), iar
prin Z4 o rezisten fix i un condensator variabil legate n paralel.
Condiia de echilibru a punii este:
34 ZZZZ ex = ,
Fig.1.12. Variaia tg n funcie de valoarea tensiunii aplicate
pentru izolaia solid (a) i izolaia hrtie-ulei (b)
-
n care:
.1
;
1
;1;
44
44
4
33
ee
xxx
CjZ
CjRCj
RZ
CjRZ
RZ
=+=
+==
(1.16.)
Egalnd prile reale, respectiv pe cele imaginare se obine
4342
4 RRCCRRCC xxxe = (1.17.) i
34 CCjRCj xe = (1.18.) Din aceste relaii se pot deduce
expresiile rezistenei i capacitii
dielectricului de msurat:
;43e
x CCRR = (1.19.)
;3
4
RRCC ex = (1.20.)
Se poate calcula astfel expresia lui tg :
44CRCRtg xx == (4.21.) Schema prezentat trebuie ecranat pentru
eliminarea influenelor
capacitilor parazite (fig. 1.14.b.).
Fig.1.13. Scheme de principiu a punii Schering.
-
La msurtorile efectuate cu puntea Schering pot apare erori
determinate de sensibilitatea limitat a indicatorului de
echilibru a punii, ca influena cmpurilor electromagnetice
exterioare, de cureni i capaciti parazite.
Determinarea tg se efectueaz n special la transformatoare (de
putere, tensiune i curent), la bobinele de stingere i la
condensatoare.
1.2.5.3. Msurarea caracteristicilor capacitive Metoda este
foarte mult utilizat pentru determinarea gradului de umezire a
izolaiei transformatoarelor i se bazeaz pe influena
temperaturii, frecvenei, timpului asupra fenomenelor de polarizare
lent datorat neomogenitii dielectricului. Din relaia (1.15) rezult
valoarea aparent a capacitii izolaiei:
2)(1 TC
CC p++= (1.22.)
relaie din care rezult dou metode de msurare a gradului de
umiditate a izolaiei:
- Metoda capacitate-temperatur, care are n vedere c la creterea
temperaturii, conductibilitatea straturilor umede din izolaie
crete, constante de timp T se micoreaz i deci creterea capacitii cu
temperatura este cu att mai intens, cu ct umezirea e mai
puternic;
- Metoda capacitate-frecven, care are n vedere faptul c la
frecvene relativ nalte, gradul de umiditate nu influeneaz practic
valoarea capacitii. Datorit sensibilitilor mici aceste metode se
utilizeaz mai puin.
- Metoda capacitate-timp, are o nalt sensibilitate i const n
determinarea raportului CC p / , prin msurarea separat a celor dou
capaciti. Schema principial este dat n fig. 1.15.
Fig. 1.14. Schema punii Schering neecranat (a) i ecranat (b)
Fig.1.15. Schema de principiu pentru metoda capacitate-timp.
-
Capacitatea C a obiectului supus msurrii se ncarc cu tensiunea
continu
U, de valoare cunoscut, apoi se scurtcircuiteaz pentru scurt
timp, dup care se conecteaz la bornele unei capaciti etalon Cn .
Dup rencrcare, tensiunea la bornele capacitii etalon va fi:
NN CC
CUU += (1.23) Msurnd tensiunea UN se poate determina capacitatea
izolaiei C. Valoarea
capacitii C, msurat imediat dup momentul descrcrii, reprezint C
. Valoarea capacitii C, msurat dup o perioad de timp, reprezint
suma
capacitii geometrice C i a celei de absorie Cp (relaia (1.5)).
Din diferena celor dou valori ale capacitii C rezult creterea
capacitii
C datorat umiditii: = CCC (1.24)
n norme este dat valoarea raportului:
==
CC
CCC
CC p
(1.25)
Compararea valorilor msurate cu cele din norme permite
aprecierea strii izolaiei.
1.2.5.4. Msurarea descrcrilor pariale Descrcrile pariale apar n
incluziunile gazoase care pot exista n izolaie.
Sunt denumite pariale deoarece descrcarea este limitat numai la
spaiul ocupat de incluziuni. Apariia lor la tensiunea de lucru
provoac pierderea lent dar sigur a calitilor izolante ale
dielectricului.
Descrcrile pariale reprezint un pericol real pentru aparatele
turnate n rini sintetice i aparatele cu izolaie din hrtie i ulei. n
legtur cu descrcrile pariale se pun urmtoarele probleme:
- stabilirea unui nivel admisibil de descrcri pariale; -
corelaia ntre comportarea la descrcri pariale i durate de via a
izolaiei; Prin determinarea descrcrilor pariale este pus n
eviden nu existena
defectelor izolaiei, ci a descrcrilor n izolaie. Astfel,
umezirea unei fisuri n porelan, carbonizarea pereilor incluziunii n
izolaiile organice duc la dispariia descrcrilor pariale dei
defectul de izolaie este evoluat. Se poate spune c msurarea
descrcrilor pariale permite determinarea defectelor aflate numai
ntr-un stadiu iniial de dezvoltare.
Pentru detectarea i evaluarea descrcrilor pariale se folosesc
aparate speciale care se bazeaz pe unul din principiile:
a) msurarea uneia dintre mrimile caracteristice ale descrcrilor
pariale ca:
- sarcina electric aparent (q), reprezentnd sarcina care, dac ar
fi injectat instantaneu la bornele obiectului de ncercat, ar
produce o variaie de tensiune U egal cu aceea produs de descrcarea
parial nsi;
-
- frecvena de repartiie (n) a descrcrilor pariale care reprezint
numrul de impulsuri pe secund;
- curentul mediu de descrcare:
[ ] +++= n nqqqTI 0 21 ...1
(1.26)
unde T este un interval de timp mare comparativ cu perioada
tensiunii de serviciu; - debitul ptratic:
( ) +++= n nqqqTD 0 22221 ...1 (1.27) b) recepionarea
perturbaiilor radio care nsoesc descrcrile pariale ce
au loc n izolaie; c) detectarea oscilaiilor sonore i ultrasonore
produse de descrcrile
pariale n special n mediile lichide.
Schema fundamental a aparatelor bazate pe primul principiu este
dat n
fig. 4.16. n care: Cx- este obiectul de ncercat; Zm- impedana de
msur; Ck- condensator de cuplaj; F- filtru; A- amplificator; -
oscilograf catodic; N- contor e impulsuri i discriminator de
amplitudine; B- detector liniar sau ptratic; M- instrument de
msurat; Z- filtru trece jos; Impedana de msur Zm se conecteaz la
circuitul de nalt tensiune, pe
partea dinspre pmnt a obiectului ncercat. Condensatorul de
cuplaj Ck reduce perturbaiile n raportul Cx/Ck . Dac obiectul de
ncercat are o born legat la pmnt, impedana Zm se conecteaz n serie
cu Ck sau alt capacitate din schem, care servete drept capacitate
de cuplaj.
Msurarea direct a variaiilor de tensiune la bornele obiectului
de ncercat nu este posibil, datorit valorii lor extrem de mici n
raport cu valoarea tensiunii aplicate. Datorit descrcrilor pariale
n obiect, n ntreaga schem se produce un proces tranzitoriu. Cderea
de tensiune pe Zm poate fi aplicat unui filtru trece sus,
amplificat i msurat.
