Instalații de Încercare Folosite Pentru Probele de Imunitate. Proiectarea Unei Instalații de Impuls Dublu Exponențial
Universitatea POLITEHNICA din București
FACULTATEA ENERGETICĂ
PROIECT DE DIPLOMĂ
Instalații de încercare folosite pentru probele de imunitate.
Proiectarea unei instalații de impuls dublu exponențial.
Autor: Alexandru RĂDUINEA
Cadru didactic îndrumător: Ș.l.dr.ing. Tudor LEONIDA
Promoția Iulie 2016
Universitatea POLITEHNICA din București
FACULTATEA ENERGETICĂ
PROIECT DE DIPLOMĂ
Instalații de încercare folosite pentru probele de imunitate.
Proiectarea unei instalații de impuls dublu exponențial.
Autor: Alexandru RĂDUINEA
Cadru didactic îndrumător: Ș.l.dr.ing. Tudor LEONIDA
Comisia pentru examenul de diplomă: Prof. dr. ing. Horia NECULA – președinte
Prof. dr. ing. Ileana BĂRAN – membru
Prof. dr. ing. Roxana PĂTRASCU – membru
Conf. dr. ing.Mircea SCRIPCARIU – membru
Conf. dr. ing.Radu PORUMB – membru
Ș.l. dr. ing.Petre BLAGA – membru
Ș.l. dr. ing.Constantin IONESCU – membru
As. dr. ing. Gabriela SAVA – secretar
Promoția Iulie 2016
Universitatea POLITEHNICA din București
FACULTATEA ENERGETICĂ
CUPRINS
1.CONSIDERAȚII GENERALE PRIVIND ÎNCERCĂRILE CU TENSIUNIÎNALTE…………………………………………………………………………………………5 Introducere……………………………………………………………………………………………………….5
1.1 Probleme generale ……………………………………………………………………………………….6
1.2.Definiții referitoare la clasificarea izolațiilor……………………………………………………6
1.3. Comportarea izolatiei instalatiilor electroenergetice………………………………………..7
1.4 Nivelul nominal de izolație …………………………………………………………………………..7
1.5 Dispunerea obiectului testat în testele uscate……………………………………………………7
1.6 Corecțiile atmosferice în testele uscate……………………………………………………………8
1.6.1 Atmosfera standard de referință………………………………………………………..8
1.6.2. Factorii de corecție atmosferica pentru golurile de aer………………………..9
1.6.3. Aplicarea factorilor de corecție………………………………………………………..9
1.6.3.1 Procedura standard…………………………………………………………….9
1.6.3.2. Procedura inversă……………………………………………………………..9
1.6.4 Componente ale factorului de corecție……………………………………………..10
1.6.4.1 Factorul de corecție al densitatii. („”)……………………………..10
1.6.4.2. Factorul de corecție al umidității („”)…………………………….10
1.7 Procedura de testare în condiții de umiditate………………………………………………….11
1.8 Procedura de testare în condiții uscate…………………………………………………………..13
1.8.1 Tensiunea de testare ……………………………………………………………………..13
1.8.2 Gestionarea tensiunii de test…………………………………………………………..13
1.8.3. Abateri………………………………………………………………………………………..13
1.8.4. Rezonanța circuitului serie…………………………………………………………….13
1.8.5. Procedura de încercare………………………………………………………………….14
1.8.5.1 Producerea descărcării disruptive în timpul procedurii de încercare…………………………………………………………………………14
1.9 Procedura de încercare a izolațiilor cu impuls de trăsnet………………………………….14
1.9.1 Introducere……………………………………………………………………… ………….14
1.9.2. Abateri privind tensiunea impulsului de trăsnet……………………………….15
1.9.3 Procedurile de încercare………………………………………………………………..16
1.9.3.1. Testul de rezistență la tensiune de impuls: Procedura 1……….16
1.9.3.2. Testul de rezistență la tensiune de impuls: Procedura 2……….16
1.9.3.3. Testul de rezistență la tensiune de impuls: Procedura 3……….17
1.9.3.4. Testul de rezistență la tensiune de impuls: Procedura 4……….17
1.9.4. Procedura de încercare a izolațiilor prin tensiuni de comutație…………..17
1.9.4.1.Abateri……………………………………………………………………………17
1.9.4.2. Procedura de încercare. …………………………………………………..17
2. ÎNCERCĂRI ȘI METODE DE ÎNCERCARE CU TENSIUNI DE IMPULS. FORME DE IMPULS STANDARDIZATE FOLOSITE PENTRU ÎNCERCĂRI……….18
2.1 Forme standardizate de tensiune…………………………………………………………………..18
2.2 Teste pentru verificarea ținerii izolației la impulsuri de trăsnet și de comutație… 21
2.3. Determinarea valorilor . …………………………………………………………21
2.3.1 Metoda palierelor multiple……………………………………………………………23
2.3.2.Metoda sus-jos……………………………………………………………………………..23
3. STRUCTURA ȘI FUNCȚIONAREA INSTALAȚIILOR DE ÎNCERCARE CU TENSIUNI DE IMPULS ÎNALTE…………………………………………………………….25
3.1 Generatoare de impuls de tensiune……………………………………………………………… 25
3.1.1. Prezentarea schemei de bază ale generatoarelor de impuls………………..26
3.2. Coeficientul de utilizare al schemelor de bază…………………………………………….. 28
3.3. Calculul elementelor schemei generatorului de impuls…………………………………. 30
3.3.1 Calculul grafic……………………………………………………………………………..31
3.3.2. Exemplu de calcul………………………………………………………………………..34
3.4 Generatoarele de impuls cu mai multe etaje……………………………………………………………..36
3.4.1 Producerea tensiunii redresate. ………………………………………………………38
3.4.2. Constructța generatoarelor de impuls……………………………………………..39
4. DIMENSIONAREA UNEI INSTALAȚII DE ÎNCERCARE CU TENSIUNI DE IMPULS DE TRĂSNET……………………………………………………………………………………..42
4.1. Calculul elementelor schemei generatorului de impuls ……………………42
4.2. Calculul elementelor schemei generatorului de impuls ………………………43
5. SISTEME DE MĂSURARE A TENSIUNILOR DE IMPULS…………………45
5.1. Măsurarea tensiunilor și curenților de încercare…………………………………………….45
5.1.1. Aspecte generale………………………………………………………………………….45
5.1.2. Măsurarea tensiunilor de încercare…………………………………………………47
5.1.3. Măsurarea curenților de impuls……………………………………………………..47
5.1.4. Caracteristici ale sistemelor de măsurare…………………………………………49
5.2. Eclatoarele de măsurare …………………………………………………………………………….50
5.2.1. Aspecte generale………………………………………………………………………….50
5.3.1 Cerințe impuse sistemelor de măsurare agreate……………………… ………..51
5.3.2. Structura si particularitatile sistemelor de masurare………………………….52
5.3.3. Divizoare de tensiune de impuls…………………………………………………….54
5.3.4. Aparate de măsurare pentru tensiuni de impuls………………………………..56
ANEXA 1……………………………………………………………………………………………………….57
BIBLIOGRAFIE …………………………………………………………………………………………….58
CONSIDERAȚII GENERALE PRIVIND ÎNCERCĂRILE CU TENSIUNI ÎNALTE
Introducere
[1]Încercarea echipamentelor electrice și energetice este strict necesară, atât pentru asigurarea calității constructive și funcționale a acestora, pe întreaga durata de viață, cât și pentru îndeplinirea condițiilor necesare de lansare în fabricație a unui produs (echipament).
Încercările echipamentelor electrice sunt divizate în două mari categorii:
– încercări la înaltă tensiune, pentru verificarea izolației electrice, caracterizate de tensiuni înalte și foarte înalte, dar curenți mici.
– încercări la curenți intenși, pentru verificarea la capacitatea de comutație a echipamentelor electrice, respectiv la solicitările termice și electrodinamice, caracterizate de curenți mari, dar tensiuni limitate, conform normelor de încercare.
În general încercările se divid în două mari clase:
– încercări de tip,
– încercări de serie.
La încercările de tip sunt verificate integral calitățile, proprietățile, parametrii electromagnetici ai aparatului, ai echipamentului în totalitate. Aceste încercări de tip sunt prevăzute pentru prototip, seria 0 sau după un număr de ani (periodic), perioadă după care se precizează că, deși lent, totuși au apărut anumite modificări în procesul de fabricație, anumite abateri de la produsul inițial.
Încercările de serie sunt prevăzute pentru marea serie de echipamente electrice, pentru fiecare produs sau pe loturi de produse, certificându-se parțial calitățile constructiv funcționale ale produsului.
Aceste încercări sunt efectuate în laboratoare specializate, laboratoare de înaltă tensiune (LIT) și mare putere (LMP), dotate cu instalații și stații adecvate pentru verificarea calității execuției echipamentului respectiv, precum și pentru obținerea atestării că echipamentul realizat va rezista pe întreaga durată de viață, dacă sunt îndeplinite condițiile de exploatare. Totodată, încercările mai urmăresc, în cazul în care echipamentul încercat nu rezistă la proba de verificare, să evidențieze și să localizeze defectele, deoarece unele dintre aceste sunt destul de greu de depistat, proiectantul și constructorul având nevoie de aceste informații. Cum, din păcate, nu există o singură metodă de a descoperi aceste defecte, pentru fiecare tip de defect
corespunzânde câte o metoda de încercare, cu instalația adecvată, rezultând că aceste laboratoare sunt foarte complexe, cu o multitudine de instalații de încercare, cu metodologii și aparatură standardizate de verificare.
1.1. Aspecte generale
Încercările izolațiilor cu tensiuni înalte distructive se efectuează în laboratoare speciale de înaltă tensiune prevăzute cu utilaj tehnologic corespunzător.
În funcție de scopul căruia îi sunt destinate și pentru care sunt utilate,
laboratoarele de înaltă tensiune pot fi:
– laboratoare de cercetare ale institutelor sau ale marilor firme producătoare;
– laboratoare uzinale, destinate încercărilor de tip și de control care se efectuează în fabricile producătoare asupra aparatajului de înaltă tensiune pe care acestea îl produc;
– laboratoare care deservesc sistemul energetic pentru efectuarea în special a încercărilor preventive asupra izolației echipamentului din sistem.
Utilajele de bază ale oricărui laborator de înaltă tensiune sunt reprezentate de sursele de înaltă tensiune, alternativă, continuă și de impuls, precum și de instalațiile de măsură adecvată.
La echipamentul electric de tensiuni înalte și foarte înalte, transporturile în aceste laboratoare fixe sunt deosebit de greoaie, motiv pentru care s-au creat instalații de încercare mobile, de performanțe ridicate. Pentru obținerea unor gabarite și greutăți minime s-au realizat variante constructive în mediul de SF6. [1]
O dotare completă a laboratorului – hală de înaltă tensiune, include și o instalație de ploaie artificială, iar unele laboratoare sunt prevăzute cu o sală anexă în care se dispune de o instalație de preparare a ceței saline. La dimensionarea laboratoarelor – hală de înaltă tensiune – trebuie să se țină seama de o serie de considerente tehnice și economice, cum sunt: asigurarea unor distanțe de izolație satisfăcătoare în condițiile unui volum cât mai mic al halei: dispunerea instalațiilor
de încercare și a obiectului de încercat astfel încât legăturile de racord să fie scurte, să fie ușor de observat din camera de comandă, să se poată asigura lucrările de întreținere și să se prevadă accesul ușor al echipamentelor de încercat în laborator. Camera de comandă, situată de obicei la o înălțime de circa 2-3m, are dimensiunile determinate de gabaritele pupitrelor de comandă.
1.2 Definiții referitoare la clasificarea izolațiilor
[2]Izolație externă: Izolația părților exterioare ale echipamentului, constând din distanțe de separare în aer și din suprafețele în contact cu aerul ale izolației solide ale unui echipament, care sunt supuse la solicitări dielectrice și la influența condițiilor atmosferice sau a altor agenți externi, precum poluarea, umiditatea, animale etc.
Izolație internă: Izolația părților interioare solide, lichide sau gazoase ale unui echipament, care nu este supusă influenței condițiilor atmosferice sau altor agenți externi, precum poluarea, umiditatea, animalele etc.
Izolație externă pentru echipamentul de interior: Izolația externă a unui echipament destinat să funcționeze în interiorul unei clădiri, care nu este deci expus influenței condițiilor atmosferice.
Izolație externă pentru echipamentul de exterior; Izolația externă a unui echipament destinat să funcționeze în exteriorul clădirilor, care este deci expus influenței condițiilor atmosferice.
Izolație autoregeneratoare: Izolație care își reface complet proprietățile sale izolante după o descărcare disruptivă; izolația de acest tip este, în general, dar nu obligatoriu, o izolație externă.
Izolație neautoregeneratoare: Izolație ale cărei proprietăți izolante se pierd sau nu se refac integral după o descărcare disruptivă; izolația de acest tip este, în general, dar nu obligatoriu, o izolație internă.[2]
1.3 Comportarea izolatiei instalatiilor electroenergetice
[1]Izolația echipamentelor electrice în exploatare este supusă unui ansamblu de solicitări de natură electrică, termică, mecanică, chimică, biologică, climaterică, etc., care determină proprietățile izolante. În afară de solicitările mecanice care pot produce spargerea „găurirea, fisurarea izolației”, în exploatare degradarea izolației se manifestă sub două aspecte principale:
– contaminarea sau poluarea izolației generată de influențele externe (praful
industrial umezit); este o degradare reversibilă;
– îmbătrânirea izolației datorită efectului cumulativ al descărcărilor parțiale și care conduce printr-un proces lent la degradarea ireversibilă a izolației echipamentelor electrice.
