Техніка та електрофізика високих напруг

Міністерство освіти і науки України Вінницький державний технічний університет Лабораторний практикум

«Техніка та електрофізика високих напруг»

Вінниця ВДТУ 2002р.

ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ ПРИ ВИКОНАННІ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ Особливістю лабораторного практикуму з курсу «Техніка та електрофізика високих напруг» є те, що він виконується на установках високої напруги. Ця обставина вимагає додаткових умов організації проведення занять.

Згідно, а діючими правилами техніки безпеки і загальними технічними вимогами до навчально-лабораторного обладнання на лабораторних установках мають бути захисна огорожа і заземлення, блокування та системи сигналізації й небезпеки, рубильники з очевидним проміжком у ланцюгах живлення джерел високої напруги, попереджувальні плакати тощо. На кожну установку передбачається інструкція з техніки безпеки.

Для безпечного проведення робіт треба виконувати такі організаційні заходи.

Лабораторні заняття на установках вище 1000 В проводять викладачі, які обізнані з правилами роботи на таких установках і мають V кваліфікаційну групу з техніки безпеки.

Усі студенти перед початком лабораторних занять проходять ознайомчий інструктаж з правил безпечного виконання випробувань на даній установці. Після цього кожний розписується у спеціальному журналі.

Досліджувати на установках вище 1000 В студенти можуть тільки під керівництвом і з участю викладача. Він зобов’язаний не тільки роз’яснити їм мету роботи, але й навчити правилам безпечної роботи з високою напругою, порядком виконання окремих операцій під час випробувань і вимірювань.

ТЕХНІЧНІ ЗАХОДИ БЕЗПЕКИ

Заземлення

Сітка електродів, що забиті в землю під підлогою високовольтного залу мають горизонтальні зв’язки і виводи з вузлів. Опір заземлюючого пристрою у найсприятливіших умовах не перевищує 0,2Ом. Усі елементи електроустановок, що вимагають заземлення, приєднуються до заземлюючого пристрою мідними оголеними гнучкими проводами.

Сигналізація та блокування

Стан і режим роботи установки відтворюють сигнальні лампи різних кольорів. Зелена лампа, що світиться, показує наявність низької напруги на ланцюгах управління. Червона засвічується при вмиканні високої напруги.

Примітка. Якщо в установці є конденсатори, то при вимкненні високої напруги гасне червона сигнальна лампа, але заряд високої напруги на конденсаторі залишається!

Усі установки високої напруги мають огорожу із сталевої сітки достатньої висоти й добре заземленої. Двері огорожі мають блокування, яке автоматично вимикає установку від мережі, якщо двері щільно не зачинені. Блокування — додатковий захід безпеки від попадання під напругу. Основним способом захисту є вимкнення установки вручну, розряд конденсатора оперативною штангою зі струмообмежуючим опором і заземлення струмоведучих частин, які можуть бути під високою напругою.

Захисні засоби

Лабораторія ТЕФВН має основні та додаткові захисні засоби:

основні - вимірювальні та оперативні штанги, рівень ізоляції яких забезпечує безпечні операції під напругою;

додаткові - діелектричні килимки, підставки, боти, рукавиці.

Робота на високовольтній установці дозволяється тільки з використанням захисних засобів.

Організаційні заходи безпеки

Високовольтні установки, що використовуються в навчальному процесі, становлять підвищену небезпеку, тому всі, хто працює в лабораторії, зобов’язані твердо знати і строго виконувати вимоги техніки безпеки на установках високої напруги, а також вміти практично користуватися правилами звільнення потерпілого від дії струму та надати йому першу допомогу. Для цього перше заняття в лабораторії ТЕФВН присвячується ознайомленню з лабораторією й обладнанням. На ньому проводиться інструктаж студентів з електробезпеки, про що робиться запис у спеціальному журналі лабораторії, а студент розписується в тому, що він ці правила засвоїв і зобов’язується виконувати.

ІНСТРУКЦІЯ З ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ ПРИ ВИКОНАННІ РОБІТ У ЛАБОРАТОРІЇ

Студенти допускаються до робіт тільки після вивчення цієї інструкції та розписування у спеціальному журналі лабораторії.

Загальні правила Усі роботи можна виконувати тільки в присутності й з дозволу викладача.

У процесі роботи на високовольтних установках в лабораторію не допускаються сторонні або випадкові особи. Тому після дзвоника на заняття двері лабораторії замикаються.

Перед початком роботи на високовольтних установках необхідно впевнитися у тому, що:

— у справному стані блокування, пересувні та стаціонарні заземлення, штанги, які з'єднані з землею;

— у справному стані огорожі, витримана достатня відстань їх від струмоведучих частин, які знаходяться під високою напругою;

— є плакати, що застерігають, «Не вмикати — працюють люди», «Заземлено» та ін.

Під час виконання дослідів на високовольтній установці категорично забороняється:

1. пересувати огорожу;

2. протягувати руки за огорожу;

З. шунтувати або вимикати установку;

4. заходити за огорожу;

5. знімати плакати, що заперечують або застерігають;

6. залишати без догляду установку, що знаходиться під високою напругою;

7. відволікати осіб, які обслуговують установку.

Обов’язки осіб, що обслуговують установку.

Оператор — це особа, що вмикає і вимикає напругу. Послідовність дій оператора:

1. Надіти діелектричні рукавички і покласти килимок під ноги.

2. Упевнитися у готовності схеми до роботи: чи знято заземлення, чи щільно закриті двері, чи правильно зібрано схему випробувань, чи немає людей за огорожею.

3. Перевірити справність блокування і виразно сказати: «Вмикаю високу напругу», ввімкнути її і, не підвищуючи її, відчинити двері огорожі. Автоматичний вимикач має вимкнутися, про що засвідчить згасання червоної сигнальної лампи та характерний стук вимикача, який вимкнувся.