Fig. 1.16. Schema de principiu pentru detectarea descrcrilor
pariale prin metoda sarcinilor electrice aparente
-
Amplificatoarele utilizate pot fi de band larg sau de band
ngust, cu frecvena de acord variind n limite largi (de la kHz la
MHz) i banda de trecere n jur la 10 KHz. n cazul n care Zm este un
rezistor de valoare Rm , neglijnd inductivitatea circuitului
primar, la intrarea circuitului de msur se obine un impuls
aperiodic pentru fiecare descrcare parial, de forma:
Tt
xmx eUtU=)( (1.28)
unde: emCRT = (1.29) iar:
xk
xkpe CC
CCCC ++= (1.30)
este capacitatea a circuitului, cu Cp capacitata parazit de
intrare a circuitului de msur.
innd cont c fiecare descrcare parial produce o variaie foarte
mic de tensiune xU pe capacitatea Cx de valoarea:
xx C
qU = (1.31) q fiind, sarcina aparent a descrcrii.
innd cont de acestea, amplitudinea impulsului de tensiune la
intrarea circuitului de msur va fi:
)1()(k
xpx
xkxkp
xkxxm
CCCC
qCCCCC
CCUU++
=++= (4.32)
deci e proporional cu sarcina aparent a descrcrii. Pentru Zm
rezistiv este nevoie de un amplificator de band larg deci va
rezulta un nivel ridicat al perturbaiilor ce apar de la
descrcarea corona pe barele de nalt tensiune, aparatele de comutaie
etc. Acest nivel poate fi redus prin folosirea ca impedan de msur a
unei inductane Lm , caz n care procesul tranzitoriu la intrarea
circuitului de msur e oscilant amortizat, iar impulsul de tensiune
e de forma:
teUtU txmx 0cos)( = (1.33) n care: xmU este dat de (4.32);
emCL1
0 = (1.34)
m
e
LR
2= (1.35)
Re fiind rezistena activ a circuitului de nalt tensiune. Forma
impulsului de tensiune n cele dou cazuri e dat n fig. 1.17 .
-
n cazul impedanei inductive se utilizeaz un amplificator de band
ngust, n domeniul n care lipsesc semnale perturbatoare.
Dispozitivul de msur poate indica valoarea de vrf a impulsurilor
individuale, numrul de impulsuri, observarea oscilografic, debitul
ptratic sau curentul mediu. Pentru a msura curentul mediu e necesar
un amplificator de band larg. Trebuiesc reduse influenele
perturbatoare externe, n care scop se utilizeaz scheme de msur cu
circuit echilibrat n punte, ecranarea incintei de msurare, evitarea
apariiei altor surse de descrcri electrice. Aparatele pentru
msurarea descrcrilor pariale n izolaia extern se bazeaz pe
principiul radioreceptoarelor. Metoda permite o verificare
nedistructiv asupra strii izolaiei i a evidenierii defectelor de
izolaie care produc descrcri electrice. Dac sunt prevzute cu antene
direcionale aparatele pot localiza izolaia defect.
1.2.5.5. Determinarea repartiiei tensiunii pe izolaie Este o
ncercare specific numai izolatoarelor. Prin determinarea
repartiiei
tensiunii pe elementele unui lan de izolatoare sau pe suprafaa
unui izolator pot fi depistate defecte concentrate. Pentru
exemplificare, se consider cazul din fig. 1.18 al repartiiei
tensiunii pe un lan de 66 kV format din 5 elemente.
Curba a - arat o repartiie normal;
b - elementul 3 este defect; c - elementele 1 i 2 sunt
defecte.
Comparnd curba obinut cu cea normal se poate determina locul
defectului, adic elementul strpuns din lan sau traseul descrcrii
pe suprafaa unui izolator.
Fig.14.17 Forma i spectrul de frecvene al impulsului la intrarea
circuitului
de msur pentru o impedan de msur rezistiv (a) i inductiv (b)
-
Metoda are avantajul c se poate efectua fr deconectarea
aparatului, adic n condiii normale de funcionare. Pentru
determinarea repartiiei tensiunii se folosesc tngi sau prjini de
msurare a cror schi este indicat n fig.1.19.
Aceste prjini de nalt tensiune se bazeaz pe amorsarea spaiului
disruptiv
al eclatorului E sub efectul tensiunii elementului pe care s-au
plasat coarnele 1 ale prjinii. n serie cu eclatorul se monteaz
condensatorul C pentru ca scnteia ce apare la eclator s nu unteze
elementul respectiv ducnd la creterea tensiunii pe restul
elementelor, ceea ce ar putea provoca conturnarea ntregului
lan.
1.2.5.6. Defectoscopia izolaiei cu tensiune de impuls Pentru
aceast ncercare, impulsurile de tensiune de trsnet und plin, i
impulsurile de tensiune de comutaie se obin de la generatorul de
impuls de tensiune, iar impulsul de tensiune, de trsnet und tiat se
obine de la generatorul de impuls de tensiune sau de la instalaiile
de nalt tensiune prin modificri, respectiv completri
corespunztoare.
Detectarea defectelor ascunse se realizeaz prin metode sensibile
de defectoscopie cu tensiune de impuls. Defectoscopia bazat pe
rspunsul nfurrilor la impulsuri de form convenional sesizeaz
selectiv oscilaiile electromagnetice ale bobinajului produse la
apariia defectului.
Defectarea izolaiei sub aciunea tensiunii de impuls este
echivalent cu scurtcircuitarea unor capaciti transversale sau
longitudinale, din schema echivalent a nfurrii. n conturul
oscilatorului format iau natere oscilaii de nalt frecven (de
ordinul MHz) care se transmit spre capetele nfurrii prin reeaua
capacitiv a acesteia.
10
20
30
40
U %
1 2 3 4 5 nr. elem.
ab
c
Fig. 1.18. Repartiia pe un lan de 5 izolatoare
a) repartiia normal; b) elementul 3 defect; c) elementul 1 i 2
defecte.
Fig. 1.19. Schia prjinii de nalt tensiune; E eclator
1. coarne; 2. mner; 3. condensator
-
n continuare acest fenomen tranzitoriu este urmat de un fenomen
de frecven mai joas, (kHz), datorat modificrii inductanei
echivalente a nfurrii ca urmare a scurtcircuitrii unei poriuni de
bobinaj. Oscilaiile de frecven mai sczut se transmit spre capete,
att pe cale inductiv ct i prin reeaua capacitiv.
Scopul defectoscopiei const tocmai n sesizarea delectiv a celor
dou tipuri de oscilaii electromagnetice ale bobinajului produse de
defect.
Sesiznd pe oscilogram intervalul de timp dintre momentul
aplicrii tensiunii i momentul apariiei oscilaiilor de frecven nalt
se poate localiza defectul de izolaie.
Detectarea defectelor se face pe dou ci principale: a) prin
confruntarea oscilogramelor tensiunii de impuls aplicate, n prezena
i respectiv n lipsa defectului (metoda OTA) caz n care pentru
fiecare defect de izolaie apare un anumit tip de oscilogram (fig.
1.20).
b) prin analiza distorsiunilor ce apar pe oscilogramele unor
mrimi electrice caracteristice, care reprezint rspunsul aparatului
ncercat la impuls de tensiune n prezena defectelor de izolaie
(defectograme) i compararea lor cu oscilogramele acelorai mrimi n
absena defectelor (normograme); putndu-se obine:
- oscilografierea curentului de oc absorbit de la surs (OCS); -
oscilografierea curentului indus n nfurarea nencercat,
scurtcircuitat (OCIN); - oscilografierea potenialelor induse n
nfurrile nencercate (OPI); - oscilografierea curentului de cuv
izolat (OCC); - oscilografierea curentului ntre punctul neutru i
pmnt pentru
legarea n stea a fazelor. Alegerea schemei optime de
defectoscopie este condiionat de
particularitile constructive ale echipamentului de ncercat, de
posibilitile instalaiei de ncercare i nregistrare, de nivelul
perturbaiilor etc.
n afar de aceste tipuri de defectoscopie, bazate pe rspunsul
nfurrilor, mai exist defectoscopia de tip electroacustic bazat pe
recepionarea undelor sonore i ultrasunetelor propagate de la locul
de apariie al defectului n izolaie de ulei i hrtie a
transformatoarelor sub aciunea tensiunii de impuls.
Metoda de ncercare cu tensiune de impuls nedistructiv se aplic i
mainilor electrice rotative pentru evidenierea izolaiei slbite
dintre conductoarele
Fig. 1.20. Defectoscopia prin metoda OTA:
1,2 - normograme und plin respectiv tiat; 3 - defectogram,
defect masiv n izolaia principal;
4 - idem n izolaia longitudinal; 5 - defect scurtcircuitul de
galei;
6. defect pasager n izolaia longitudinal;
-
unei secii sau bobine sau ntre dou bobine. ncercrile se execut n
uzina constructoare, precum i n laboratoarele specializate, dup
reparaii capitale.