Viteza de îmbătrânire a izolației depinde de:
– calitatea materialelor electroizolante;
– particularitățile constructive;
– condițiile de funcționare.[1]
1.4 Nivelul nominal de izolație
Se definește prin:
a) pentru echipamentele cu tensiunea cea mai ridicată ≤ 245 kV:
– tensiunea nominală de ținere la impuls de trăsnet;
– tensiunea nominală de ținere de scurtă durată la frecvență industrială.
b) pentru echipamentele cu tensiunea cea mai ridicată > 245 kV:
– tensiunea nominală de ținere la impuls de comutație;
– tensiunea nominală de ținere la impuls de trăsnet.[2]
1.5 Dispunerea obiectului testat în testele uscate.
Caracteristicile descărcărilor disruptive ale unui obiect de testare cu izolație externă poate fi afectat de aranjamentul său general (de exemplu, efecte de proximitate, cum ar fi distanța în aer din alte structuri sau alte structuri vii sau legate la pământ, înălțimea deasupra nivelului solului și dispunerea acesteia sub înaltă tensiune). Regimul general ar trebui să fie specificat de către „Centrul tehnic general”.
NOTĂ: În cazul testelor de tensiune de comutare la impuls la mai mult de 750kV (de vârf), influența unei structuri din exterior poate fi considerată ca fiind neglijabilă în cazul în care distanța față de electrodul de tensiune, de asemenea, mai puțin decât înălțimea acestui electrod deasupra planului de înălțare. Un ghid pentru achiziții minim recomandat este dat de Figura 1., în funcție de cea mai mare tensiune de testare. Distanțele semnificative mai scurte pot fi adecvate individual. Cu toate acestea, o adaptare experimentală sau un calcul în domeniu, luând în considerare o dependentă de tensiune maximă exact cum se recomandă.
U – tensiunea de vârf [ kV ]
Figura 1.1. Distanța minimă recomandată față de obiectele străine sau legate la pământ în timpul unui test de curent alternativ sau impuls de comutație.
În cazul în care nu se specifică de către „Comitetul tehnic” , testul ar trebui să se facă la condițiile atmosferice ambiante din zona de încercare, fără precipitații sau poluare. Procedura de aplicare a tensiunii trebuie să fie specificată în clauzele standard.
1.6 Corecțiile atmosferice în testele uscate
1.6.1 Atmosfera standard de referință.
– Temperatura t0 = 20 °C ;
– Presiunea absolută p0 = 1 013 hPa (1 013 mbar)
– Umiditatea absolută h0 = 11 g/m3.
NOTĂ: O presiune absolută de 1013hPa corespunde cu înălțimea de 760 mmHg (barometru cu mercur) la 0°C. Dacă înălțimea barometrului este H [mmHg], presiunea atmosferică este în hectopascal: P = 1333 HhPa.
Corecția de temperatură în raport cu înălțimea coloanei de mercur este considerată ca fiind neglijabilă. Instrumentele ce corectează automat presiunea ducând-o la cea de la nivelul mării nu sunt adecvate și nu ar trebui să fie utilizate.
1.6.2. Factorii de corecție atmosferica pentru golurile de aer.
Descărcarea disruptivă a izolațiilor exterioare depinde ăn mare parte de condițiile atmosferice. De obicei, descărcarea disruptivă pentru o anumită cale de aer crește odată cu densitatea aerului sau umiditatea. Cu toate acestea, atunci când umiditatea relativă este mai mare de aproximativ 80%, tensiunea descărcării disruptive devine neregulată, în special în cazul în care descărcarea diruptivă are loc pe suprafața izolatorului.
Tensiunea descărcării disruptive este proporțională cu factorul de corecție atmosferică care rezultă din produsul a doi factori de corecție:
(1.1)
unde : -reprezintă factorul de corecție al densității
reprezintă factorul de corecție al umidității
1.6.3. Aplicarea factorilor de corecție.
1.6.3.1 Procedura standard.
Prin aplicarea factorilor de corecție, o tensiune de descărcare disruptivă măsurată în condițiile de temperatură („t” , presiunea „p”, umiditatea „h” ) poate fi convertită la valoarea la care au fost obținute în condițiile atmosferice standard de referință ( „” , , „ ).
Tensiunea de descărcare disruptivă, „U“, măsurată în condiții de testare indicate, este corectată cu „U0”, care corespunde atmosferei standard de referință prin împărțirea la „Kt”:
(1.2)
Raportul de încercare trebuie să conțină întotdeauna condițiile atmosferice reale în timpul testului și factorii de corecție aplicați.
1.6.3.2. Procedura inversă.
Pe de alta parte, în cazul în care o tensiune de testare este specificată pentru condițiile de referință standard, acesta trebuie să fie convertit în valoarea echivalentă în condițiile de testare si acest lucru poate necesita o procedură iterativă. În cazul în care nu se specifică de către „Comitetul tehnic”, tensiunea „U” care urmează să fie aplicată în timpul unui test de izolație externă, este determinată prin înmulțirea tensiunii de încercare specificată „U0” prin „Kt“:
(1.3)
NOTA 1: Atunci când „Kt” este aproape de o unitate, nu este nevoie de calculul iterativ.
NOTA 2: În corectarea tensiune-frecvență valoarea de vârf trebuie să fie utilizate, deoarece comportamentul de descărcare se bazează pe valoarea de vârf.
1.6.4 Componente ale factorului de corecție.
1.6.4.1 Factorul de corecție al densitatii. („”)
Factorul de corecție al densității „” depinde de densitatea relativă a aerului „δ” și poate fi, în general, exprimat ca:
(1.4)
unde „m” este exponentul densității aerului.
Când temperaturile „t” și „“ sunt exprimate în grade Celsius, iar presiunile „p” și „“ sunt exprimate în aceleași unități, densitatea relativă a aerului este:
(1.5)
1.6.4.2. Factorul de corecție al umidității („”)
Factorul de corecție al umidității poate avea următoarea expresie:
(1.6)
unde „w” este un exponent dat, iar „k” este un parametru care depinde de tipul de test de tensiune și poate fi obținut în funcție de raportul dintre umiditatea absolută, „h”, în raport cu densitatea aerului , „δ” , folosind următoarele ecuații (Figura 2.) :
NOTĂ: Ecuația de impuls se bazează pe rezultate experimentale pentru forme de undă pozitive-impuls de trăsnet. Această ecuație se aplică, de asemenea, la tensiuni negative de impuls de trăsnet și tensiuni de impuls de comutație.
DC
AC
Impuls
h/
Figura 1.2. Coeficientul k în funcție de raportul dintre umiditatea absolută h și densitatea relativă a aerului δ
Pentru nu poate fi specificată nicio corecție de umiditate.
1.7 Procedura de testare în condiții de umiditate.
Această procedură de testare în condiții de umiditate este destinată pentru a simula efectul ploii naturale asupra izolației exterioare autoregeneratoare.
Este recomandat pentru teste cu toate tipurile de tensiuni de test și pe toate tipurile de aparate.
Izolația trebuie să fie stropită cu apă de rezistivitate și temperatură precisă (a se observa Tabelul 1.1.) care se dispune pe izolație sub formă de picături (a se evita ceața) și va trebui direcționată vertical, iar componentele intensității de pulverizare să fie constante. Aceste cantități sunt pulverizate dintr-un vas având deschideri de la 100 cm2 până la 750 cm2. Izolația este supusă „precipitațiilor” din poziție verticală și orizontală.
În general, reproductibilitatea rezultatelor testului în condiții de umiditate este mai mică decât cea pentru testul de descărcare disruptivă sau de rezistență.
Pentru a minimiza dispersia, trebuie luate următoarele măsuri de precauție:
– Vasul de colectare se amplasează în apropierea obiectului de testare, dar evitând colectarea de picături sau stropi de pe izolație. Pe tot parcursul perioadei de măsurare, vaporizatorul trebuie deplasat lent, pe o suprafață suficientă pentru a media efectul de spray. Aceasta zonă de măsurare trebuie să aibă o lățime egală cu cea a izolației și înălțimea maximă de 1m.
– Pentru izolațiile cu înălțimea cuprinsă ăntre 1m si 3m, măsurătorile trebuie să fie făcute în partea de sus, în centrul sau în partea de jos a izolației. Fiecare zonă de măsură trebuie să acopere doar o treime din înălțimea obiectului testat.
– Pentru izolațiile ce depășesc înâlțimea de 3m, numărul zonelor de măsurare trebuie să fie crescut pentru a acoperi întreaga înălțime a obiectului testat.
– Procedurile de mai sus trebuie să fie adaptate în mod corespunzator pentru izolațiile autoregeneratoare.
– Pentru o precizie cât mai marită a rezultatelor măsurarii, izolația este curățată cu o substanță activă (detergent), care trebuie îndepărtat înainte de începerea măsurătorilor.
– Precizia rezultatelor poate fi, de asemenea, afectată de o precipitare locală mai mare sau mai mică. Se recomandă îmbunătățirea uniformizării de pulverizare.
Aparatul de pulverizare trebuie să fie ajustat pentru a produce, în limitele de toleranță specificate și a condițiilor izolației testate
Tabelul 1.1.
Temperatura apei și rezistivitatea se măsoară pe un eșantion de colectat înainte ca apa să ajungă la obiectul testat. Ele pot fi, de asemenea, măsurate și în alte locuri (de exemplu, într-un rezervor de stocare), cu condiția ca acest control să asigure că nicio schimbare nu are loc în timp ce apa atinge izolația testată.
Izolația trebuie să fie preumezită inițial, timp de cel puțin 15 minute, sub specicațiile și condițiile de mai sus, iar aceste condiții trebuie să rămână în limitele de toleranță secificate pe tot parcursul testării. De asemenea, este posibil să se efectueze o inițială preumezire timp de 15 minute necondiționat, urmat fără intrerupere de o a doua preumezire de cel puțin 2 minute înaintea începerii testului, folosind apa cu tot cu condițiile de precipitare corecte.
Cu excepia cazului în care se prevede altfel de catre Comitetul Tehnic, procedura de testare in condiții de umiditate trebuie să fie aceeași cu cea specificată pentru testele uscate corespunzătoare. Durata de încercare pentru testele cu o tensiune alternativă trebuie să fie de 60 de secunde, în cazul în care nu se specifică altfel. În general, se recomandă a fi permisă o singură conturnare cu condiția că într-un test de repetare, nu va mai avea loc înca una.
1.8 Procedura de testare în condiții uscate.
1.8.1 Tensiunea de testare
Tensiunea de încercare trebuie să fie o tensiune alternativă care are în general o frecvență încadrată în intervalul 45Hz și 65Hz, în mod normal, menționată ca tensiune de încercare la frecvență. Testele speciale trebuie să aibă loc la frecvențe considerabil mai mici sau mai mari decât acest interval.
Undele de tensiune trebuie să fie aproximativ o sinusoidă cu diferențe ale vârfurilor amplitudinilor pozitive și negative cu valori mai mici de 2%.
Rezultatul testelor la tensiune înaltă sunt considerate a nu fi afectate de mici abateri ale unei sinusoide dacă raportul dintre vârfuri are o valoare egală cu
Pentru unele circuite de testare se folosesc abateri mai mari ce pot fi acceptate. De remarcat este faptul că obiectul de testare are caracteristici neliniare, fapt pentru care se va afecta în mod considerabil abaterea de la sinusoidă.
1.8.2 Gestionarea tensiunii de test.
Tensiunea folosită în teste este, în general, provenită de la un transformator ridicător de tensiune. Altenativ, poate fi generată prin intermediul unui circuit cu rezonanță serie sau paralel.
Tensiunea în circuitul de încercare trebuie să fie suficient de stabilă pentru a fi, practice, neafectate de variația curenților de scurgere. Descărcările nondiruptive în obiectul supus încercării nu trebuie să reducă tensiunea de încercare într-o asemenea măsură.
NOTĂ: Se atrage atenția asupra posibilității că aceste descărcări nondistruptive pot cauza oscilații ale tensiunii la bornele obiectului de test. Acest fenomen poate produce dezafectarea obiectului de încercare sau al sursei de testare. Introducerea unei rezistențe în circuitul de înaltă tensiune poate anula astfel de fenomene tranzitorii de supratensiune, dar rezistența trebuie să aibă o valoare destul de scăzută, astfel încât să nu afecteze tensiunea de testare livrată către obiectul supus încercării.
1.8.3. Abateri.
Pentru durate de testare care să nu depășească 60 de secunde, valorile măsurate ale tensiunii de încercare trebuie să fie menținute între din nivelul specificat pe tot parcursul încercării. Dacă testul durează mai mult de 60 de secunde, valoarea măsurata a testului de tensiune trebuie să se mențină într-un interval de a nivelului de tensiune specificat în test. Sursa de tensiune de testare ar trebui să fie adecvată pentru a furniza curenți de descărcare tranzitorii, chiar și în cazul testelor in condiții de umiditate și poluare cu o cădere de tensiune de până la 20%.
1.8.4. Rezonanța circuitului serie.
Rezonanța circuitului serie este compusă, în principal, de o bobină cu inducție în serie cu un obiect capacitiv sau de sarcină conectate la o sursă de alimentare de medie tensiune. În mod alternativ, poate consta într-un condensator în serie cu un obiect de test inductiv. Prin varierea parametrilor circuitului sau a frecvenței de alimentare, circuitul poate fi reglat la o anumită rezonanță, atunci când o tensiune este considerabil mai mare decât cea a sursei.
Stabilirea condițiilor de rezonanță și a tensiunii de testare depinde de stabilirea frecvenței de alimentare și a caracteristicii sistemului de testare, descris de factorul de calitate ca fiind raportul dintre puterea reactivă de testare și pierderea de putere.
Atunci când are loc o descărcare, capacitatea circuitului se descarcă instantaneu, iar curentul de la sursă este relativ scăzut. Limitarea curentului imediat după descarcare produce, în general, mai puține daune obiectului testat.
