MERANIE V TECHNIKE VYSOKÝCH NAPÄTÍ

Transcript

1 Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť/ Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ MERANIE V TECHNIKE VYSOKÝCH NAPÄTÍ Fakulta elektrotechniky a informatiky Ján Tkáč, Jozef Balogh, Jaroslav Džmura

2 Táto publikácia vznikla za finančnej podpory z Operačného programu VZDELÁVANIE. Európskeho sociálneho fondu v rámci Prioritná os 1 Opatrenie 1.2 Reforma vzdelávania a odbornej prípravy Vysoké školy a výskum a vývoj ako motory rozvoja vedomostnej spoločnosti. Názov projektu: Balík doplnkov pre ďalšiu reformu vzdelávania na TUKE ITMS NÁZOV: Meranie v technike vysokých napätí AUTORI: Tkáč Ján, Balogh Jozef, Džmura Jaroslav RECENZENTI: prof. Ing. Iraida Kolcunová, PhD., Ing. Pavol Csáji, PhD. VYDAVATEĽ: Technická univerzita v Košiciach ROK: 2015 VYDANIE: prvé NÁKLAD: 50 ks ROZSAH: 77 strán ISBN: Rukopis neprešiel jazykovou úpravou. Za odbornú a obsahovú stránku zodpovedajú autori.

3 OBSAH PREDHOVOR BEZPEČNOSŤ PRÁCE V LABORATÓRIU TECHNIKY VYSOKÝCH NAPÄTÍ Základné ustanovenia Všeobecne Všeobecné zásady bezpečnosti práce Zodpovednosť, právomoc a spolupráca Prvá pomoc Zásah elektrickým prúdom Vyslobodenie postihnutého úrazom elektrinou z el. zariadenia pod napätím Prvá pomoc a ošetrenie postihnutého po vyslobodení z dosahu elektrického prúdu Umelé dýchanie z pľúc do pľúc Nepriama masáž srdca Úraz popálením Poškodenie očí Dôležité telefónne čísla Ďalšie dôležité telefónne čísla: Hlásenie úrazov, umiestnenie lekárničiek prvej pomoci na pracovisku Povinnosti po skončení práce Súvisiaca dokumentácia MERANIE VYSOKÝCH STRIEDAVÝCH NAPÄTÍ A CIACHOVANIE VN ZARIADENÍ POMOCOU GUĽOVÉHO ISKRIŠŤA Úvod do problematiky Merací transformátor Kapacitný delič napätia Elektrostatický kilovoltmeter Meracie iskrište Schéma zapojenia a princíp merania Postup merania Vyhodnotenie nameraných výsledkov a záver Kontrolné otázky SKÚMANIE VÝBOJOVÝCH JAVOV V NEHOMOGÉNNOM POLI POLARITNÝ EFEKT Úvod do problematiky Druhy elektrických polí v technike vysokých napätí Homogénne pole Mierne nehomogénne pole Silne nehomogénne pole Polaritný efekt... 27

4 3.4 Úloha merania Schéma zapojenia a princíp merania Postup merania: Vyhodnotenie výsledkov merania Záver Kontrolné otázky EXPERIMENTÁLNE VYŠETROVANIE ELEKTRICKÉHO POĽA Úvod do problematiky Experimentálne metódy založené na vkladaní skúšobného telieska do elektrického poľa Experimentálne metódy založené na vyšetrovaní elektrického poľa kapacitnými sondami Experimentálne analógové metódy Praktická časť Zadanie úlohy Schéma zapojenia a princíp merania Spracovanie výsledkov z elektrolytickej vane Riešenie elektrického poľa v programe FEMM Kontrolné otázky MERANIE NA IZOLÁTOROVOM REŤAZCI Úvod do problematiky Keramické tanierové izolátory Tyčové izolátory Kompozitné izolátory Rozloženie napätia na izolátorovom reťazci Úloha merania Schéma zapojenia a princíp merania Princíp merania Postup merania Vyhodnotenie nameraných výsledkov Závery a odporúčania Kontrolné otázky SKÚMANIE VPLYVU BARIÉRY V NEHOMOGÉNNOM ELEKTRICKOM POLI Úvod do problematiky Bariéra v jednosmernom elektrickom poli Usporiadanie kladný hrot - doska Usporiadanie záporný hrot - doska Schéma zapojenia a princíp merania Úloha merania Postup merania Vyhodnotenie nameraných výsledkov Kontrolné otázky VERIFIKÁCIA PASCHENOVHO ZÁKONA... 57

5 7.1 Úvod do problematiky Využitie Paschenovho zákona v praxi Praktická časť Zadanie úlohy Schéma zapojenia a princíp merania Spracovanie výsledkov Kontrolné otázky MERANIE ČIASTKOVÝCH VÝBOJOV Úvod do problematiky Náhradný model dutinky v dielektriku Praktická časť Zadanie úlohy Schéma zapojenia a princíp merania Spracovanie výsledkov Kontrolné otázky: KORÓNOVÉ JAVY PRI JEDNOSMERNOM A STRIEDAVOM NAPÄTÍ Úvod do problematiky Úloha merania Schéma zapojenia a princíp merania Kontrolné otázky: MERANIE NA JEDNOSMERNEJ KASKÁDE Úloha merania: Kontrolné otázky: LITERATÚRA... 77

6 Predhovor Táto publikácia je určená študentom tretieho ročníka študijného odboru Elektrotechnika v študijnom programe Elektroenergetika. Laboratórne cvičenia nadväzujú na vedomosti z prednášok predmetu Technika vysokých napätí, pričom pri ich výbere boli zohľadnené podmienky dané prístrojovým vybavením Katedry elektroenergetiky na ktorej cvičenia prebiehajú. Počas semestra študenti zostavení do tímov, ktoré absolvujú merania uvedené v tejto učebnici a z týchto meraní vypracúvajú referáty. Dve cvičenia sú venované opakovaniu preberanej teórie z prednášok aj cvičení písomnou formou. Absolvovaním uvedeného cyklu cvičení poslucháči získavajú základné praktické skúsenosti, návyky a zručnosti pri práci s vysokým napätím, pričom praktickými meraniami sú podporené teoretické poznatky z oblasti vysokých napätí. Vysoký dôraz sa kladie na bezpečnosť pri práci v laboratóriu TVN. Získané praktické poznatky môžu študenti v prípade záujmu následne využiť v ďalších odborných predmetoch v druhom stupni štúdia.

7 1 Bezpečnosť práce v laboratóriu techniky vysokých napätí 1.1 Základné ustanovenia 1. Tieto ustanovenia upravujú spôsob a postup pri vykonávaní vybraných činností v laboratóriu techniky vysokých napätí (LTVN). 2. Toto ustanovenie je záväzné pre zamestnávateľa a pre všetkých zamestnancov, ktorí sú v pracovnom pomere k zamestnávateľovi, taktiež pre študentov Technickej univerzity v Košiciach (TUKE). 1.2 Všeobecne 1. LTVN spravuje Katedra elektroenergetiky Fakulty elektrotechniky a informatiky (KEE FEI) TUKE. Je určené prednostne na výskumné účely pracovníkov KEE a výučbu študentov KEE. Každý pracovník alebo študent prítomný v laboratóriu musí dodržiavať tento prevádzkový poriadok. 2. V čase výučby riadi činnosť v laboratóriu konkrétny vyučujúci podľa platného rozvrhu hodín umiestneného pri vchodových dverách. 3. V čase mimo výučby majú do laboratória prednostný prístup pracovníci a študenti KEE. Iné osoby len so súhlasom vedúceho KEE, resp. vedúceho LTVN. 1.3 Všeobecné zásady bezpečnosti práce 1. Prístroje a zariadenia v laboratóriu smie obsluhovať a udržovať osoba fyzicky a duševne spôsobilá. 2. Pracovná disciplína (príchod a odchod z cvičenia, opustenie pracoviska): Študent je povinný byť na cvičení presne a včas (základný čas cvičenia), pričom začiatok a koniec doby cvičenia v LTVN je stanovený vzhľadom na rozvrh hodín a riešenie výskumných úloh. Zamestnávateľ môže v odôvodnených prípadoch na zabezpečenie nevyhnutných úloh nariadiť zamestnancovi alebo s ním dohodnúť pracovnú pohotovosť v súlade so Zákonníkom práce (ZP). Prácu po 22:00 hod. a v noci povoľuje na osobitnú žiadosť vedúci katedry, ak osobitný predpis nestanovuje inak. Táto práca je umožnená len osobám uvedeným v povolení, ktoré musí byť uložené u službukonajúceho vrátnika v hlavnej budove TUKE. Ostatní prítomní musia na vyzvanie strážnej služby ukončiť prácu a opustiť priestory LTVN. 3. Zákaz vykonávania prác, špeciálne zákazy a príkazy Obsluha nie je oprávnená vykonávať práce a manipulácie, pokiaľ tieto nie sú špecifikované v Prevádzkovom poriadku a ďalších dokumentoch (viď bod V. a VIII.). V priestoroch LTVN je zakázané fajčiť, užívať alkoholické nápoje, manipulovať s otvoreným ohňom a používať nebezpečné látky. Je zakázané vykonávať činnosti, ktoré smerujú k narušeniu funkčnosti jednotlivých zariadení inštalovaných v LTVN. Prístroje a zariadenia sa môžu používať iba podľa návodu na použitie respektíve spôsobom, ktorý zodpovedá správnemu zaobchádzaniu. Zakazuje sa vykonávať akékoľvek opravy a úpravy na zariadení a zasahovať do nastavenia zariadenia osobám, ktoré nemajú povolenie na prácu na danom zariadení od vedúceho KEE, resp. vedúceho LTVN. 6

8 Do priestoru LTVN nesmú vstupovať osoby, ktoré tam nepracujú, prípadne ktorým nie je povolený vstup osobitne vedúcim katedry, prípadne vedúcim laboratória LTVN. Študenti KEE po odsúhlasení vedúcim KEE resp. vedúcim LTVN mimo času výučby si zapožičajú kľúče od vedúceho LTVN a riadia sa pokynmi uvedenými v tomto Prevádzkovom predpise. Po ukončení práce v laboratóriu sú povinní kľúče vrátiť vedúcemu laboratória. 1.4 Zodpovednosť, právomoc a spolupráca Činnosť Pred začiatkom prác a výučby Kontrola zariadenia Odstraňovanie nedostatkov V priebehu prác Ukončenie práce, výučby Hlásenie porúch Zabezpečenie ochrany pracovníkov a životného prostredia Zodpovednosť Zamestnanec zodpovedný za laboratórium alebo príslušný vyučujúci, prípadne iná osoba s povolením Zamestnanec obsluhujúci zariadenia laboratória Vedúci laboratória alebo príslušný vyučujúci, prípadne iná osoba s povolením Vedúci laboratória alebo príslušný vyučujúci, prípadne iná osoba s povolením Vedúci laboratória alebo príslušný vyučujúci, prípadne iná osoba s povolením Vedúci laboratória alebo príslušný vyučujúci, prípadne iná osoba s povolením Vedúci laboratória alebo príslušný vyučujúci, prípadne iná osoba s povolením Vybavenie ochrannými osobnými pracovnými pomôckami: Zamestnanec (študent) obsluhujúci zariadenia vybavený nasledovnými OOPP: dielektrické rukavice, galoše Overiť a skontrolovať stav jednotlivých zariadení pred aj po ich použití. Zistené nedostatky na jednotlivých zariadeniach odstraňuje obsluha. Ostatné nedostatky môžu odstraňovať kvalifikovaní pracovníci podľa príslušných predpisov Dodržiavanie predpisov BOZP a PO podľa dokumentov uvedených v Prevádzkovom poriadku. Kontrola vypnutia všetkých elektrických zariadení, zhasnutia svetiel, uzavretie okien a uzamknutie dverí pracovníkom, ktorý skončil prácu, resp. výučbu. Akékoľvek poruchy na zariadeniach hlási osoba, ktorá poruchu zistila, vedúcemu laboratória a vedúcemu katedry. O čase a spôsobe odstránenia rozhodne vedúci katedry resp. vedúci laboratória. Poruchy ohrozujúce bezpečnosť pracovníka sa odstraňujú okamžite. Podľa predpisov na zaistenie bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci, technickej dokumentácie, prevádzkovej dokumentácie (kde sa to vyžaduje) sociálnej bezpečnosti, ktoré sú uvedené v prevádzkovom poriadku. Neodmysliteľnou súčasťou laboratórnych cvičení z Techniky vysokých napätí je práca s vysokým napätím, ktorá je spojená s veľmi vysokými požiadavkami na znalosť a dodržiavanie bezpečnostných predpisov Chyba! Nenašiel sa žiaden zdroj odkazov., Chyba! Nenašiel sa žiaden zdroj odkazov., Chyba! Nenašiel sa žiaden zdroj odkazov., Chyba! Nenašiel sa žiaden zdroj odkazov.. Preto je aj počet poslucháčov obsluhujúcich jednotlivé zariadenia na jednotlivých pracoviskách menší (maximálny počet 5) a celú skupinu študentov musia viesť dvaja asistenti. Poslucháči si musia byť hlavne sami vedomí zodpovednosti pri riešení laboratórnej úlohy, jednotlivé merania musia vykonávať s maximálnou pozornosťou a rozvahou. Počas meraní si musia zvykať aj na niektoré pre nich zatiaľ neobvyklé sprievodné javy, ako je napr. hluk pri výboji, sršanie koróny, vznik ozónu, atď. 7

9 V LTVN je povinnosťou dodržiavať pravidlá bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci, rešpektovať príkazy svojich vyučujúcich,ako aj pokyny a smernice vydané TU. pred meraním sa presvedčiť, či neizolovaný fázový vodič neleží na vodivej alebo polovodivej podložke alebo prístroji, ktorého sa môžeme dotknúť, nedotýkať sa holými rukami žiadnych živých vodičov po zapnutí merače aparatúry, nezasahovať do meracej aparatúry holými rukami, po každej zmene zapojenia počkať na cvičiaceho kým skontroluje merací obvod a až po jeho súhlase je možné pokračovať v meraní, aj do nízkonapäťových obvodov je možné zasahovať len po ich vypnutí a zaistení, pri práci s kondenzátormi je tieto treba dokonale vybiť skratovaním vývodu, s vysokým napätím pracovať len vtedy, ak je dokonale zaistená bezpečnosť, ak je vysokonapäťová časť oddelená od meracieho priestoru sieťovinou, resp. iným bezpečným krytom, akékoľvek nezvyčajné udalosti vyskytujúce sa pri meraní okamžite hlásiť cvičiacemu, v prípade vzniku požiaru od elektrického prúdu okamžite vypnúť elektrický obvod. Je prísne zakázané hasiť požiar vodou, pri práci v laboratóriách, dielňach a pod. používať predpísané osobné ochranné pracovné prostriedky podľa Smernice pre poskytovanie OOPP vydanej TU každý pracovník musí mať preukázateľné vedomosti o poskytovaní prvej pomoci pri zásahu elektrickým prúdom, každý pracovník je povinný vykonať prácu podľa zadania cvičiaceho, v prípade, že si nie je istý svojimi schopnosťami, musí to včas ohlásiť cvičiacemu, v čase merania nesmie byť pracovník rušený akýmikoľvek vonkajšími faktormi, ak je to nevyhnutné, musí byť meranie na túto dobu okamžite prerušené, pri vstupe do kobky musia ostať dvere otvorené, uzatvárať dvere kobky je možné len keď všetky osoby kobku opustia, všetky zapojené aj nezapojené kondenzátory musia byť pri manipulácii v kobke skratované, alebo dvojpólovo uzemnené, všetky nepoužívané skúšobné vzorky nachádzajúce sa v kobke musia byť skratované a uzemnené. 1.5 Prvá pomoc Zásah elektrickým prúdom Postup pri záchrane človeka, ktorý utrpel zásah elektrickým prúdom: Pri poskytovaní prvej pomoci pri zásahoch elektrickým prúdom je potrbné konať rýchle, rozvážne a neprenáhlene. Postihnutého ihneď vyslobodiť z dosahu elektrického prúdu vypnutím alebo spoľahlivým prerušením obvodu, v ktorom sa nachádza. Ak postihnutý zasiahnutý prúdom nedýcha, treba ihneď zaviesť umelé dýchanie. Ak je srdcový pulz nehmatateľný treba umelé dýchanie doplniť nepriamou masážou srdca. Treba zavolať, alebo poslať po lekára. O úraze treba čo najrýchlejšie upovedomiť príslušného vedúceho pracoviska Vyslobodenie postihnutého úrazom elektrinou z el. zariadenia pod napätím Vypnutím prúdu na najbližšom možnom mieste vyskrutkovaním, alebo vytiahnutím poistiek, hlavný vypínač musí byť označený a pracovníci majú o ňom vedieť. Pri prenosnom ručnom náradí sa prúd preruší vytiahnutím vidlice zo zásuvky. 8