1.2.5.7. Defectoscopia izolaiei prin raza Rntgen i
ultrasunete Defectoscopia prin raza Rntgen se bazeaz pe faptul c
intensitatea razelor
Rntgen, care strbat izolaia de ncercat, va fi atenuat n mod
diferit n poriunile defecte ale izolaiei, fa de restul
izolaiei.
Defectoscopia ultrasonor se bazeaz pe fenomene de propagare a
sunetelor n medii diferite. Impulsurile ultrasunete aplicate unei
izolaii de ncercat, dup ce au trecut prin acestea, sunt recepionate
cu ajutorul unui traductor piezoelectric i oscilografiate. Din
modificarea vitezei de propagare a impulsurilor, care este legat de
modificarea parametrilor mediului de propagare se poate aprecia
existena unor defecte n izolaie i evoluia lor.
1.3. Echipamente de ncercare n laboratorul de nalt tensiune n
principiu, orice circuit de ncercare cu tensiune nalt se compune
din trei
elemente (fig. 4.21): sursa de nalt tensiune (1), dispozitivul
de msurare a tensiunii (2) i obiectul de ncercat (3).
Tensiunea nalt folosit difer dup tipul ncercrii efectuate
iar
dispozitivele de msur a tensiunii difer dup felul tensiunii i
parametrul msurat. 1.3.1. Instalaii de ncercare cu tensiune nalt de
frecven industrial 1.3.1.1. Transformatorul de ncercare Sursa de
tensiune nalt a unei instalaii de ncercri cu tensiune
alternativ
nalt, este transformatorul de ncercare. Acesta are o construcie
special, monofazat, cu puterea relativ redus n regimul de durat,
dar cu posibiliti de suprancrcare la funcionarea de scurt
durat.
Caracteristicile de baz ale unui transformator sunt: - Tensiunea
nominal trebuie s fie apropiat ca valoare de tensiunea de
ncercare;
1 2 3
Fig. 1.21. Schema unei instalaii pentru ncercri de nalt
tensiune.
-
- Puterea nominal care rezult din curentul de regim de durat
trebuie s fie suficient pentru ca deformarea curbei tensiunii de
ncercare s fie redus i pentru evitarea supratensiunilor de
autoexcitaie;
- Curentul de scurtcircuit pe partea de nalt tensiune trebuie s
fie suficient de mare pentru a produce un defect vizibil n izolaia
ncercat i pentru a evita pericolul supratensiunilor datorate
descrcrilor intermitente. Curentul de scurtcircuit stabilizat
trebuie s fie de circa 1 A;
- Tensiunea de scurtcircuit trebuie s aib o valoare ct mai mic
(cteva procente), pentru a satisface condiia de mai sus, precum i
pentru a nu rezulta cderi de tensiune importante la bornele
obiectului ncercat n regimul descrcrii incomplete. Aceast condiie
ar conduce la valori necesare ale curentului de scurtcircuit de
circa 5 A;
- Sursa trebuie s aib o capacitate de intrare mare, pentru
evitarea atenurii semnalelor de descrcri pariale fa de cele
corespunztoare condiiilor naturale.
Din motive de stabilitate mecanic i asigurarea izolaiei interne,
la transformatorul de ncercare se folosete predominant nfurarea n
straturi (fig. 1.22.).
nfurarea de nalt tensiune (3) se execut n form de bobine
cilindrice cu un strat de supori izolani rigizi (pertinax)
concentrici i cu lungime din ce n ce mai mic ctre exterior. Astfel
eforturile mecanice la scurtcircuit sunt preluate de cilindrii
suport i cu ct tensiunea de bobinaj este mai mare, cu att distana
pn la miezul magnetic crete, nlesnind asigurarea izolaiei. Izolaia
nfurrii este, de regul, de tipul hrtie-ulei. n fig. 1.23. sunt
prezentate cteva tipuri constructive de transformatoare de
ncercare.
Variantele din fig. 1.23 a i b, au carcase 5 din material
izolant, care ndeplinete i rolul izolatorului de trecere. Un astfel
de transformator are dou trepte de tensiune, miezul 4 aflndu-se la
potenialul primei trepte. Dac nfurarea de nalt tensiune 6 este
dispus pe dou coloane ale miezului iar nfurarea de joas tensiune 2
se afl pe o singur coloan, pentru a evita o tensiune de
scurtcircuit mare, se efectueaz un transfer de energie de pe o
coloan pe alta cu ajutorul unei nfurri speciale de reducere a
fluxului de dispersie, numit nfurare de egalizare 3 (fig. 1.23.a).
n fig. 1.23.b este prezentat varianta cu circuit magnetic deschis,
la care curentul de magnetizare are o pondere suficient de mare n
curentul total absorbit, asigurnd n mare msur compensarea
curentului capacitiv de sarcin, ceea ce elimin pericolul de
autoexcitaie. Astfel de transformatoare de ncercare, tip coloan, se
construiesc pn la tensiuni care pot atinge 1 MV.
Varianta din fig. 1.23.c are cuv metalic, la care se leag o
extremitate a nfurrii de nalt tensiune. Izolatorul 5 de trecere
este dimensionat de valoarea
Fig. 1.22. Realizarea transformatorului de ncercare
-
tensiunii nominale. Pentru obinerea de tensiuni mai nalte (peste
1 MV) se folosete conectarea transformatoarelor de ncercare n
cascad.
1.3.1.2.Transformatoare de ncercare n cascad n general, pentru
obinerea tensiunilor mai mari de 500 kV
transformatoarele de ncercare se conecteaz n cascad, sistem ce
se utilizeaz i sub 500 kV, cnd sunt impuse anumite restricii.
Se deosebesc dou tipuri principale de conectare n cascad
(fig.1.24.) n schema din fig. 1.24.a , transformatorul posed, pe
lng nfurarea
primar (P) i secundar (S), o nfurare de transfer (T), necesar
alimentrii transformatorului treptei urmtoare. Aceast nfurare este
nseriat cu nfurarea S, astfel c, dei furnizeaz tensiunea U1, se
gsete la un potenial ridicat fa de pmnt, egal cu U2. Legarea bornei
de nalt tensiune a primei trepte la carcasa metalic a treptei a
doua, impune ca aceasta din urm s fie aezat pe izolatoare suport
dimensionate la tensiunea U2. Izolatoarele de trecere ale celor dou
trepte se dimensioneaz tot la tensiunea U2.
Fig.1..23. Tipuri constructive de transformatoare de
ncercare
-
n schema din fig. 1.24.b alimentarea transformatorului treptei a
doua se
face printr-un transformator auxiliar (T3) care are raportul de
transformare unitar. Cele dou tipuri de cascade se deosebesc n ceea
ce privete puterea
transformatoarelor, componena. Astfel, n cazul (a)
transformatorul primei trepte trebuie s asigure i transferul de
putere pentru alimentarea treptei a doua, iar n cazul (b) toate
cele trei transformatoare au puterea egal (U2I2). n ansamblu
puterea instalat n cele dou cascade este aceeai, 3U2I2.
Coeficientul de utilizare a puterii instalate n cascad va
fi:
[ ] 12
2)1(1...)1( 22
22
. +=+=+++== nnn
nIUnn
InUPPC
inst
utila (1.36)
unde n este numrul de trepte. Deoarece C scade cu creterea lui
n, numrul de trepte se limiteaz la 2-3,
rareori 4. Dac crete numrul de trepte, crete i tensiunea de
scurtcircuit a cascadei. Pentru cascadele cu tensiuni i puteri mari
se iau msuri de reducere a reactanei de scpri (fig. 1.25).
nfurrile E legate n scurtcircuit cu rolul de a mri cuplajul
magnetic ntre cele dou colone, reducnd fluxul de scpri.