4. Після виконання запланованого експерименту одразу вимкнути установку, не тільки знявши високу напругу, але й від'єднавши її від мережі живлення. Після цього виразно сказати: «Напругу вимкнено» .

5. Якщо перерва між експериментами велика, можна обережно зняти діелектричні рукавички.

Після вимкнення високої напруги оператором на конденсаторах залишається заряд. Навіть при наявності автоматичного розряджувального пристрою дублююче заземлення накладається спеціальною штангою. Для цього особа, що оперує зі штангою, після вимкнення оператором установки повинна зробити таке:

відчинити двері огорожі;

стати на діелектричний килимок;

узяти штангу руками не далі спеціального упору або червоного кільця і накласти її спеціальним гачком на спеціальний гачок установки;

залишити на гачку штангу на весь час, поки роблять перемикання в схемі. Двері огорожі на цей час залишаються відчиненими.

Якщо роботу на установці закінчено, штанга залишається на гачку, вішаються або знімаються відповідні плакати.

Після закінчення роботи по заміні схеми необхідно:

1. Упевнитися у відсутності людей за огорожею.

2. Зняти штангу з гачка.

З. Зачинити двері огорожі та залишатися коло дверей на весь час експерименту.

Роботу виконувати в діелектричних рукавичках.

Особи, що не беруть участі в обслуговуванні установки:

1. Уважно стежать за дослідом, виконують записи, розрахунки, будують графіки і т. ін.

2. Після ввімкнення високої напруги забороняється відволікати осіб, що обслуговують установку, ходити по лабораторії, голосно розмовляти.

3. Не торкаються іншого обладнання лабораторії, що не використовується у даній роботі.

4. Уважно стежать за діями осіб, які обслуговують установку, щоб своєчасно попередити можливі в роботі помилки, які можуть призвести до трагічних наслідків.

Будь-які дії в лабораторії виконувати тільки з дозволу і в присутності викладача!

У разі нещасного випадку негайно надати потерпілому першу допомогу і одночасно сповістити про-випадок по телефону:

03 — швидка медична допомога;

2−23 — завідуючий лабораторіями кафедри ЕСМ;

6−97−95 — завідуючий кафедрою ЕСМ.

ПАМ’ЯТАЙТЕ! Порушення правил безпеки може приз вести до трагічних наслідків!

Порушники правил притягаються до адміністративної або кримінальної відповідальності.

1. ВИПРОБУВАЛЬНІ ПРИСТРОЇ ВИСОКОЇ НАПРУГИ ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

Імпульсні випробування ізоляції ВН Мета роботи — вивчити принципи роботи генератора імпульсних напруг, системи автоматичного керування роботою генератора, пристрою зрізу імпульсної напруги у наперед заданий момент часу; ознайомитися із синхронізацією роботи ГІН і осцилографів; випробувати ізолятори ПЛЕП імпульсами стандартної форми.

Теоретичні положення

Аналізуючи форми імпульсної напруги, грозової та комутаційної, можна дійти висновку, що вони відтворюються накладаннями двох згасаючих експоненціальних функцій різних полярностей. Це означає, що схема для одержання цих імпульсів повинна мати принаймні два нагромаджувача енергії, щоб забезпечити двоекспоненціальну форму кривої.

Об'єкт для випробування звичайно являє собою ємнісне навантаження, тому ГІН — це схема з ємнісним нагромаджувачем енергії.

Для одержання дуже високих напруг використовують, як правило, багатоступінчасті схеми. Роботу таких генераторів краще пояснити за допомогою принципової схеми, зображеної на рис. 1.1.

Накопичувальний конденсатор С_S повільно заряджається від джерела до U₀, а потім через комутатор SF розряджається на ємність навантаження С_в. Опори R_d i R_e необхідні для одержання потрібної форми імпульсу. При U₀ > 10кВ за комутатор SF може правити звичайний кульовий розрядник. Рівень потрібної напруги регулюється відстанню S між кулями.

Час комутації такого найпростішого іскрового проміжку не перевищує 0,1мкс, тому процес комутації майже не впливає на зміну напруги U (t). Сам елемент SF можна розглядати як ідеальний комутатор при одержанні грозових імпульсів (мале падіння напруги у провідному стані).

Навантаження С_в складається насамперед із ємності об'єкта, що випробовується С_P, ввімкненої паралельно йому вимірювальної апаратури C_м і всіх з'єднуючих проводів на стороні високої напруги. При компактному виконанні випробувальної схеми величиною С_L можна знехтувати.

Через те, що параметри цих ємностей можуть змінюватись у більш або менш широких межах запроваджується ще один елемент схеми — додатковий конденсатор C_вд високої напруги ємністю від 0,5 до 2 нФ. Тому не має потреби змінювати резистори R_d і R_e при зміні ємності навантаження (С_м, С_p, С_L) і одержанні нормованої форми імпульсу. Таким чином, ємність навантаження має заряджатися через демпфуючий опір R_d .

(1.1)

Мала тривалість фронту T₁ імпульсу u (t) забезпечується завдяки опору R_d. Тривалість імпульсу T₂ забезпечується при повільному розряді ємностей крізь опір R_e. Імпульс можна відобразити за допомогою сталих часу T₁, T₂ i коефіцієнта використання за напругою.

Розрахунок напруги u (t) (див. рис. 1.1.) Схема описується диференціальним рівнянням

(1.2)

Розв’язок цього однорідного диференціального рівняння можна дістати в експоненціальному вигляді. 3 урахуванням початкових умов (на момент вмикання t=0 С_S заряджена до напруги U₀, а С_в розряджена) розв’язок, що шукається, має вигляд

(1.3)

де (1.4)

У цьому випадку і - величини, обернені сталим часу:

(1.5)

(1.6)

Згідно з (1.2) імпульс напруги є сумою двох експонент з великою 1/?₁, і малою 1/?₂ сталими часу. Коефіцієнт використання за напругою

(1.7)

де U_m — максимальна напруга на виході генератора; U₀ — зарядна напруга генератора.