Circuitul serie rezonant poate furniza curenți de suntare mai mari dupa ce se adaugă o capacitate suplimentară în circuit.
Circuitul serie rezonant poate fi nepotrivit pentru testarea izolațiilor externe sub condiții umede sau de poluare. În general, testele în condiții de umezeală pot să fie realizate prin adăugarea unei capacități de preîncărcare adecvate.
1.8.5. Procedura de încercare.
Tensiunea trebuie să fie aplicată la obiectul de test, începând de la o valoare scăzută pentru a evita orice efect de supratensiuni tranzitorii de comutație datorită condițiilor de rezonanță necontrolate. Nivelul de tensiune ar trebuie să fie ridicat suficient de lent pentru a permite citirea instrumentului de măsurare. Aceste cerințe sunt în general respectate dacă rata de creștere este de aproximativ 2% din „U” per secundă atunci când tensiunea este de peste 75% din „U”. Aceasta este menținută pentru timpul specificat și apoi rapid scăzută, dar nu brusc intreruptă deoarece acest lucru poate genera fenomene tranzitorii de comutație care ar putea deteriora rezultatele de încercare.
Durata testului este specificata de „Comitetul tehnic” și trebuie să fie dependent de frecvența în intervalul de 45Hz până la 65Hz. Durata testului este de 60 de secunde. Cerințele testului sunt îndeplinite în cazul în care nu se produce o descărcare disruptivă perturbatoare asupra obiectului testat.
1.8.5.1 Producerea descărcării disruptive în timpul procedurii de încercare.
Tensiunea trebuie să fie aplicată si ridicată continuu, până când se produce o descărcare disruptivă asupra izolației. Ultima valoare a tensiunii de test se înregistrează înainte de momentul descărcării. Acest lucru se repetă de câte ori se specifică în procedura de testare și la un set de tensiuni de măsurare.
1.9 Procedura de încercare a izolațiilor cu impuls de trăsnet.
1.9.1. Considerații generale
Tensiunea de impuls = tensiunea tranzitorie este aplicată în mod intenționat aperiodic, care, de obicei, crește rapid la o valoare de vârf și coboară încet spre zero (0).
Notă: Impulsurile sunt aproximativ liniare, cu vârful de front la o valoare ridicată sau cu o formă aproximativ rectangulară.
Tensiunea de impuls are un timp de front mai mic de 20 .
Tensiunea de impuls de trăsnet, care nu este afectată de descărcările disruptive:
În cazul în care unei izolații i se aplică o undă de impuls, având o amplitudine suficient de mare, apare o descărcare, iar tensiunea se reduce până la valoarea zero sau apropiată de această valoare, cu sau fără oscilații; prin acesta are loc tăierea undei. În practică interesează momentul tăierii undei.
Tensiunea standard de impuls de trăsnet este o tensiune constantă cu un timp de front de 1,2 (și o valoarea a timpului de spate de 50descris ca un impuls de 1.2/50).
1.9.2. Abateri privind tensiunea impulsului de trăsnet.
În cazul în care acestea nu se specifică de către „Comitetul Tehnic”, următoarele diferențe sunt acceptate între valorile specifice de la impulsul standard și cele calculate de la curba tensiunii de testare:
-Valoarea tensiunii de testare
-Timpul de front
-Timpul de spate
În cazul în care nu se specifică astfel de abateri, valoarea relativă nu trebuie să depășească 10%. Pentru anumite circuite de test și obiecte de testare, formele de undă cu toleranțe stabilite pot fi imposibil de realizat.
1.9.3 Procedurile de încercare.
Procedura de testare recomandată depinde de natura obiectului de testare.
În rândurile următoare vor fi prezentate patru proceduri de testare. În primele trei proceduri este specificată tensiunea aplicată obiectului testat, în timp ce în cea de-a patra testare sunt aplicate mai multe niveluri de tensiune.
1.9.3.1Testul de rezistență la tensiune de impuls: Procedura 1.
Procedura de trei impulsuri la o formă specificată și polaritatea la nivelul de tensiune sunt aplicate obiectului supus încercarii. Cerințele testului sunt îndeplinite dacă nu se obține niciun indiciu de eșec.
NOTĂ: Această procedură este recomandată pentru testele de izolație degradabilă sau nonautoregeneratoare.
1.9.3.2 Testul de rezistență la tensiune de impuls: Procedura 2.
Cinsprezece impulsuri la o formă și polaritate specificată sunt aplicate obiectului de test. Cerințele de testare sunt îndeplinite dacă nu apar mai mult de două descărcări disruptive asupra izolației autoregeneratoare și daca nu au apărut erori de detectare specificate de Comitetul Tehnic.
NOTĂ: Dacă nu sunt specificate astfel de erori din partea Comitetul Tehnic, ar putea fi luate în considerare ca un indiciu că nu se va întampla niciun fel de eșec asupra izolației nonautoregeneratoare, când ultimele trei impulsuri nu au condus la o descărcare disruptivă.
În cazul unei descărcari disruptive produse de unul din impulsurile 13, 14, 15, pot fi aplicate înca trei impulsuri suplimentare (maxim 18 impulsuri). Atunci când nu are loc o descărcarcare disruptivă, obiectul a trecut testul.
1.9.3.3 Testul de rezistență la tensiune de impuls: Procedura 3.
Obiectul încercat este supus la 3 impulsuri cu o formă și polaritate specificate. În cazul în care nu apare nicio descărcare disruptive, rezultă că obiectul a trecut testul.
În cazul în care a avut loc cel puțin o descărcare disruptivă, obiectul nu a reușit să treacă testul. Dacă apare o descărcare în partea de izolație autoregeneratoare, obiectul este supus unor noi încercări, iar în cazul în care nu reapare nicio descărcare obiectul a trecut testul.
1.9.3.4 Testul de rezistență la tensiune de impuls: Procedura 4.
Pentru izolația autoregeeratoare, impulsul de 10% al tensiunii de descărcare disruptivă „U10” pot fi evaluate de o procedură de test statică. Această metodă de testare permite evaluarea directă a tensiunii „U10” și „U50” sau prin evaluarea indirecta a „U10”.
Comitetul Tehnic precizează valoarea care trebuie asumată din standardul abaterilor „s” ale tensiunilor de descărcare disruptivă. Pentru testele în condiții uscate cu izolație prin aer, fără a fi implicate altfel de izolații, valoarea abaterilor care poate fi utilizata este “s =0.03”.Obiectul de test poate fi considerat satisfăcător dacă tensiunea „U10” este mai mare decât tensiunea de impuls specificată.
1.9.4 Procedura de încercare a izolațiilor prin tensiuni de comutație.
Tensiunea de comutație standard are un timp de front de 250 și un timp de spate de mijloc de 2500
1.9.4.1 Abateri.
În cazul în care nu se specifică de către Comitetul Tehnic, se vor prezenta abaterile standard:
Valoarea tensiunii de test
Timpul de vârf
Timpul de
În anumite cazuri, de exemplu, unor anumite izolații cu impedanță redusă le poate fi dificil să se adapteze la forma impulsului și se incadrează întotdeauna în toleranțele recomandate.
1.9.4.2. Procedura de încercare.
Procedurile de încercare sunt, în general, aceleași ca cele pentru încercarile la impuls de trăsnet. Cu excepția cazului în care se prevede astfel, abaterea standard, în valoare per unitate, a tensiunii disruptive pentru testele în conditii uscate și umede, fără nicio altă izolașie implicată.[3]
2. ÎNCERCĂRI ȘI METODE DE ÎNCERCARE CU TENSIUNI DE IMPULS.
FORME DE IMPULS STANDARDIZATE FOLOSITE PENTRU ÎNCERCĂRI.
2.1 Forme standardizate de tensiune.
[3]Undele de supratensiune datorate descărcărilor atmosferice sau comutațiilor au forme foarte variate, depinzând de mai mulți factori. În general, au o formă aperiodică cu front scurt și spate mai lung. Întrucât, pe lîngă amplitudinea supratensiunilor, forma acestora influențează rigiditatea izolației este foarte important ca toate laboratoarele folosească aceeași formă de impuls pentru încercarea izolației.
Legile după care evoluează în timp tensiunea în diversele puncte ale unei rețele pe durata unui regim tranzitoriu apărut din cauze interne sau externe, sunt extrem de diverse.
Pentru verificarea comportării izolațiilor la astfel de solicitări, au fost stabilite o serie de forme standardizate de tensiune. Acestea sunt:
a) Tensiunea standardizată de frecvență industrială, de scurtă durată – 50Hz. Tensiune sinusoidală cu frecvența de 50 Hz care se aplică timp de 60 secunde. Solicitarea este considerată ca fiind echivalentă solicitării reale produse în rețele de supratensiunile temporare.
Figura 2.1. Solicitare reală.[3]
Figura 2.2. Forma standardizată de tensiune.[3]
b) Tensiunea standardizată de impuls de comutație – duratele frontului și spatelui impulsului fiind mult mai mari decât ale impulsului de trăsnet, acestea se măsoară de la originea reală a impulsului, deoarece eroarea care ar putea fi comisă este neglijabilă. Durata spatelui este definită ca intervalul de timp până la 50% din amplitudine. Timpul până la vârf se măsoară de la originea reală până la vârf. Forma standard a impulsului este indicată în același mod ca pentru impulsul de trăsnet: 250/2500μs. Solicitarea este considerată ca fiind echivalentă solicitării reale produse în rețele de supratensiunile de comutație.
Figura 2.3. Solicitare reală.[3]
c) Tensiunea standardizată de impuls de trăsnet – ITT Un impuls de tensiune având o durată convențională a frontului de 1.2 µs și o durată a spatelui de 50 µs. Solicitarea este considerată ca fiind echivalentă solicitării reale produse în rețele de supratensiunile de trăsnet.
Pentru impulsul de trăsnet, durata până la vârf se determină trasând mai întâi o linie între două puncte: acelea în care tensiunea este, pe front, de 30%, respectiv 90% din valoarea de vârf. Punctul în care această dreaptă taie axa abscisei este numit origine virtuală și toate intervalele de timp de măsoară de la acest punct. Apoi se trasează o linie orizontală la nivelul de vârf, care se intersectează cu linia precedentă. Intervalul de la originea convențională până la abscisa acestui punct de intersecție este durata de front sau durata convențională a frontului, . Durata frontului impulsului de trăsnet poate fi exprimată prin relația:
(2.1)
Figura 2.5. Tensiunea de impuls.[3]
Durata convențională a frontului 1.2
Timpul de semiamplitudine
Timpul de semiamplitudine ,, este durata de la originea virtuală până la punctul în care amplitudinea scade la 50% pe spatele impulsului.[3]
2.2 Teste pentru verificarea ținerii izolației la impulsuri de trăsnet și de comutație.
Încercările pentru verificarea ținerii izolației la impulsuri de trăsnet și de comutație se împart în convenționale și statistice. Deoarece nivelele convenționale sunt legate de izolația neautoregeneratoare, trebuie ca și încercările să fie nedistructive. De aceea, încercarea constă în aplicarea unuia sau mai câtorva impulsuri având forma standard și amplitudinea egală cu nivelul standardizat de ținere a izolației la impulsuri de trăsnet sau de comutație. Dacă nu apare nicio descărcare disruptivă, testul este trecut. Dacă apar defectări cu ocazia încercării, echipamentul este rebutat. În cazul seriilor de fabricație medii sau mari, se poate admite, eventual, o rată de eșec, dar foarte mică. De exemplu, pentru transformatoare, dacă această rată atinge 1%, producția trebuie oprită și să se revadă proiectul sau tehnologia de fabricație.
Considerând definirea statistică a ținerii izolației la impulsuri de trăsnet sau de comutație, teoretic, niciun test nu poate dovedi că probabilitatea de defectare a izolației este de 10%. Dacă izolația este autoregeneratoare, sunt permise mai multe descărcări disruptive. Sunt posibile mai multe tipuri de teste pentru estimarea și . Teoretic, ar putea fi determinată întreaga caracteristică a rigidității din fig.1.3, de unde pot rezulta și . Totuși, astfel de teste nu se fac, cu excepția fazei de proiectare a echipamentelor, fiind costisitoare și consumând mult timp. Pentru omologare, predomină două tipuri de teste.
2.3. Determinarea valorilor
O altă metodă pentru specificarea ținerii izolatiei este determinarea parametrilor .
Aceasta metodă se folosește numai pentru izolația autoregeneratoare, dacă sunt admise descărcările. Realizarea acestor teste se poate explica printr-un exemplu. Se presupune că în laborator se aplică impulsuri de comutație unui izolator de stâlp. Mai întâi, se aplică de 100 ori un impuls cu amplitudinea de 950 kV, iar două dintre impulsuri produc conturnarea izolatorului, astfel că probabilitatea de conturnare este 0,02.
Procentul de conturnare este de 50%. Apoi amplitudinea este mărită sau redusă pentru a obține alte rezultate, precum acelea cuprinse în tabelul următor. (Tabelul 2.1)
Tabelul 2.1.
Aceste rezultate sunt reprezentate pe o hârtie probabilistică normală sau Gaussiană și se trasează cea mai potrivită dreaptă printre acele puncte, ca în figura 1.5. Valoarea medie, pentru 50% probabilitate, se obține din acest grafic și aceasta este . Conform ecuației distribuției cumulate de probabilitate Gauss, deviația standard este diferența de tensiune între punctele de 16% și 50% sau între 50% și 84%. În fig. 1.5, rezultă a fi 1000 kV, iar deviația standard, σf este de 50 kV. Astfel, este 5%. Dacă se dorește , valoarea poate fi găsită la probabilitatea de 10% și este de 936 kV. Cei doi parametri, și σf complet caracteristicile izolației pe baza ipotezei că este adecvată în acest caz distribuția cumulativă Gauss.