Pentru a evita efectele duntoare datorate cuplajului se folosesc
nite bobine de reactan fig.1.25 (nfurarea C cuplate cu fiecare
etaj). Pentru a nltura apariia unei eventuale armonici superioare n
curba tensiunii, se monteaz filtre RC acordate pe armonicile cele
mai probabile (3 sau 5), de regul, n nfurrile de egalizare sau de
alimentare.
Fig.1.25. Reducerea reactanei de scpri
Fig. 1.24. Transformatoare de ncercare n cascad
-
Transformatoarele componente ale cascadei sunt: fie cu carcas
izolant de tip coloan, fie cu cuv metalic i izolator de trecere. n
fig. 1.26. este reprezentat schema electric a unei cascade moderne
cu trei trepte, tensiune nominal 1200 kV, putere nominal 800
kVA.
Pe lng nfurrile primar (P), secundar (S), de transfer (T),
transformatoarele posed nfurarea de egalizare (E), bobina de
compensare a puterii reactive (C) i filtrul de armonici (F) n prima
treapt. Conectarea n cascad are o serie de inconveniente ca:
gabarite importante, tensiune de scurtcircuit mai ridicat, puterea
instalat depete puterea nominal a cascadei.
1.3.1. Instalaii de ncercare cu tensiune nalt de nalt
frecven Tensiunea nalt de nalt frecven este folosit n special
pentru studiul
descrcrilor electrice n dielectrici solizi i gazoi pentru
producerea radiaiilor X, precum i n unele aplicaii industriale.
Instalaiile folosite pentru producerea acestor tensiuni au ca
element principal un transformator fr miez. Cea mai rspndit este
instalaia din fig. 1.27.a, cunoscut i sub denumirea de
transformator Tesla.
De la transformatorul de ncercare T se ncarc condensatorul C1
pe
redresorul K i rezistena de protecie B. La atingerea tensiunii
de amorsare a
Fig. 1.26. Cascad de transformatoare 1200 kV / 800 kVA
Fig. 1.27. Transformatorul Tesla: realizare practic (a) i schema
echivalent (b)
-
eclatorului E1 acesta este strpuns i n circuitul oscilant L1C1
iau natere oscilaii de frecven egal cu frecvena proprie a
circuitului. Prin cuplajul magnetic M se induce tensiune de nalt
frecven i n circuitul secundar. Dac numrul de spire, factorul de
cuplaj i frecvena proprie a acestui circuit sunt alese
corespunztor, tensiunea U2 este mult mai mare dect U1 .
n fig. 1.27, b este reprezentat schema echivalent, cu ajutorul
creia se poate gsi analitic forma tensiunii U2. Prin C2 s-a
reprezentat capacitatea obiectului de ncercare (inclusiv
capacitatea eclatorului E2 i capacitatea proprie a nfurrii L2).
Dup amorsarea eclatorului E1 se pot scrie ecuaiile:
1
1 0
11
01
11 1
20
22
02
22 2
1
Ci dt L di
dtR i M di
dtU
Ci dt L di
dtR i M di
dt
t
t
+ + =
+ + = (1.37)
Calculele se simplific dac nu se ia n considerare amortizarea
deci R1=R2=0. Utiliznd transformata Laplace i pentru condiii
iniiale nule, ecuaiile devin:
01
1
1222
0211
1
=
+
=
+
MpIIpLpC
pU
MpIIpLpC
(1.38)
Din aceste condiii eliminnd pe I1, se obine: ( )( )
pU
IMpCMC
pCLpCLp
022
21
222
211 11 =
++ (1.39)
Deoarece:
= t dtiCU 0 2221
dup transformare, I2=C2pU2. Introducnd expresia lui I2 n relaia
(4.39) se obine:
( ) ( ) ( )U U MC pp k pp = + +0 1 12
22
4 2 21
22
21
(1.40) n care:
k ML L L C L C
22
1 21
2
1 12
2
2 2
1 1= = =, , (1.41) Presupunnd c ambele circuite oscilante sunt
acordate la rezonan ( )021 == rezult:
-
( ) ( ) 40220244
0102 21
++= pkp
pMCUpU (1.42)
Folosind transformarea invers se obine:
( )u t U LL
tk
tk2
0 2
1
0 0
2 1 1= +
cos cos
(1.43)
Soluia obinut reprezint o sum de oscilaii cu pulsaii diferite,
funcie de gradul de cuplaj k.
Pentru cuplaj puternic (K1), pulsaiile difer mult ntre ele, iar
tensiunea U2(t) se va prezenta ca o sinusoid de frecven mare
modulat n amplitudine dup o sinusoid cu frecven mic (fig.
1.28.a).
Pentru un cuplaj slab (K0), cele dou pulsaii sunt apropiate i
U2(t) este o sinusoid (fig. 1.28.b).
Curbele din fig. 1.28 in seama de prezena amortizrilor des n
calcule s-a
neglijat amortizarea; aceasta pentru c rezultatele obinute cu
considerarea amortizrii duc la aceleai concluzii cu privire la
forma tensiunii U2.
Amortizarea n circuitul primar este mrit n prezena rezistenei
arcului electric ntre sferele eclatorului E1.
Tensiuni nalte de nalt frecven staionare se pot produce i cu
ajutorul unor scheme rezonante excitate cu tensiune alternativ de
nalt frecven (fig. 1.29).
n bobina L2 se induce o tensiune de nalt frecven, datorit
cuplajului magnetic M cu bobina L1 din circuitul rezonant L1C1.
Fig. 1.28. Tensiunea de ieire a transformatorului Tesla pentru
un cuplaj puternic (a) i cuplaj slab (b)
-
Pentru aceast schem se pot scrie n complex ecuaiile: 1
1 0
11 1 1 2 1
22 2 2 1
j Cj L R I j M I U
j Cj L R I j M I
+ + =
+ + =
(1.44)
Neglijnd amortizrile (R1=R2=0) i notnd:
X L
C
X LC
1 11
2 22
1
1
=
=
(1.45)
se obine:
( )Ij MU
X X M21
1 22
= +
(1.46)
tiind c: U Ij C2
2
2
= i fcnd notaiile:
121 1
22
2 2
2
1 2
1 1= = =L C L C
k ML L
, , (1.47)
se obine:
Uk U
C M k2
21
22
12
22
2
221 1
=
+
(4.48)
Se observ din relaiile1.48 c U2 atinge maximul n fiecare din
situaiile: ==== 2121 ,, .
Ar rezulta c amplitudinile tensiunii sunt identice n toate cele
trei cazuri de rezonan. Dac se vor lua n considerare i R1 i R2 se
va arta c concluzia de mai sus este valabil numai pentru factori de
cuplaj redui. Pentru cuplaje magnetice strnse tensiunea U2 este
maxim numai dac rezonana este total.
Schematic construcia unui transformator Tesla este dat n fig.
1.30.
Fig. 1.29. Schema rezonant excitat cu tensiune
alternativ de nalt frecven
-
Izolaia ntre nfurri este realizat cu aer. Instalaia se compune
din:
- sursa de alimentare, inclusiv redresorul (1); - eclatorul de
amorsare (2); - bobina primar L1 , cu puine spire amplasate pe un
cadru izolant
(3); - bobina secundar (4), cu un numr mare de spire, aezate pe
un
cilindru izolant, acoperit cu material protector (parafin)
pentru a reduce influena umiditii atmosferice asupra izolaiei;
- eclatorul (6) pentru msurarea tensiunii nalte. Capacitile C1 i
C2 reprezint capacitile proprii ale nfurrilor.
Coeficientul de cuplaj ntre nfurri poate fi ntre 5% i 25% prin
modificarea poziiei reciproce a bobinelor. Tensiunea U2 se regleaz
modificnd tensiunea de alimentare cu ajutorul eclatorului (2) sau
prin reglarea factorului de cuplaj. Montajul poate da tensiuni pn
la 2000 kV. Pentru a obine tensiuni mai mari izolaiei
transformatorului se execut cu ulei.
1.3.1. Instalaii de ncercare cu tensiune nalt continu
Obinerea tensiunii nalte continue se poate face prin dou
metode:
- prin redresarea tensiunii nalte alternative; - cu ajutorul
mainilor electrostatice.