10 Ak prúd nemožno vypnúť, potom postihnutého treba odtiahnuť z dosahu živej časti zariadenia. Dávať pozor aby sa záchranca nedotkol živej časti alebo tela postihnutého. Použiť osobné ochranné prostriedky platí to pri zásahu prúdom nízkeho napätia. Ak postihnutého nemožno vyslobodiť z prúdu predchádzajúcimi spôsobmi, treba prerušiť vodič alebo vyvolať umelý skrat. Pri VVN je problém s priblížením pokiaľ sa zariadenie neodpojilo od napätia, preto je najdôležitejšie zariadiť vypnutie prívodu VN alebo VVN. Ak na postihnutom horia šaty, hasia sa po vypnutí elektrického prúdu suchou vlnenou dekou Prvá pomoc a ošetrenie postihnutého po vyslobodení z dosahu elektrického prúdu Ak je postihnutý v polohe, že by po prerušení elektrického prúdu spadol z výšky, treba ho ešte predtým zabezpečiť. (izolačné materiály) priviazať, podoprieť, zachytiť do plachty. Poskytnúť mu prvú pomoc a neopustiť ho, kým nepríde lekár. Pokiaľ nie je veľmi popálený alebo nekrváca z veľkých tepien, nesmie sa prevážať. Musí sa zistiť či postihnutý: je pri vedomý (neopustiť ho), dýcha (fialový), má hmatateľný pulz (tepna, krčná slabina) rozsah poranenia (krváca, popálený, zlomenina) Ak je postihnutý pri vedomí: Uvoľní sa mu odev, prenesie sa do teplej miestnosti, napije sa teplého nápoja. Nesmie vstať a nesmieme ho nechať osamote. Ak je v bezvedomí, ale dýcha: Uložiť vo vodorovnej polohe na boku (stabilizovaná poloha), s hlavou čo najviac zaklonenou, uvoľniť odev. Nesmie sa podávať nijaký nápoj! Ak postihnutý nedýcha: ihneď zaviesť umelé dýchanie, podporné dýchanie, po celý čas aj počas prevozu do nemocnice, z pľúc do pľúc, alebo použitím oživovacích prístrojov. Ak je neúčinné a nemá hmatateľný pulz, tak doplniť nepriamou masážou srdca. Ostatné zranenia sa ošetrujú až potom až postihnutý začne dýchať a biť mu srdce. Ak krv strieka z tepny, použiť tlakový obväz. Na končatinách ak zo žíl tečie, škrtiť. Rany neumývať, iba okolie, prikryť ich obväzom proti infekcii. Zlomeniny a vykĺbeniny sa nesmú naprávať, iba znehybniť. Zraneného urýchlené previesť do nemocnice Umelé dýchanie z pľúc do pľúc postihnutého položiť na chrbát, z úst sa odstránia prekážky (zubné protézy), pod lopatky vložiť deku alebo kabát, hlavu zakloniť čo najviac dozadu, jednu ruku na čeľusť, druhu na čelo, ak sú ústa v kŕči cez nos, sledovať či sa dvíha hrudník, ak nie, nie sú uvoľnené dýchacie cesty. Dych nesmie unikať, zapchať nos alebo ústa. Záchranca sa zhlboka nadýchne a 10-krát za sebou asi v sekundových intervaloch a potom 12 až 16-krát za minútu. Pri umelom dýchaní možno použiť aj pomôcky (T-TUBUS z plastu a prístroj PREMA 07) T-TUBUS zníži sa možnosť infekcie a odpor zo zvracania. PREMA 10 M7 Okrem predchádzajúcich aj to že ma záchranca obe ruky voľné. Ak nič iné nemáme po ruke, robiť to cez obväz, alebo vreckovku. 9

11 1.5.5 Nepriama masáž srdca Nepriamu masáž srdca môže robiť len odborne vyškolený záchranca. Aj ten však musí najskôr začať s umelým dýchaním, ktoré sa nesmie prerušiť ani počas masáže srdca. Z toho vyplýva, že by mali byť pri tom dve osoby. Záchranca uloží postihnutého na chrbát na tvrdú podložku a postaví sa po jeho ľavej strane, zápästie pravej ruky položí dlaňou na dolnú časť hrudnej kosti. Prsty smerujú k pravému lakťu postihnutého, ale nedotýkajú sa hrudníka. Ľavú ruku položí naprieč cez pravú a hmotnosťou tela stláča rytmicky hrudnú kosť smerom k chrbtici do hĺbky 4 až 5 cm v sekundových intervaloch, t.j. asi 60-krát za minútu. Vždy na päť stlačení hrudnej kosti postihnutého nasleduje jeden dych. Skôr ako sa začne s nepriamou vonkajšou masážou srdca, odporúča sa 2-3 razy prudšie udrieť päsťou do srdcovej krajiny. 1.6 Úraz popálením Najpodstatnejšie je chladenie cca min pod studenou tečúcou vodou. Rany kryjeme navlhčenou sterilnou gázou. Silné krvácanie je treba zastaviť priložením tlakového obväzu. Rany sa nesmú umývať ani mastiť rôznymi masťami. Odborné ošetrenie urobí lekár. 1.7 Poškodenie očí Cudzie teleso sa z oka neodstraňuje. Je potrebné vyhľadať lekára. Chemické popálenie vzniká najčastejšie vstreknutím chemikálií do oka. V takomto prípade je potrebné urobiť výplach oka (tečúca voda) a odniesť postihnutého na ošetrenie k lekárovi. 1.8 Dôležité telefónne čísla Ak ste v ohrození života alebo zdravia, ak je ohrozený váš majetok, alebo ste účastníkom mimoriadnej udalosti, pri ktorej je ohrozený život, zdravie alebo majetok iných občanov, dožadujte sa poskytnutia pomoci na nasledujúcich telefónnych číslach tiesňového volania: a) v prípade požiaru, dopravnej nehody, ohrozenia následkom živelných pohrôm a iných mimoriadnych udalostí volajte Hasičský a záchranný zbor b) v prípade ohrozenia života a zdravia volajte Zdravotnú záchrannú službu c) v prípade ohrozenia následkom trestnej činnosti alebo jej oznámenia Políciu (159 - Mestskú políciu) d) Dňom 1. júla 2003 je v platnosti jednotné číslo tiesňového volania Integrovaný systém (volať v prípade väčšieho rozsahu, okamžite sú aktivované všetky zložky súčasne) 112 Ak vyžadujete pomoc v tiesni, alebo pri oznamovaní správy o mimoriadnej udalosti uveďte: a) svoje meno a číslo telefónu, z ktorého telefonujete, b) druh udalosti, prípadne riziká (elektrický prúd, chemikálie, ožiarenie a pod.) c) rozsah udalosti, d) miesto udalosti, e) ak je na miesto udalosti sťažený prístup, uveďte spôsob prístupu, smer, odkiaľ je možné miesto udalosti dosiahnuť a druh prístupovej cesty (súkromná cesta, poľná cesta a pod.). f) Po ukončení hovoru počkajte na spätné volanie operátora príslušnej záchrannej služby alebo polície. 10

12 1.9 Ďalšie dôležité telefónne čísla: Vrátnica TUKE 2506 Záchranná služba 155 Požiarnici 150 Referát požiarnej ochrany kl Miloslav Bartoš Nadriadený pracoviska - sekretariát kl Dr.h.c. prof. Ing. Michal Kolcun, PhD. Technik BOZP pri FEI TUKE kl Ing. Jozef Balogh, PhD. Plyn kl Ing. Juraj Pechs Elektro kl Peter Lukáč Voda kl Ľubomír Brudňák 1.10 Hlásenie úrazov, umiestnenie lekárničiek prvej pomoci na pracovisku Každý pracovný alebo školský úraz musí postihnutý, príp. ten, kto sa prvý o úraze dozvie, hlásiť vedúcemu katedry a zástupcovi BOZP na katedre, ktorý tento úraz zapíše do knihy úrazov podliehajúcich evidencii. Zodpovedný je vedúci pracoviska. Ak sa jedná o úraz podliehajúci registrácii spíše vedúci pracoviska v spolupráci so zástupcom BOZP záznam o registrovanom pracovnom úraze v zmysle Vyhlášky č. 500/2006 o registrovanom pracovnom úraze. Pri vyšetrovaní školského úrazu je potrebné sa riadiť Metodickým usmernením MŠ SR č. 24/2006-R z 28. novembra 2006 k zavedeniu jednotného postupu škôl pri vzniku registrovaného školského úrazu. Záznam zo školenia BOZP študenta na zariadeniach laboratória v prípade riešenia záverečnej alebo diplomovej práce je uvedený v Prílohe 1 Záznam zo školenia BOZP študenta na zariadeniach laboratória v zmysle P/TUKE/POaBOZ/07. Každý zamestnanec a študent musí byť oboznámený s umiestnením lekárničky na pracovisku Povinnosti po skončení práce Zabezpečiť vypnutie všetkých elektrických zariadení, zhasnutie svetiel, uzavretie okien a uzamknutie dverí Súvisiaca dokumentácia Zákon 124/2006 Z.z. o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci a jeho vykonávacie nariadenia vlády Zákon 355/2007 Z.z. o ochrane, podpore a rozvoji verejného zdravia a o zmene a doplnení niektorých zákonov Zákon 311/2001 Z.z. Zákonník práce Vyhláška 508/2009 Z.z Ministerstva práce, sociálnych vecí a rodiny Slovenskej republiky z 9.júla 2009, ktorou sa ustanovujú podrobnosti na zaistenie bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci s technickými zariadeniami tlakovými, zdvíhacími, elektrickými a plynovými a ktorou sa ustanovujú technické zariadenia, ktoré sa považujú za vyhradené technické zariadenia. Vyhláška 500/2006 MPaSV SR, ktorou sa ustanovuje vzor registrovaného pracovného úrazu, Metodické usmernenie MŠ SR č. 24/2006-R k zavedeniu jednotného postupu škôl pri vzniku registrovaného školského úrazu, 11

13 Prevádzkový poriadok na zabezpečenie riadenia BOZP na TUKE Vstupné školenie študentov z oblasti BOZP + prezenčná listina Záznam o vykonanom školení o bezpečnosti a ochrane zdravia študentov v zmysle zákona č.124/2006 Z.z. Strana: 1 Obsah školenia: Rozsah školenia: 30 min. 1. Oboznámenie sa so všeobecnými požiadavkami bezpečnosti a ochrany zdravia pacujúcich v objektoch a priestoroch Technickej univerzity v Košiciach t.j aj ŠDaJ. Výklad o nebezpečenstve vzniku úrazu charakteristickom pre príslušné pracovisko, najmä o vykonaných opatreniach na pracovisku, a o pracovnej disciplíne vo vzťahu k ochrane a bezpečnosti. 2. Oboznámenie sa s rozmiestnením lekárničiek, ďalších vecných prostriedkov ochrany na pracovisku a so spôsobom ich použitia, ako aj s rozmiestnením hlavných vypínačov el. energie a uzáverov vody a plynu. 3. Spôsob oznamovania vzniku úrazu na pracoviskách a povinnosti zamestnancov a študentov pri vzniku úraze vyplývajúce zo smerníc o riadení BOZP i traumatologického plánu. Oboznámenie s právnymi predpismi a ostatnými predpismi na zaistenie bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci, so zásadami bezpečnej práce, zásadami ochrany zdravia pri práci, zásadami bezpečného správania na pracovisku a s bezpečnými pracovnými postupmi, s vyskytujúcimi sa a predvídateľnými nebezpečenstvami, ich účinkami na zdravie a s ochranou pred nimi, so zákazom vstupovať do priestoru, zdržiavať sa v priestore a vykonávať činnosti, ktoré by mohli bezprostredne ohroziť život alebo zdravie zamestnancov a študentov, so zákazom fajčenia v budovách TUKE i užívaním alkoholických nápojov a omamných látok, so zoznamom prác a pracovísk zakázaných ženám a mladistvým (Školenie BOZP). 4. Riadenie BOZP na TUKE. Fakulta: Ročník, trieda/skupina: 12

14 Š K O L E N I E Š T U D E N T O V V OBLASTI BOZP Bol/a/ som oboznámený/á/ s uvedenými predpismi na úseku BOZP, ktoré budem dodržiavať: - rešpektovať príkazy svojich vyučujúcich, ako aj pokyny a smernice vydané TUKE, - počínať si tak, aby som neohrozoval svoje zdravie ani zdravie svojich spolužiakov, - zúčastňovať sa na školeniach, inštruktážach o BOZP, - pri práci v laboratóriách, dielňach a pod. používať predpísané osobné ochranné pracovné prostriedky (OOPP) podľa Smernice pre poskytovanie OOPP vydanej TUKE, - všetky závady a nedostatky na úseku BOZP hlásiť svojmu vyučujúcemu, - platí prísny zákaz používania alkoholických nápojov, omamných a psychotropných látok, - v priestoroch a na pracoviskách so zvýšeným požiarnym nebezpečenstvom dodržiavať zákaz fajčenia a manipulácie s otvoreným ohňom, REŠPEKTOVAŤ VYDANÝ ZÁKAZ FAJČENIA V OBJEKTOCH TUKE, - pracovať len s pracovnými nástrojmi, strojmi a prístrojmi, ktoré sú v bezchybnom technickom stave, - nedotýkať sa el. vedenia, nemanipulovať s el. zariadeniami, na ktoré nemám oprávnenie, alebo nie som o nich poučený/á/ podľa vyhl. č. 508/2009 Z.z., - neopravovať el. poistky /STN , /, - nezakladať predmetmi bezpečnostné prechody, chodby, dvere, rozvádzače, označené ako únikové cesty - prípadný vznik školského úrazu ihneď hlásiť svojmu vyučujúcemu a ved. katedry, - po ukončení výučby skontrolovať, či sú vypnuté el. spotrebiče a pod., - dodržiavať všeobecné zásady bezpečnosti pri práci v zmysle zák. NR SR č. 124/2006 Z. z. o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci, - dodržiavať predpisy týkajúce sa zakázaných prác žien a mladistvých, - dodržiavať všeobecné zásady bezpečnosti práce pre dané pracovisko, - v prípade úrazu poskytnúť prvú pomoc. Školenie vykonal:... V Košiciach, dňa... Príloha: Prezenčná listina ZÁPIS O OBOZNÁMENÍ S RIZIKAMI PRI PRÁCI Zápis o oboznámení s rizikami pri práci Dňa: Poučenie vykonal: Podpis: S rizikami pri práci oboznámený Meno Funkcia Dátum Podpis 13

15 ZÁPIS O POUČENÍ PRE OBSLUHU ZARIADENÍ V LTVN TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY KATEDRA ELEKTROENERGETIKY Svojím podpisom potvrdzujem, že som bol pred začiatkom prác v Laboratóriu techniky vysokých napätí poučený s obsluhou týchto zariadení, ako zapínanie, vypínanie, obsluha jednoduchých zariadení: 1. Typ zariadenia Typ zariadenia Typ zariadenia Typ zariadenia Typ zariadenia Typ zariadenia Typ zariadenia... Poučená osoba Meno a priezvisko:... Podpis:... Dátum:... 14