Інший спосіб розрахунку ?: знайти момент часу t_m максимуму напруги виходячи з умови du /dt = 0, або

(1.8)

звідки

(1.9)

Якщо підставити (1.9) у (1.2), то згідно з (1.7) отримаємо коефіцієнт використання схеми (рис. 1.1) за напругою:

(1.10)

Для заданої форми імпульсу і мають досить конкретні значення, тому? залежить від коефіцієнта.

Звичайно С_в < C_S, а ?₂ >> ?₁, (тривалий імпульс з коротким фронтом), тому другий член виразу під коренем багато менший від одиниці. Тоді, використавши приблизну рівність, отримаємо

(1.12)

Якщо (1.12) підставити в (1.10), отримаємо

(1.13)

Для практичних оцінок при ?₂ >> ?₁ вираз (І.ІЗ) можна ще більше спростити:

(1.14)

Принцип роботи багатоступеневого ГІН стане зрозумілішим, якщо припустити, що всі іскрові розрядники пробилися одночасно після досягнення пробивної напруги розрядника першого ступеня. При цьому спочатку ємності С_sм (рис. 1.2) повільно заряджаються крізь зарядні (R_Lo, Lм_L) і розрядні (R_eм, R_?м) опори від джерела постійної напруги U_0. При незмінній напрузі U₀ зарядні напруги конденсаторів С_s усіх ступенів U₀м приблизно однакові, якщо виконується умова R_Lo>R_Lм>>R_e>R_?. Відстань між електродами розрядників має бути такою, щоб пробій виник при напрузі U₀м. Якщо всі проміжки пробиваються одночасно, то всі заряджені конденсатори С_sм стають з'єднаними послідовно і до навантаження C_в прикладається відповідно підвищена напруга. Нормативна форма імпульсу на навантаженні забезпечується за допомогою опорів R_eм і R_?м.

Рис. 1.2. Схема ГІН із множенням напруги У ГІН із n ступенями і однаковими значеннями C_sм, R_eм, R_?м одержують такі параметри еквівалентної одноступеневої схеми:

На виході ГІН формується хвиля напруги, полярність якої збігається за знаком із полярністю зарядного пристрою, зібраного на базі напівперіодного випрямлювача. Основна вимога до ГІН полягає у тому, щоб на об'єкті, який випробується, забезпечується стандартний за формою та амплітудою імпульс при великому значенні коефіцієнта використання генератора.

Аналіз схеми ГІН дає можливість дійти висновку, що тривалість фронту імпульсу

(1.15)

а тривалість самого імпульсу

.

Розрахунки параметрів імпульсів не дають підстави відмовлятись від експериментального визначення кривої напруги, яка може відрізнятись від теоретичної. Наприклад, при грозових імпульсах, одержаних за допомогою великих ГІН, не можна нехтувати впливом індуктивності L розрядного контуру. Вплив індуктивності може зробити напругу на виході ГІН коливною, з"являються також коливання на вершині імпульсу. Тоді не гарантується аперіодичний задемпфований режим контуру C_s — R_? — C_в. Аперіодичний режим спостерігатиметься, якщо виконується нерівність

(1.16)

Крім того, причиною викривлення форми імпульсу може бути нелінійність опорів і навантаження (за рахунок часткових розрядів), а в багатоступеневому ГІН — розкид моментів спрацювання розрядників.

Коефіцієнт використання ГІН залежить від параметрів і схемних рішень зарядного та розрядного контурів, форми хвилі напруги і може бути представлений у вигляді добутку коефіцієнтів використання зарядного контуру, форми імпульсної хвилі та схеми:

(1.17)

Коефіцієнт використання зарядного контуру

(1.18)

де U_k — напруга ГІН в ударі при відсутності навантаження; у розрахунках приймають ?_з = 0,9…0,95 внаслідок неповного заряду конденсаторів ступенів, що віддалені від зарядного пристрою.

Коефіцієнт використання форми імпульсної хвилі для стандартного імпульсу напруги І, 2/50 мкс ?_в =0,97, а взагалі залежить від відношення сталих часу ?=T₂/T₁ експонент, що відтворюють імпульс напруги ГІН:

(1.19)

Коефіцієнт ?_в знижується по мірі збільшення відношення T_ф/T_н, тому що за час формування фронту імпульсу конденсатори ГІН встигають трохи розрядитися на розрядний опір R_е.

Коефіцієнт використання схеми

(1.20)

Експериментальна установка і методика виконання роботи ГІН зібрано на чотирьох ступенях з конденсаторів С = 0,135мкФ; U_н = 125кВ. Керування генератором та синхронізація його сумісної роботи з осцилографом здійснюються за допомогою генератора синхроімпульсів ГСІ та генератора підпалення ПІ.

На рис. І.3 зображено схему з'єднання ГІН з трьохфазною мережею високовольтного залу ТФВН університету.

Керований на відстані регулятор напруги вмикається в мережу за допомогою рубильника S1, захисного автомата SF2 і контактора K₁. Останній увімкнеться тільки в тому випадку, коли електричне блокування дверей огорожі випробувального поля буде замкненим. Крім того, в електричне коло електромагніту контактора увімкнено контакти теплового реле S8.

Між регулятором напруги і первинною обмоткою випробувального високовольтного трансформатора T3 увімкнені контакти контактора K2 та котушка індуктивності L. Після замикання контактів K2 контакти заземлювача S3 розімкнуться, що забезпечить можливість зарядження конденсаторів ГІН. Якщо зникає напруга, або натискується червона кнопка негайного вимкнення ГІН, K2 розмикаються, а пружинний привід підіймає стержньовий електрод заземлювача S3. При цьому ГІН розряджається і заземляється.