Numarul de conturnari, %
Figura 2.6 Caracteristica ținerii izolației pe o hârtie probabilistică Gauss
Distribuția cumulată Gauss este nelimitată la stânga. Desigur, în practică nu este așa, deoarece există o tensiune sub care descărcările nu se mai produc, deci probabilitatea de conturnare este nulă. De asemenea, peste o altă amplitudine a impulsurilor, toate incercările produc descărcări electrice, deci probabilitatea de conturnare este “1”. Totuși, în realitate, caracteristica izolației este valabilă până la față de , ceea ce este suficient pentru toate aplicațiile.
Aplicarea procedeului descris mai sus pentru determinarea parametrilor statistici ai ținerii izolației autoregeneratoare este greoaie prin timpul necesar aplicării unui număr suficient de mare de impulsuri pentru ca eroarea statistică să fie rezonabil de mică. În cele mai multe cazuri, se dorește să se obțină experimental valoarea pentru o izolație, mai ales când se fac teste cu impulsuri de trăsnet. Un procedeu folosit frecvent este numit metoda sus-jos:
1. Se estimeaza . Se aplică un impuls. Daca apare descărcarea, se reduce tensiunea cu cca. 3%. Dacă nu apare descărcarea se mărește tensiunea cu 3%. În continuare, dacă apare descărcarea, se scade tensiunea cu 3%, iar dacă nu apare, se crește cu 3%.
Se continuă astfel până la cca. 50 impulsuri. Se exclud impulsurile la care nu a apărut nicio descărcare. este media aritmetică a amplitudinilor impulsurilor.
Pe baza acestei valori și adoptând coeficienți de variație recomandați pentru izolația autoregeneratoare, în cazul impulsurilor de trăsnet sau de comutație, se încercare statistice și , folosind ecuațiile (1.2).
(2.1)
2.3.1 Metoda palierelor multiple.
[4] Într-un test de clasa 1, tensiunea aplicata (ex. tensiunea de impuls de trăsnet) provoacă descărcare disruptivă, aplicată la fiecare nivel de tensiune “m”
, (i = 1, 2,…, ), cu diferență între nivelurile de tensiune unde “i” ia valori (i = 1, 2, …, m-1). Această procedură este folosită de obicei cu impulsuri de tensiune, teste cu curent alternativ.
NOTĂ: Parametrii trebuie sa fie selectați după cum urmează: pentru ; .
Rezultatele testelor sunt și numărul corespunzător, , provocând descărcări disruptive la fiecare nivel de tensiune
2.3.2.Metoda sus-jos.
Într-un test de clasa 2, în care m sunt seriile acceptate și n, nivelurile de tensiune aplicate Nivelul de tensiune pentru fiecare grup succesiv de solicitari a crescut sau a scăzut cu o cantitate mică fără a provoca probleme.
Două proceduri de testare sunt utilizate în mod obișnuit: procedura de rezistență, în vederea identificării nivelelor de tensiune corespunzătoare probabilității scăzute de descărcare disruptivă și procedura de descărcare disruptivă, care se execută la nivele de tensiune cu probabilități mari de descărcare.
În procedura de rezistență, nivelul de tensiune crește cu o sumă fără să provoace descărcări disruptive, apoi este scăzut cu aceeași sumă. În cadrul procedurii privind descărcarea disruptivă, nivelul de tensiune este crescut cu o unitate până apar una sau mai multe rezistențe.
În caz contrar, nivelul de tensiune este diminuat cu aceeași unitate. Atunci când n=1 , cele două proceduri converg la procedura „sus-jos “ .Testele cu alte valori ale lui n sunt de asemenea folosite pentru determinarea tensiunii corespunzătoare altor descărcări disruptive.
Rezultatele sunt evidențiate de reprezentând numărul de solicitări aplicate la nivelurile de tensiune. Primul nivel de tensiune care trebuie luat în considerare este acela precedat de ultimele două supuneri aplicate. Numărul total de grupe utilizate sunt:[4]
la nivelul de tenisune
3. STRUCTURA ȘI FUNCȚIONAREA INSTALAȚIILOR DE ÎNCERCARE CU TENSIUNI DE IMPULS ÎNALTE.
3.1 Generatoare de impuls de tensiune.
[5] Generatoarele de impuls produc tensiunea de impuls în scopul verificării nivelelor de izolație și de protecție, în concordanță cu principiile coordonării izolației. De asemenea, aceste generatoare se folosesc în uzine și în institute de cercetări, la dezvoltarea echipamentului electric nou prin studierea fenomenelor fizice specifice impulsului de tensiune și de curent: producerea descărcării în diferite medii, apariția ionizării la impuls, stabilirea caracteristicilor volt-secundă ș.a.
Generatorul de impuls a fost construit de N. W. Balkin la o propunere a prof. W. K. Arkadeiev, încă din anul 1914. Ulterior, în anul 1923 E. Marx a patentat un dispozitiv asemănător cu cel realizat de Balkin. În esență, generatorul de impuls constă dintr-o baterie de condensatoare încărcată în paralel, cu un curent continuu, baterie care se descărcă aperiodic prin conectarea condensatoarelor în serie. Descărcarea se realizează în aer cu ajutorul eclatoarelor sferice. Generatoarele de tensiuni relativ reduse pot avea un singur etaj, iar descărcarea condensatorului se realizează mai sigur printr-un tiratron de înaltă tensiune.
Generatoarele de impuls normale, care produc undă de impuls aperiodica, ca fenomen care nu se repetă, se construiesc astăzi până la cele mai mari tensiuni. Generatoarele de impuls care poduc undă aperiodica, cu o frecvență de repetiție de 50 Hz, servesc la încercările pe modele și la defectoscopia mașinilor electrice. Aceste generatoare se consruiesc pentru tensiuni relativ joase de 500-10000 V.[1] 3.1. Teoria schemelor de baza.
În practică, astăzi, sunt folosite mai multe scheme de bază, dintre care cele mai utilizate sunt cele din figura 3.1., de unde se poate constata ca în toate circuitele există două acumulatoare de energie: fie două condensatoare, fie un condensator și o inductivitate. În schemele din figura 3.1., condensatorul se încarcă la tensiunea și se descarcă apoi pe o impedanță complexă. Tensiunea de impuls utilă, care se aplică obiectului de încercat, s-a notat cu u.
Dintre schemele din figura 3.1., numai schema c are structura diferită, celelalte scheme fiind cazuri particulare. Astfel, schema a derivă din schema c, dacă ; schema b deriva din schema c, dacă Din această cauză, determinarea expresiei analitice a tensiunii de impuls u se va face numai pentru schema c.
Figura 3.1. Schemele de bază ale generatoarelor de impuls[5].
3.1.1. Prezentarea schemei c din figura 3.1
După amorsarea eclatorului , la timpul sunt valabile relațiile:
(3.1)
(3.2)
(3.3)
Prin eliminarea curenților si și rezolvarea sistemului de ecuații în raport cu din (3.1), (3.2) și (3.3) se obține :
(3.4)
Aplicând relației (3.4) transformarea Laplace, ținand seama de condițiile inițiale: se obține:
(3.5)
unde: (3.6)
(3.7)
(3.8)
Dacă se introduc următoarele notații:
(3.9)
(3.10)
Relația (3.5) se transformă în:
(3.11)
Funcția original u se obține cu ajutorul formulei dezvoltate a lui Heaviside,
(3.12)
unde:
si
Prin introducerea în plus a notației:
(3.13)
relația (3.12) se trasformă în :
. (3.14)
Relația (3.14) reprezintă o undă aperiodica rezultată din adunarea a două funcții exponențiale din care una cu semnul plus, iar cealaltă cu semnul minus, sau ceea ce se numește o undă dublu exponențială.
Procesul producerii undei de impuls se poate explica și calitativ. Durata frontului undei este determinată, în esență , de rezistențele serie, de amortizarea si de capacitatea de sarcină . Durata semiamplitudinii este determinată de capacitatea de impuls ( La amorsarea eclatorului se produce descărcarea capacității de sarcină pe rezistența de descărcare și concomitent încărcarea capacității de impuls prin rezistența de amortizare. Influența capacității de sarcină dispare odată cu producerea frontului undei, deoarece constanta de timp este mult mai mică decât constanta de timp
3.2. Coeficientul de utilizare al schemelor de bază
Tensiunea de impuls dată de (3.14) se poate scrie simplificat
(3.15)
Valoarea maximă a lui u se obține la timpul t dat de
(3.16)
din care rezultă
sau ținând seama că
si
se obține :
(3.17)
Valoarea maximă a tensiunii de impuls se obține din (3.15). Prin gruparea unor termeni, această relație se scrie:
(3.18)
Din (3.18) rezultă că expresia se poate determina numai în funcție de și că prin împărțirea expresiei D cu se obține coeficientul de utilizare al schemei, care este raportul între valoarea maximă a tensiunii de impuls și tensiunea de încărcare a condensatorului .
Calculul analitic al coeficientului de utilizare nu prezintă importanța practică. Acest coeficient se va determina pe cale grafică mult mai ușor.
Coeficientul de utilizare depinde de valorile lui . Pentru schema de bază a din figura 3.1., coeficientul de utilizare optim se obține pentru raportul
Acest coeficient de utilizare relativ redus se explică prin căderea de tensiune pe rezistența , în momentul când tensiunea la bornele condensatorului este maximă. Într-adevăr, procesul producerii undei de impuls comportă schematic o primă fază, a încercării condensatorului , până la o valoare a tensiunii egală cu a condensatorului și apoi a doua fază a descărcării ambelor condensatoare pe rezistența .
Schema b din figura 3.1. are un coeficient de utilizare mai bun, deoarece în momentul existenței tensiunii maximale la bornele condensatorului , prin rezistența nu trece niciun curent. Cu cât capacitatea condensatorului este mai mică față de , cu atât coeficientul de utilizare al schemei b este mai mare. Pentru raportul se obțin valori ale coeficientului de utilizare cuprinse între 0.95 și 0.875 la unda 1.2/50.
În ambele scheme trebuie observat că valoarea capacității , pentru uzul curent, este de ordinul 1000-2000pF, astfel că prin însumarea cu o capacitate adițională proprie obiectului de încercat să nu se modifice esențial forma undei. La încercarea transformatoarelor trebuie făcute calcule speciale pentru determinarea capacității adiționale.
Schema a și b din figura 3.1 reprezintă cele mai răspandite scheme în practică, au coeficientul de utilizare apropiat. Într-adevăr, rezistența are valori de ordinul Ω-Ω și în fond este rezistența divizorului de tensiune rezistiv. O asemenea rezistență derivă din circuitul principal un curent relativ mic.
În figura 3.2. se dau coeficienții de utilizare ai principalelor scheme folosite în laboratoarele de înaltă tensiune.
Figura 3.2 Coeficientii de utilizare ai schemelor de impuls.[5]
3.3. Calculul elementelor schemei generatorului de impuls
De importanță practică în laboratorul de înaltă tensiune este calcularea elementelor schemei generatorului de impuls pentru a obține o undă predeterminată, în general unda impusă de standarde. Schema unui generator de impuls este perfect definită dacă se cunosc cei trei parametri: Într-adevar, examinând relația (3.14) se consideră următoarele:
Parametrul (3.10 s.a.) determină forma undei de impuls, adică raportul dintre durata frontului și durata semiamplitudinii. La diferite valori ale parametrului se obțin unde cu rapoarte .
Parametrul definește durata în sine a frontului si semiamplitudinii.
Parametrul determină amplitudinea undei de impuls sau coeficientul de utilizare a schemei.
Din punct de vedere practic, problema este ceva mai simplă, întrucât câteva elemente ale schemei se pot preciza fără dificultate. Astfel, în primul rând se alege valoarea capacității condensatorului de sarcină , ca valoare minimală de 500-2000pF. Apoi, pentru a obține un coeficient de utilizae cât mai bun, se alege raportul așa cum s-a arătat la capitolul 3.2.. În plus, rezistența este cunoscută ca fiind rezistența divizorului de tensiune. În aceste condiții, pentru exemplul ales, mai trebuie determinate rezistențele , ceea ce este posibil.[5]
Figura 3.3. Reprezentarea produsului ηU funcție de t/θ, la diferite valori ale lui α.[5]
3.3.1 Calculul grafic.
La determinarea elementelor schemei pe cale pur analitică se întâmpină greutăți de netrecut, deoarece într-o singură ecuație sunt de precizat trei condiții:. Rezolvarea pe cale parametrică grafică este cea care conduce la rezultate practice.
Relația (3.14), care se scrie sub forma:
(3.19)
servește la trasarea familiei de curbe, unde U se consideră egal cu unitatea și unde se consideră ca parametru cu valori cuprinse între 1 și 12, iar variabila este .
Pentru a folosi familia de curbe din figura 3.3, trebuie făcute unele observații în legatură cu definiția tensiunii de impuls. Astfel, recomandările CEI conform figurii 3.4, a, consideră durata convențională a frontului în timp ce recomandarile noi, conform figurii 3.4, b, definesc durata convenționala a frontului Din punct de vedere practice, duratele ale frontului, calculate după
Figura 3.4. a) Definiția veche și b) definiția nouă a frontului tensiunii de impuls după recomandările CEI[5].
cele doua recomandari, diferă între ele foarte puțin. Trebuie menționat că pe oscilogramele reale aprecierea valorii 0.1 U, în cazul figurii 3.4, a, este dificilă din cauza oscilațiilor inițiale pe frontul undei; de aceea, recomandările noi ale CEI prevăd definirea frontului undei în funcție de 0.3U.
Durata convențională a semiamplitudinii conform recomandărilor CEI se consideră începând de la originea convențională . Eroarea care se face prin considerarea originii punctului O în locul punctului , în figura 3.4, este neînsemnată, astfel că în diagramele ce urmează, durata semiampliturdinii este marcată de timpul având ca origine punctul
Pe baza familiei de curbe trasate în figura 3.3 și cu precizările făcute asupra frontului și semiamplitudinii se trasează în diagama din figura 3.5 curbele:
(1) care se confundă practic cu
conform definiției frontului din figura 3.4, b.