Cu mainile electrostatice se pot obine tensiuni foarte nalte, ns
puterea disponibil este redus.
O instalaie pentru obinerea tensiunii continue prin redresare
cuprinde surse de nalt tensiune alternativ, redresorul i eventual
condensatorul de filtrare.
1.3.3.1. Elementele redresoare pentru tensiune nalt Primul
redresor folosit a fost cel mecanic i datorit numeroaselor
dezavantaje a fost scos din uz. Actualmente se folosesc diode de
nalt tensiune cu vid (Kenotron) i redresoare cu diode
semiconductoare.
Kenotronul const dintr-un tub n interiorul cruia se afl doi
electrozi; Catodul format din nsui filamentul tubului, alimentat la
tensiunea redus (6-24 V) i anodul care poate avea forme de disc sau
cilindru ce nconjoar catodul. Curentul admisibil este de ordinul
zecilor de miliamperi, iar tensiunile inverse pn la 500
Fig. 1.30. Construcia unui transformator Tesla
-
kV. Dezavantajele Kenotroanelor sunt legate de dimensiunile lor
mari. Pentru alimentarea filamentului se poate folosi un
transformator special sau un acumulator, fiecare cu dezavantajele
lui.
Diodele semiconductoare prezint fa de Kenotroane multe avantaje,
unul esenial fiind legat chiar de dimensiunile mai mici ale
acestora. Tensiunea invers pe o jonciune poate atinge la tipurile
cele mai perfecionate cteva mii de voli. Problema redresrii
tensiunilor mai nalte, se rezolv prin nserierea unui numr mai mare
de elemente, atingndu-se tensiuni inverse pn la 500-600 kV.
Tensiunile foarte nalte se obin prin redresarea n schema cu
multiplicarea tensiunii.
1.3.3.2.Scheme de redresare pentru producerea tensiunilor
nalte
continue n fig. 1.31 sunt reprezentate principalele scheme de
redresare folosite
pentru producerea tensiunilor nalte continue. n schema din fig.
1.31.a se redreseaz o singur alternan. Tensiunea
redresat cea mai mare depinde de tensiunea invers maxim admis de
redresor. Tensiunea maxim obinut la bornele condensatorului C poate
s fie cel mult jumtate din tensiunea invers a redresorului, iar
valoarea de vrf a tensiunii produs de transformator trebuie s fie
cu 10-15% mai mare dect tensiunea continu de ieire, pentru
acoperirea pierderilor dielectrice.
Schema din fig. 1.31.b permite dublarea tensiunii de vrf dat de
transformatorul T, care are o born legat de pmnt. Condensatorul C1
se ncarc prin redresorul Rd1 , potenialul punctului 2 devenind egal
cu de dou ori valoarea de vrf a tensiunii alternative de
alimentare. Condensatorul C2 se ncarc prin intermediul redresorului
Rd2 astfel nct la funcionarea n gol punctul 3 va lua potenialul
punctului 2, redresoarele avnd o tensiune invers egal cu dublul
valorii de vrf a tensiunii alternative de alimentare. Schema st la
baza realizrii instalaiilor de nalt tensiune continu, obinute prin
legarea n cascad a mai multor astfel de module de redresare cu
dublare de tensiune.
Schema din fig. 1.31.c, este folosit , pentru obinerea tensiunii
continue cu valoarea dubl fa de valoarea de vrf a tensiunii dat de
transformator, cnd acesta are ambele borne izolate. Fiecare din
cele dou condensatoare este ncrcat de cte un redresor, dup schema
redresrii monoalternan, astfel nct tensiunile lor se nsumeaz.
Transformatorul T este mai bine utilizat, deoarece nfurarea sa
Fig.1.31. Scheme de redresare
-
de nalt tensiune este parcurs de curent pe durata ambelor
alternane ale unei perioade. Pentru schemele din fig. 1.31, forma
curbei tensiunii redresate la bornele de ieire ale acestora, n
regim staionar, este prezentat n fig. 1.32.
Rolul capacitii de netezire C, pentru schema din fig. 1.31.a,
rezult din
compararea figurilor 1.32.a i 1.32.b, care corespund situaiei n
care capacitatea lipsete (fig. 1.32.1) i respectiv n prezena
acesteia (fig. 1.32.b). Dac la ieirea schemei este conectat o
sarcin, n semiperioada n care redresorul nu conduce, aceasta este
alimentat de condensator. Valoarea absolut a pulsaiei u la
redresarea monoalternan va fi dat de expresia:
u med medI TCIC f
= = . .
(1.49)
Imed. este curentul de sarcin al instalaiei. f i T frecvena i
respectiv perioada tensiunii de alimentare. Factorul de ondulaie
care caracterizeaz instalaia de ncercare cu tensiune
nalt redresat va fi:
[ ]%100100RCfU
k u == (1.50) unde R este rezistena obiectului de ncercat.
Valoarea lui K este limitat la instalaiile de ncercare la 3-5% i
chiar 1% pentru ncercrile descrctoarelor. Astfel curentul de sarcin
maxim admis Imed.=U/R. La creterea curentului de sarcin e necesar s
se adopte o capacitate de netezire mai mare. Curbele tensiunilor
din fig. 1.32.c i d se refer la schemele de redresare-dublare b i
respectiv c din fig. 4.31. n cazul schemelor din fig. 1.31.b,c la
conectarea sarcinii, redresorul nu mai d o tensiune maxim egal cu
dublul tensiunii de vrf a transformatorului de alimentare deoarece
n intervalul de T/2 , ce trece ntre maximul pozitiv i cel negativ
al tensiunii, condensatoarele se descarc pe sarcin.
Tensiunile maxime ce pot fi coninute sunt:
Fig. 1.32. Formele tensiunii redresate:
a) redresare monoalternant; b) pentru schema din fig. 4.31.a; c)
pentru schema din fig. 4.31.b; d) pentru schema din fig.
4.31.c.
-
U U I tC
I tC
med medmax.
^. .= +
2 1 2 (1.51)
- pentru schema 1.31b:
U U e RCmax.^= +
1
12
(1.52)
- pentru schema 1.31.c , n cazul n care C1=C2=C. n fig. 1.32.c,
s-a pus n eviden att cderea de tensiune produs n sarcin
de curentul de descrcare al condensatorului u , ct i cderea de
tensiune produs la ncrcarea acestuia (U). La conectarea n cascad
factorul de ondulaie crete, ceea ce limiteaz numrul de trepte al
cascadei la 43 .
Redresoarele folosite n schemele instalaiilor de nalt tensiune
continu sunt redresoare de tensiune nalt cu seleniu, realizate prin
conectarea n serie a mai multor celule. Tensiunea invers pe celul
este de cca. 45 kV, iar redresorul realizat prin nserierea
celulelor poate atinge valoarea tensiunii inverse de 350 kV,
curentul nominal fiind de 30-50 mA.
Reglajul tensiunii de ncercare se realizeaz pe partea de joas
tensiune a transformatorului care alimenteaz schema de redresare cu
ajutorul unui transformator reglabil.
Pentru tensiuni pn la 90 kV se realizeaz instalaii de nmarcare
cu tensiune redresat, dup schema din fig. 4.31.a, care pot servi i
ca instalaii de ncercare n curent alternativ prin detaarea
redresorului. Pentru tensiuni nalte continue ntre 100 i 400 kV se
folosesc instalaii realizate dup principiul redresrii cu dublarea
de tensiune, iar peste 400 kV (pn la cca. 1300 kV) instalaii n
cascad.
Schema principial de montare a unei instalaii de tensiune nalt
continu de 300 kV este prezentat n fig. 1.33.
Aceast schem al crui curent este de 50 mA, a fost produs de
firma TUR Dresden pe baza schemei electrice din fig. 1.31.