16 2 Meranie vysokých striedavých napätí a ciachovanie vn zariadení pomocou guľového iskrišťa 2.1 Úvod do problematiky Od začiatku rozvoja elektrotechniky a zvlášť po objavoch N. Teslu, ktorý položil základy elektroenergetiky založenej na striedavom vysokom napätí je mimoriadne dôležité meranie jeho výšky a to nielen pri experimentálnej a laboratórnej činnosti, ale hlavne v náročných prevádzkových podmienkach pri pôsobení vonkajších činiteľov. Prenos elektrickej energie na veľké vzdialenosti a prevádzková konfigurácia siete vyžadujúca si vysokú operatívnosť kladie aj vysoké nároky na meracie zariadenia, bez ktorých by elektroenergetické zariadenia nemohli vzájomne spolupracovať. Vzhľadom na to, že sa elektrina stala aj vzácnym tovarom, presnosť merania rozhoduje aj o presnosti fakturácie za dodanú elektrinu. V laboratórnych podmienkach sú pre meranie zabezpečené vhodné podmienky, avšak pri meraniach v praxi je meracia technika umiestnená vo vonkajšom prostredí, kde je vystavená všetkým vyskytujúcim sa meteorologickým situáciám. Vyžaduje sa vysoká presnosť merania v celom vyskytujúcom sa rozsahu teplôt, vlhkosti, dažďa, rosy, snehu, námrazy, tlakov... Na meranie vysokých, veľmi vysokých a zvlášť vysokých napätí sa používajú špeciálne na to vyvinuté zariadenia ako napríklad meracie transformátory, napäťové deliče, guľové iskrištia z ktorých niektoré sú určené len pre laboratórne účely. Meranie vysokých striedavých napätí je možné realizovať niekoľkými spôsobmi, ktoré sú schematicky znázornené na (obr. 2-1): a) Prístrojovými transformátormi napätia PTN b) Kapacitnými a odporovými deličmi napätia c) Predradným odporom d) Predradným kondenzátorom e) Elektrostatickým kilovoltmetrom, f) Guľovým iskrišťom. Obr. 2-1 Spôsoby zapojenia meracích prístrojov Merací transformátor V energetike má pre meranie vysokých striedavých napätí najväčší význam prístrojový transformátor napätia (PTN). Je to najčastejšie jednofázový transformátor s oddeleným primárnym a sekundárnym vinutím. Primárne VN vinutie sa pripája na merané napätie. Sekundárne vinutie zabezpečuje prevod na 100V. Tento spôsob merania je výhodný z viacerých hľadísk: vysoké napätie je od meracieho obvodu s nízkym napätím bezpečne oddelené, meranie je presné nakoľko prevod transformátora je stály. Od PTN sa vyžaduje, aby ho bolo možné na sekundárnej strane zaťažovať napájaním ochrán a iných zariadení s celkovým výkonom aj niekoľko 100 W. Sekundárny obvod je istený proti skratu, čím sa zvýši bezpečnosť zariadenia [7]. Meracie transformátory sa používajú na všetkých napäťových 15

17 hladinách a vyrábajú sa ako pre vnútorné tak aj pre vonkajšie použitie a aj vo vyhotovení s izoláciou SF6.Dosahujú presnosť až 0,1%. Dôležitosť veľkej presnosti, dnes požadovanej, je jasná z príkladu. Ak transformátor spôsobí odchýlku v meraní výkonu 1%, znamená to u vedenia 100 kv s prenosovou schopnosťou 40 MW rozdiel 400 kw, t. j. za rok pri 50% využití vedenia cez 1,75 miliónov kilowatthodín. Pri dnešných cenách elektrickej energie, predstavuje táto nepresnosť sumu, ktorá ďaleko presahuje cenu presného meracieho transformátora [7]. Aj keď výrobcov je viacero najdôležitejšia je dlhodobá presnosť merania a vysoká spoľahlivosť. PTN sa vyrábajú v suchom vyhotovení do cca. 35 kv (napr /100 V). Často sa vyrábajú aj v kombinácii s prúdovým transformátorom. Na vyššie napäťové hladiny sa používajú PTN s izolačnými kvapalinami olejové (napr / 3/100/ 3 V). Príklad konštrukčného prevedenia PTN je na obr. 2-2 a obr. 2-3 [7]. Obr. 2-2 Prístrojový transformátor napätia 22kV Obr. 2-3 Prístrojové transformátory napätia na rôzne napäťové hladiny Kapacitný delič napätia Pre meranie striedavého napätia sa už v súčasnosti používajú aj kapacitné deliče napätia, pretože u odporových deličov napätia sa uplatňujú parazitné kapacity voči zemi, ktoré výrazne ovplyvňujú rozdelenie napätia a teda aj presnosť. Kapacitné deliče sa používajú v kombinácii s rôznymi druhmi 16

18 meracích prístrojov. Výhodou kapacitných deličov je v ich jednoduchej konštrukcii a nízkej vlastnej spotrebe. Obr. 2-4 Kapacitný delič napätia Pre veľmi vysoké napätie sa kondenzátory radia do série - reťazcov. V praxi sa kapacitné deliče začali presadzovať až po zavedení nových druhov ochrán so zníženou energetickou náročnosťou Elektrostatický kilovoltmeter Elektrostatické voltmetre majú základ z Thomsonového kvadrantového elektrometra. Pre vyššie napätia sa používa spôsob idiostatického zapojenia, pri ktorom sa ihla spojená s jedným párom kvadrantu uzemní a na druhý pár kvadrantu sa priloží napätie. Pri konštrukcii prístrojov na meranie vysokého napätia sa využívajú príťažlivé sily dvoch dosiek s potenciálovým rozdielom. Jedna z dosiek je pohyblivá v závislosti od priloženého napätia a jej pohyb sa prenáša na ručičku indikujúcu jeho výšku. Na odtienenie vonkajších vplyvov sa používa ešte tretia elektróda ktorá chráni merací systém od pôsobenia cudzích polí. Rozsah je až do 30 kv. Pre vyššie vysoké napätia je potrebné oddelenie vysokého napätia od obsluhy a preto sa prenos informácie zabezpečuje pomocou optického zobrazovacieho systému. Elektrostatický kilovoltmeter sa používa hlavne v laboratóriách pri experimentálnych meraniach do cca.100 kv. Najčastejšie používané elektrostatické kilovoltmetre sú na obr. 2-5 a obr

19 Obr. 2-5 Elektrostatický voltmeter do 30kV Obr. 2-6 Elektrostatický voltmeter do 75kV Meracie iskrište Iskrište je konštrukčne najjednoduchší elektrický merací prístroj pozostávajúci z dvoch elektród, medzi ktorými pri náraste napätia dôjde k výboju. Je vhodné na meranie aj tých najvyšších vysokých napätí. Slúži aj ako normál pre ciachovanie iných meracích zariadení. Ak je realizované pomocou elektród, ktorých tvar je presne definovaný, dá sa preskokové napätie presne určiť. Meracie iskrište tvoria najčastejšie guľové, alebo tyčové- valcové elektródy. Elektródy sú umiestnené vodorovne, alebo zvislo Obr Jedna z elektród je pohyblivá a umožňuje nastavenie vzdialenosti. Druhá elektróda je zvyčajne na potenciáli zeme a býva v nej rádioaktívny preparát Cs 137, zabezpečujúci presnosť merania pri premenlivom počte voľných nosičov náboja v priestore merania, podstatným zvýšením ich počtu pôsobením rádioaktívneho žiarenia. Obidve elektródy sú konštrukčne riešené ako izolované čo umožňuje ich použitie na meranie medzi dvoma bodmi s rôznym potenciálom oproti zemi. Preskokové napätie je pre jednotlivé vzdialenosti stanovené normou. Najčastejšie sa používajú meracie iskrištia s guľovými elektódami - guľové iskrištia. Guľové iskrište tvoria dve guľové elektródy rovnakého priemeru d, ktorý sa pohybuje od cm až po niekoľko metrov Obr Rozmery elektród ako aj celkové konštrukčné usporiadanie je normalizované v STN EN a taktiež sú presne definované aj odpovedajúce vrcholové preskokové napätia a podmienky použitia. 18

20 Obr. 2-8 Vodorovné iskrište guľové a tyčové Obr. 2-9 Guľové iskrište vo vertikálnom usporiadaní K výboju na guľovom iskrišti dochádza v okamihu maxima priebehu meraného napätia. Iskrišťom sa teda merá vrcholová (maximálna) hodnota striedavého a impulzného napätia. Vzhľadom na to, že väčšina meracích prístrojov je ciachovaná v efektívnych hodnotách je potrebné údaje GI z normy konvertovať na efektívnu hodnotu, ako aj lokálne atmosferické podmienky. Veľkosť preskokového napätia sa odvodzuje z doskoku guľových elektród (t.j. z ich vzájomnej vzdialenosti s) a je určená pre normálne atmosférické podmienky - tlak 101,3 kpa (= 1013 mb = 760 torr = 1 atm), teplotu 20 C a absolútnu vlhkosť vzduchu 11 g/m 3. Pri zachovaní všetkých smerníc daných normou a pri dôslednom niekoľko krát opakovanom meraní, sa guľovým iskrišťom pri striedavom a impulznom napätí dá merať s presnosťou ±3% pri doskoku zodpovedajúcemu od 0, 05 d do 0,5 d. Jednosmerné napätie je možné merať so zaručenou presnosťou ±5% v bezprašnom prostredí pri doskokoch do 0,4 d [6]. 19

21 Aby sa zabránilo vysokofrekvenčným kmitom na iskrišti, ktoré môžu byť príčinou nežiaducich preskokov a aby sa obmedzil prúd pri preskoku, radí sa do vysokonapäťového prívodu predradný odpor, ktorý nemá mať induktívny charakter. V laboratóriách často meriame relatívnu vlhkosť vzduchu udávanú v percentách. Závislosť medzi absolútnou a relatívnou vlhkosťou je daná vzťahom: φ r = φ A E kde φ r relatívna vlhkosť (%) φ A absolútna vlhkosť (g/m3) E napätie nasýtených pár pri danej teplote. 100 (2-1) Merania iskrišťom realizované pri rôznych atmosférických podmienkach je potrebné vyhodnotiť pomocou korekčných činiteľov. Tým je možné dosiahnuť reprodukovateľnosť výsledkov. Vplyv tlaku vzduchu p (udávaného v kpa) a teploty vzduchu T (udávanej v C) je zahrnutý do korekčného činiteľa k h, ktorý je závislý od relatívnej hustoty vzduchu δ, ktorú je možné vyjadriť nasledovne: δ = p , T = 2,892 p T Vzťah medzi korekčným činiteľom k h a δ hustotou vzduchu pre homogénne polia je uvedený v tab (2-2) δ 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 kh 0,72 0,77 0,82 0,86 0,91 0,95 1,00 1,05 1,09 1,13 Tab. 2-1 Závislosť k h od δ Korekčný činiteľ rešpektujúci vlhkosť vzduchu k v sa počíta pomocou empirického vzťahu. Jeho grafické vyjadrenie v závislosti od absolútnej vlhkosti vzduchu pre striedavé a impulzné (rázové) napätie pri oboch polaritách impulznej (rázovej) vlny tvaru 1,2/50 pri meraniach v laboratórnych podmienkach je koeficient k v = 1. Ak z tabuliek odčítame pre meraný doskok hodnotu U p0 a vypočítame korekčný činiteľ k h, potom merané napätie U p má skutočnú hodnotu: U p = k h U p0 (2-3) V prípade, že hľadáme pre žiadané napätie U p príslušný doskok pri inej teplote, vlhkosti a tlaku, než normálnych, je potrebné ho v tabuľkách hľadať pre napätie: U p0 = U p k h (2-4) Vrcholové (preskokové) hodnoty za normálnych atmosférických podmienok pre daný priemer gúľ iskrišťa a doskoku sú uvedené v tab

22 Platí pre: striedavé napätia záporné rázové napätia jednosmerné napätia akejkoľvek polarity Atmosférické pomery: 20 C a 101,3 kpa Priemer gúľ (cm) Doskok (cm) Preskokové napätie U p0 (kv) 0,05 2,8 0,10 4,7 0,15 6,4 0,20 8,0 8,0 0,25 9,6 9,6 0,30 11,2 11,2 0,40 14,4 14,3 0,50 17,4 17,4 16,8 16,8 0,60 20,4 20,4 19,9 19,9 0,70 23,2 23,4 23,0 23,0 0,80 25,8 26,3 26,0 26,0 0,90 28,3 29,2 28,9 28,9 1,00 30,7 32,0 31,7 31,7 31,7 1,20 (35,1) 37,6 37,4 37,4 37,4 1,40 (38,5) 42,9 42,9 42,9 42,9 1,50 (40,0) 45,5 45,5 45,5 45,5 1,60 48,1 48,1 48,1 48,1 1,80 53,0 53,5 53,5 53,5 2,00 57,5 59,0 59,0 59,0 Tab. 2-2 Normalizované vrcholové hodnoty preskokového napätia na GI Pri meraní budeme zisťovať veľkosť preskokového napätia pri frekvencii 50 Hz ktorého vrcholová hodnota je pre dané GI a nastavenú vzdialenosť elektród známa z normy. Meranie bude realizované rôznymi metódami s cieľom vzájomného porovnania ich presnosti. Z toho vyplýva, že pôjde o určenie efektívnej i maximálnej hodnoty napätia s požiadavkou na určenie chyby merania a rušivých vplyvov pri meraní. 2.2 Schéma zapojenia a princíp merania Úloha merania: 1. Merať vysoké striedavé napätia viacerými metódami 2. Porovnať presnosť jednotlivých metód - určiť odchýlky a chybu merania 3. Ociachovať jednotlivé meracie prístroje pomocou guľového iskrišťa 4. Zostrojiť ciachovné krivky k jednotlivým prístrojom pre použitie pri iných meraniach 5. Vyhodnotiť vhodnosť použitia jednotlivých prístrojov 21

23 Súpis použitých prístrojov a podmienky merania: AT - autotransformátor, VnTr - vysokonapäťový transformátor, R 0 - obmedzovací odpor, KD - kapacitný delič, GI - guľové iskrište, V - voltmeter. Obr Schéma zapojenia Doskokovú vzdialenosť s voľte 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 cm. Pred začiatkom merania guľové iskrište starostlivo očistite, zbavte prachu a prípadných nečistôt prísne sa zakazuje dotýkať sa rukami povrchu gulí. 2.3 Postup merania 1. Zostavte schému merania podľa zadaných metód merania 2. Ak použijete kapacitný (odporový) delič - z hodnôt C 1,C 2 ( R1,R2 ) vypočítajte konštantu deliča k (k = C 1 + C 2 C 1 ) (2-5) 3. Ak použijete PTN zo štítkových údajov stanovte prevod. 4. Na guľovom iskrišti nastavte vzdialenosť (doskok) medzi elektródami guľami. 5. Na elektrostatickom kilovoltmetri nastavte vhodný rozsah a stupnicu. 6. Regulačným transformátorom jemne zvyšujte napätie. 7. Sledujte hodnotu napätia na jednotlivých prístrojoch a v okamihu výboja na guľovom iskrišti odčítajte namerané hodnoty a zapíšte do tabuľky. 8. Meranie opakujte podľa zadania. Hodnoty napätia zapíšte do tabuľky. 9. Vykonajte korektúru veľkosti vrcholových preskokových napätí U p0 odčítaných z tab. 2-2 na efektívnu hodnotu, tlak, teplotu a vlhkosť vzduchu a korigované (skutočné) hodnoty preskokových napätí U p zapíšte do tab. 2-3 [2]. s [cm] 0,2 0,3 0,4 0,5 d=...cm, k=..., kh=..., kv=1, T=... C, p=...kpa, φr=...% Up0 Up Upef UD1 UD2 UD3 UD [kv] [kv] [kv] [V] [V] [V] [V] UCD [kv] 22