(2)
(3)
Figura 3.5. Curbele (1) ; (2) ; (3) [5].
Observație: Datele din acest tabel sunt valabile atât pentru schema de baza c din figura 3.1, cât și pentru schemele a (și b (.
În tabelul de mai sus se dau relațiile de calcul pentru parametrii generatorului de impuls, când se cunosc elementele schemei și valorile elementelor schemei, în funcție de parametrii generatorului și elementele inițiale ale schemei.
3.3.2. Exemplu de calcul.
În practică se pun două tipuri de probleme în ce privește calulul generatoarelor de impuls. Primul tip de probleme se referă la determinarea rezistențelor din schema pentru valori date ale capacității condensatoarelor în scopul obținerii unei forme date a undei de tensiune. Al doilea tip de probleme se referă la determinarea formei de unde de tensiune pentru un generator existent, a cărui schemă de principiu se cunoaște.
Determinarea rezistențelor. Un generator de impuls are capacitatea de impuls , iar capacitatea de sarcină . Schema generatorului este de tip e din figura 3.1. Rezistența a divizorului de tensiune este de 10000Ω. Urmează să se determine valorile rezistențelor pentru a obține unda 1/50. În acest scop se folosește figura 3.5 și tabela 3.2 unde, oe schema, rezistența are valoarea zero.
Din figura 3.5 curba (1) pentru indica Pentru curba (2) indica ; de unde rezulta ca .
Din tabela 3.2 rezultă succesiv:
(3.20)
(3.21)
(3.22)
(3.23)
(3.24)
(3.25)
Pentru determinarea coeficientului de utilizare se calculeză folosind tabela 3.2
(3.26)
Din figura 3.5 curba (3) la rezultă , de aici:
(3.27)
Observație : Rezistența este o rezistență echivalentă rezultată din conectarea în paralel a rezistenței de derivație a generatorului cu rezistența internă . Rezistenta rezultă din conectarea în serie a rezistențelor de încarcare a fiecărui etaj al generatorului. Astfel, la generatorul considerat cu șapte etaje, există șase rezistențe de încarcare de câte 10000, totalizând la conectarea lor în serie 60000. Rezistența a generatorului este:
(3.28)
Determinarea formei undei. Se consideră un generator care are următoarele constante ale schemei e (fig 3.1)
Se cere să se determine forma de undă a tensiunii produse de generator. Folosind tabela 3.2 se calculează succesiv (cu )
(3.29)
(3.30)
(3.31)
Din figura 3.5, pentru , se obține :
si (3.32)
Rezultă și
3.4 Generatoarele de impuls cu mai multe etaje.
Schemele de bază ale generatoarelor de impuls indicate în figura 3.1 se pot folosi direct până la tensiuni de circa 100kV. Pentru tensiuni de impuls mai mari se folosesc scheme cu mai multe etaje, așa cum se arată în figura 3.7. Fiecare etaj conține un condensator de impuls 1. Toate condensatoarele de impuls sunt încărcate în curent continuu la tensiunea U, cu ajutorul redresorului 8, prin intermediul rezistenței de limitare 7 și al rezistențelor de încarcare 5. Tensiunea de impuls între punctele O și A se obține prin conectarea în serie a etajelor. Această conectare are loc în cascadă imediat după amorsarea eclatorului 9 al etajului inferior al generatorului. Într-adevăr, la amorsarea acestui etaj, potențialul U este transmis punctului a. Prin aceasta, potențialul punctului g crește de la U la 2U, iar una din sferele eclatorului din etajul al doilea ia acest potential. Cealaltă sferă a exlatorului are tendința de a lua potențialul U al punctului a, capacitatea C încărcându-se cu constante de timp , unde R este rezistența 4.
Prin aceasta, în momentul când potențialul punctului g devine 2U, potențialul sferei a doua a eclatorului este mai mic decât U. Apare astfel între sferele eclatorului etajului al doilea un exces de tensiune care determină amorsarea lui. Acest proces se repetă la amorsarea în continuare a celorlalte etaje ale generatorului, obținându-se astfel între punctele O și A o tensiune de impuls de valoare aproximativ nU , unde n este numărul etajelor.
Amorsarea primului etaj poate fi autoamorsare sau amorsare printr-un impuls suplimentar. Pentru a obține autoamorsarea generatorului, distanța între sferele etajului inferior se reglează la o valoare mai mică decât distanța la care sunt reglate eclatoarele la celelalte etaje. Ca urmare, la creșterea tensiunii de încercare a condensatoarelor de impuls, primul va amorsa eclatorul etajului inferior. Asupra amorsării prin impuls a primului etaj se va reveni. La generatorul de impuls cu mai multe etaje, așa cum se arată în figura 3.6, rezistențele seriei 3 sunt incluse în „interiorul lui”, atât la varianta a, cât și la varianta b. Rezistența derivație 4 este inclusă în generator la varianta b și montată „în exterior” la varianta a. Capacitatea de sarcină 2 este exterioară atât la varianta a, cât și la varianta b .
Figura 3.6. Schemele unui generator cu 6 etaje: conexiunea de bază a si conexiunea de baza b din figura 3.1. :
1- condensator de impuls; 2-condensator de sarcina; 3-rezistenta seris; 4-rezistenta derivati; 5-rezistenta de incarcare; 6-divizor de tensiune; 7-rezistenta de limitare; 8-redresor; 9-eclator sferic;
În cazul incercării transformatoarelor, capacitatea de sarcină este chair capacitatea transformatorului. La încercarea izolatoarelor, care au o capacitate proprie redusă, este necesară o capacitate de sarcină distinctă. Etajele generatoarelor de impuls se pot conecta în serie, în paralel și în serie-paralel. În acest mod se pot obține o gamă largă de tensiuni și se poate varia în limite largi capacitatea de impuls, asigurându-se în același timp un reglaj cu sensibilitate suficientă pentru toate tensiunile.
În figura 3.7 s-au indicat modurile de conexiuni ale etajelor unui generator de impuls cu 6 etaje. Conectarea etajeor în paralel este indicată în cazul în care este necesară o capacitate de impuls mare, în scopul menținerii duratei semiamplitudinii tensiunii de impuls. Aceasta este situația încercării de transformator la tensiuni de 35-60kV .
Figura 3.7. Conexiunea etajelor unui generator de impuls; șase etaje în paralel.
3.4.1 Producerea tensiunii redresate.
În figura 3.8 s-a reprezentat principala schema de redresare folosita la încercarea condensatoarelor de impuls ale generatorului. Energia provine din rețeaua de curent alternativ. Primarul transformatorului T este alimentat cu tensiunea reglabilă. Puterea S a acestui transformator este determinată de energia acumulată în condensatoare de numărul amorsarii în unitatea de timp, conform cu relația :
(3.33)
ținând seama că t este intervalul de timp scurt între două amorsări succesive.
Figura 3.8. Schema de redresare folosită la generatoare de impuls
Schema din figura 3.8. este folosită la redresarea unei singure alternante. Tensiunea redresată cea mai mare depinde de tensiunea inversă maximă admisă de ventil și poate fi cuprinsă între 100 și 150 kV. Trebuie observat că sarcina redresorului este formată din condensatoare și ca urmare tensiunea maximă produsă trebuie să fie cel mult egală cu jumătate din tensiunea inversă a ventilului. Tensiunea de vârf produsă de transformator trebuie să fie cu 10-15% mai mare decât tensiunea de încărcare în scopul acoperirii pierderilor dielectrice. În regim tranzitoriu, adică imediat după o amorsare a generatorului, sarcina capacitivă constituie un scurtcircuit pentru redresor. Din această cauză curentul de încărcare
(3.34)
este determinat de valorile instantanee a tensiunii transformatorului, a condensatorului și de rezistența de limitare R. La fiecare perioadă creșterea de tensiune medie este dată de relația:
(3.35)
În semiperioada când ventilul conduce și tensiunea condensatorului este egală cu tensiunea transformatorului – abstracție facând de cădere de tensiune în ventil – curentul de încărcare este practic nul. În intervalul de timp dintre două semiperioade active, condensatoarele de impuls au tendința de descărcare datorită dielectricului imperfect, astfel că în regim staționar vor exista pulsuri de curent care aduc tensiunea condensatorului la tensiunea transformatorului, așa cum se arată în figura 3.7.
Ventilele folosite pentru producerea tensiunii redresate sunt de tipul KENOTRON. În acest caz sunt necesare transformatoare de încălzire izolate la tensiunea de lucru. Se obțin rezultate bune dacă se întrebuințează reductoare de curent, de înaltă tensiune, cu bobinajul de înaltă tensiune adaptat la curent și tensiunea de încălzire a kenotronului. Astfel, izolația de 35kV a transformatoarelor de curent este suficientă pentru tensiunea de lucru de 150kv curent continuu. O soluție mai nouă cu tendință de extindere constă în folosirea redresoarelor cu seleniu. Tensiunea pe celulă este de 45kV, iar prin conectarea în serie se pot obține tensiuni inverse până la 300kV. Avantajul esențial al folosirii redresoarelor cu seleniu constă în renunțarea la transformatoarele de încălzire, ancombrante. Curenții nominali ai kenotroanelor și redresoarelor cu seleniu sunt de ordinul de 30-40mA cu valoare de vârf admisibilă de cca. 400mA.
3.4.2. Constructța generatoarelor de impuls.
Generatoarele de impuls de înaltă tensiune sunt construite pentru a face față nenumeroaselor încercări industriale și de cercetare. Pentru încercările industriale tensiunile de impuls de ordinul 2000kV sunt suficiente pentru încercarea echipamentului de 525kV. Pentru scopuri de cercetare și anume pentru stabilirea caracteristicii Volt-secundă sau a coeficientului de siguranță pentru dispozitivele de încercare, se folosesc tensiuni de impuls încă mai înalte.
Un generator de impuls este caracterizat de doi parametri: tensiunea cea mai mare produsă de generator și energia acumulată în capacitatea de impuls. Ca variantă a celui de-al doilea parametru se indică valoarea capacității de impuls.
Generatoarele de impuls se construiesc în două variante:
Prima variantă se referă la construcția cu platforme izolate pe care sunt montate condensatoarele de impuls. Fiecare platformă constituie un etaj al generatorului de impuls
figura 3.9.
Figura 3.9. Generator de impuls 300kV
O astfel de construcție permite o revizie și o supraveghere ușoară a instalatiei, precum și realizarea unor energii mari în capacitatea de impuls.
O astfel de construcție, indicată în figura de mai sus, reprezintă generatorul de impuls.
A doua variantă se referă la includerea condensatoarelor în cuve izolante din pertinax, care constituie în același timp și suportul mecanic al generatorului de impuls.
Ca rezistențe de limitare și de încărcare se folosesc lichide în tuburi de porțelan sau sticlă. Acesta din urmă este preferată, mai ales când se folosește un lichid colorat, pentru a putea observa pierderea lichidului.
Rezistențele serie și aralel ale generatorului se execută din sârme izolate din crom-nichel sau manganină, bobinate neinductiv pe suporturi izolante din pertinax.
Prima variantă (placa izolantă) reprezintă o soluție simplă, dar mai puțin indicată, deoarece distanță între doi conductori apropiați este de 3-5mm, iar bobinajul posedă o inductivitate relativ mare. Conductorul din fir rezistiv este neizolat.
A doua variantă (tub izolant) din bobinarea firului reizistiv izolat pe un tub prevăzut cu două tăieturi longitudinale. La fiecare spiră se schimbă sensul de bobinaj. Conductaorele sunt apropiate 0,5-1mm, ceea ce permite reducerea la maximum a inductivității. Dimensionarea rezistențelor se face în funcție de energia disipată în ele. Se admte că pentru un număr redus, de circa 5-10 impulsuri, nu se cedează căldură în exterior și ca urmare, energia dezvoltată prin efect Joule servește numai la ridicarea temperaturii.
Conexiunile interioare ale generatorului de impuls trebuie să fie cât mai scurte în scopul reducerii la minimum a inductivităților, care împiedică obținerea de unde cu front de durată redusă. Pe de altă parte, împreună cu capacitățile parazite, inductivitățile conexiunilor provoacă și apariția de oscilații de frecvențe superioare pe frontul undei.
4. DIMENSIONAREA UNEI INSTALAȚII DE ÎNCERCARE CU TENSIUNI DE IMPULS DE TRĂSNET
4.1. Calculul elementelor schemei generatorului de impuls .
Tipul de problemă propusă în practica se referă la determinarea rezistențelor pentru un generator de impuls de trăsnet cu o schemă precum cea din figura 3.1.b).
Determinarea rezistențelor.Se va considera un generator de impuls având capacitățile si . Valoarea rezistenței divizorului de tensiune este de 10000 Ω .
Urmează a se determina valorile rezistențelor si plecând de la premisa că forma undei este de 1,2/50.
Din figura 3.5. curba (1) pentru , indică . Pentru , curba (2) indică ; de unde rezultă
Vor rezulta succesiv următoarele ecuații:
=
=33.876
Ω
Determinarea coeficientului de utilizare se calculează astfel:
Din figura 3.5 curba (3) la rezută , , de aici :
Observație: Rezistența R2 este o rezistență echivalentă rezultată din conectarea în paralel a rezistenței de derivație a generatorului cu rezistență internă Ri. Rezistența Ri rezultă din conectarea în serie a rezistențelor de încărcare a fiecărui etaj al generatorului. Astfel, la generatorul considerat cu șapte etaje, există rezistențele de încărcare de câte 10000 Ω, totalizând la conectarea lor în serie 60000 Ω , Rezistența a generatorului este
4.2. Calculul elementelor schemei generatorului de impuls .
Tipul de problemă propusa în practică se referă la determinarea rezisțentelor pentru un generator de impuls de trăsnet cu o schemă precum cea din figura 3.1.b).