Fig. 1.33. Schema unei instalaii de tensiune nalt continu
Separatoare de
-
1.3.4. Instalaii de ncercare cu tensiune nalt de impuls
Tensiunea nalt de impuls necesar verificrii nivelelor de izolaie
i de protecie, n concordan cu principiile coordonrii izolaiei, ca i
pentru cercetarea fenomenelor fizice specifice din izolaii sub
aciunea impulsului aperiodic ce simuleaz supratensiunea atmosferic,
se obine de la generatoare de impuls de tensiune de trsnet (GIT).
Pentru ncercarea cu und de impuls de supratensiune de comutaie se
folosesc instalaii obinute pornind fie de la generatoare de impuls
de trsnet (GIT) fie de la instalaiile de tensiune nalt sinusoidal,
prin modificri sau completri corespunztoare.
Tensiunile de impuls foarte nalte se obin cu ajutorul unor
scheme cu mai multe etaje.
1.3.4.1.Generatorul de impuls de tensiune cu un singur
etaj
Exist dou tipuri de scheme de producere a impulsului de
tensiune: schema Marx i schema Marguerre.
Schema Marx exist mai multe variante dintre care cea general
este artat n fig. 1.34 celelalte fiind particularizri ale
acesteia.
Condensatorul se ncarc de la o surs de tensiune continu; la
amorsarea eclatorului cu sfere E, condensatorul C1 se descarc pe
circuitul RC din partea dreapt a schemei, rezultnd pe C2 o tensiune
U2(t) de forma unui impuls aperiodic. Dac elementele schemei sunt
dimensionate corespunztor, U2(t) este un impuls standard 1,2/50
s.
Pentru schema din fig. 4.34. se pot scrie ecuaiile:
=+=
+==
dtduCi
uiRiiR
iiRiRdtiC
U
222
223212
2121111
0
)(
)(1
(1.53)
Aplicnd transformata Laplace i rezolvnd sistemul (1.53) n
ipoteza c la momentul iniial C2 era descrcat se va obine:
( )
=
+
1111
20
2
22
1eeUtu [Vmax] (1.54)
n care s-au fcut notaiile:
Fig. 1.34. Varianta general a schemei Marx
-
21
23122211
RCCRCRCRCR +++= (1.55)
( ) =+ + +
+ +R C R C R C R C
C C R R R R R R1 1 2 2 2 1 3 2
1 2 1 2 1 3 2 32 (1.56)
( ) = + +C C R R R R R R1 2 1 2 1 3 2 3 (1.57)
Expresia 1.54 se poate scrie:
( ) ( )u t kU e et t2 0 1 2= / / (1.58) n care:
k =
2 1 (1.59)
1 11
2
= (1.60)
11 2
2
+= (1.61) Din analiza acestor relaii rezult c pentru obinerea
impulsului cu front
rapid i descretere lent este necesar s fie ndeplinite
condiiile:
>>
-
Un generator de impuls are performane cu att mai bune cu ct
acest coeficient este mai apropiat de unitate.
Aceasta se realizeaz atunci cnd R1 i C2 au valori mult mai mici
dect R2 i C1.
Schema Marguerre este dat n fig. 1.36 i cuprinde dou
condensatoare C1 i C2 , care se ncarc de la o surs de curent
continuu de nalt tensiune, pn la tensiunea U0 de amorsare a
eclatorului cu sfere E.
Prin descrcarea condensatoarelor pe rezistenele R1 i R2 iau
natere cderi
de tensiune care dau un impuls de tensiune a crei expresie este:
( )u t R i R i2 1 1 2 2= (1.64)
curenii i1 i i2 fiind:
2211 02
01 ;
CRt
CRt
eR
UieR
Ui == (1.65)
Tensiunea la ieire va avea astfel o form asemntoare cu cea de la
schema
Marx, expresia ei fiind:
( ) ( )u t U e et R C t R C2 0 1 1 2 2= / / (1.66)
Fig. 1.35. Impulsul de tensiune pentru generatorul Marx
Fig. 1.36. Schema Marguerre
-
Pentru a fi un impuls aperiodic trebuie ca R1C1>R2C2.
1.3.4.2. Generatorul de impuls de tensiune cu mai multe
etaje Generatoarele de impuls de tensiune care produc tensiuni
mai mari de 100
kV se construiesc cu mai multe etaje, dup principiul Ervin Marx
i anume: condensatoarele de impuls se ncarc n paralel i se descarc
n serie.
Schema electric a unui astfel de generator este indicat n fig.
1.37. Fiecare etaj al generatorului conine un condensator de impuls
1, o
rezisten de ncercare 5, o rezisten de front 3, o rezisten de
spate 4 i un eclator de comutaie 8. Capacitatea de sarcin 2 este
coron pentru toate etajele, la unele ncercri aceasta fiind nsi
capacitatea obiectului de ncercat.
n regim de ncrcare toate condensatoarele se ncarc n paralel pn
la tensiunea U0 de amorsare a eclatoarelor 8, prin redresorul 7,
rezistena de limitare 6 i rezistenele de ncrcare 5. Prin amorsarea
eclatoarelor, etajele se nseriaz, iar la bornele OA se obine
tensiunea de impuls. Conectarea n serie a etajelor are loc n cascad
imediat dup amorsarea eclatorului 8 al etajului inferior.
La amorsarea acestuia, potenialul U0 este transmis punctului a.
Prin aceasta potenialul punctului f crete de la U0 la 2U0, iar
sfera din dreapta a eclatorului are tendine de a lua potenialul U0
al punctului a, capacitatea parazit Cp ncrcndu-se cu constante de
timp T= CpR, unde R este rezistena 4. Astfel, n momentul n care
potenialul punctului c devine 2U0, potenialul sferei a doua a
eclatorului este mai mic dect U0. Aceast supratensiune a
eclatorului etajului al doilea determin amorsarea lui, imediat dup
amorsarea primului etaj. La fel se produce amorsarea rapid a
tuturor etajelor, obinndu-se ntre punctele O i A o tensiune de
impuls cu amplitudinea apropiat de valoarea nU0, unde n este numrul
de etaje.
Fig.1.37. Generatorul de impuls de tensiune multietajat
-
Eclatorul primului etaj are o construcie special, este
triggerat, fiind echipat cu un electrod de aprindere montat izolat
fa de corpul sferei. Prin aplicarea pe acest electrod a unui impuls
de tensiune de cel mult 10% din tensiunea nominal a etajului, se
iniiaz o descrcare care produce amorsarea descrcrii ntre sferele
eclatorului.
Astfel, generatorul de impuls poate fi meninut n stare de
ncrcare i declanat la momentul dorit. Dac numrul de etaje este mai
mare i forarea amorsrii la nivelele superioare nu este sigur, se
triggereaz i aceste eclatoare de comutaie.
Deformarea undei normalizate de impuls poate avea mai multe
cauze: - procese oscilante, care suprapuse peste cele aperiodice
deformeaz unda,
datorate n primul rnd capacitilor parazite dintre etaje i
inductivitilor conductoarelor de legtur. Capacitile parazite Cp
sunt mici i influena lor se resimte doar cnd tensiunea variaz
brusc, adic pe frontul impulsului. Inductivitatea legturilor
mpiedic obinerea undelor de front de durat redus.
- capacitatea obiectului de ncercat n paralel cu condensatorul
2, poate s modifice forma undei de impuls, iar la ncercarea
echipamentelor cu inductivitate mare, pot s apar oscilaii
inadmisibile. Pentru efectuarea unor probe cu unda 1,2/50 s, este
necesar s fie satisfcut relaia:
CCi 5 (1.67) pentru ncercarea izolaiilor care reprezint o
capacitate pur i:
LtC si 8 (1.68)
n cazul echipamentelor de ncercat care reprezint o inductivitate
unde n
CCi 1= este capacitatea de impuls a generatorului; C este format
din capacitatea obiectului i capacitatea parazit a instalaiei ts
este durata semiamplitudinii, n s; L inductivitatea echipamentului
de ncercat, n H, iar capacitile se exprim n pF. - rezistenele de
ncrcare 5, influeneaz forma undei de impuls, prin valoarea
constantei de timp de ncrcare. Pentru a obine o und de impuls de
tensiune tiat necesar ncercrii izolaiilor, se folosete un eclator
multiplu de tiere (ETM). Acesta se realizeaz sub forma unei coloane
cu mai multe eclatoare dispuse vertical i acionat de un mecanism
comandat de la un pupitru i cuplat prin rezistena cu
condensatoarele divizorului de tensiune, care face parte din lanul
de msur.