24 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Tab. 2-3 Namerané hodnoty 2.4 Vyhodnotenie nameraných výsledkov a záver Vyhodnoťte presnosť jednotlivých metód a ich odchýlky a zostrojte ciachovné krivky pre presné meranie. Vyhodnoťte namerané výsledky kvantitatívne aj kvalitatívne. 2.5 Kontrolné otázky 1. Akými prístrojmi a metódami sa dá merať vysoké striedavé napätie? 2. Ktoré zariadenie sa najčastejšie používa na meranie vn v energetike? 3. Aké hodnoty napätí merajú jednotlivé prístroje používané vo vn technike? 4. Aký význam má rádioaktívny preparát GI? 5. Ako treba pripraviť GI na meranie, čo je prísne zakázané pri práci s GI? 6. Akú presnosť dosahuje GI? 7. Ako je možné merať vn pomocou GI? 8. Čo rozumiete pod pojmom ciachovanie meracích prístrojov? 9. Aké sú možnosti zvýšenia presnosti deličov napätia? 23

25 3 Skúmanie výbojových javov v nehomogénnom poli polaritný efekt 3.1 Úvod do problematiky Pôvodne neutrálne atómy, molekuly či komplexy molekúl, ktoré sa nabijú kladne, alebo záporne jedným, alebo niekoľkými elementárnymi nábojmi, nazývame všeobecne ióny a proces pri ktorom sa tvoria ióny sa nazýva ionizácia. Elektróny, kladné a záporné ióny nazývame nosiče náboja. Na vytvorenie kladných iónov je potrebné vynaložiť ionizačnú prácu na uvoľnenie jednného, alebo niekoľko elektrónov. Tvorenie záporných iónov je exotermický dej (pri reakcii sa uvoľňuje teplo). Neutrálna častica prijme jeden, alebo niekoľko elektrónov [10]. Kladné a záporné nosiče sa priťahujú a rekombinujú, t.j. vzájomne neutralizujú. Nosiče majú snahu vyplniť rovnomerne celý priestor (difúzia) a ďalej sa usadzovať na stenách uzavretého priestoru (absorpcia). Nosiče elektrickej energie vo vzduchu sa môžu tvoriť najmä týmito spôsobmi: a) Nárazovou ionizáciou pri náraze dostatočne rýchleho elektrónu, iónu alebo neutrálnej častice na neutrálny atóm alebo molekulu. Príkladom rýchlo sa pohybujúcich častíc sú častice α a β rádioaktívnych látok, elektróny a kladné ióny urýchlené v elektrickom poli a iné. Nárazová ionizácia je najdôležitejší pochod pri výbojoch v plyne [10]. b) Fotoionizáciou pri krátkovlnnom a UV žiarení. Kinetická energia fotónu je daná vzťahom h f, kde h je Planckova konštanta 6, Js, f = c/λ je frekvencia (c je rýchlosť svetla, λ vlnová dĺžka). Vo vzduchu vzniká fotoionizácia röntgenovými lúčmi, žiarením γ, a kozmickým žiarením, ktorého účinok je veľmi intenzívny. Fotoionizácia je pri výbojoch v plynoch sekundárny proces. Ožiarený atóm vyžiari kvantum energie (fotón), ktorý môže ionizovať iný atóm. c) Povrchová ionizácia pri ktorej sa uvoľnujú elektróny z povrchu elektród. K tomu je potrebné dodať tzv. výstupnú prácu. Táto práca sa dá dodať elektrónu ohrievaním elektródy, bombardovaním povrchu časticami s dostatočnou energiou, ožarovaním povrchu kovu krátkovlnným žiarením (fotoelektrický jav) a pôsobením silného vonkajšieho elektrického poľa[1]. 3.2 Druhy elektrických polí v technike vysokých napätí Vznik ionizačných a výbojových procesov je závislý od intenzity elektrického poľa, ktorá je daná priloženým napätím, konfiguráciou elektród a vonkajšími činiteľmi. Elektrické polia sa podľa stupňa nehomogenity delia na homogénne, mierne nehomogénne a silne nehomogénne polia. Elektrické pole popisujú tieto veličiny [11]: a) U k je kritické napätie, pri ktorom dochádza v miestach s najväčšou intenzitou elektrického poľa k miestnym výbojom. b) U p je preskokové (prierazné) napätie, pri ktorom dochádza k úplnému výboju. c) E k je kritická intenzita elektrického poľa, ktorá vyvolala neúplný výboj, nazývame ju tiež elektrická pevnosť prostredia. d) E p je intenzita elektrického poľa v mieste najvyššieho namáhania pri preskokovom napätí, nazývame ju tiež prierazná pevnosť, e) E pm je merná prierazná pevnosť, je daná U p /s, kde s je doskok (cm) [6]. 24

26 3.2.1 Homogénne pole Intenzita elektrického poľa E má vo všetkých miestach poľa rovnaký smer aj veľkosť. Napríklad medzi dvoma rovnobežnými izolovanými kovovými platňami, z ktorých jedna má kladný a druhá rovnako veľký záporný náboj (pozri obr. 3-1) [11]. Popisujú ho vzťahy: U k = U p (3-1) E k = E p = E pm (3-2) Obr. 3-1 Homogénne elektrické pole V praxi sa používajú Rogowského elektródy, sú to rovnobežné kovové platne ukončené po obvode s určitým polomerom zakrivenia pre elimináciu okrajových efektov, ako je to na obr Obr. 3-2 Rogowského elektródy Mierne nehomogénne pole Homogénne pole sa v praxi veľmi ťažko vytvára, pretože je ovplyvňované každou nehomogenitou elektród a prostredia. V mierne nehomogénnych poliach prebiehajú procesy približne rovnakým spôsobom ako v homogénnych poliach a preto vzťahy pre homogénne pole platia aj pre mierne nehomogénne pole [11]: U k = U p (3-3) E k = E p > E pm (3-4) Mierne nehomogénne polia vytvárajú napr. guľové iskrištia Silne nehomogénne pole Pre nehomogénne elektrické pole je charakteristické, že gradient elektrického poľa je medzi elektródami nerovnomerne priestorovo rozložený. Takýto stav vzniká medzi elektródami s malým, alebo veľmi rozdielnym polomerom zakrivenia. Ich polomer je omnoho menší, než je ich vzájomná vzdialenosť. Nehomogénne pole sa vyskytuje u väčšiny vysokonapäťových zariadení používaných v 25

27 elektroenergetike, nakoľko znižovanie nehomogenity si vyžaduje veľké polomery elektród a materiálové a investičné náklady. Homogenizačné elektródové nástavce veľkých priemerov sa používajú hlavne u výskumných zariadení. Ionizačným a výbojovým procesom v nehomogénnom poli prakticky nie je možné v prevádzke pri pôsobení vonkajších prevádzkových činiteľov zabrániť. V blízkosti elektród s malým polomerom zakrivenia v oblasti vysokej intenzity elektrického poľa sa odohrávajú ionizačné procesy, ktoré nevedú okamžite k vzniku preskoku, pretože vo väčšej časti poľa v medzielektródovom priestore je intenzita menšia. V priestore kde gradient poľa dosahuje viac ako 30 kv/cm čo je približná elektrická pevnosť vzduchu vzniká výboj, ktorý nepreklenie celú vzdialenosť medzi elektródami. Takýto čiastkový výboj je typickým sprievodným javom v silne nehomogénnom poli a objavuje sa pri dosiahnutí tzv. kritického napätia, ktorého postupným zvyšovaním dôjde k preskoku. Keď sa jedná o plynné prostredie, hovoríme o preskoku. Termín elektrický prieraz sa používa v súvislosti s pevnými izolantmi u ktorých dochádza aj deštrukcii izolantu. Pri skúmaní procesov v silne nehomogénnom poli tvorenom elektródovým usporiadaním hrot doska vo vzduchu, pri dosiahnutí kritického napätia dochádza v oblasti hrotu k ionizácii molekúl vzduchu. Sprievodným prejavom ionizácie sú optické javy v podobe slabého modrého svetla na konci hrotovej elektródy Ukopt a akustické javy v podobe sršania pri dosiahnutí kritického napätia Uka.. Tento jav sa nazýva koróna (korónový výboj). Korónový výboj má aj chemické prejavy a je sprevádzaný vznikom ozónu O3, ktorý je mimoriadne silným oxidantom, spôsobujúcim koróziu a degradáciu okolitých izolačných a vodivých materiálov. Uvedené javy sú spôsobené predovšetkým nárazovou ionizáciou. Preskokové napätie v nehomogénnom elektrickom poli je pri rovnakej vzdialenosti elektród menšie ako v homogénnom poli. Na obr. 3-1 sú porovnané hodnoty preskokových napätí medzi dvomi guľovými elektródami s polomerom 5 cm a hrotovými elektródami. Dôvodom pre značné zníženie preskokového napätia v nehomogénnom poli sú ionizačné procesy spojené so vznikom kladného priestorového náboja. Nerovnomerné rozloženie priestorového náboja je dôsledkom rozdielnej rýchlosti iónov a elektrónov. Rýchlosť elektrónov je až 500 násobne vyššia ako rýchlosť kladných iónov. V priestore kde dochádza k ionizácii sa vytvorí veľké množstvo nosičov nábojov ladnej aj zápornej polarity, ktoré v dôsledku rôznej pohyblivosti vytvárajú oblasť kladného priestorového náboja. Elektróny sú rýchlejšie a preto v priestore z ktorého sa premiestnili k protielektróde zostávajú kladné ióny vytvárajúce kladný priestorový náboj. Medzi elektródami s polomerom zakrivenia oveľa menším, ako je ich vzájomná vzdialenosť vznikne nehomogénne pole. V značne nehomogénnych elektrických poliach, vytvorených jednosmerným, alebo striedavým vysokým napätím dochádza k rozdielnym fyzikálnym javom, než aké sme pozorovali v homogénnom elektrickom poli (Rogowského elektródy obr. 3-2, guľové iskrište). Javy ktoré spôsobujú rozdielny charakter prierazu pochádzajú z elektrických dejov medzi elektródami, najmä vo vytváraní a pohybe elektrónov, kladných a záporných iónov. Pre silne nehomogénne elektrické polia platia nasledovne vzťahy: U k < U p (3-5) E k < E p > E pm (3-6) Preskokové napätie v nehomogénnom elektrickom poli je pri totožnej vzdialenosti elektród menšie ako v homogénnom poli. Na obr. 3-3 sú porovnané hodnoty preskokových napätí medzi dvomi guľovými elektródami s polomerom 5 cm a hrotovými elektródami. Dôvodom pre výrazné zníženie preskokového napätia v nehomogénnom poli sú ionizačné procesy. 26

28 Obr. 3-3 Preskokové napätia guľových a hrotových elektród 3.3 Polaritný efekt V nehomogénnych elektrických poliach (usporiadania elektród hrot doska, vodič doska, atď.) sa pri napájaní jednosmerným napätím prejavuje tzv. polaritný efekt. Polaritný efekt sa prejavuje rozdielnou hodnotou preskokového napätia v závislosti od polarity priloženého napätia na elektródu s malým polomerom zakrivenia, ktorá spôsobuje vysokú nehomorgenitu poľa v dôsledku ktorej dochádza k intenzívnej ionizácii vzduchu. V prípade, ak na hrotovú elektródu privedieme napätie kladnej polarity, pri ionizačnom procese putujú rýchle elektróny ku hrotu, kde sa neutralizujú. Zostávajúci priestorový náboj v okolí hrotu tvoria iba kladné ióny, ktoré zmenšujú intenzitu elektrického poľa v tesnej blízkosti hrotu. Naopak na druhej strane sa intenzita elektrického poľa v priestore medzi priestorovým nábojom a doskou zvyšuje. Tým akoby došlo ku zmenšeniu medzielektródovej vzdialenosti, vďaka čomu sa zlepšia podmienky pre vznik elektrického preskoku (obr. 3-4). V prípade, ak na hrotovú elektródu privedieme napätie zápornej polarity, rýchle elektróny putujú k protielektróde - doske. Zaostávajúce kladné ióny sa nachádzajú v bezprostrednej blízkosti hrotu, následkom čoho dochádza k zvýšeniu intenzity elektrického poľa medzi priestorovým nábojom a hrotovou elektródou. Na druhej strane sa však v priestore medzi priestorovým nábojom a doskou elektrické pole homogenizuje, čo vytvára pre elektrický preskok horšie podmienky (obr. 3-5). Vzhľadom na vyššie uvedené skutočnosti je možné pre polaritný efekt v nehomogénnom poli napísať [6]: U p+ < U p (3-7) Uvedený vzťah platí však len dovtedy kým je polomer zakrivenia hrotovej elektródy menší, než je jej vzdialenosť od dosky. 27

29 Obr. 3-4 Vývoj výboja pri kladnej polarite Obr. 3-5 Vývoj výboja pri zápornej polarite 3.4 Úloha merania Zistiť hodnoty kritických a preskokových napätí v nehomogénnom elektrickom poli tvorenom elektródami hrot doska pri rôznych vzdialenostiach, tvaroch elektród a polaritách napätia Schéma zapojenia a princíp merania Principiálna schéma zapojenia je na obr. 3-6a môže byť modifikovaná podľa potreby a prístrojov, ktoré budú dané k dispozícii. Dôležité je aj sledovanie sprievodných výbojových javov vyskytujúcich sa pri kritickom napätí. 28

30 Obr. 3-6 Schéma zapojenia Regulátorom R je možné plynulo regulovať napätie na primárnom vinutí transformátora Tr od 0 do230 V v dôsledku čoho sa na sekundárnom vinutí plynulo zvyšuje napätie až do hodnoty 70 kv. Polarita napätia na elektródovom systéme sa mení otočením diódy D a prepnutím korekčného prepínača polarity na regulátore vysokonapäťového zdroja. Vzdialenosť s medzi elektródami je možné meniť od 0,1 do 10 cm s krokom 1 mm. Hodnota preskokového napätia sa odčítava v okamihu výboja na kilovoltmetri, alebo na zdroji. Hrotová elektróda elektródového systému je konštruovaná ako vymeniteľná. K dispozícii je súbor elektród s rôznym polomerom zakrivenia, rôzneho tvaru a z rôznych materiálov. Umožňuje to dosahovanie rôznych stupňov nehomogenity a hodnôt pomeru s/r Postup merania: 1. Formulácia cieľov merania. 2. Navrhnutie schémy zapojenia a výber potrebných prístrojov. 3. Realizácia zapojenia. 4. Oboznámenie sa s obsluhou vysokonapäťového zdroja a bezpečnostnými opatreniami uzemnenie Inštalácia elektródy zadaného tvaru na pohyblivý segment elektródového systému. 6. Nastavenie zadanej medzielektródovej vzdialenosti. 7. Nastavenie požadovanej polarity napätia správnou orientáciou pripojenia diódy k elektródovému systému a prepnutím korekčného prepínača polarity na regulátore vysokonapäťového zdroja. 8. Rovnomerne zvyšujte napätie až do preskoku a zapíšte hodnotu kritických napätí Uka, Ukopt a preskokového napätia Up. Zaznamenajte aj tvar a charakter výboja. 9. Na vývoj výbojového procesu majú vplyv vonkajšie prevádzkové činitele a preto za účelom eliminovania chyby merania je potrebné opakovať meranie minimálne tri krát. Z nameraných hodnôt sa vypočíta priemerná hodnota. 10. Medzi meraniami je potrebné dodržať časový odstup min 1 min. 11. Zmeňte vzdialenosť s medzi elektródami a meranie zopakujte podľa bodov Merania vykonajte pre rôzne druhy elektród podľa zadania v protokole. 13. Namerané výsledky zapisujte do protokolu z merania napr. podľa tab. 3-1, ktorú je vhodné prispôsobiť meraniu podľa individuálneho zadania. DRUH HROTU: POLARITA HROTU: s(cm) Uka, Ukopt, Up1(kV) Uka, Ukopt, Up2(kV) Uka, Ukopt, Up3(kV) Uka, Ukopt, Up(kV) 0,5 1,5 2,5 3,0 Tab. 3-1 Namerané a vypočítané hodnoty kritických a preskokových napätí 29