Determinarea rezistențelor. Se va considera un generator de impuls având capacitățile si . Valoarea rezistenței divizorului de tensiune este de 10000 Ω .
Urmează a se determina valorile rezistențelor si plecând de la premisa că forma undei este de 8/20.
Din figura 3.5. curba (1) pentru , indică . Pentru , curba
(2) indică ; de unde rezultă
Vor rezulta succesiv următoarele ecuații :
Determinarea coeficientului de utilizare se calculează astfel:
Din figura 3.5 curba (3) la rezută , , de aici :
Se va anexa un program de calcul efectuat în MATLAB. Acesta fiind creat pentru a determina rezistentele unui generator de impuls pentru diferite forme de undă.( Anexa 1)
5. SISTEME DE MĂSURARE
5.1. Măsurarea tensiunilor și curenților de încercare.
5.1.1. Aspecte generale.
[6]Măsurarea tensiunilor înalte și a curenților de impuls intenși, în cadrul procedurilor de încercare stabilite de standardul specific, se realizează cu sisteme de măsurare sau cu dispozitive de măsurare. Aceasta trebuie să asigure măsurarea direct a mărimilor caracteristice ale tensiunii sau curentului de încercare, prevăzute de standardul care reglementează încercările. În consecință, bornele de intrare ale unui sistem de măsurare sau ale unui dispozitiv de măsurare a tensiunilor de încercare sunt aceleași cu bornele echipamentului la care aceasta este aplicată, iar prin bornele de intrare ale unui sistem de măsurare a curenților de încercare trebuie să treacă același curent ca și prin echipamentul încercat.
Structura generală a unui sistem de măsurare a tensiunilor de încercare este prezentă în figura 5.1.
Componenta principală a sistemului este dispozitivul de conversie 1 care determină, la bornele sale de ieșire c și d, o tensiune joasă sau un curent, proporționale cu tensiunea înaltă, aplicata la bornele sale de intrare a și b, compatibile cu aparatele de măsurare 4.
Dispozitivele de conversie se caracterizează prin înălțimi “specifice” relativ mari, de ordinul a 3-4 m pentru fiecare MV al tensiunii nominale, impuse de necesitatea de a suporta tensiunile înalte aplicate între extremitățile lor. Conexiunile 2 și 2’, care transmit tensiunea de încercare la dispozitivul de conversie, au lungimi cel puțin egale cu înălțimea acestuia, astfel încât să fie evitat cuplajul direct, prin câmp electromagnetic, între echipamentul încercat și dispozitivul de conversie. Lungimea, relativ mare, a acestor conexiuni, impune, în unele situații, considerarea lor prin impedanțele pe care le introduc în circuit.
Sistemul de transmisie 3 preia tensiunea joasă, de iesie, a dispozitivului de conversie și o transmite aparatului de măsurare 4. Pe baza indicațiilor și ale acestuia și a caracteristicilor de transfer ale sistemului de măsurare, trebuie să fie posibilă determinarea tensiunii de încercare , cu o incertitudine de măsurare de cel mult egală cu valoarea impusă de standardele specifice.
Sistemul de transmisie trebuie să aibă o lungime relativ mare, cuprinsă între mai mulți metri și câțiva zeci de metri, astfel încât operatoru, cât și aparatul de măsurare să nu se afle sub acțiunea câmpurilor electrice intense, asociate tensiuniilor înalte de încercare, iar indicația aparatului de măsurare să nu fie influențată de eventualele fenomene de descărcări electrice, care pot apărea la echipamentul încercat sau funcționarea sursei de tensiune de încercare.
În majoritatea cazurilor, transmisia se realizează prin conducție electrică (de exemplu, printr-un cablu coaxial), dar nu este exclusă nici posibilitatea unei transmisii prin canal optic (convertor electro-optic, cablu optic, convertor opto-electric), dacă aceasta îndeplinește condițiile de excitație necesare.
Aparatul de măsurare este alimentat, în mod obișnuit, din rețeaua electrică de alimentare de joasă tensiune, prin intermediul unei legături 5.
Este de remarcat faptul ca, în conformitate cu standardul specific, componentele care realizează alimentarea cu energie electrică a aparatelor de măsurare fac parte integrantă din sistemul de măsurare, ele putând influența performanțele acestuia.
Dispozitivele de conversie, recomandate pentru realizarea sistemelor de măsurare a tensiunilor de încercare, sunt:
divizoare de tensiune (figura 5.2 a) );
impedanțe de măsurare a tensiunilor înalte (figura 5.2 b) )
transformatoare de tensiune (numai pentru măsurarea tensiunilor alternative), (figura 5.2 c) ).
În principiu, divizoarele de tensiune și transformatoarele de tensiune furnizează tensiuni de ieșire joase, proporționale cu tensiunile de intrare, înalte, în timp ce impedanțele de măsurare determină – în conexiunile către priză de pamanat – curenți, de valori relativ reduse, proporționale cu tensiunile înalte aplicate lor.
5.1.2. Măsurarea tensiunilor de încercare.
Sistemele de măsurare a tensiunilor de incercare trebuie să prezinte impedanțe de intrare suficient de mari, astfel încât:
să nu încarce cu o sarcină excesivă sursele de tensiune de încercare cu puteri, în general, mici;
energiile disipate în ele, sub acțiunea tensiunilor înalte de încercare să poata fi evacuate în mediul ambiant, prin răcire naturală.
Componența sistemului, care determină, în mod practic, impedanță sa de intrare, este dispozitivul său de conversie.
Conectarea bornelor de intrare ale sistemului de măsurare a tensiunilor, la bornele sursei de tensiune de încercare sau la conexiunea dintre acesta și echipamentul încercat este contraindicată, în special în cazul încercărilor cu tensiuni cu variație rapidă în timp, cum sunt cele de impuls. Aceasta deoarece căderile de tensiune, produse în conexiunea dintre sursă de tensiune și echipamentul încercat, determinate de curentul absorbit de acesta, fac că la intrarea sistemului de măsurare să se stabilească o tensiune diferită de tensiunea de încercare.
În unele situații, în locul sitemelor de măsurare, complexe și relativ scumpe, se pot folosi dispozitive de măsurare, cum sunt eclatoarele de măsurare sau kilovoltmetrele electrostatice, mai simple și mai ieftine.
5.1.3. Măsurarea curenților de impuls.
În figura 5.3 este prezentată structura generală a unui sistem de măsurare a curenților de impuls intenși. Componenta principală a sistemului este dispozitivul de conversie 1 care realizează, la bonele sale de ieșire c și d, o tensiune joasă compatibilă cu aparatul de măsurare 4 și având o formă a curbei în principiu identică cu cea a curentului electric de încercare care parcurge dispozitivul de conversie între bornele a și b.
Sistemul de transmisie 3, cu aceleași caracteristici generale ca și în cele din componența sistemelor de măsurare a tensiunilor de încercare preia tensiunea de ieșire a dispozitivului de conversie și o transmite aparatului de măsurare 4.
Indicația a aparatului de măsurare și cunoașterea caracteristicilor de transfer ale sistemului de măsurare trebuie să permită determinarea curentului de încercare cu o incertitudine de măsurare cel mult egală cu valoarea impusă de standardele specifice. Și în acest caz, componentele care asigură alimentarea de la rețeaua electrică a aparatelor de măsurare fac parte integrantă din sistemul de măsurare.
Dispozitivele de conversie recomandate oentru realizarea sistemeor de măsurare a curenților de impuls intenși sunt:
rezistoare (sunturi) de măsurare a curentului electric (figura 5.2 d) ), compensate sau necompensate;
transformatoare de curent.
Rezistoarele de măsurare a curenților cu variație rapidă, cum sunt cele de impuls, au o construcție specială, neinductiva, astfel încât forma curbei tensiunii de ieșire să fie practic identică cu forma curbei curentului de intrare. Corectarea erorilor funcției de transfer, printr-un sistem de compensare, îmbunătățește performanțele rezistoarelor de măsurare a curenților de impuls.
Măsurarea curenților de impuls intenși, prin cuplaj inductiv, necesită transformatoare de curent speciale, având o caracteristică de frecvență de bandă largă și rețele de adaptare a ieșirii la impedanțele de intrare ale aparatelr de măsurare.
Sistemele de măsurare a curenților de încercare trebuie să prezinte impedanțe de intrare suficient de mici, astfel încât :
– să nu influențeze practic funcționarea sursei de curent de încercare;
– energia disipată în elementele divizorului, de către curenții de încercare intenși, să poată fi evacuată în mediul ambiant prin răcire naturală;
– căderile de tensiune între bornele lor de intrare să fie compatibile cu tensiunile de intrare, relativ moderate, ale aparatelor de măsurare.
Sistemele de transmisie constau, de regulă, dintr-un cablu coaxial, ceea ce le conferă atât o impedanță bine definită, cât și o anumită imunitate la acțiunea câmpurilor electromagnetice perturbatoare. O variantă, mai scumpă, o constituie sistemele de transmisie prin fibră optică, în măsura în care convertoarele electro-optic, respectiv opto-electric, de la extremitățile lor au o exactitate, stabilitate și imunitate la perturbații electromagnetice, corespunzătoare cerințelor impuse ansamblului sistemului de măsurare.
Avantajul principal al acestor sisteme de transmisie constă în separarea electrică, introdusă de fibră optică, între dispozitivul convertor – legat la priză de pământ a platformei de încercare și aparatul de măsurare – legat la o priză de pământ de protecție îndepărtată. În acest mod, ca și prin insensibilitatea fibrei optice la acțiunea câmpurilor electromagnetice perturbatoare, poate fi realizată imunitatea la perturbații electromagnetice a sistemului de măsurare.
Aparatele de masurare folosite, analoage sau numerice, sunt, de regulă, aparate specializate, astfel încât să permită evaluarea, suficient de exactă, a parametrilor caracteristici specificați, ai tensiunilor/curenților electrici de încercare. Totodată, nivelurile lor de imunitate la acțiunea perturbațiilor electromagnetice intense, care însoțesc încercările cu tensiuni înalte/curenți de impuls intenși, sunt mai ridicate decât cele ale aparatelor de ăasurare obișnuite.
5.1.4. Caracteristici ale sistemelor de măsurare.
Pentru efectuarea unor măsurători este necesară cunoașterea factorului de conversie și al incertitudinii globale ale sistemului de măsurare.
Factorul de conversie al unui sistem de măsurare este determinat de factorii de conversie ai componentelor acestuia – dispozitiv de conversie, sistem de transmisie, aparat de măsurare – definiți, în același mod, că mărimi constante, cu care trebuie multiplicată mărimile de ieșire pentru a obține mărimile de intrare.
Un sistem de măsurare poate avea mai mulți factori de conversie, corespunzători diferitelor tipuri de mărimi de intrare și/sau diferitelor domenii de variație ale acestora. Factorul de conversie se stabilește prin încercări prevăzute de standardul specific și constituie una dintre caracteristicile acestuia.
Incertitudinea globală este o mărime estimată, care determină plaja de valori din jurul valorii măsurate, în interiorul căreia trebuie să se găsească valoarea adevărată.
Amplitudinea unui sistem de măsurare de a evalua tensiuni sau curenți cu variație rapidă, cum sunt cele (cei) de impuls, este determinată de comportarea sa dinamică, deschisă de răspunsul sistemului G (mărimea de ieșire) corespunzător unei anumite mărimi (tensiune sau curent) de intrare. Răspunsul sistemului poate fiexprimat în domeniul de frecvență sau în domeniul de timp.
În domeniul frecvență, răspunsul sistemului este exprimat prin raportul
(5.1)
dintre amplitudinea tensiunii de ieșire și amplitudirea tensiunii de intrare , cu o variație sinusoidală, de frecvența f.
G(f) definește răspunsul amplitudine/frecvență al sistemului de măsurare.
În domeniul timp, sistemul caracteriat prin răspunsul sau la tensiune/curent treapta
sau (5.2)
în care este tensiunea de ieșire a sistemului, atunci când la intrarea acestuia se aplică o tensiune treapta sau un curent treapta .
Atât raspunsul , cât și răspunsul se evaluează printr-o serie de mărimi standardizate, care vor fi prezentate în continuare.
În afara caracteristicilor indicate mai sus, un sistem de măsurare este definit prin:
tensiunea alocată (pentru măsurare) sau curentul alocat (pentru măsurare),
reprezentând valoarea maximă a tensiunii (curentului), cu o frecvență sau formă a curbei specificate, pe care sistemul le poate măsura cu o incertitudine cuprinsă între limitele standardizate;
domeniul de utilizare (tensiune sau curent electric), reprezentând plaja de valori a mărimii de intrare, de o anumită frecvență sau formă a curbei, în limitele căreia sistemul poate fi utilizat, cu încadrarea incertitudinii de măsurare în limitele standardizate.
Fișa completă a caracteristicilor unui sistem de măsurare, prin care se realizează individualitatea și identificarea să este prezentată în standardele naționale și internaționale specifice.
Sistemele de măsurare se împart în două categorii:
– Sisteme de măsurare cerficitate;
– Sisteme de măsurare de referință.
Sistemele de măsurare certificate sunt „de lucru”, folosite la încercările echipamentelor cu tensiuni înalte sau cu curenți de impuls intenși. Performanțele acestor sisteme, stabilite prin încercări de recepție și verificate apoi periodic, asigură măsurarea mărimilor de încercare cu o incertitudine cel mult egală cu cea impusă de standardele de încercare.