1.3.5. Instalaii de ncercare la impuls de curent
1.3.5.1.Generatorul de impuls de curent Datorit loviturilor de
trsnet pe liniile aeriene, prin acestea circul curenii
de trsnet a cror aciune poate fi modelat n laboratoarele de nalt
tensiune prin generatoare care produc impulsuri de curent de scurt
durat i amplitudine mare. Dup recomandrile CEI-, unda de curent
normalizat este de forma 8/20 s. Aceast und este folosit pentru
stabilizarea rezistenelor neliniare ale descrctoarelor.
Schema electric a unui generator de impuls de curent este dat n
fig. 1.38.
-
Condensatorul C se ncarc pn la tensiunea U0 de amorsare a
eclatorului Ea i apoi se descarc aperiodic pe circuitul format din
rezistena R i inductivitatea L.
n regimul de descrcare al condensatorului este valabil
ecuaia:
UC
idt L didt
Rit
00
1= + + (1.69)
Transformnd n operaional i identificnd curentul se obine:
( )IUL p R
Lp
LC
p = + +0
2
11 (1.70)
Dac se noteaz cu:
= = = RL LC2
10
2 20
2, , (1.71)
i se impune cu 2 0> , rezult dup transformarea invers: ( )i t
U
Le sh tt= 0 (1.72)
n cazul de mai sus am presupus rezistena R liniar de valoare
rezultat n urma condiiei 2 0> :
R LC
> 2 (4.73) Dac rezistena este neliniar, ecuaia (4.69.) se
rezolv numeric innd
seama de expresia pentru caracteristica tensiune-curent a
rezistenei neliniare. Ciu = (1.74)
unde: u- este cderea de tensiune pe rezistena R; C- este o
constant cuprins ntre (650-700), n acest caz; - ia valori n
domeniul 0,2 0,35.
De obicei rezistena R, este de valoare foarte mic.
Fig. 1.38. Generator de impuls de curent
-
1.3.5.2.Generatorul mixt de impulsuri
n realitate descrcrile atmosferice n sistemul electroenergetic
nu produc
numai impulsuri de tensiune sau impulsuri de curent pentru a
modela n laborator ambele impulsuri ntlnite n exploatarea reelelor
de nalt tensiune se folosete un generator mixt format dintr-un
generator de impuls de curent (pentru unda 8/20s) i un generator de
impuls de tensiune conectate ca n schema din fig. 4.39.
Prin F s-a reprezentat un fuzibil cu rezistivitate mare ntins
ntre sferele unui
eclator. Comanda declanrii se transmite asupra generatorului de
tensiune care
aplic pe obiect un impuls. Dac obiectul de ncercat este
conturnat (strpuns) de ctre impulsul de
tensiune, este scurtcircuitat circuitul generatorului de curent
i fuzibil se topete. Impulsul de curent se nchide prin arcul
electric format dup topirea fuzibilului.
Pentru generarea impulsului de tensiune se folosete o surs de
tensiune alternativ de 50 Hz i puterea 1-2 MVA.
Schema electric principial a unui generator mixt n care obiectul
de ncercat este un descrctor D este prezentat n fig. 1.40.
Generatorul de impuls de curent, ce se compune din condensatorul
C,
eclatorul Ea i inductivitatea L, amorseaz descrctorul D, iar
transformatorul T, la frecvena industrial creeaz curentul de nsoire
prin descrctor.
Eclatorul de protecie Ep este folosit pentru a aplica modulului
descrctor tensiunea de 50 Hz i pentru a-l izola de generatorul de
impuls neamorsat.
nregistrrile oscilografice se fac cu ajutorul divizorului de
tensiune Dt i a unturilor S1 i S2.
Fig. 1.39. Schema de principiu a
generatorului mixt
Fig. 1.40. Schema electric a generatorului mixt
-
Pentru ca amplitudinea i durata curentului de nsoire prin
descrctor s fie maxime, aceasta se amorseaz cu ajutorul eclatorului
Ea la momentul dorit al semiperioadei tensiunii alternative.
1.4. MSURRI ELECTRICE N TEHNICA TENSIUNILOR NALTE 1.4.1 Aparate
i scheme pentru msurarea tensiunii Pentru msurarea tensiunii nalte
se pot folosi metode directe, cnd
tensiunea se aplic direct aparatului de msur i indirect cnd
tensiunea se aplic acestuia prin intermediul altui aparat (de ex. a
divizoarelor de tensiune sau transformatoarelor de msur).
Dup valoarea care o msoar, aparatele de msur corespunztoare
celor dou metode pot fi de dou feluri:
- aparate pentru msurarea valorii de vrf a tensiunii, cum sunt:
eclatoarele cu sfere, oscilografele etc.;
- aparate pentru msurarea valorii efective a tensiunii, cum
sunt: voltmetrele electrostatice, voltmetrele generatoare etc.;
Cele mai rspndite aparate pentru msurarea tensiunii alternative
sunt eclatoarele cu sfere, voltmetrele electrostatice,
transformatoarele de tensiune cu voltmetre de joas tensiune i
divizoarele de tensiune cu diferite aparate de msur conectate pe
partea de joas tensiune a divizorului. Pentru msurarea tensiunii de
impuls se folosesc de regul eclatoarele cu sfere i divizoarele de
tensiune cu oscilograf catodic.
1.4.1. Msurarea tensiunii nalte cu eclatorul cu sfere Cu
ajutorul eclatorului cu sfere se pot msura toate tipurile de
tensiuni care
se utilizeaz ntr-un laborator de nalt tensiune. El este format
din dou sfere metalice de diametru egal, fixate pe doi supori
dintre care cel puin unul este izolant. Una din sfere are
posibilitatea de deplasare. Axul comun al sferelor poate fi
orizontal pentru diametre pn la cca. 250 mm (ca n fig. 1.41), sau
vertical pentru diametre mai mari.
Eclatoarele cu sfere se construiesc cu diametre de la 20 la 3000
mm. n interiorul zonei sferice cu centrul n punctul de scnteiere nu
trebuie s se afle obiecte ctre care s se poat nchide liniile
cmpului electric ntre sfere.
Eclatorul cu sfere reprezint un caz tipic de sistem de electrozi
cu cmp slab neuniform. Ele se conecteaz n circuitul de nalt
tensiune prin intermediul unei rezistene ce are dublu rol:
- limiteaz curentul prin arcul electric dintre sfere n scopul
prevenirii deteriorrii acestora;
-
- amortizeaz oscilaiile de nalt frecven datorat tierii brute a
tensiunii de ctre eclator.
Aceast rezisten poate fi de 0,5-1 V/ pentru tensiuni de durat i
mult
mai mic pentru tensiuni de impuls. Msurarea tensiunii se
efectueaz prin intermediul unei descrcri electrice.
n cazul tensiunilor de durat pot fi ntlnite dou metode de
msurare: - meninnd constant distana ntre sfere i crescnd tensiunea
aplicat; - meninnd constant tensiunea i reducnd distana ntre sfere
pn la
apariia strpungerii. Dei condiiile de msurare sunt meninute
pentru mai multe ncrcri
efectuate, totui rezultatele pot diferi, din care cauz se
recomand mai multe serii de msurri.
Din aceste serii se selecteaz cele care nu difer cu mai mult de
3% i se face media aritmetic a lor. La eclatoarele cu diametrul
sferelor mmD 125 , pentru mrirea preciziei de msurare se iradiaz
spaiul de eclatoare cu un preparat radioactiv sau cu raze
ultraviolete. Dac se msoar tensiunea de impuls se determin, cu
ajutorul eclatorului cu sfere, de fapt valoarea de 50% amorsri. n
acest caz tensiunea se menine constant, iar distana se regleaz n
trepte mici. Se fixeaz o anumit distan ntre sfere i se aplic un
numr de impulsuri cu aceeai amplitudine, la intervale de timp
suficient de mari pentru deionizarea aerului. De obicei din distana
ntre sfere se determin prin aplicarea a 10 impulsuri pentru care
apar 4 sau 5 amorsri neconsecutive.