31 3.4.3 Vyhodnotenie výsledkov merania Z nameraných výsledkov zostrojte zadané závislosti U p = f(s), U p = f(r), U ka = f(s), U kopt = f(r) pre obidve polarity napätia. Závislosti namerané pre kladnú a zápornú polaritu a danú elektródu a vzdialenosť je potrebné znázorniť v samostatnej grafickej závislosti s identifikáciou [6] Záver Záver je najdôležitejšia časť merania v ktorej sa prezentujú namerané výsledky a úroveň praktickej činnosti pracovného tímu. Výsledky je potrebné kolektívne vyhodnotiť aj kvalitatívne a kvantitatívne so zdôraznením zistených skutočností a vyskytujúcich sa javov napr. charakter zvuku, farba výboja, tvar výbojového kanálu, rozsah platnosti polaritného efektu vzhľadom na pomer s/r, zmena elektrickej pevnosti od premenných veličín. Rozdiely je potrebné vyhodnotiť kvantitatívne podľa veľkosti napätia aj s percentuálnou odchýlkou a odchýlkou v kv. Deklarované závery majú vyplývať z nameraných výsledkov a majú byť výpovedeschopné aj v súvislosti s formulovanými cieľmi. V texte je vhodné odvolávať sa na obrázky, prípadne tabuľky avšak ako podklad pre dané tvrdenie nie ako náhrada vyhodnotenia bez komentára. Referát spracujte v šablóne TUKE. 3.5 Kontrolné otázky 1. Aké druhy elektrických polí sa vyskytujú v TVN 2. Aký druh poľa sa vyskytuje najčastejšie a prečo? 3. Ako sa prejavuje efekt polarity? 4. Pri ktorej polarite napätia je preskokové napätie vyššie? 5. Aké je rozdelenie potenciálu a intenzity elektrického poľa v homogénnom, mierne nehomogénnom a nehomogénnom poli? 6. Vysvetlite funkciu priestorových nábojov v nehomogénnom poli. 7. Čo spôsobuje polaritný efekt? 8. Aký je rozdiel medzi elektrónom a kladným iónom? 9. Akú úlohu zohráva pri polaritnom efekte pomer s/r? 10. Aké javy sa vyskytujú v nehomogénnom poli? 11. Aký je približný gradient poľa v oblasti ionizácie? 12. Ako závisí elektrická pevnosť od vzdialenosti? 13. Kedy hovoríme o preskoku? 14. Kedy hovoríme o prieraze? 30

32 4 Experimentálne vyšetrovanie elektrického poľa 4.1 Úvod do problematiky Kvôli správnemu dimenzovaniu vysokonapäťovej izolácie je potrebné poznať tvary elektrických polí v elektródových systémoch jednotlivých prístrojov a zariadení. Na základe znalosti tvaru elektrického poľa je možné stanoviť napäťové namáhanie izolácie daných zariadení. Miesta so zvýšenou intenzitou elektrického poľa sú obvykle príčinou vzniku výbojov. Tak isto aj miesta, kde siločiary elektrického poľa vstupujú šikmo do rozhrania dvoch dielektrík môžu byť príčinou vzniku nežiaducich povrchových výbojov. Metódy vyšetrovania tvaru elektrických polí je možné rozdeliť na: analytické, numerické, experimentálne. Analytické riešenie tvaru elektrických polí je možné len v prípade jednoduchých usporiadaniach elektródových systémov (napr. cylindrické usporiadanie, usporiadanie doska-doska, atď). Tvar elektrického poľa však pri drvivej väčšine elektródových systémov nie je možné vypočítať analyticky. S prudkým rozvojom výpočtovej techniky prenikli do popredia rôzne numerické metódy riešenia tvaru elektrických polí, ako sú napríklad diferenciálna metóda, metóda konečných prvkov a metóda simulovaných nábojov. V súčasnosti je možné použitím týchto metód stanoviť tvar elektrického poľa pre elektródové systémy takmer ľubovoľnej konfigurácie. Experimentálne metódy vyšetrovania tvaru elektrických polí je možné rozdeliť do troch skupín: Metódy, pri ktorých sa vkladá do vyšetrovaného elektrického poľa skúšobné teliesko (Toeplerova metóda, vyšetrovanie elektrického poľa tlejivkou). Meracie metódy, pri ktorých sa elektrické pole vyšetruje kapacitnou sondou (kompenzačné metódy). Analógové metódy, pri ktorých je vyšetrované pole napodobnené v inom prostredí, alebo pomocou iného usporiadania (metóda elektrolytickej vane, metóda odporovej siete). Podľa iného kritéria je možné metódy vyšetrovania tvaru elektrického poľa rozdeliť na: kvalitatívne, kvantitatívne. Pri kvalitatívnom meraní sa získa obraz o priebehu elektrického poľa, t.j. obraz priebehu siločiar, ale bez číselných údajov (napr. Toeplerova metóda). Kvantitatívnym meraním sa získavajú ekvipotenciálne čiary, potenciál, ktorých je určený číselne (napr. metóda elektrolytickej vane) Experimentálne metódy založené na vkladaní skúšobného telieska do elektrického poľa Toeplerova metóda Princíp metódy spočíva v tom, že do skúmaného poľa sa vkladá voľne otočné tyčinkové teliesko, ktorého permitivita je omnoho väčšia, ako permitivita vzduchu. Elektrickým poľom sa v teliesku indukujú elektrické náboje a účinkom síl poľa tieto náboje natočia teliesko do smeru vektora intenzity elektrického poľa. Ak si postupne premietneme jednotlivé polohy telieska v medzielektródovom priestore, je možné v kombinácii s grafickou metódou získať obraz o smere siločiar v jednotlivých miestach. 31

33 Vyšetrovanie elektrického poľa tlejivkou Pri meraní sa tlejivka vloží do elektrického poľa tak, aby svojou pozdĺžnou osou spadala do smeru, v ktorom hľadáme intenzitu poľa. Potom zvyšujeme napätie na elektródach až pokiaľ sa tlejivka nezapáli. V inom mieste sa tlejivka zapáli pri inom napätí. Intenzita elektrického poľa pri ktorom sa tlejivka zapáli má hodnotu od 300 až 3000V/m v závislosti od typu tlejivky Experimentálne metódy založené na vyšetrovaní elektrického poľa kapacitnými sondami Kompenzačné (mostíkové) metódy Keď je medzi dve elektródy s rôznym potenciálom vložená tretia elektróda (meracia sonda), potom táto elektróda získa potenciál zodpovedajúci ekvipotenciálnej hladine v mieste jej umiestnenia. Pri tom sa predpokladá, že tvar sondy kopíruje ekvipotenciálne hladiny skúmaného objektu. Napríklad pri meraní tvaru elektrického poľa podperného izolátora sa volí prstencový tvar meracej sondy. Kompenzačné metódy spočívajú na princípe kapacitného mostíka, pomocou ktorého sa určuje potenciál meracej sondy (pozri obr. 4-1). Čiastkové kapacity C1 a C2 sú kapacity meracej sondy voči elektródam. Zmenou hodnôt odporov R1 a R2 mostík vyvažujeme. Pri rovnováhe na kapacitnom mostíku platí: C 1 C 2 = R 2 R 1 Obr. 4-1 Napätie U 2 pri vyváženom mostíku zodpovedá napätiu na meracej sonde Experimentálne analógové metódy Tieto metódy využívajú analógiu elektrického a prúdového poľa. Tieto metódy sú v porovnaní s vyššie uvedenými experimentálnymi metódami omnoho bezpečnejšie, pretože merania sú realizované mimo priestor vysokého napätia. Patria sem metódy vyšetrovania elektrického poľa pomocou odporového papiera, odporovej siete a elektrolytickej vane. Modelovanie elektrického poľa pomocou odporového papiera a odporovej siete Podstata metódy odporového papiera spočíva v tom, že na špeciálny papier s nízkou vodivosťou sa nakreslia vodivým lakom v presnej mierke elektródy. Pripojíme ich na napätie a sondou odpichujeme body s rovnakým potenciálom, čím kvantitatívne určíme ekvipotenciálne hladiny. Na podobnom princípe je založená aj metóda odporovej siete. Štruktúra siete môže byť štvorcová, trojuholníková, alebo šesťuholníková. Merané sú potenciálne rozdiely jednotlivých uzlov siete. Tak je možné opäť kvantitatívne určiť ekvipotenciálne hladiny. 32

34 Modelovanie elektrického poľa pomocou elektrolytickej vane Princíp elektrolytickej vane ja založený na skutočnosti, že tak ako elektrostatické pole v dielektriku, tak aj prúdové pole v elektrolyte sú formálne popísané tými istými diferenciálnymi rovnicami. Touto metódou je možné vyšetrovať elektrické pole bez priestorových nábojov, a to pole rovinné, pole priestorové, pole s rotačnou symetriou a pole v dielektriku, ktoré sa skladá z dvoch, alebo viacerých izolantov s rôznymi dielektrickými konštantami. 4.2 Praktická časť Elektrolytická vaňa je nádoba z izolačného materiálu, ktorá je naplnená elektrolytom. Ako elektrolyt sa najčastejšie používa slabý roztok hydroxidu amónneho, lúhu sodného, alebo modrej skalice. Pre laboratórne účely môže byť použitá aj obyčajná voda. Elektródy musia byť vyrobené z materiálu, ktorý nesmie podliehať korózii (meď, nehrdzavejúca oceľ, alebo vzácny kov) a musia mať rovnaký tvar (v mierke) ako je tvar vyšetrovaného objektu. Po vložení elektród do elektrolytu a pripojení zdroja sa vytvorí prúdové pole. Na základe analógie medzi prúdovým a elektrickým poľom, pre ktoré platí rovnaká Laplaceova rovnica, môžeme prúdnice prúdového poľa považovať za indukčné čiary elektrického poľa. Aby sa vylúčila chyba polarizáciou elektrolytu, býva napájacie napätie striedavé, a to najčastejšie o frekvencii od 800Hz do 1kHz. Pri voľbe rozmerov elektrolytickej vane treba mať na pamäti, že steny vane ovplyvňujú prúdové pole v elektrolyte a presnosť merania sa pri malých rozmeroch vane znižuje Zadanie úlohy Metódou elektrolytickej vane zistite kvantitatívny obraz elektrického poľa medzi dvoma elektródami. Obraz vo vhodnej mierke zakreslite na milimetrový papier. Pre rovnaké usporiadanie elektród zistite priebeh elektrického poľa aj numerickou metódou v programe FEMM. Porovnajte obrazy elektrického poľa získané z oboch metód Schéma zapojenia a princíp merania Schéma zapojenia meracieho obvodu je na obr Obr. 4-2 Schéma zapojenia mapovania elektrických polí metódou elektrolytickej vane. Do elektrolytickej vane s elektrolytom tvoreného vodou z vodovodu vložíme dve medené elektródy EL, ktorých tvar si môžeme ľubovoľne zvoliť. Na elektródy privedieme striedavé napätie z generátora G veľkosti 5-8 V a frekvencii 800 Hz. Zvolená hodnota napätia a jeho frekvencia musí byť počas celého merania konštantné. Sondou S, ktorá je vyrobená z tenkého drôtu rovnakého materiálu ako elektródy, 33

35 alebo zo vzácneho kovu, a ktorá je pripojená na voltmeter, vyhľadávame miesta s rovnakým potenciálom, čím dostávame ekvipotenciálne body. Sonda snímajúca potenciál v elektrolytickej vani je pohyblivá v dvoch navzájom kolmých smeroch. Zistením dostatočného počtu ekvipotenciálnych bodov a ich vzájomným spojením dostaneme ekvipotenciálne čiary. Vzdialenosť jednotlivých ekvipotenciálnych čiar od seba volíme tak, aby potenciálny rozdiel medzi nimi bol rovnaký (odporúčame 0,5 V) Spracovanie výsledkov z elektrolytickej vane Jednotlivé namerané body sa vhodným spôsobom prenášajú na milimetrový papier, na ktorom po skončení merania zakreslíme tvar vyšetrovaného poľa. Ak je elektrické pole osovo symetrické stačí meranie vykonať len v jednej polovici medzielektródového priestoru (obr. 4-3). Obr. 4-3 Zobrazenie nameraných bodov v jednej polovici medzielektródového priestoru. Body v druhej polovici medzielektródového priestoru doplníme symetricky podľa osi (obr. 4-4). Obr. 4-4 Doplnenie bodov v druhej polovici medzielektródového priestoru. Body s rovnakým potenciálom preložíme rovnomernou spojitou krivkou, čím zakreslíme jednotlivé ekvipotenciálne čiary. K jednotlivým ekvipotenciálnym čiaram doplníme číselné údaje o veľkosti potenciálu (obr. 4-5). Na milimetrový papier doplníme názov grafu, veľkosť napätia a jeho frekvenciu. 34

36 Obr. 4-5 Zakreslenie a označenie ekvipotenciálnych čiar. Po zakreslení ekvipotenciálnych čiar je možné určiť aj priebeh siločiar použitím grafickej Lehmanovej metódy. Aplikácia tejto metódy predstavuje grafické riešenie Laplaceovej rovnice. Pri zakresľovaní siločiar musíme rešpektovať pravidlá vyplývajúce zo základných zákonov elektrostatického poľa: ekvipotenciálne čiary a siločiary sa pretínajú v pravom uhle, elektródy sú taktiež ekvipotenciálne čiary, siločiary z nich musia vychádzať kolmo, siločiary sú spojité krivky začínajúce na jednej elektróde a končiace na druhej elektróde, ekvipotenciálne čiary kreslíme tak, aby potenciálny rozdiel medzi nimi bol všade rovnaký (v našom prípade je tento rozdiel 0,5 V). Intenzita poľa je potom nepriamo úmerná vzdialenosti ekvipotenciálnych čiar, hustota siločiar a ekvipotenciálnych čiar je všade úmerná intenzite elektrického poľa. Pri riešení elektrických rovinných polí podmienku, aby elektrická indukcia D bola úmerná intenzite elektrického poľa (D = ε 0 ε r E) je najjednoduchšie splniť, keď v každom mieste poľa určíme a b = konšt., pozri obr Obr. 4-6 Pravidlá pre kreslenie siločiar a ekvipotenciálnych čiar. Tento vzťah má pri kreslení tvaru siločiar veľký význam. Hovorí, že v každom mieste poľa je pomer strednej výšky a strednej šírky oka siete rovnaký. Ak zvolíme a = b, potom je možné zakresliť v ľubovoľnom mieste poľa kružnicu, ktorá sa dotýka oboch susedných ekvipotenciálnych čiar a siločiar. Ak sa pri postupnom vkresľovaní kružníc dôjde k miestu, kde siločiary neprechádzajú prostredím 35

37 spojite (pozri obr. 4-7 a), meraním stanovená poloha ekvipotenciálnej hladiny sa upraví (pozri obr. 4-7 b). Postup sa opakuje, kým zobrazenie poľa nespĺňa všetky vyššie uvedené podmienky. a) b) Obr. 4-7 Postup pri kreslení siločiar Riešenie elektrického poľa v programe FEMM Program FEMM (Finite Element Method Magnetics) je možné získať na stránke Po nainštalovaní si ho spustíme bežným spôsobom. Po spustení programu začneme postupne vytvárať novú úlohu z oblasti elektrostatiky (obr. 4-8): Nová úloha Elektrostatická úloha Obr. 4-8 Vytvorenie novej úlohy z oblasti elektrostatiky. Otvorí sa nám nové okno s príslušnými nástrojmi a bodovým rastrom. V menu Problem si zmeníme jednotky na milimetre. Obr. 4-9 Pravidlá pre kreslenie siločiar a ekvipotenciálnych čiar. 36