Sistemel de măsurare de referință sunt sisteme de excitație, folodite pentru stabilirea caracteristicilor sistemelor de măsurare certificate. Caracteristicile sistemelor de măsurare de referință, stabilite prin rapoartele la etaloane naționale sau internaționale trebuie sa fie cunoscute cu o incertitudine substanțial mai mică decât cea admisă pentru măsuratorile efectuate cu sistemele de măsurare certificate.
5.2. Eclatoarele de măsurare.
5.2.1. Aspecte generale.
Eclatoarele de măsurare a tensiunilor înalte sunt dispozitive de masuare directă, constând din ansambluri de doi electrozi, prevăzute cu posibilitatea varierii continue a distanței dintre aceștia. Principiul de măsurare se bazează pe existența unei relații de dependența, între mărimea intervalului de aer dintre electrozi și tensiunea de străpungere a acestuia. Folosirea aerului atmosferic, ca mediu dielectric între electrozi, simplifică construcția și utilizarea eclatoarelor de măsurare, dar introduc necesitatea cunoașterii, cu suficientă exactitate, a dependenței tensiunii de străpungere pe parametrii de stare ai aerului, respectiv de presiunea, temperatura și umiditatea acestuia.
Principiul de funcționare al eclatoarelor de măsurare, bazat pe fenomenele străpungerii gazelor prin mecanism de strimer, permite determinarea valorilor de vârf ale tensiunilor alternative, continue sau de impuls. Chiar dacă, în ceea ce privește măsurarea tensiunilor de impuls, standardul specific, oferă informații numai pentru cele de trăsnet, în urmă cercetărilor ulterioare, s-a stabilit că aceleași valori ale tensiunilor de străpungere pot fi folosite și pentru tensiunile de impuls de comutație.
Cerințele impuse orcarui procedeu de măsurare, respectiv reproductibilitate și încadrarea rezultatelor măsurătorilor în limitele unei incertitudini de măsurare acceptabile, au condus, în primul rând, la soluția eclatoarelor cu câmp electric omogen sau cvasiomogen. Într-adevăr, în astfel de câmpuri electrice, absența unor fenomene de predescarcare și valorile, cele mai mici posibile, ale tîmpilor de întârziere statistici și ale timpilor de formare a descărcărilor disruptive, permit îndeplinirea condițiilor de mai sus, în special în cazul critic, al măsurării tensiunilor cu variație rapidă, cum sunt cele de impuls de trăsnet. În consecință, timpurile de eclatoare de măsurare care s-au impus au fost cele cu electrozi sferici și au în prezent utilizarea cea mai largă. Relativ recent și cu o utilizare restrânsă, doar la tensouni continue, sunt utilizate eclatoare cu electrozi tijă.
5.3.1 Cerințe impuse sistemelor de măsurare agreate.
Sistemele de măsurare agreate, folosite la încercările cu tensiuni de impuls de trasne, trebuie să îndeplineasca următoarele cerințe cu caracter general:
măsurarea valorilor de vârf ale tensiunilor de impuls pline cu o incertitudine globală de cel mult ;
măsurarea valorilor de varf ale tensiunilor de impuls taiate, cu o incertitudine totală:
de cel mult în cazul timpilor până la tăiere cuprinși între limitele ;
de cel mult in cazul unor timpi pana la taiere ;
măsurarea parametrilor de timp caracteristici pentru forma tensiunii, cu o incertitudine totală de cel mult
măsurarea eventualelor oscilatți ale tensiunii, suprapuse impulsului.
Cerințe impuse sistemelor de măsurare agreate, folosite la încercările cu tensiuni de impuls de comutație sunt:
a) măsurarea valorilor de vârf ale tensiunilor, cu o incertitudine de cel mult ;
b) măsurarea parametrilor de timp caracteristici pentru forma tensiunii cu o incertitudine totală de cel mult .
Este de remarcat faptul că, de multe ori, un acelasi sistem de măsurare poate fi folosit atât pentru măsurarea tensiunilor de impuls de trăsnet, cât și a celor de impuls de comutație.
Îndeplinirea cerințelor generale, prezentate anterior, impune sistemelor de măsurare un anumit comportament dinamic și o anumită stabilitate a factorilor de conversie, precizate de standardul specific. Același standard prezintă și metodele prin care se certifică sistemele de măsurare agreate.
5.3.2. Structura si particularitatile sistemelor de masurare.
Structura generală a sistemelor de măsurare pentru tensiuni de impuls inalte este prezentată în figura 5.4.. Componenta principală a sistemului o constituie divizorul de tensiune de impuls D, comportarea dinamică a acestuia influențând, in mod decisiv, pe cea a întregului sistem.
Conectarea divizorului de tensiune la bornele de intrare ale sistemului de măsurare este realizată prin conexiunea de înaltă tensiune 1 și prin conexiunea la pământ 1’.
Unele sisteme de măsurare conțin, la intrarea in conexiunea de înaltă tensiune, un rezistor de amortizare a oscilațiilor circuitului. În acest caz, se consideră că sistemul de măsurare are trei componente de înaltă tensiune: rezistorul de amortizare, conexiune la divizor și divizorul de tensiune. O variantă o constituie dispunerea rezistorului de amortizare între conexiunea de înaltă tensiune și borna de intrare a divizorului de tensiune. Un astfel de sistem este considerat ca având doar două componente: conexiunea la divizor și divizorul de tensiune, rezistorul de amortizare fiind înglobat în divizor.
Un sistem de transmisie T asigură legatura dintre ieșirea divizorului de tensiune și intrarea aparatului de măsurare M. În majoritatea cazurilor, sistemul de transmisie constă într-un cablu coaxial, adaptat la una dintre extremități, în funcție de tipul divizorului de tensiune, așa cum se va indica în continuare. O alternativă la cablul coaxial constituie un sistem de transmisie prin fibră optică.
Aparatul de măsurare M, de tipul osciloscop de impuls, voltmetru de impuls sau înregistrător de tensiuni transitorii este alimentat, de regulă, din rețeaua electrică de alimentare a laboratorului de încercări. Conexiunea 2 a aparatului cu aceasta face parte, de asemenea, din sistemul de măsurare.
Înălțimile divizoarelor de tensiune, dictate, în primul rând de considerente de asigurare a izolației electrice sunt de 2-2,5m pentru fiecare MV al tensiunii de trăsnet alocată, respectiv de 4-5 m pentru fiecare MV al tensiunii de comutație alocată. Variații ale limitelor indicate mai sus sunt determinate de dimensiunile componentelor utilizate pentru realizarea brațului de înaltă tensiune al divizorului, cât și de eficiența măsurilor adoptate pentru reducerea neuniformității câmpului electric în lungul coloanei divizorului.
Pentru reducerea, la un minim acceptabil, a cuplajului direct, prin câmp electromagnetic, între echipamentul încercat și componentele divizorului, conexunile acestuia 1 si 1’ la bornele de intrare ale sistemului de măsurare trebuie să aibă o lungime cel puttin egală cu înălțimea divizorului. Pentru asigurarea liniarității sistemului de măsurare, conexiunea 1 de înaltă tensiune trebuie realizată astfel încât să fie evitată apariția, la suprafață, a unor descărcări electrice incomplete.
De asemenea, scoaterea aparatului de măsurare de sub actțunea câmpurilor electrice și magnetice, intense și cu variație rapidă în timp, produse de curentul de încercare, precum și asigurarea securității operatorului impun amplasarea aparatului de măsurare la o distanță relativ mare în raport cu divizorul de tensiune. În mod corespunzator, lungimea sistemului de transmisie ia valori cu atât mai mari cu cât tensiunile de încercare prevăzute sunt mai mari, ajungând astfel la mai multe zeci de metri.
Variațiile rapide ale tensiunilor de încercare și, în special, a celei de impuls de trăsnet, asociate cu dimensiunile, relativ mari, ale circuitului sistemului de măsurare au drept urmare:
oscilații sau fenomene de propagare în partea de inaltă tensiune a circuitului de măsurare;
fenomene de propagare în sistemul de transmisie, dacă acesta este construit dintr-un cablu coaxial;
diferențe de potențial, care pot ajunge la valori inacceptabil de mari, între borna de pământ a divizorului de tensiune și alimentarea de la rețea a aparatului de măsurare.
Fenomenele de oscilații/propagare, în interiorul sistemului de măsurare, au drept principală consecință apariția unor deosebiri, ce pot ajunge inacceptabil de mari, între forma tensiunii la intrarea sistemului și forma tensiunii la intrarea aparatului de măsurare.
Evitarea producerii de unde reflectate în sistemul de măsurare se rezolvă relativ simplu printr-o adaptare convenabilă a liniei electrice lungi reprezentată de cablul coaxial. Mai dificilă este atenuarea fenomenelor de reflexii multiple în partea de înaltă tensiune a circuitului de măsurare. În acest sens, singura soluție relativ incomodă și, din acest motiv rar folosită, constă în introducerea în circuit a unui rezistor cu funcție:
-de amortizare a circuitului oscilant format de inductanta conexiunii la divizor și capacitatea de intrare a acestuia;
-de adaptare, la intrare, a liniei electrice lungi construită de conexiunea la divizor, în cazul producerii unor variații foarte rapide ale tensiunii de intrare u(t), de exemplu în cazul încercărilor cu tensiuni de impuls de trăsnet tăiate pe front, cu timpi până la tăiere mai mici de circa .
Aspectele semnalate mai sus determină ca sistemele de măsurare pentru tensiuni de impuls înalte, spre deosebire de cele pentru tensiuni continue sau alternative, să nu poată fi caracterizate decât în ansamblul lor, fiecare componentă a sistemului contribuind la comportarea sa dinamică.
Diferențele de potențial care apar între borna de pământ a divizorului și alimentarea de la rețea a aparatului de măsurare, produse de variațiile rapide ale curenților de impuls intenși care circula prin conexiunile de pamânt ale sistemului de măsurare si ale circuitului de încercare, pot avea drept consecință:
Străpungeri de izolații în blocul de alimentare al aparatului de măsurare;
Inducerea de tenisiuni perturbatoare semnificative în cablul coaxial, prin impedanța de transfer a acestuia și în aparatul de măsurare, prin circulație de curenți perturbatori prin circuitul de masă.
Eliminarea acestor efecte implică, în afara existenței unei bune prize de pământ a platformei de încercare, realizarea de conexiuni de pământ cu inductanță cât mai redusa. Un plan de masă, din tabla de cupri extins la toată aria cicuitului de încercare a sistemuui de măsurare și conectat în cât mai multe puncte la priza de pământ a laboratorului constituie soluția optimă. O alternativă constă în realizarea conexiunilor de pământ sub forma unor benzi din tabla din cupru cu lățimi de 0,5-1m.[6]
5.3.3. Divizoare de tensiune de impuls.
Principala componentă a unui sistem de ăasurare, determinată – în cea mai mare masură – pentru caracteristicile acestuia, este divizorul de tensiune.
Sistemele actuale de măsurare pentru tensiuni de impuls înalte conțin, drept dispozitive de conversie, divizoarele de tensiune rezistive sau de tip capacitiv. Acestea din urma pot fi pur capacitive, constând numai dintr-o înseriere de condensatoare și rezistoare. O variantă constructivă mai veche dezvoltată de R. Elsner, divizorul mixt-paralel, format dintr-o înseriere de grupuri de condensatoare și rezistoare, conectate în paralel, a fost ulterior parasită, atunci când W. Zaengl a evidențiat insuficientele proprietății dinamice ale acestui tip de divizor.
Caracteristicile constructive, comune tuturor tipurilor de divizoare de tensiune de impuls, sunt:
-dispunerea componentelor brațului de înaltă tensiune într-o cuva cilindrică, din material electroizolant, închisă cu piese metalice care au și rol de borne, și umplută, de regulă, cu ulei electroizolant, în vederea îmbunătățirii răcirii și evitării descărcărilor electrice incomplete
-ecranarea electromagnetică a componentelor brațului de joasă tensiune, prin dispunerea acestora într-o cutie metalică prevazută cu o ieșire coaxială către sistemul de transmisie și cu facilități de conectare la conexiunea de pământ a sistemului de măsurare și la borna inferioară a brațului de înaltă tensiune;
-prevederea unui electrod de uniformizare a câmpului electric, în lungul coloanei divizorului, dispus pe borna superioară a brațului de înaltă tensiune și conectat la aceasta;
-construcție mobilă.
La stabilirea unei scheme electrice echivalente în vederea unei analize a comportării dinamice a divizoarelor de tensiune de impuls trebuie avute în vedere urmatoarele aspecte caracteristice:
-existența capacității parazite distribuite, în principal prin aer, dintre componentele brațului de înaltă tensiune și pămânat;
-înalțimea, relativ mare, de ordinul a mai multor metri, a brațului de înaltă tensiune al divizorului;
-variațiile foarte rapide ale tensiunii la borne.
Schema electrică echivalentă, cu caracter general, nediferențiat în funcție de tipul divizorului și unanim acceptată, cu o scurtatură den cuadripoli identici conectați în lanț, este prezentată în figura 5.5.:
Schema din figura 5.5.:
Brațul de joasă tensiune al divizorului este reprezentat printr-un singur cuadripol, în timp ce brațul de înaltă tensiune este echivalat printr-un număr mare, de (n-1) cuadripoli, corespunzător factorului de conversie de ordinul sutelor… miilor;
Impedanțele longitudinale (complexe) corespund atât parametrilor (rezistențe, capacități) componentelor constructive ale divizorului, cât și elementelor parazite (inductante, capacități) ale circuitului acestuia;
Impedantețe transversale (complexe) corespund capacităților parazite distribuite dintre coloana divizorului și pământ; chiar dacă aceste capacități nu sunt constante, fiind mai mici la partea superioară a divizorului și mai mari la partea sa inferioară, calculele efectuate pentru diferite tipuri de divizoare au condus la concluzia că o considerare diferențiată a acestor capacități, cu completarea corespunzătoare a ecuațiilor care descriu comportarea dinamică a divizorului nu se justifică, creșterea exactității reultatelor finale fiind nesemnificativă.