Блок випрямляча зібрано за схемою подвоєння напруги. Він складається із трансформатора Т3, напівпровідникових вентилів VD1, VD2 та конденсаторів C₁, C_2.

Обмотки трансформатора розміщено на двостержневому магнітопроводі: на нижньому — обмотки НН і вирівнювальна ВО, на верхньому — ВО і ВН. Номінальна напруга обмоток U_НН = U_ВО = 380 В; U_ВН= 60 кВ.

Із конденсатора С2 на магнітопровід і вирівнювальні обмотки подається постійна напруга 60 кВ. На таку саму напругу ізолюється обмотка НН.

Вирівнювальні обмотки, що призначені для зниження розсіювання, виконані на напругу 380 В і не потребують ізоляції від магнітопровода. Ізоляція між обмотками НН — ВН забезпечується маслом і бар'єрами.

Зарядна напруга ГІН контролюється за допомогою вольтметра kV, який увімкнено на низьковольтне плече омічного подільника напруги, зібраного на резисторах R1, R2. Вольтметр розміщено на пульті управління і градуйовано в кіловольтах.

ГІН зібрано за прямою схемою з розподілом по конструкції розрядних опорів. Полярність імпульсу змінюється при перемиканні діодів VD1 і VD2.

Високовольтне плече подільника напруги зібране на конденсаторах С3, С4 і резисторах R3, R4. Сумарна ємність подільника напруги 0,0015 мкФ, сумарний опір — 9 кОм. Коефіцієнт поділу становить 300. Напруга низьковольтного плеча подільника за допомогою екранованого кабелю подається на вертикально відхиляючі пластини осцилографа.

Зміна відстані між іскровими проміжками FS1? FS4 ГІН і між кулями розрядника зрізу здійснюється дистанційно з пульта управління.

Завдання

І. Змінюючи амплітуду імпульсу на виході ГІН, забезпечити перекриття ізолятора ШФ-20 В, ШСС-І0; кількох ізоляторів ПФ. Іскровим вольтметром виміряти напругу перекриття цих ізоляторів.

2. Виконати вимоги п. 1 для другої полярності зарядної напруги ГІН.

3. Визначити коефіцієнт відношення напруг перекриття ізоляторів при-від'ємній і позитивній полярностях імпульсів.

4. Зняти осцилограму імпульсу напруги й обробити її.

Контрольні запитання

І. Які види перенапруг можна отримати за допомогою ГІН?

2. Як регулюється амплітуда імпульсу напруги?

3. Як змінюється полярність імпульсу на виході ГІН?

4. Пояснити ефект полярності при перекритті ізоляторів імпульсною напругою.

5. Пояснити дію загострювача імпульсів напруги.

6. У чому виявляється порушення координації ізоляції?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

Випрямляч змінного струму високої напруги Мета роботи — вивчити особливості однофазних випрямлячів змінного струму високої напруги.

Теоретичні положення Генерація високої постійної напруги за допомогою випрямляючих схем необхідна тоді, коли треба одержати струми, більші за 1…10 мА. Проте у таких схемах мають бути вжиті спеціальні заходи для зниження пульсацій постійної напруги.

Існує багато варіантів схем випрямлення, проте досить обмежитись розглядом найважливіших із них. Більшість таких схем принципово є проміжними між двома крайніми варіантами напівперіодного випрямляча і схеми множення.

Напівперіодне випрямлення з фільтрацією напруги. Для перетворення періодично змінюваної напруги на постійну необхідні три складові рис. 2.1: джерело змінної напруги U (t), випрямляч (діод) D, що працює як перемикач напруги, і конденсатор С, що нагромаджує заряд.

Рис. 2.1 Однонапівперіодний випрямляч без навантаження Кожний з цих трьох елементів схеми принципово може мати точку заземлення, і зміни в часі одержаної напруги залежатимуть від вибору точок знімання показів. Однак при одержанні високої напруги доцільно заземляти одну з точок (a або b) джерела змінної напруги, тому що це джерело звичайно має обмотку трансформатора високої напруги із слабкою ізоляцією кінця відносно заземленого магнітопроводу або первинної обмотки. Якщо заземлена точка b, то потрібна додаткова ізоляція джерела змінної напруги.

Схема без навантаження Щоб зрозуміти схеми випрямлення, важливо уявити, як змінюються напруги на всіх трьох елементах у часі, при цьому діод вважається ідеальним комутатором.

Якщо заземлена точка a, то це є відома в техніці низьких напруг напівперіодна схема випрямлення. На рис. 2.2 зображено зміни у часі потенціалів вузлових точок Ф_а, Ф_b, Ф_с, а також струму крізь діод і_D при ввімкненні схеми на ідеальну синусоїдальну напругу в момент її переходу через нуль.

Через діод струм проходить тільки в період зростання напруги у перший напівперіод [і_D= C (du/dt)].

Заряд, що переносить струм,

(2.1)

не залежить від характеру нарощування напруги u (t); він нагромаджується і залишається в конденсаторі С при зменшенні напруги, тому що діод закритий при Ф_с > Ф_b. На конденсаторі залишається постійна напруга U_M, якщо не змінюється максимальне значення змінної напруги в часі і конденсатор не розряджається. Напруга на діоді u_d(t) = Ф_с — Ф_b пульсує.

Аналогічно розглянемо заземлення точки b. Результат зображено на рис. 2.3, який можна отримати з рис. 2.2, якщо прийняти потенціал Ф_b=0. Ця схема, в якій вихідною напругою є u_d(t), називається схемою подвоєння Вілларда і є суттєвою частиною каскадних схем. Згладжування пульсуючої напруги неможливе, тому що при паралельному вмиканні діода і конденсатора губляться випрямлювальні властивості схеми.