38 Pred samotným riešením poľa si musíme zadefinovať prostredie, v ktorom vyšetrujeme elektrické pole a napäťové hladiny jednotlivých elektród. To sa definuje v menu Proporties, kde definujeme prostredie (Materials) a napäťové hladiny elektród (Boundary) (obr. 4-10). Obr Menu Properties. Elektrické pole vyšetrujeme vo vzduchu, preto si zadefinujeme v položke s relatívnou permitivitou ε r = 1 v oboch smeroch (obr. 4-11). prostredie vzduch Obr Vytvorenie prostredia s názvom Vzduch. V položke si vytvoríme elektródu s potenciálom 0 V, pomenujeme si ju Zem a potom elektródu s potenciálom s rovnakou hodnotou akú ste mali v elektrolytickej vani a pomenujem si ju Potenciál. Obr Vytvorenie elektród Zem a Potenciál. Na základe milimetrového papiera, do ktorého sme si zakresľovali body z elektrolytickej vane, si zvolíme vhodnú mierku pre riešenie poľa v programe FEMM. Postupne začneme vkladať body, ktoré nám budú definovať priestor, v ktorom vyšetrujeme elektrické pole. Zvolíme si nástroj na vkladanie bodov. Jednotlivé okrajové body vložíme najjednoduchšie stlačením klávesy Tab, objaví sa okno, do ktorého zadáme súradnice bodu (obr. 4-13). 37

39 Obr Zadávanie bodov na príslušné súradnice. Takto vložíme štyri okrajové body, ktoré budú vymedzovať mapovaný priestor. Obr Mapovaný priestor so súradnicami bodov. Okrajové body pospájame čiarami, aby vznikol uzavretý priestor, v ktorom sa bude realizovať výpočet poľa. Zvolíme si nástroj na kreslenie čiar. Klikneme myšou na počiatočný bod čiary, zmení sa jeho farba na červenú a potom na koncový bod čiary. Oba body sa spoja rovnou čiarou. Rovnako postupujeme pri kreslení ostatných čiar. Vždy je potrebné najprv kliknúť na počiatočný bod čiary (zmení sa jeho farba na červenú) a potom na koncový bod. Takto si ohraničíme priestor pre výpočet poľa. Obr Ohraničený priestor pre riešenie elektrického poľa. 38

40 Rovnako ako sme zadávali okrajové body prostredia zadáme aj okrajové body elektród. Pre kruhovú elektródu zadáme dva body, ktoré budú reprezentovať priemer kružnice. Obr Umiestnenie bodov ohraničujúcich jednotlivé elektródy. Jednotlivé body elektródy pospájame čiarami rovnakým spôsobom ako pri kreslení oblasti. Ak chceme kresliť kružnice, alebo oblúky, zvolíme si nástroj na kreslenie oblúkov. Kružnica sa bude kresliť v smere, v ktorom sa štandardne merajú uhly (od bodu v smere hore a doľava). Klikneme myšou na prvý bod oblúka (napr. na bod [8,3]), potom na druhý bod oblúka ([6,3]). Objaví sa okno, v ktorom zadáme uhol oblúka. Ak chceme nakresliť polkružnicu zadáme uhol 180. Obr Zadanie uhla oblúka. Ak kreslíme celú kružnicu, zložíme ju z dvoch polkružníc. Pri kreslení druhej polkružnice zvolíme body v opačnom poradí. 39

41 Obr Kompletne zadefinovaný medzielektródový priestor na výpočet elektrického poľa. Ak už máme vytvorené elektródy, musíme určiť, ktorá bude mať aký potenciál. Označíme si celú elektródu zloženú z jednotlivých úsekov. Ak máme elektródu zloženú z rovných čiar, vyberieme si nástroj na kreslenie rovných čiar. Ak máme elektródu vytvorenú z oblúkov, vyberieme si nástroj na kreslenie oblúkov. Nie je možne súčasne označovať oblúky aj rovné čiary, musíme to robiť postupne, najprv jeden druh čiar a potom druhý. Označovanie sa robí stláčaním pravého tlačidla myši. Označená čiara zmení farbu na červenú. Ak máme označenú celú elektródu stlačením medzerníka vyvoláme okno s vlastnosťami. Obr Určenie vlastností zvolených objektov. Zvolíme si z vopred zadefinovaných elektród, ktorá bude mať aký potenciál. Následne si musíme definovať priestor, v ktorom budeme riešiť elektrické pole. Vyberieme si nástroj pre prácu s blokmi. Klikneme si ľavým tlačidlom myši do vnútra oblasti v ktorej budeme pole vyšetrovať. Do oblasti sa pridá bod, pomocou ktorého definujeme celú uzavretú oblasť. Bod si označíme pravým tlačidlom myši a stlačíme medzerník. Vyvolá sa okno s vlastnosťami priestoru a v ňom si zvolíme typ priestoru Vzduch. Odškrtneme štvorček pre automatické určenie veľkosti mriežky a zadefinujeme veľkosť mriežky ručne (0.1). 40

42 Obr Určenie vlastnosti prostredia na riešenie poľa. Vo vnútri kružnice nám vznikol priestor, v ktorom nie je potrebné riešiť pole. Rovnako si klikneme ľavým tlačidlom do vnútra kružnice, pridaný bod si pravým tlačidlom myši označíme a medzerníkom si vyvoláme vlastnosti prostredia. Zvolíme si <No Mesh>, aby sa v danom priestore negenerovala mriežka a nerátalo sa elektrické pole. Obr Určenie vlastnosti prostredia, kde sa nebude riešiť pole. Následne môžeme vygenerovať mriežku. Predtým ale musí byť úloha uložená na disk a musí mať svoje meno, ináč nie je možné vygenerovať mriežku. Stlačením tlačidla sa vygeneruje v definovanej oblasti mriežka (obr. 4-22). V jednotlivých bodoch mriežky sa potom bude počítať potenciál, na základe čoho sa vyrieši elektrické celé pole. Ak je vygenerovaná mriežka, stlačením nástroja sa vykoná výpočet. Výsledok výpočtu je možné zobraziť stlačením nástroja. Výsledky sa zobrazia podľa štandardného zobrazenia, t.j. jednotlivé ekvipotenciálne hladiny sú zobrazené rôznou farbou (obr. 4-23). Intenzita elektrického poľa nie je zobrazená. 41

43 Obr Vygenerovaná mriežka na výpočet elektrického poľa. Obr Elektrické pole zobrazené podľa štandardne nastavených hodnôt. Prehľadnejšie je, ak sú ekvipotenciálne čiary zobrazené ako čiary a rôznymi farbami je zobrazená veľkosť intenzity elektrického poľa, preto si výstup upravíme. Kliknutím na nástroj dialógové okno na nastavenie čiar. si vyvoláme Obr Nastavenie čiar v zobrazení elektrického poľa. 42

44 Zaškrtneme políčko na zobrazenie ekvipotenciálnych čiar a určíme ich počet (podľa toho, koľko ekvipotenciálnych hladín bolo nameraných v elektrolytickej vani). Stlačením tlačidla dialógové okno pre nastavenie farieb v zobrazení výsledkov. si vyvoláme Obr Nastavenie farieb v zobrazení elektrického poľa. Tu si zvolíme, aby farebne bola označovaná intenzita elektrického poľa E a prípadne si môžeme nechať zobrazenú aj legendu s prislúchajúcimi hodnotami. Obr Nastavenie farieb v zobrazení elektrického poľa. Takto zobrazené elektrické pole si importujeme pomocou menu Edit do obrázka (bitmapa alebo metafile), v niektorom grafickom programe doplníme príslušné hodnoty ekvipotenciálnych čiar a vložíme do referátu. V zhodnotení porovnáte výsledky získané z oboch metód a zhodnotíte tvar poľa. 4.3 Kontrolné otázky 1 Aký je to kvalitatívny obraz elektrického poľa? 2 Aký je to kvantitatívny obraz elektrického poľa? 3 Čo získame pri vyšetrovaní elektrického poľa Toeplerovou metódou? 4 V akom smere sa natočí Toeplerova sonda v elektrickom poli? 5 Čo je možné určiť metódou odporovej siete? 6 Čo získame pri vyšetrovaní elektrického poľa metódou elektrolytickej vane? 7 Čo sa používa ako elektrolyt v elektrolytickej vani? 8 Z akého materiálu majú byť sondy v elektrolytickej vani? 9 Čo patrí medzi základné zákony pri mapovaní elektrického poľa? 43

45 5 Meranie na izolátorovom reťazci 5.1 Úvod do problematiky Izolátor je teleso, ktoré elektricky oddeľuje a mechanicky spája časti s rozdielnym potenciálom. Vzdušné elektrické vedenia vysokého a veľmi vysokého napätia sú vzájomne a voči zemi izolované pomocou izolátorov. Každý izolátor je dimenzovaný na určité napätie, mechanické namáhanie a oblasť znečistenia. Ak je potrebné odizolovať vyššie napätie než na aké je izolátor dimenzovaný, skladajú sa izolátory do série do reťazcov. Ak je potrebné vyššie mechanické namáhanie, spájajú sa izolátory paralelne čím sa vytvárajú viacnásobné závesy. Takéto riešenie sa využíva u kotevných stožiarov, ktoré vyžadujú zvýšenú odolnosť pri mechanických poruchách. Najdôležitejšie vlastnosti izolátorov z elektrického hľadiska sú: elektrická pevnosť, elektromechanická pevnosť a povrchová vodivosť [11]. Izolátory je možné rozdeliť podľa niekoľkých kritérií: 1. podľa spôsobu upevnenia vodiča na podperné a závesné, 2. podľa konštrukcie: tanierové-čiapkové, tyčové 3. podľa materiálu izolácie na: porcelánové, sklenené, plastové, kompozitné. 4. podľa dĺžky prieraznej dráhy neprierazné a prierazné. 5. podľa umiestnenia na: vonkajšie a vnútorné 6. podľa účelu na izolátory: závesné podperky priechodky izolačné nádoby Na nižších napäťových hladinách sa na vonkajších vedeniach používajú kolíkové a podperné izolátory podľa obr. 5-1, ktoré sú na stožiaroch upevnené bez možnosti pohybu. Vyznačujú sa jednoduchosťou konštrukcie a montáže. Používajú sa aj na vedeniach 22 kv. Obr. 5-1 Podperné izolátory Keramické tanierové izolátory V minulosti sa v prípade vonkajších vedení vysokého napätia používali hlavne tanierové izolátory podľa obr. 5-2, ktoré sa vyrábali buď porcelánové, alebo sklenené. Nazývajú sa aj prierazné nakoľko vzdialenosť elektród je veľmi malá čo umožňuje vznik elektrického prierazu. V minulosti sa takmer pre všetky napäťové úrovne používali keramické tanierové izolátory. Porcelánový čiapkový (tanierový) izolátor na obr. 5-2 sa skladá z porcelánového taniera, ktorý tvorí izoláciu, z čiapky zatmelenej cementovým tmelom na hlavu izolátora a z paličky, ktorá je upevnená v dutine izolátora. Čiapka a 44

46 palička sú vyhotovené z pozinkovanej temperovanej liatiny. V hlave čiapky je dutina - panvička, pre zasunutie paličky ďalšieho izolátora, prípadne závesného oka. Palička v dutine izolátora sa upevňuje niekoľkými spôsobmi. Pre spojenie paličky a panvičky sa používa, upevnenie pomocou závlačiek "V", "W", ktoré zaisťujú kompaktnosť vytvoreného reťazca. Povrch izolátora je pokrytý súvislou lesklou glazúrou. Obr. 5-2 Tanierové izolátory Tieto sa na vyššie napätia skladali do reťazcov, ktoré pozostávali v prípade 22kV vedení z dvoch až troch článkov, 110kV vedení zo šiestich až siedmich článkov, 220kV vedení z trinástich článkov a v prípade 400kV vedení z dvadsiatich až dvadsiatich troch článkov [5]. Všetky taniere čiapkových izolátorov majú zospodu rebrá predlžujúce povrchovú dráhu, aby za dažďa aspoň časť povrchu zostala suchá. Závesné porcelánové čiapkove izolátory v zostavách závesov pre vedenia vyšších napäťových úrovní sa u nových vedení prestali používať. V lokalitách s mimoriadne veľkým a agresívnym znečistením tuhými kvapalnými a plynnými exhalátmi sa inštalujú špeciálne tzv. "hmlové izolátory" s predlženou povrchovou dráhou. Porcelánové teleso sa v tomto prípade skladá napr. z troch striešok, pričom pri skladaní do reťazcov čiapka nasledujúceho izolátora je zasunutá hlboko do izolátora predchádzajúceho takže kovové armatúry jednotlivých článkov sú na pohľad neviditeľné. Dosahuje sa tým lepšia odolnosť pred vznikom preskokov. Keramické tanierové izolátory pre vonkajšie vedenia sa obyčajne vyrábajú z elektroporcelánu, taktiež nazývaný aj elektrotechnická keramika, zloženého najmä z kaolínu (42 60 %), kremeňa (12 40 %) a zo živca (17 až 27 %). Tieto suroviny sa pomerne náročne spracovávajú, tvarujú sušia a vypaľujú. Okrem izolátorov vyrobených z porcelánu sa používali a dodnes používajú aj izolátory vyrobené zo skla. Sklenený tanierový izolátor sa skladá zo skleneného taniera vyrobeného z predpätého skla, ktorý tvorí vlastnú izoláciu, z kovovej čiapky vyhotovenej z pozinkovanej temperovanej liatiny, natmelenej na hlavu izolátora a z paličky, ktorá je upevnená v dutine izolátora. V hlave čiapky je dutina - panvička, pre zasunutie paličky ďalšieho izolátora, prípadne závesného oka. Okrem toho je súčasťou izolátora aj závlačka, ktorá zaisťuje súdržnosť izolátorového reťazca. Sklo má výhodu, že nepotrebuje dlhé vypaľovanie, takže sklené izolátory možno dodávať vyrábať efektívnejšie. Sklo je však krehkejšie ako tvrdý porcelán, máva vnútorné napätia, takže pri náraze praskne celý izolátor. Na napäťovú hladinu 22 kv a vyššie sa robia izolátory obyčajne z boritého skla (pyrex), temperujú sa, aby sa zbavili vnútorného napätia. Tieto sklené izolátory sa s úspechom 45

47 používajú v Rusku, Japonsku, Anglicku, Francúzsku a Švédsku, kde sa dosiahli veľmi vysoké zaručené pevnosti (viac ako 100 kn). Obr. 5-3 Izolátorový reťazec so sklenenou izoláciou Tyčové izolátory Aj keď sa tanierové- izolátory vyskytujú ešte aj v súčasnosti, prevládajú u nás už tzv. neprierazné tyčové izolátory, konštruované na báze keramiky, alebo kompozitných materiálov. Tieto lepšie odolávajú vonkajším prevádzkovým činiteľom a sú ľahšie. K neprierazným izolátorom radíme tie izolátory, ktorých dĺžka prieraznej dráhy v izolante sa rovná najmenej polovici dĺžky preskokovej vzdialenosti vo vzduchu. Prierazné izolátory majú prieraznú dráhu kratšiu. Na obr. 5-4 sú najčastejšie používané izolátory. Tyčové izolátory na obr.4b,c majú iba dve kovové upevňovacie armatúry. Zvláštnym druhom izolátora sú špirálové izolátory so zvýšenou samoumývacou schopnosťou. Strieška stočená do špirály má na povrchu žliabky, ktorými voda pri daždi steká a zároveň umýva povrch izolátora od usadených nečistôt. Obr. 5-4 Závesné izolátory - tanierové, tyčové, špirálové 46