Folosirea eclatorului cu sfere pentru msurarea tensiunilor nalte
nu asigur precizie maxim, din care motiv nu este utilizat n mod
curent pentru msurri, ci doar pentru etalonarea altor dispozitive
de msur.
n scopul unificrii metodei de msurare pe plan mondial, CEI a
adoptat valorile tensiunilor de strpungere n publicaia 52 din 1960,
valori reproduse de STAS 3811-63, pentru condiii atmosferice
normale din mediu.
Fig.14.41. Eclator cu sfere orizontat
-
4.4.1. Msurarea tensiunilor nalte cu ajutorul voltmetrelor
1.4.4.1. Voltmetrul electrostatic
Voltmetrul elctrostatic este folosit, n mod uzual pentru
msurarea valorii
efective a tensiunii nalte alternative. Soluia constructiv a
unui voltmetru electrostatic este dat n fig. 1.42. i
este folosit pentru tensiuni ntre 50 i 200 kV.
n principiu, voltmetrul electrostatic este format din dou
armturi metalice,
dintre care una este mobil. Dac se aplic o tensiune ntre aceste
armturi, are loc o deplasare a electrodului mobil sub aciunea forei
electrostatice. Fcnd asemnarea cu un condensator, energia
nmagazinat n cmpul su electric va fi:
2
2CUW = (1.75) Dac fora electrostatic care acioneaz asupra
armturii mobile este F,
deplasarea acesteia n cmp, pe distana dx, necesit consumarea
unui lucru mecanic:
dL=Fdx (1.76) innd cont c variaia de energie n cmp este datorat
variaiei distanei
ntre armturi, valoarea forei electrostatice va fi dat de
relaia:
dxdcUF = 2
21 (1.77)
n fig. 1.42 prin 1 i 3 s-au reprezentat electrozii fici care
sunt nite discuri cu margini curbate n scopul evitrii efectului de
capt. Electrodul mobil 2 este susinut de axul 6. Cuplul antagonist
este creat de aripioara 5 care se rotete n ntrefierul magnetului
permanent 4.
Deplasarea armturii mobile sub aciunea forei electrostatice este
msurat pe cale optic pe o scal gradat n kV.
Dac se variaz distana ntre electrozii 1 i 3, se modific domeniul
de msurare.
Tensiunile foarte nalte se pot msura cu voltmetre construite
prin modificarea unui eclator cu sfere fig.1.43, la care sfera
superioar este suspendat de un lan de izolatoare i un dispozitiv cu
resort. Prin blocarea dispozitivului cu resort, aparatul se poate
folosi ca eclator.
Fig. 1.42. Schema de principiu a voltmetrului electrostatic
-
Cele mai uzuale voltmetre electrostatice sunt cele de construcie
sovietic
de tipurile C-100 i C-96 pentru tensiuni maxime de 75 kVef i
respectiv 30 kVef . Acestea au trei domenii de msurare, cu precizie
de 1,5%, n domeniul de frecven de la 40 Hz la 5 MHz.
Pentru msurarea tensiunilor nalte alternative, domeniul de
msurare al voltmetrelor electrostatice se poate extinde cu ajutorul
divizoarelor capacitive sau al unui condensator auxiliar conectat n
serie cu voltmetru.
1.4.3.2. Voltmetru generator Voltmetrul generator se utilizeaz
pentru msurarea tensiunilor nalte
continue i cu anumite restricii i pentru msurarea tensiunilor
nalte alternative. De fapt, aceste voltmetre sunt maini electrice
capacitive cu excitaie
separat. Pentru msurarea tensiunilor continue nu se consum
energie de la circuitul de msur. Principiul de funcionare al unui
astfel de aparat este dat n fig. 1.44.
Liniile cmpului electric creat de electrodul 1, aflat la un
potenial ridicat fa de pmnt, cad pe electrozii 2 i 3, izolai ntre
ei. Rezult o sarcin electric a crei densitate este direct
proporional cu intensitatea local a cmpului. Densitatea local a
sarcinii electrice se schimb dac ntre liniile de cmp i electrozii 2
i 3 apare o micare relativ. Ca urmare apare un curent electric de
egalizare, care se poate msura cu aparatul conectat ntre
electrozi.
Fig.1.43. Voltmetru obinut prin modificarea unui eclator cu
sfere
Fig.1.44. Principiul de funcionare al voltmetrului generator
-
Principiul voltmetrului generator sectorial este reprezentat
schematic i n fig. 1.45.
Se compune dintr-un electrod metalic 1, la care se aplic
tensiunea de msurat, un electrod metalic 2 de ecranare prevzut cu
un anumit numr de ferestre, indusul 3, un electrod metalic (fix sau
mobil), format din nite sectoare metalice izolate, de o anumit
form, un electrod metalic 4 legat la pmnt. Indusul este rotit
de un motor cu turaie fix i este indus periodic n cmpul
tensiunii de msurat. Sarcinile induse se scurg la pmnt prin
capacitatea C i rezistena R, producnd un curent alternativ
proporional cu intensitatea cmpului n care se afl. Pot exista dou
categorii de voltmetre generatoare: voltmetre sectoriale cu
simetrie plan (fig. 1.46) i voltmetre cu simetrie cilindric.
Voltmetrele generatoare sectoriale cu simetrie plan au o
rspndire mai larg i sunt compuse din: placa metalic izolat a, legat
la intrarea unui amplificator A; placa metalic rotitoare b, format
din dou segmente (ptrimi), legate la pmnt prin intermediul axului
motorului M, placa metalic, fix e izolat, format din dou
segmente.
Formele electrozilor b i c (fig. 1.46) sunt alese astfel nct s
se obin o variaie ct mai apropiat de sinusoid a tensiunii ce ia
natere ntre ele.
Voltmetrele generatoare se pot utiliza pentru msurarea unor
tensiuni foarte nalte, ntruct lipsete contactul galvanic cu
circuitul de nalt tensiune. Sunt indicate pn la tensiuni de 1 MV
ale surselor de putere mic.
Pentru msurarea tensiunilor nalte alternative pot fi utilizate
astfel de voltmetre de tip generator, ntruct consumul de energie de
la circuitul de nalt tensiune este foarte redus, datorit capacitii
mici ntre acesta i aparat.
Pentru msurarea tensiunilor continue energia necesar este
asigurat de motorul de antrenare.
Fig. 1.45. Schema de funcionare a voltmetrului generator
sectorial
Fig. 1.46. Voltmetrul generator sectorial cu simetrie plan
-
1.4.5. Msurarea tensiunilor nalte cu ajutorul divizoarelor de
tensiune
1.4.5.1. Divizoare de tensiune. Tipuri de divizoare
Un divizor de tensiune const n principiu din dou impedane
neegale nseriate, pe care se aplic tensiunea de msurat (fig.
1.47).
Impedana Z1 care suport cea mai mare parte a tensiunii se numete
bra de nalt tensiune, iar impedana Z2 care suport restul tensiunii
i la care se conecteaz aparatul de msurat, poart numele de bra de
joas tensiune. Aceste impedane se aleg astfel nct raportul de
divizare:
21
2
1
2ZZ
ZUUK +== (1.78)
s fie suficient de mare.
Astfel valoarea maxim a tensiunii U2 va fi de cteva zeci sau
sute de voli. Este necesar ca raportul de divizare s fie practic
constant ntr-o plaj ct
mai larg de frecven (care cuprinde spectrul de frecven al mrimii
msurate). Calitatea divizorului de tensiune va fi cu att mai bun cu
ct va avea un
timp de rspuns mai mic sau o band de frecven mai mare. n funcie
de elementele de circuit utilizate exist diferite tipuri de
divizoare (fig. 1.48).
a- divizor rezistiv; b- divizor capacitiv; c- diviz