В обох варіантах схеми напруга, що діє на діод, однакова; на конденсаторі напруга дорівнює U_M, а зворотна напруга діода — 2U_M.

Схема з навантаженням При навантаженні напівперіодного випрямляча у вихідній напрузі є пульсації, тому що через навантаження R за час періоду синусоїди виток заряду що забезпечується струмом джерела змінної напруги тільки протягом короткого часу ?, тому має виконуватись умова

(2.2)

Рис. 2.2 Однонапівперіодний випрямляч із навантаженням фільтром

(2.3)

Вихідна напруга u_c(t) змінюється за незначних падінь напруги у трансформаторі й на діоді у таких межах:

до (2.4)

Пульсації ?u розраховуються за формулою

(2.5)

де U_max та U_min — найбільше та найменше миттєві значення напруги u (t), виходячи із значень зарядів, що викликають зміну напруги 2? u на конденсаторі:

(2.6)

Малі; пульсації можуть забезпечуватись за рахунок великого значення добутку fC.

Каскадна схема без навантаження На рис. 2.3 зображено n — ступінчату схему з вихідною напругою позитивної полярності.

Полярність змінюють перемиканням діодів D. Принцип дії побудований на роботі напівперіодного випрямляча: нижній ступінь n являє собою схему подвоєння (вторинна обмотка трансформатора ТR C_n^*, D_N^*) з вихідною напругою U_M на діоді D_n, що додатково випрямляється за допомогою діода D_n та згладжується конденсатором С_n.

У цій схемі на діоді D_N виникає пульсуюча напруга, яка випрямляється діодом D_N-1^* і згладжується конденсатором C_n-1^*. Схему можна збільшувати за рахунок уведення напівперіодних випрямлячів.

У стаціонарному стані без навантаження всі конденсатори заряджені до напруги 2U_M, за винятком конденсатора С_n^* ступеня, найближчого до трансформатора, що заряджений, до напруги U_M.

Коли потенціали точок 1^*, 2^*,…, n^* пульсують під дією джерела змінної напруги, потенціали точок 1,2,…, n постійні в часі і забезпечують строго постійну напругу на виході. Ланцюг конденсаторів С₁, С₂,…, C_n одночасно є фільтром.

На діоди діє зворотна напруга 2 U_M.

Навантажений каскадний випрямляч Якщо розглянути зміну у часі напруги u_g(t) зображеного на рис. 2.4 каскадного випрямляча, навантаженого постійним струмом i, та порівняти це з випадком ненавантаженого випрямляча, то насамперед помітне досить велике падіння напруги? u, зумовлене незначною мірою тільки прямим падінням напруги на діодах. Пульсації ?u також не можна пояснити поведінкою ненавантаженого напівперіодного випрямляча. Очевидно, що тільки процеси обміну зарядами правих і лівих ланцюгів конденсаторів схеми викликають появу? u і ?u, які можна описати у випадку ідеальних елементів, якщо розглянути процес періоду T=1/f. Повільно спадаюча протягом періоду Т складова напруги u_g(t) викликана безперервним розрядом конденсатора правої частини схеми струмом навантаження і втратами заряду іT.

Рис 2.3 Схема каскадного випрямляча Однак ця складова є лише часткою пульсацій 2? u. Перед моментом t наступає й швидке зниження напруги, зумовлене передаванням частини зарядів від конденсаторів С₁, С₂,…, C_n до конденсаторів С₁*, C₂*,…, C_n* крізь діоди D₁*, D₂*,…, D_n* .Тільки конденсатор С_n* заряджається безпосередньо від джерела змінної напруги.

Вихідна напруга росте до максимального значення тільки протягом короткого відрізку часу перед t⁺ (перед досягненням позитивного максимуму живильної напруги), тому що тільки в цей час потенціали точок лівої половини схеми вищі, ніж правої, і діоди D₁, D₂,…, D_n відкриті.

Кількісні розрахунки u та u спрощуються, якщо ввести заряд Q=i/f, що переноситься за період (на рис. 2.5 він позначений стрілкою), та вивести відповідні формули. Однак при цьому слід брати до уваги те, що, наприклад, транспортований із точки 2 у точку 1 заряд відбирається не тільки від конденсатора С₂, а й від нижніх конденсаторів С₃,…, С_n.

З урахуванням (2.6) пульсації на виході можна визначити за формулою

(2.7)

Каскадні випрямлячі високої напруги, у навантаженні яких можливі зрізи напруги, для запобігання нерівномірного розподілу напруги повинні мати однакові ємності: C₁ = C₂ = … = C_n .

У цьому разі

(2.8)

Якщо ємності всіх конденсаторів зробити однаковими, тобто C₁ = C₁^* = C₂ = C₂^* = … = C_n = C_n^*, з урахуванням (2.8) можна визначити

(2.9)

Конденсатор С_n^* заряджається тільки до напруги U_M, тому його ємність вибирається вдвічі більшою за ємність всіх інших конденсаторів. Внаслідок цього u зменшується в n²i/2fC разів, а вихідна напруга

(2.10)

Якщо схему задано (сталі n, f, С), навантажувальна характеристика u_g = (i) лінійно спадаюча, тобто процеси передавання зарядів призводять до того, що ніби з’являється лінійний внутрішній опір джерела. Однак на нього дуже впливає кількість ступенів n, що обмежує при заданому струмі підвищення напруги за рахунок збільшення кількості ступенів, оскільки характеристика u_g=f (n) має максимум.

Відповідно до максимуму Ug оптимальна кількість ступенів із (2.10)

(2.11)

Формула (2.11) вірна, якщо n 4.

Рис. 2.4 Осцилограми напруг триступеневого каскадного випрямляча Експериментальна установка і методика виконання роботи Схеми випрямлячів (див.рис.2.1 — 2.3) змонтовані на лабораторному стенді, у правій частині якого є тумблер вмикання мережі, захисний автомат максимального струму і контакти для підключення осцилографа до мережі.