48 Izolátory ktoré majú úplné príslušenstvo nazývame vyzbrojené, ak sú bez výzbroje potom hovoríme o holých izolátoroch. Okrem izolátorov prípadne reťazcov (závesov) zostavených z jednotlivých tanierových izolátorov, sa na vedeniach používajú tyčové izolátory, nazývané plnojadrové. Sú vyrobené z tvrdého porcelánu, kde postup výroby sa zhoduje s výrobou t anierových, ale dáva sa dôraz na pevnosť, pretože sú viac namáhané. Majú tvar tyče opatrenej rebrami na predĺženie povrchovej dráhy strieškami a na obidvoch koncoch majú inštalované upevňovacie armatúry-čiapky. z pozinkovanej liatiny. Sú odolnejšie voči preskoku. Pri porovnaní s čiapkovým izolátorom zloženého zo siedmich dielcov, čo sa pokladá za ekvivalentné je preskokové napätie u tyčového izolátora 458 kv a u čiapkového o 100 kv menej. Ich prednosťou je kratšia stavebná dĺžka, lebo medzi článkami nie sú kovové časti zmenšujúce izolačnú schopnosť reťazca, ako je tomu u reťazcov z článkov. Sú ale chúlostivejšie na poškodenie, zvlášť atmosférickými výbojmi a preto sa montujú s ochrannými a tieniacimi armatúrami Tyčové izolátory sa vyrábajú obvykle pre napätie do 110 kv. Pre vyššie napäťové hladiny sa spájajú taktiež do reťazcov. Na nasledujúcich obrázkoch sú profily a rezy najrozšírenejších tyčových izolátorov. Obr. 5-5 Tyčové izolátory Pri tyčových izolátoroch pre priemer drieku 75 mm sa dosahuje pevnosť okolo 10 MPa, pre priemer drieku 85 mm okolo 14 MPa a pre priemer drieku 105 mm okolo 22 MPa Kompozitné izolátory Na obr. 5-6 je znázornený postup výroby kompozitného silikónového izolátora. Špeciálna tyč zo sklených vlákien tvorí jadro kompozitného izolátora, pevnosť v ťahu ktorého je vyššia, ako pevnosť ocele. Plášť izolátora je jednoliaty celok zo silikónovej gumy, zabezpečujúci odtok vody a špecfické izolačné vlastnosti. Silikónová guma LSR (liquide silicon rubber) bola vyvinutá špeciálne pre použitie pri veľmi vysokom napätí. Vďaka vysokému obsahu silikónového oleja LSR má hydrofóbnou a samoregeneračnú vlastnosť, čo zabezpečuje bezproblémovú prevádzku aj v silne znečistenom priemyselnom prostredí. Kompozitné izolátory predstavujú najspoľahlivejšie izolátory v súčasnosti. 47

49 Obr. 5-6 Kompozitný tyčový izolátor Výhody v porovnaní s tradičnými sklenenými resp. porcelánovými izolátormi: hydrofóbnosť vodo-odpudzujúci povrch, zabraňujúci vytvoreniu súvislej vrstvy vody na povrchu izolátora spoľahlivá prevádzka v silne znečistenom prostredí nižšia hmotnosť (sú ľahšie o 80-90% v porovnaní s tradičnými materiálmi) jednoduchšia montáž a manipulácia mechanická odolnosť- nerozbitné 5.2 Rozloženie napätia na izolátorovom reťazci Závesné izolátory sa spájajú do reťazca pomocou natmelených elektród (čiapky a paličky) a pomocných armatúr. V izolátorovom reťazci má každý článok vlastnú vnútornú kapacitu C ktorá býva u všetkých článkov približne rovnaká a kapacitu voči stožiaru (zemi) C z a vodiču C v, ktoré sú pre každý článok dané polohou obr. 5-7 [6]. Keďže tieto kapacity nie sú rovnaké nabíjacie prúdy tečúce týmito kapacitami spôsobujú nerovnomerné rozdelenie napätia. Vnútorné kapacity C sú rovnaké, avšak kapacity C z a C v sú medzi sebou rozdielne. Kapacita voči zemi je väčšia nakoľko časti pripojené k zemi(stožiar) majú väčšiu plochu. Na obr. 5-7 je znázornený izolátorový reťazec na stožiari s pripojeným VVN vedením, ako aj jeho náhradná schéma. 48

50 Obr. 5-7 Náhradná schéma izolátorového reťazca Na (obr. 5-8) sú uvedené rôzne rozložené napätia pozdĺž izolátorového reťazca pre rôzne pomery kapacít. V prípade, že sú kapacity C jednotlivých článkov rovnaké a s parazitnými kapacitami sa neuvažuje (C z = C v = 0), platí priamka. Čím bude kapacita C väčšia oproti parazitným kapacitám, tým sa napätie na jednotlivých článkoch izolátorového reťazca rozloží rovnomernejšie. Parazitné kapacity voči zemi a stožiaru v skutočnosti nikdy nie sú nulové. Rôzne pomery parazitných kapacít sú uvedené na obr V praxi je pomer kapacít C v < C z, nakoľko povrch lana je menší, ako povrch stožiara. Krivky na obr. 5-8 sú závislosti n - tých napätí U n na jednotlivých izolátorových článkoch ku napätiu na vodiči U N a n-tého izolátora ku celkovému počtu izolátorov N, tvoriacich izolátorový reťazec. Tieto pomery sú použité v percentách. Obr. 5-8 Rozloženie napätia pozdĺž izolátorového reťazca pre rôzne pomery kapacít 49

51 Izolátory sú najviac namáhané pri vodiči, potom namáhanie izolátorov klesá. Najmenšie namáhanie izolátorov je približne v jednej tretine dĺžky reťazca od uzemneného konca. Potom postupne namáhanie narastá, ale nedosiahne takú veľkú hodnotu ako pri vodiči [5]. Nerovnomerné namáhanie izolátorov je spôsobené aj tým, že izolátormi tečú rôzne veľké úsekové prúdy, v dôsledku čoho sa aj úbytky napätí líšia. Tento problém sa dá čiastočne technicky vyriešiť tým, že sa umele zväčší kapacita C v pripojením vhodne tvarovaných elektród armatúr na vn koniec reťazca pri vodiči. Tieto ochranné armatúry spolu s armatúrami pri stožiari tvoria iskrište, ktoré má dôležitú úlohu pri oddialení výboja od povrchu izolátora. 5.3 Úloha merania 1. Zmerajte rozloženie napätia na šesťčlánkovom izolátorov reťazci vybranou metódou. 2. Zmerajte rozloženie napätia na šesťčlánkovom izolátorov reťazci z jedným poškodeným článkom umiestneným na rôznych polohách. 3. Zmerajte rozloženie napätia na šesťčlánkovom izolátorov reťazci s použitím ochrannej a tieniacej armatúry. 5.4 Schéma zapojenia a princíp merania Obr. 5-9 Schéma zapojenia Obr Možnosti merania napätia na jednotlivých článkoch 50

52 Obr Meranie pomocou špeciálneho meracieho izolátora Princíp merania Regulátorom U reg nastavíme na izolátorovom reťazci konštantnú hodnotu napätia, podľa pokynov cvičiaceho, napríklad 30 kv, ktoré meriame pomocou kilovoltmetra kv. Treba dbať na to, aby hodnota napätia bola vždy presne nastavená. Napätie na jednotlivých článkoch reťazca voči zemi sa meria buď pomocou elektrostatického voltmetra EV, kapacitného deliča KD, alebo špeciálneho izolátora vybaveného elektronickým obvodom indikujúcim hraničné napäťové namáhanie. Pri používaní EV a KD sa používajú ciachovné krivky získané pri predchádzajúcom meraní v kapitole 2. Možnosti realizácie merania rozloženia napätia rôznymi metódami sú na obr a obr Postup merania 1. Zostavte izolátorový reťazec 2. Zvoľte spôsob merania rozloženia napätia 3. Pripojte merací obvod napr. kapacitný delič na zvolený článok izolátorového reťazca a nastavte zadané napätie na celom izolátorovom reťazci. Podobne postupujte pri použití kilovoltmetra, alebo guľového iskrišťa. 4. Odčítajte hodnotu napätia v príslušnom meracom bode, alebo na príslušnom článku. 5. Opakovaním bodov 1-4 určte úbytky napätia na všetkých článkoch reťazca. 6. Umiestnite pri vodiči prídavnú ochrannú a tieniacu armatúru a meranie opakujte. 7. Umiestnite poškodený izolátor do reťazca a opäť určte úbytky napätia na jednotlivých izolátoroch. 8. Výsledky merania zapisujte do tabuľky. Článok i Uvi [V] Uki = kudi [kv] ΔUkvi [kv] Tab. 5-1 Namerané výsledky 5.5 Vyhodnotenie nameraných výsledkov Podľa nameraných výsledkov nakreslite krivky napäťového namáhania, čo je závislosť napäťového namáhania jednotlivých izolátorov od ich umiestnenia v reťazci. Porovnajte krivku nepoškodeného reťazca s krivkami, ktoré získate pri meraniach na poškodenom izolátorovom reťazci. 51

53 K ďalším, veľmi závažným meraniam na vysokonapäťových izolátoroch patrí meranie ich vodivosti. V najväčšej miere totiž dochádza k poruchám a povrchovým preskokom v dôsledku zhoršenia povrchu izolátorov exhalátmi z ovzdušia, ktoré sú produkované priemyselnými objektami (primárny zdroj znečistenia). Sekundárnym zdrojom je vietor, ktorého pôsobením a eróziou rozrušených miest prírody znečistuje ovzdušie. Súvislá, zväčša nerovnomerná vrstva nečistôt v suchom stave nespôsobuje problémy. Dážď spôsobuje samoumývanie izolátora. Najčastejší výskyt porúch je za výskytu hmlya rosy na jar alebo na jeseň, kedy je po dlhšie trvajúcom bezzrážkovom období na izolátoroch značná vrstva exhalátov. Zabrániť tomuto nepriaznivému stavu je možné vytvorením hydrofóbneho povrchu nanášaním silikónovej pasty na izolátory. 5.6 Závery a odporúčania V závere je potrebné kvalitatívne a kvantitatívne vyhodnotiť namerané výsledky jednotlivými metódami ako aj pri rôznych konfiguráciách meracej zostavy. Stanovte kvantitatívne najvyššie a najnižšie namáhanie článkov izolátorového reťazca v porovnaní s jeho celkovým napájacím napätím a overte presnosť merania overte súčtom úbytkov. Vyhodnoťte aj vplyv umiestnenia poškodeného izolátora v reťazci ako aj použitie ochranných a tieniacich armatúr. Pri každom meraní je vždy potrebné vyhodnotiť o aký prípad pomeru parazitných kapacít sa jedná podľa obr Obr Priebeh rozloženia napätia 5.7 Kontrolné otázky 1. Definujte úlohu izolátora v energetike 2. Popíšte náhradnú schému izolátora. 3. Popíšte náhradnú schému izolátorového reťazca na vedení. 4. V akom vzťahu sú parazitné kapacity v praxi? 5. Kde je najväčšie namáhanie izolátorov? 6. Aký je priebeh rozloženia napätia na pozdĺž izolátorového reťazca? 7. Aká je možnosť ovplyvnenia rozloženia napätia 8. Aké druhy izolátorov poznáte podľa účelu použitia 9. Aké materiály sa používajú na konštrukciu izolátorov? 52

54 10. Akú funkciu majú ochranné a tieniace armatúry? 11. Ako ovplyvňujú vlastnosti izolátorov vonkajšie prevádzkové činitele? 12. Aké sú možnosti merania napäťového namáhania izolátorov? 13. Podľa akých kritérií sa realizuje výber závesných izolátorov do vonkajšieho prostredia? 14. Aký vplyv má na rozloženie napätia počet článkov spojených do reťazca? 15. Koľko kusov izolátorov používame pre menovité napätia 22, 110, 220, 400 kv? 16. Ako vplýva na izolačnú schopnosť izolátorov znečistenie dážď rosa? 53

55 6 Skúmanie vplyvu bariéry v nehomogénnom elektrickom poli 6.1 Úvod do problematiky Pri konštrukcii vysokonapäťových zariadení sú kladené vysoké nároky na bezpečné vzdialenosti živých častí pre dosiahnutie dostatočného izolačného stavu. Elektrickú pevnosť a priebeh výbojových procesov v silne nehomogénnom poli je možné ovplyvniť tzv. bariérou. Pod týmto pojmom rozumieme tenké fólie, prípadne dosky z izolačného materiálu. Ich vložením do nehomogénneho poľa v medzielektródovom priestore sa ovplyvní (zvýši, alebo zníži) elektrická pevnosť daného usporiadania, čo sa v praxi využíva najmä tam, kde sa ako izolačný materiál používa buď plyn (zapuzdrené rozvodne SF6), kvapalina, alebo ich kombinácia. Hlavným dôvodom k použitiu bariéry je potreba zmenšenia konštrukčných vzdialeností živých a neživých častí a tým aj zníženie spotreby izolačných materiálov. Účinok bariéry sa prejavuje v ovplyvnení tvaru elektrického poľa, čím sa zmení hodnota elektrickej pevnosti a prierazného napätia U p. Pre dosiahnutie požadovaného účinku je potrebné bariéru vhodne umiestniť nakoľko jej poloha môže nielen zvýšiť, ale aj znížiť prierazné napätie. 6.2 Bariéra v jednosmernom elektrickom poli Pri jednosmernom napätí sa v silne nehomogénnych elektrických poliach prejavuje polaritný efekt, čo znamená, že hodnota preskokového napätia pri kladnej polarite hrotu je nižšia ako pri zápornej polarite hrotu. Tento jav je možné ovplyvniť vložením bariéry medzi elektródy. Hodnota preskokového napätia bude závisieť okrem polarity hrotu aj od vzdialenosti bariéry od hrotu - dosky Usporiadanie kladný hrot - doska Pri usporiadaní kladný hrot - doska sa elektrónové lavíny pohybujú rýchlo k hrotu, kladné ióny sa pomaly premiestňujú smerom k doske. Pri svojom pohybe narazia na bariéru a vytvoria na nej kladný náboj. Náboj na bariére vytvorí vzhľadom k doske vlastné elektrické pole, ktoré je v porovnaní s pôvodným poľom homogénnejšie. Z toho vyplýva, že čím bude bariéra bližšie k hrotu, tým bude pole homogénnejšie a tým bude vyššia hodnota prierazného napätia. Obr. 6-1 Elektrické pole kladný hrot - doska Usporiadanie záporný hrot - doska Pri usporiadaní kladný hrot - doska sa kladné ióny pod bariérou snažia dostať k zápornému hrotu. Pri svojom pohybe však opäť narazia na bariéru a vytvoria na nej kladný náboj. Kladný náboj na bariére vytvorí vzhľadom k hrotu vlastné elektrické pole, ktoré je v porovnaní s pôvodným poľom 54

56 nehomogénnejšie, čo spôsobí zníženie hodnoty preskokového napätia hlavne ak je bariéra bližšie pri doske. Obr. 6-2 Elektrické záporný kladný hrot - doska 6.3 Schéma zapojenia a princíp merania Úloha merania 1. Zistiť vplyv polohy bariéry na elektrickú pevnosť v nehomogénnom elektrickom poli pri priložení jednosmerného napätia kladnej a zápornej polarity. 2. Zistiť vplyv materiálu bariéry na elektrickú pevnosť v nehomogénnom elektrickom poli pri priložení jednosmerného napätia kladnej a zápornej polarity. 3. Zaznamenať výskyt akustických a optických efektov. Schéma zapojenia je uvedená na obr Obr. 6-3 Schéma zapojenia Napätie na sekundári transformátora T je možné plynulo zvyšovať do hodnoty 50 kv. Polaritu napätia je možné meniť polohou diódy D. Vzdialenosť S medzi elektródami je počas celého merania konštantná. Vzdialenosť bariéry od dosky Sb je možné nastaviť s krokom 0,5 cm. Hodnota prierazného napätia sa odčíta na paneli zdroja. Hrotová elektróda EL je vymeniteľná. K dispozícii sú hrotové elektródy rôznych polomerov a tvarov zakončenia. 55