Pe baza schemei electrice echivalente din figura 5.5 rezultă funcția de transfer a divizorului de tensiune de forma:
(5.3)
în care
; (5.4)
sunt impedanțele (operaționale) longitudinale, respectiv transversale ale întregului divizor.
Dată fiind natura pur capacitivă a impedanței transversale, , rezultă
(5.5)
și se pot defini: o funcție de transfer normală
(5.6)
(5.7)
5.3.4. Aparate de măsurare pentru tensiuni de impuls.
Aparatele de măsurare pentru tensiuni de impuls sunt echipamente specializate care trebuie să se încadreze în cerințele de exactitate impuse ansamblului sistemului de măsurare, în condiții de funcționare într-un mediu electromagnetic agresiv, caracteristic platformelor de încercare.
Tipurile de aparate de măsurare folosite sunt:
-osciloscoape de impuls analoage;
-înregistratoare de tensiuni tranzitorii, inclusiv osciloscoape digitale;
-voltmetre de impuls.
Osciloscopele și înregistratoarele de tensiuni tranzitorii permit cunoașterea întregii forme a curbei tensiunii de impuls, ceea ce asigură evaluarea valorii de vârf, a parametrilor caracteristici, precum și a altor detalii ale curbei. Voltmetrele de impuls măsoară numai valoarea de vârf a tensiunii aplicată la bornele lor de intrare.
Cerințele de exactitate impuse aparatelor de măsură sunt stabilite în standarde. Aparatele care fac parte din sistemele de măsurare agreate trebuie să îndeplinească următoarele condiții privind incertitudinea globală:
cel mult 2% la mîsurarea valorilor de vârf ale tensiunilor (curenților) de impuls de trăsnet, plin sau tăiat, de impuls de comutație sau de impuls rectangular;
cel mult 3% la măsurarea valorilor de vârf ale tensiunilor de impuls de trăsnet, tăiat pe front;
cel mult 4% la măsurarea parametrilor de timp caracteristici ai acestor impulsuri.
Cerințele privind incertitudinile de măsurare globale maxime impuse aparatelor care fac parte din sistemele de măsurare de referință sunt mai severe decât cele indicate mai sus.
Alte cerințe privind liniaritatea, stabilitatea, timpul de creștere etc. sunt indicate în standardele specifice.
Caracteristicile comune ale aparatelor de măsurare a tensiunilor de impuls sunt următoarele:
impedanța de intrare mare (; astfel încât să poată fi folosite atât în sisteme de măsurare cu divizoare de tip capacitiv, cât și în cele cu divizoare de tip rezistiv; în ultimul caz, adaptarea cablului coaxial se obține cu un rezistor special, care se conectează în exteriorul aparatului și în paralel cu intrarea acestuia;
posibilitatea obtțnerii unei înregistrări care să conțină și o porțiune anterioară a începutului impulsului de tensiune (numai în cazul osciloscoapelor și în cazul registratoarelor);
tensiuni de intrare mari, de până la 1600 V, astfel încât să se asigure un raport semnal-zgomot.
măsuri de reducere a perturbațiilor electromagnetice care ar putea acționa asupra circuitelor și a componentelor aparatului, constând, în principiu, în: ecranare electromagnetică îngrijită, dispunerea bornei de legare la pământ în imediata vecinătate a bornelor de intrare, la prevederea de filtre și de trensformatoare de izolare în linia de alimentare de la rețea;
prevederea de calibratoare, de tensiune și de tip, încorporate aparatului sau exterioare acestuia, care să permită evaluarea înregistrării (în cazul osciloscoapelor) sau verificarea caracteristicilor funcționale și, eventual, corectarea acestora.
Osciloscoapele de impuls analoage au o schemă bloc de genul celei din figura 5.6. Tensiunea de impuls măsurată, redusă la o valoare de vârf de ordinul a câtorva zeci, sute de volți, de antenuatorul reglabil 1 este aplicată direct plăcilor de deflexie verticală ale tubului catodic 2. Absența amplificatoarelor și construcția îngrijită a atenuatorului asigură o neliniaritate redusă acestui circuit. Un rezistor de adaptare 7 poate fi conectat în paralel cu intrarea osciloscopului, atunci când aceasta se impune.
Impulsul de sincronizare, produs de blocul de comandă al instalației de impuls de tensiune, declanșează funcționarea singulară a generatorului bazei de timp 4, prin intermediul unui bloc de formare, cu un interval de timp scurt și reglabil, înaintea apariției tensiunii de impuls la intrarea osciloscopului.
Sursa de tesniune continuă și reglabilă 5, precum și generatorul 6 de impulsuri de marcare a timpului, cu frecvența de repetiție reglabilă, servesc la evaluarea tensiunii de impuls, prin calibrarea celor două axe ale înregistrării; de calitatea acestor blocuri depinde exactitatea măsurarii.
O înregistrare (fig. de mai sus), obținută prin fotografierea ecranului tubului catodic conține, pe lângă imaginea tensiunii de impuls, o axă a nivelului zero, cu marcaje de timp la intervale cunoscute și un nivel constant, de valoarea cunoscută. Prelucrarea înregistrării prin metode grafice permite stabilirea parametrilor caracteristici ai tensiunii de intrare.
După apariția, la începutul anului 1980, a înregistratoarelor numerice de tensiuni tranzitorii, dedicate sistemelor de măsurare pentru tensiuni de impuls înalte, osciloscoapele de impuls analoage sunt din ce în ce mai puțin folosite, iar producerea acestor aparate specializate a fost abandonată. Obținerea, într-un mod greoi și cu consum relativ mare de timp a unei înregistrari, precum și erorile inevitabile asociate prelucrării prin metode grafice a acesteia, au fost principalele cauze.
Înregistratoarele de tensiuni tranzitorii funcționează pe principiul conversiei analog-numerice a tensiunii de impuls aplicată la intrare, după o reducere a acesteia la un nivel de valori de vârf de ordinul 10 V cu un atenuator adecvat.
Conversia analog-numerică se realizează în mod permanent, de regulă la intervale de timp constante, iar rezultatele acesteia sunt transferate unei memorii circulare, sub formă unei perechi de valori „timp-nivelul esantionului”. Pe măsură ce apăr noi date acestea le înlocuiesc, în ordine, pe cele anterioare până când achiziția este oprită de un „eveniment de trigger”.
Drept eveniment de trigger se consideră depășirea de către tensiunea de intrare a unui nivel dat reglabil. După apariția evenimentului de trigger achiziția continuă doar cu un număr de eșantionare prestabilit, astfel încât să fie păstrate și informații obținute anterior evenimentului de trigger. În acest fel, este posibilă înregistrarea unui semnal singular fără a mai fi necesar un semnal de sincronizare suplimentar, ca în cazul osciloscoapeor. figura 5.7 este exemplificat modul de achiziție prezentat.
După terminarea unei înregistrări, aceasta este transferată din memoria circulară în memoria unui sistem tip PC, încorporat aparatului, informația fiind ulterior prelucrată, editată și arhivată.
Prelucrarea înregistrării este realizată de un pachet software specializat și constă în determinarea parametrilor caracteristici ai teniunii de impuls (calori de vârf, durată frontului, durata spatelui etc.) în conformitate cu procedura stabilită în standarde.
Viteza de eșantionare necesară depinde de durata parametrului de timp caracteristic al tensiunii de impuls care se determină cu ajutorul unei relații de forma:
Pentru măsurarea tensiunii de încercare standardizată, cu cea mai mică durată, cea de impuls de trăsnet tăiat pe front la , viteza de eșantionare corespunzătoare trebuie să fie de cel puțin 60MSa/s. Cum lungimea unei înregistrări (intervalul de timp dintre momentul achiziției primului eșantion și momentul achiziției ultimului eșantion, reținute în memoria circulară) este invers proporțională cu viteza de eșantionare, înregistratoarele permit viteze de eșantionare diferite, adecvate întregii game de tensiuni de impuls standardizate, de la cea cu durata cea mai mică (impulsul de tensiune de trăsnet tăiat pe front) până la cele cu durata cea mai mare, cum sunt impulsurile de tensiune de comutație. În general, se consideră că o înregistrare trebuie să conțina cel puțin 500 eșantioane.
O măsurare corectă, in limitele incertitudinii admise, atât a duratei frontului, cât și a duratei spatelui unei tensiuni de impuls implică înregistrarea simultană a acesteia pe două canale de măsurare, cu viteze de eșantionare diferite.
O caracteristică ce nu trebuie neglijată este cea de frecvență analogă determinată, în special, de atenuatoarele prevăzute la intrările aparatului. O bandă de trecere de la este, în general, suficientă.
Performanțele superioare corespund înregistratoarelor folosite :
– în sistemele de măsurare de referință;
– pentru determinarea răspunsului la tensiune treaptă al sistemelor de măsurare pentru tensiuni și curenți de impuls;
– la identificarea defectelor apărute în izolațiile transformatoarelor ca urmare a încercărilor cu tensiuni de impuls înalte prin metoda caracteristicii de frecvență a impedanței de intrare.
Voltmetrele de impuls sunt aparate mai simple și mai ieftine, dar care nu permit decât măsurarea valorilor de vârf ale tensiunilor de impuls. Utilitatea lor apare mai ales în cazul încercărilor care prevăd aplicarae unui număr mare de impulsuri unui același echipament sau în cazul încercării mai multor echipamente identice. În astfel de situații, după verificarea formei curbei tensiunii de impuls cu ajutorul unui înregistrator sau al unui osciloscop, se poate recurge, în continuare, doar la controlul valorii de vârf a tensiunii, prin utilizarea voltmetrului de impuls , ceea ce este de natură a simplifica activitatea operatorului. Totodată este de reținut faptul ca voltmetrele de impuls măsoară valoarea instantanee maximă a tensiunii de ipuls, care, în relativ multe cazuri, poate diferi de valoarea de vârf, considerată de standardul specific, obținută prin medierea oscilațiilor prezente pe creasta tensiunii.
Voltmetrul de impuls nu se deosebește, în principiu, de voltmetrul de vârf folosit pentru măsurarea tensiunilor alternative. Ca și în cazul acestuia din urmă, tensiunea de intrare , redusă de un atenuator reglabil, este redresată și încarcă un condensator .
Tensiunea este indicată de un voltmetru de tensiune continuă. Revenirea aparatului la starea inițială, în vederea unei noi înregistrări, se obține prin descărcarea condensatorului la închiderea, prin acționare manuală sau automata, a contactului B.
Spre deosebire de cazul măsurarii tensiunilor alternative de frecvență industrială, caracterizat printr-o încărcare treaptă și într-un interval de timp relativ mare a condensatorului, în cazul măsurarii tensiunilor de impuls, încărcarea acestuia trebuie să se producă simultan cu creșterea tensiunii de intrare . Acest lucru ar fi posibil doar dacă dioda redresoare D ar avea o caracteristică de conducție directă ideală. În realitate, rezistența de conducție directă nenulă și dependentă de curent a diodei redresoare determină o încărcare mai lentă a condensatorului .
O constantă de timp de descărcare prea mică nu va permite măsurarea cu suficientă exactitate a valorii a tensiunii.
Principala dificultate în asigurarea unei rezistențe echivalente de descărcare, pe valoare suficient de mare, o constituie rezistența de conducție inversă a diodei, deoarece prin alegerea unui aparat indicator adecvat (de exemplu, un voltmetru de tip electrostatic) și a unui condensator de calitate, rezistențele corespunzătoare acestora pot atinge valori suficient de mari. O soluție, în acest sens, care asigură atât erori de încărcare, cât și de descărcare acceptabile este prezentată în schema de principiu din figura 5.9.
Funcționarea acesteia se desfășoară în doua etape. Inițial, comutatorului k se afla în poziția a permițând încărcarea unui condensator de memorare , cu capacitate mică, de ordinul zecilor de picofarazi, până la o tensiune practic egală cu . Capacitatea mică a condensatorului asigură reducerea suficientă a erorii de încărcare.
Dupa un interval de timp relativ scurt de la aplicarea la intrare a tensiunii de impuls, dar mai mare decat timpul până la vârf a tensiunii de impuls cu cel mai lent front pe care aparatul este prevăzut să o măsoare, comutatorul k basculează în pozitia b. În acest fel , condensatorul este separat de intrarea aparatului și se evită descărcarea lui prin conducția inversă a diodei. Totodată, condensatorul se descarcă printr-o rezistență mică Rsi încarcă un condensator , la o tensiune .
În noua configurație a schemei, eroare de descărcare este determinată de capacitatea C, relativ mare, și de rezistența de intrare a aparatului indicator. Alegerea unui aparat indicator cu rezistență internă suficient de mare sau eventuala intercalare a unui amplificator de tensiune continuă cu impedanță de intrare foarte mare și impedanță de ieșire relativ mică, permite obținerea unei valori suficient de mare a constantei de timp de descărcare.
BIBLIOGRAFIE
[1] Hortopan, G. Aparate electrice de comutație. Vol. 1, Editura tehnică,
București, 1993.
[2] Normativ privind alegerea izolației, Coordonarea izolației și protecția instalațiilor electroenergetice împotriva supratensiunilor. NTE 001/03/00
[3]*** http://2407mewebnode.yolasite.com/resources/curs-2.pdf
[4] Standard international IEC 60060-1.
[5] Hortopan G. Tehnica impulsului în laboratorul de înaltă tensiune, Editura tehnică, Bucuresti-1965.
[6] Gleb Drăgan si colab. – Tehnica tensiunilor înalte , vol. 3, Editura Academiei Române, 2003
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Instalații de Încercare Folosite Pentru Probele de Imunitate. Proiectarea Unei Instalații de Impuls Dublu Exponențial (ID: 116818)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.