Під кожною схемою розміщено два тумблери для приєднання її до джерела живлення та підключення до виходу схеми резистора навантаження. Неонові лампочки сигналізують про те, що схема знаходиться під напругою.

Завдання

1. Ознайомитись із теоретичними основами функціонування схем випрямлення та множення напруги.

2. По черзі дослідити схеми для випрямлення за допомогою осцилографа і занести до звіту осцилограми напруги вторинної обмотки трансформатора живлення, напруг на діодах, конденсаторах і вихідних клемах.

3. Для кожної схеми визначити частоту пульсацій вихідної напруги, кратності напруг на діодах і конденсаторах. Визначити вплив навантаження на кратність напруг, що досліджуються.

Рис. 2.5 Схема каскадного випрямляча з умовною позначкою стрілками зарядів, що переносяться в окремих елементах трансформатор ізолятор напруга

Контрольні запитання

1. Послідовність роботи схем випрямлення, що досліджуються.

2. Недоліки випрямляча з великим значенням вихідного опору.

3. Область використання досліджених схем випрямлення.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № З Випробувальні трансформатори та методи випробування ізоляції напругою промислової частоти Мета роботи — ознайомитися з особливостями конструкції і роботою випробувальних трансформаторів, навчитися вимірювати високу напругу за допомогою іскрових вольтметрів, градуювати випробувальний трансформатор, тобто будувати залежність ВН від напруги на обмотці НН.

Теоретичні положення Високу напругу промислової частоти одержують у лабораторії за допомогою випробувальних трансформаторів.

Особливості випробувальних трансформаторів порівняно із силовими можуть бути виявлені при розгляді умов роботи випробувальних установок.

На рис. З.1 зображено схему вмикання випробувального трансформатора ВТ та об'єкта випробування 0 В (ізолятор).

Напруга піднімається плавно до розряду на об'єкті або до нормованого значення випробувальної напруги, яке підтримується короткий час (одну або кілька хвилин).

Обов’язковим елементом установки є іскровий вольтметр, який має дистанційне керування й показчик відстані між кулями КР і підключається паралельно об'єкту випробування. Якщо відстань між кулями зменшувати, то при певній відстані відбувається між кулями іскровий розряд.

З допомогою градуювальних таблиць або графіків можна визначити напругу на об'єкті.

Таким чином, розряд на об'єкті або іскровому вольтметрі є не випадковим, а закономірним явищем, пов’язаним з нормальною роботою випробувальної установки. Під час розряду відбувається стрибок струму в колі об'єкта випробування і установка вимикається автоматично. Отже, трансформатор має бути розрахований на короткочасні стрибки струму.

Різкий спад напруги на виводах призводить до перехідних електромагнітних процесів в обмотці, появи великих градієнтних перенапруг, що дуже небезпечні для поздовжньої ізоляції перших витків або котушок обмотки. Для обмеження крутості спаду напруги і нарощування струму під час розряду передбачено захисний опір R_зах, який не може бути дуже великим, щоб не впливати на процес розряду. Звичайно захисний опір приймається не більшим за 1…2 Ом на 1 В номінальної напруги трансформатора.

Навантаження трансформатора визначається не розрядними струмами, а струмами, що тривалий час протікають через його обмотку. Під час випробування ізоляції це звичайно ємнісні струми, які визначаються ємностями трансформатора, об'єкта випробувань та іскрового вольтметра. У випадку випробування ізоляторів ємність становить сотні пікофарад, тому струм сягає десятків міліампер на 1000 кВ випробувальної напруги. Активна складова струму звичайно невелика, крім випадку, коли виконуються мікророзрядні випробування ізоляторів: останні змочуються штучним дощем, що призводить до значного зростання струмів.

Потужність випробувальних трансформаторів розраховується на струми в обмотці ВН не більше як 1А.

Випробувальні трансформатори зі струмом 1А є потужними, більшим за 1А — унікальними.

Після розгляду умов роботи випробувальних трансформаторів можна виділити такі їх особливості:

1. Випробувальні трансформатори мають значно меншу потужність, ніж силові.

2. У той час, як силові трансформатори працюють безперервно при номінальній напрузі та розраховані на тривале навантаження протягом багатьох місяців, випробувальні трансформатори вмикаються періодично, працюють усього кілька хвилин, причому струм і напругу можна не доводити до номінальних значень.

3. Внаслідок того що випробувальні трансформатори не зв’язані з повітряними лініями електропередач, вони не піддаються дії грозових і більшості видів внутрішніх перенапруг. Тому рівень ізоляції випробувальних трансформаторів набагато нижчий за рівень силових-і може становити 1,2 U_н. Випробувальні трансформатори виготовляються однофазними, тому що ізоляція випробовується пофазно. Трьохфазні схеми, що необхідні в окремих випадках, можна зібрати з трьох однофазних випробувальних трансформаторів.

Випробувальні трансформатори виконуються з одним або двома виводами ВН.

Схема з одним виводом має ряд переваг:

1. Ізоляція одного з виводів може мати невеликий рівень (якщо між «землею» і кінцем обмотки підімкнено міліамперметр, шунт тощо) або вивід може бути взагалі замкнений на корпус усередині бака.

2. Може випробовуватись ізоляційна конструкція, що має один заземлений електрод — найймовірнішій випадок експлуатації.

3. Полегшуються умови вимірювання струму, тому що вимірювальні прилади приєднуються до заземленого кінця обмотки.

Основний недолік схеми з одним виводом — необхідність в ізоляції одного з кінців обмотки й виведення ВН на повну напругу трансформатора, що для високих напруг потребує великих і складних ізоляторів.

У схемі з двома виводами середню точку обмотки приєднано до магнітопровода й бака. У цьому випадку кожний вивід повинен мати ізоляцію, розраховану на половину номінальної напруги трансформатора, що, безумовно, є перевагою схеми, тому що за рахунок полегшеної ізоляції зменшуються маса й розміри трансформатора. Однак за такої схеми можливе випробування тих об'єктів, обидва електроди яких ізольовані.

Вимірювання високих напруг за допомогою іскрових вольтметрів

Із теорії електричного розряду в газах відомо, що повітряний проміжок між двома електродами втрачає свої ізоляційні властивості у визначених умовах при добре відтворюваному значенні розрядної напруги. Якщо скористатися цим ефектом для вимірювання напруги, то став очевидним його суттєвий недолік: вимірювати напругу можна лише в момент пробою. Можна встановити, яка напруга відповідає цьому моменту.

Умови, за яких досягається добра й досить точна відтворюваність розряду, визначаються в першу чергу конфігурацією електродів та їх придатністю для вимірювання певного виду напруги. Із теорії електричного розряду в газах випливає, що стримерний розряд відбувається при тиску повітря у межах звичайних атмосферних коливань тільки в однорідному або квазіоднорідному полі. Цей вид розряду має незначну тривалість формування каналу, а стримерному критерію пробою відповідає строго визначена напруженість електричного поля. Якщо розкид статистичного часу буде малим, то газові проміжки з однорідним і квазіоднорідним полями пробиватимуться за дуже малий час по досягненні напругою максимального значення. Таким, наприклад, є проміжок між кульовими електродами, якщо відстань між ними не перевищує радіуса куль. Кульові розрядники, або вимірювальні розрядники (іскрові вольтметри), використовуються дуже широко для вимірювання максимального значення напруги. Кульові розрядники є дуже надійними приладами для вимірювання постійної напруги, максимального значення змінної та імпульсної (у тому числі грозового імпульсу, як повного, так і зрізаного) напруг.

На напругу пробою впливають напруженість поля E (х) та її зміна уздовж найкоротшої силової лінії, а також фізичні характеристики газу, від яких залежить його електрична міцність.

Напруженість E_d, за якої відбувається пробій, залежить насамперед від геометричних розмірів й розміщення кульових електродів, а також металевих елементів, що необхідні для їх механічного кріплення.

Дві вимірювальні кулі можна встановлювати по вертикальній або горизонтальній осі (рис. 3.1 і 3.2). Показані на них співвідношення розмірів для утримувача кулі, привідного механізму і підводу високої напруги обумовлені необхідністю забезпечення незалежності розподілу електричного поля, особливо в області найкоротшої відстані між кулями, від їх геометричних форм. Те саме можна віднести й до вибору відстані а від підлоги до точки розряду Р, а також b сферичного простору, в межах якого не повинно знаходитись ніяких металевих предметів, за винятком підводу високої напруги, що має розміщуватися вище площини X.

Під час вимірювання треба стежити за тим, щоб поверхня кулі була завжди чистою і гладкою. Проте навіть при досить ретельній очистці поверхні дуже важко позбутися пилу, який впливає на розподіл електричного поля поблизу поверхні кулі й може набагато знизити розрядну напругу. Тому рекомендується для очистки поверхні від пилу перед вимірюванням виконати кілька розрядів.

Якщо дотримуватися перелічених умов, то при сталій густині газу існуватимуть однозначні залежності між розрядною напругою U_d і відстанню S між електродами для кожного значення діаметра куль. ЦІ залежності при різних діаметрах d зображено на рис. 3.3.

Похибка вимірювання за допомогою куль не перевищує 3%. Основний недолік кульових вимірювачів — пробій проміжку.

Рис. 3.2 Кульовий вимірювальний розрядник Рис. 3.3 Залежність розрядних напруг U_d кульового розрядника з однією заземленою кулею від відстані між кулями S при різних діаметрах куль: 1 — імпульсна напруга позитивної полярності; 2 — змінна, постійна та імпульсна напруга негативної полярності

Наведені в табл.З.1 U_d=f (S) належать до стандартних умов: p = 760 мм рт.ст. (101,3 кПа) і t = 20⁰С (293 К). Якщо умови вимірювання відрізняються від стандартних, то вводять поправку: значення напруги, отримані з таблиці, множать на відносну густину повітря. Поправка на вологість повітря не вводиться, оскільки поле між кулями слабконеоднорідне й розрядний канал розвивається за долі мікросекунди, коли практично відсутнє явище захоплювання електронів іонами водяних парів. Відносна густина повітря визначається за формулою

(3.1)

де p — тиск, мм рт.ст.; t — температура, ⁰С.

Діаметр куль добирається з умови

(3.2)

де — D діаметр куль, см; U_max — очікувана максимальна амплітуда напруги, що вимірюється, кВ.

Таблиця 3.1 Розрядні напруги, кВ; в залежності від діаметрів куль та відстані між ними

Методика виконання роботи і завдання

1. Перед роботою слід ознайомитись зі схемою установки, способами регулювання напруги і відстані між кулями, а також умовами безпечної роботи. Обов’язково перевірити дію блокування.

2. За номінальною напругою трансформатора вибрати потрібний діаметр куль.

Випробувальний трансформатор можна градуювати двома методами:

I. На первинній обмотці трансформатора встановлюють деяку напругу U₁, що контролюється вольтметром, причому U₁ відповідає цілому числу поділок шкали, а потім кулі, що попередньо були розведені на велику відстань, наближають до одержання іскрового розряду між ними. Після цього вимірюють відстань між кулями, яка була в момент пробою, і за табл.3.1 визначають амплітуду розрядної напруги U₂, що відповідає напрузі U₁ на первинній обмотці.

II. Кулі встановлюють на відстані, що відповідає за табл.3.1 деякій розрядній напрузі U₂. Напруга на трансформаторі підвищується до розряду між кулями, а в момент розряду по вольтметру фіксують напругу U₁. За такого методу градуювання розрядник може й не мати дистанційного керування. При градуюванні трансформатора достатньо зробити вимірювання для 6−8 точок. Кожне вимірювання повторюють тричі, щоб запобігти похибкам. Результати заносять у табл. 3.1.

Таблиця 3.1

Примітка: U_2max^табл. — напруга, кВ, визначена за таблицею при p = 760 мм рт. ст., t = 20⁰С для вибраного діаметра куль на схемі градуювання; U₂' = U_2max^табл. — розрядна напруга з урахуванням поправки.

3. За барометром і термометром визначають тиск і температуру навколишнього повітря, розраховують відносну густину повітря.

4. За даними, одержаними з табл. 3.1, будують градуювальну криву випробувального трансформатора.

5. За одержаними даними визначають середнє значення коефіцієнта трансформації випробувального трансформатора.

Контрольні запитання

1. Особливості роботи випробувальних трансформаторів.

2. З якою метою в колі трансформатора встановлюється захисний опір? Як вибрати значення цього опору?

3. Від чого залежить потужність випробувального трансформатора?

4. Як вимірюється ВН за допомогою кульового розрядника?

5. Вимоги до кульових розрядників.

6. Похибка вимірювання при використанні кульових розрядників.

7. За якою умовою добирають діаметр куль?

8. Чому дорівнює відносна густина повітря при р = 750 мм рт. ст. і t = 0⁰С?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4

Випробувальна установка для повторного пробою та руйнування дефектних ізоляторів Мета роботи — набути практичних навичок знаходити дефектні штирьові ізолятори ПЛЕП 10 кВ імпульсним методом.

Теоретичні положення Найбільш поширеними дефектами штирьових фарфорових ізоляторів є капіляри та тріщини. Тріщини можуть бути наскрізними або ненаскрізними. Суха тріщина у штирьовому ізоляторі знижує пробивну напругу, проте опір ізоляції та струм витоку можуть не змінюватися. Тому при профілактичних випробуваннях, що базуються на вимірюванні цих величин, не можна виявити дефектні ізолятори ПЛЕП 10 кВ. Перспективним методом профілактичних випробувань є імпульсний метод, що дає змогу зруйнувати дефектний ізолятор і, таким чином, виявити його. Імпульсний метод базується на тому, що в капілярі дефектного ізолятора під час повторного імпульсного розряду виникає ударна хвиля, від якої за певних умов ізолятор руйнується на кілька частин і його штир звільняється.

Основний наслідок дії імпульсного струму, що протікає в капілярі дефектного ізолятора, визначається енергетичним ефектом, який виражається інтегралом:

(4.1)

де R_i — активний опір циліндричного стовпчика плазми в капілярі.

Величина R_i залежить від геометричних розмірів і питомої провідності плазми

(4.2)

? — питома провідність;? — питомий опір плазми,? = ?-¹.

Опір R_i становить кілька десятків Ом, а для ізоляторів одного типу його можна вважати сталим.

Формою імпульсу струму є різниця двох експонент:

(4.3)

де T₁ і T₂ — сталі часу розрядного кола, які для глибокоаперіодичних розрядів зв’язані з довжиною фронту ?_ф та довжиною хвилі струму ?_В співвідношеннями:

(4.4)

Рівняння для визначення енергії, що вводиться в капіляр:

(4.5)

Зв’язок критичного тиску в капілярі з характеристиками матеріалу ізолятора та його розмірами, за якого тангенціальні напруги на кінці тріщини перевищують значення, до якого тріщина ще стійка:

(4.6)

де ?_прил — границя міцності фарфору; r₁ — відстань від осі капіляра до вільної поверхні ізолятора; r₀ — радіус капіляра; r_* — відстань від цієї самої осі до кінця капілярної тріщини, де може порушитись рівновага між механічною напругою і опором розвиванню тріщини.

Критична довжина тріщини, що зростає в радіальному напрямі від дефекту у фарфоровому ізоляторі, r_* = 7· 10 —³м. Критична густина енергії, що відповідає цьому тиску,

(4.7)

де — стала для кожного типу ізоляторів величина.

Спільне розв’язання (4.5) і (4.7) дає неповну нерівність

(4.8)

з якої легко визначити критичну амплітуду імпульсного струму крізь капіляр дефектного ізолятора, що необхідна і достатня для його механічного руйнування одним імпульсом:

(4.9)

Розв’язуючи зворотну (4.9) нерівність, одержуємо акустичний ефект від розряду в капілярі дефектного ізолятора.

Експериментальна установка Структурну схему установки зображено на рис. 4.1. Зарядний пристрій зібрано з випробувального трансформатора Т₁ і випрямляча VD. Розрядне коло генератора імпульсних струмів /ГІС/ складається з імпульсних конденсаторів ІК-50, які мають номінальну напругу 50 кВ і номінальну ємність 2 мкФ. ГІС зв’язаний із зарядним пристроєм через струмообмежуючий опір R_T. Стала часу заряду ГІС не перевищує 5 с.

У пристрої використано чотириелектродний комутатор з дистанційним керуванням. Об'єкт випробувань — дефектний фарфоровий ізолятор — розміщено в гетинаксовому циліндрі, чим запобігається розльот частин зруйнованого ізолятора.

Рис. 4.1 Структурна схема пристрою для руйнування дефектних ізоляторів

Завдання

1. Зняти осцилограму імпульсного струму крізь дефектний ізолятор.

2. За осцилограмою визначити амплітуду струму, що пройшов крізь дефект.

3. Підрахувати кількість шматків ізолятора після випробувань.

Контрольні запитання

1. Найхарактерніші дефекти штирьових ізоляторів,

2. Як формуються ударні хвилі під час повторного пробою дефектного ізолятора?

3. Як визначити опір шунта, що використовується для осцилографування?