57 6.3.2 Postup merania 1. Vyberte hrotovú elektródu zadaného tvaru 2. Nastavte zadanú vzdialenosť medzi elektródami napr. S = 3 cm. 3. Nastavte kladnú polaritu napätia. 4. Pomaly zvyšujte napätie až do preskoku a zapíšte hodnotu kritického a preskokového napätia U p. Elektrický preskok je náhodná veličina, za účelom eliminovania chyby merania opakujte meranie trikrát, vypočítajte aritmetický priemer hodnoty preskokového napätia. 5. Vložte bariéru do medzielektródového priestoru a nastavte vzdialenosť s b podľa zadania. 6. Zistite hodnotu prierazného napätia. Keďže bariéru tvorí pevné dielektrikum, dôjde k jej prierazu. Z toho dôvodu je ju pri opakovanom meraní potrebné vymeniť. Každú bariéru označte polohou, polaritou a prierazným napätím. 7. Zmeňte vzdialenosť bariéry od dosky a zopakujte meranie podľa bodu Nastavte zápornú polaritu napätia a určte najprv hodnotu preskokového napätia bez bariéry podľa bodu Vložte bariéru a merania vykonajte podľa bodov 5, 6 a Merania vykonajte pre rôzne druhy hrotových elektród podľa zadania. 11. Namerané výsledky zapisujte do tabuľky. sb(cm) sb/s(-) Upb1(kV) Upb2(kV) Upb3(kV) Upb(kV) Upb/Up kladná polarita hrotu 0 bez bariéry Up1= Up2= Up3= Up= 0,5 1,5 2,5 0 bez bariéry Up1= Up2= Up3= Up= záporná polarita hrotu 0,5 1,5 2,5 Tab. 6-1 Namerané výsledky 6.4 Vyhodnotenie nameraných výsledkov Zostrojte závislosti U pb/u p = f(s b/s) pre rôzne tvary elektród pri kladnej aj zápornej polarite hrotovej elektródy. Závislosti namerané pre kladnú a zápornú polaritu napätia od seba graficky odlíšte. Kvalitatívne aj kvantitatívne vyhodnoťte namerané výsledky. V závere vyhodnoťte aj optimálnu polohu bariéry pre najvyššiu a najnižšiu elektrickú pevnosť. Kvalitatívne a kvantitatívne vyhodnoťte aj výbojové javy pri zvyšovaní napätia. 6.5 Kontrolné otázky 1. Čo je to bariéra a akú funkciu plní v TVN? 2. Ako sa chová bariéra pri kladnej polarite hrotu? 3. Ako sa chová bariéra umiestnená pri kladnom hrote? 4. Ako sa chová bariéra pri zápornej polarite hrotu? 5. Ako sa chová bariéra umiestnená pri zápornom hrote? 6. Vysvetlite funkciu priestorových nábojov v nehomogénnom elektrickom poli. 7. Popíšte výbojové javy pri meraniach s bariérou. 8. Kde sa používa bariéra v praxi? 56

58 7 Verifikácia Paschenovho zákona 7.1 Úvod do problematiky Mechanizmus elektrického prierazu v plynoch sa riadi zákonitosťami pohybu nabitých častíc a vodivosťou. V slabom elektrickom poli tečie v plynoch len veľmi malý elektrický prúd - plyny sú vynikajúcimi izolantmi. V silných elektrických poliach však dochádza k mechanizmu nárazovej ionizácie v plynoch. Plyn sa stáva vodivým, vzniká samostatný výboj, ktorý vedie k následnému elektrickému prierazu plynu. Elektrický prieraz v silnom homogénnom elektrickom poli je popísaný Paschenovým zákonom: U pr = K p d (7-1) kde K je konštanta charakterizujúca jednotlivé plyny, p je tlak a d je vzdialenosť elektród. Townsendova teória predpokladá, že pohyb kladných iónov je v silnom elektrickom poli zanedbateľný vzhľadom k rýchlosti elektrónov. Nárazovou ionizáciou sa bude počet elektrónov v medzielektródovom priestore zväčšovať. Na dráhe dx sa vytvorí pri zrážkach dn nových elektrónov: Po integrácii dostávame: dn = α n dx (7-2) n = n 0 e α x (7-3) Tento vzťah sa nazýva Townsendov integrál a je rovnicou elektrónovej lavíny, pričom α je Townsendov ionizačný činiteľ, ktorý udáva počet zrážok elektrónov s atómami na jednotku dĺžky. Townsendov ionizačný činiteľ je možné vyjadriť nasledovne: α = A p e B p E (7-4) kde A a B sú konštanty závislé od druhu plynu a od teploty, p je tlak plynu, E je intenzita elektrického poľa. V oblasti vysokých napätí sa uplatňujú sekundárne procesy na katóde a v plyne, medzi ktoré patrí γ proces (uvoľňovanie elektrónov z katódy), β proces (ionizácia plynu iónmi) a fotoionizácia. Uvedené typy sekundárnych procesov vyvolávajú nárast prúdu a výboj sa stane samostatným pri splnení podmienky χ (e α d 1) = 1 (7-5) Táto rovnica vyjadruje Townsendovo kritérium preskoku v plyne, χ je počet elektrónov druhej generácie, ktoré vznikli v dôsledku sekundárnych procesov. Tento vzťah hovorí o tom, že výboj sa stane samostatným vtedy, ak prvý elektrón (tzv. štartelektrón) je schopný vytvoriť ďalšiu elektrónovú lavínu. Z Townsendovho kritéria samostatnosti výboja je možné odvodiť výsledný Paschenov vzťah, vyjadrujúci závislosť veľkosti preskokového napätia od súčinu tlaku plynu a vzdialenosti elektród v homogénnom elektrickom poli: 57

59 B p d U pr = A p d ln ( ln (1 + 1 ) χ ) (7-6) Priebeh funkcie U pr = f(p d) pre vzduch je uvedený na obr Pre Paschenovu krivku je charakteristické lokálne minimum pri U pr 335 V až 350 V z ktorého vyplýva, že nemôže nastať samostatný výboj pri nižšom napätí, resp. zmenou tlaku a vzdialenosti nevieme dosiahnuť nižšie preskokové napätie. 100 U pr (kv) 10 U pr = f(p d) V 0, pd (kpa mm) Obr. 7-1 Závislosť veľkosti preskokového napätia od súčinu tlaku plynu a vzdialenosti elektród v homogénnom elektrickom poli pre vzduch Pri zvýšenom tlaku je preskokové napätie vysoké, nakoľko pri veľkej koncentrácii častíc je ich stredná voľná dráha malá. Pri malej strednej dráhe je kinetická energia častíc malá, takže ku preskoku dochádza pri vyššej intenzite elektrického poľa, z ktorého častice čerpajú energiu. Znižovaním tlaku pri konštantnej vzdialenosti elektród sa stredná voľná dráha častíc zväčšuje a ku preskoku dochádza už pri nízkych hodnotách napätia, napr. pri atmosférickom tlaku a vzdialenosti medzi elektródami mm je Upr 335 až 350V. Po prekročení kritickej hodnoty (p d)min preskokové napätie Upr opäť stúpa, nakoľko pri malej koncentrácii častíc dochádza ku zrážkam už len medzi časticami a stenou, resp. elektródou. Tým sa teda znižuje pravdepodobnosť zrážok častíc a tým aj možnosť vzniku ionizácie. K elektrickému preskoku predsa len dochádza, čo je spôsobené elektrónmi emitovanými z anódy pri zrážkach (proces sekundárnej emisie) Využitie Paschenovho zákona v praxi Závery Paschenovho zákona sa v praxi často využívajú pri konštrukcii vn vypínačov. Oblasť Paschenovej krivky pred minimom sa využíva pri vákuových vn vypínačoch. Pri znížení tlaku plynu pod úroveň zodpovedajúcej minimu Paschenovho zákona a danej vzdialenosti medzi kontaktmi napätie pri ktorom nastane preskok prudko vzrastá. Obvykle pri tlaku nižšom než 10-3 Pa je stredná voľná dráha elektrónov v zbytkovom plyne značne dlhšia než vzdialenosť kontaktov a preto po priložení napätia ku kontaktom nemôže dôjsť k nárazovej ionizácii voľnými elektrónmi a samovoľný elektrický výboj nenastane. Elektrická pevnosť elektródového systému vo vákuu je oveľa väčšia než jeho pevnosť pri atmosférickom tlaku. Zo vzťahu pre preskokové napätie vyplýva, že tú istú hodnotu môžeme dosiahnuť dvoma spôsobmi. Pri vysokom tlaku a malej vzdialenosti ako aj nízkom tlaku a veľkej vzdialenosti. 58

60 Oblasť Paschenovej krivky pri zvýšených tlakoch sa využíva hlavne pri zapuzdrených vypínačoch. Vysokonapäťové vypínače sa nachádzajú v uzavretých komorách najčastejšie valcovitého tvaru, ktoré sú plnené elektronegatívnym plynom SF6 (fluorid sírový) pri tlakoch 0,25 MPa až 0,45 MPa. Zvýšeným tlakom a dobrými izolačnými vlastnosťami plynu SF6 je možné mnohonásobne zmenšiť rozmery vn a vvn rozvodní. Využite Paschenovho zákona je základnou možnosťou zmenšovania rozmerov vysokonapäťových zariadení a prístrojov pre elektrické stanice. Takéto zariadenia sú oddelené od okolia a preto na nich nemôžu pôsobiť vonkajšie prevádzkové činitele, preto sa používajú v agresívnej priemyslovej atmosfére. Prínosom je aj predĺženie ich životnosti a zvýšenie spoľahlivosti. 7.2 Praktická časť V tejto časti je popísaný spôsob a postup overovania Paschenovho zákona Zadanie úlohy Zmerajte závislosť preskokového napätia od súčinu tlaku prostredia a vzdialenosti elektród Schéma zapojenia a princíp merania Verifikáciu Paschenovho zákona v laboratórnych podmienkach robíme pri tlakoch nižších, ako je atmosférický (podtlak). Vo vzduchotesnej nádobe sú umiestnené Rogowského elektródy, ktorých vzdialenosť je možné nastaviť. Jedna elektróda je uzemnená, na druhú je privedené cez priechodku jednosmerné napätie z regulovateľného zdroja Z. Veľkosť napätia je registrovaná voltmetrom V. Tlak je z nádoby odčerpávaný pomocou vývevy Vv a meraný tlakomerom T (pozri obr. 7-2). T V Z Vv Obr. 7-2 Schéma zapojenia prístrojov na verifikáciu Paschenovho zákona Postup merania: 1. Nastavte vzdialenosť medzi elektródami na určenú hodnotu. 2. Uzatvorte nádobu a vykonajte meranie elektrickej pevnosti pri atmosférickom tlaku. 3. Zvyšujte napätie na elektródach až do preskoku a z voltmetra odčítajte hodnotu preskokového napätia Upr. 4. Vývevou znížte tlak v nádobe na hodnotu 10 kpa. 5. Opakujte meranie podľa bodu Tento postup opakujte pre tlaky v nádobe kpa. 7. Meranie opakujte podľa bodov 2 až 5 pre zadané vzdialenosti Spracovanie výsledkov Namerané hodnoty zapíšte do tab

61 d (mm) p (kpa) p d (kpa mm) Upr (kv) 0,1... 0, Tab. 7-1 Tabuľka nameraných hodnôt preskokového napätia Na základe nameraných výsledkov zostrojte grafickú závislosť U pr = f(p d). Výsledná závislosť je Paschenova krivka pre vzduch. Stanovte hodnotu (p d) min a minimálnu hodnotu preskokového napätia U p min. Jednotky tlaku a ich premena: 1 atm = Pa = 101,325 kpa 1 bar = Pa = 100 kpa = 0,1 MPa 1 Torr = 1 mm Hg = 133,32267 Pa 760 Torr = 1 atm = Pa = 0,1 MPa 7.3 Kontrolné otázky 10 Od čoho závisia konštanty A a B? 11 Aká je stredná voľná dráha častíc pri nízkych a aká pri vysokých tlakoch plynu a ako sa mení počet zrážok? 12 Porovnajte pohyblivosť elektrónov a kladných iónov. Ktorá je väčšia? 13 Aký tvar má Paschenova krivka? 14 Akým vzťahom je určená podmienka samostatnosti výboja v plyne? 15 Aké je minimálne preskokové napätie na Paschenovej krivke pre vzduch? 16 Pri akej intenzite elektrického poľa sa stáva vzduch vodivý (prekročí sa elektrická pevnosť vzduchu)? 17 Aký vzťah platí pre preskokové napätie podľa Paschena? 18 Pri akých tlakoch sa realizuje verifikácia Paschenovho zákona v laboratórnych podmienkach? 19 Pre aký druh poľa platí Paschenov zákon? 20 Aká je Townsendova rovnica elektrónovej lavíny? 21 Aký charakter majú plyny z hľadiska elektrickej vodivosti? 22 Čo predstavujú premenné α a χ v Towsendovej teórii? 23 Z akých druhov ionizácie vychádzame v Townsendovej teórii? 24 Z akého druhu ionizácie vychádza Raether-Meekova teória? 25 Aké je praktické využitie Paschenovho zákona? 60

62 8 Meranie čiastkových výbojov 8.1 Úvod do problematiky Pod pojmom čiastkový výboj rozumieme taký neúplný samostatný výboj, ktorý nepremostí celú vzdialenosť medzi elektródami a ktorý vzniká pod vplyvom kritickej intenzity elektrického poľa v plynnom dielektriku, prípadne v plynom vyplnených dutinách pevných alebo kvapalných izolantov. Výboje trvajú veľmi krátku dobu ( s) a majú spravidla impulzný charakter. Nakoľko prítomnosť čiastkových výbojov v izolácii vysokonapäťových strojov a zariadení poukazuje na stav izolácie, pretože postupne znižujú pevnosť dielektrika, metóda snímania čiastkových výbojov patrí medzi veľmi perspektívne diagnostické metódy. Čiastkové výboje je možné rozdeliť na dve základné skupiny. Prvú skupinu tvoria vnútorné výboje, ku ktorým patria výboje v dutinách pevných a kvapalných dielektrík (pozri obr. 8-1 a). Špeciálny druh vnútorných výbojov tvoria elektrické stromčeky (pozri obr. 8-1 b). Do druhej skupiny patria povrchové výboje, vznikajúce na rozhraní dvoch rôznych izolantov za prítomnosti normálovej aj tangenciálnej zložky elektrického poľa (obr. 8-1 c), a korónové výboje v plyne (obr. 8-1 d). a) b) c) d) Obr. 8-1 Typy čiastkových výbojov Nie je však vždy jednoduché klasifikovať jednotlivé typy čiastkových výbojov takýmto spôsobom. Pri výbojovej činnosti totiž často dochádza k interakcii niekoľkých typov čiastkových výbojov, napr. korónových výbojov s výbojmi po povrchu izolácie, alebo povrchových a vnútorných výbojov (vznik tzv. bariérnych výbojov). Čiastkové výboje je možné v izolácii a izolačných systémoch vysokonapäťových strojov a zariadení pozorovať ako pri striedavom, tak aj pri jednosmernom napätí. Omnoho väčší dôraz je však kladený na zvládnutie problematiky čiastkových výbojov rozvíjajúcich sa pri striedavom napätí, nakoľko v praxi sa striedavé vysokonapäťové stroje a zariadenia vyskytujú v omnoho väčšom množstve Náhradný model dutinky v dielektriku Náhradný model dutinky v dielektriku najjednoduchšie popisuje trojkapacitný model Gemant-Philipoffa (obr. 8-2). Kapacitu dutinky v dielektriku predstavuje kondenzátor C 1, kapacita oslabenej časti dielektrika je reprezentovaná kondenzátorom C 2 a nepoškodenú časť dielektrika reprezentuje kondenzátor C 3. Nastavením rôznych vzdialeností medzi guľami iskrišťa GI je možné modelovať rôzne hodnoty zápalných napätí na dutinke (zápalné napätie je napätie, pri ktorom nastane v dutinke výboj. Rezistor R predstavuje odpor výbojového kanála. 61

63 C 2 u 2 C 2 C 3 C 1 u C 3 R C 2 u 1 C 1 GI Obr. 8-2 Model dielektrika s dutinkou a náhradný kapacitný obvod modelu Nech sa v okamihu t = 0 pripojí na elektródy napätie u = U m sin ωt. Do vzniku čiastkových výbojov napätie na dutinke (C 1 ) prebieha podľa funkcie sin ωt: u 1 = U 1m sin ωt, kde C 2 U 1m = U m (8-1) C 1 + C 2 V čase t 1 napätie na dutine u 1 dosiahne hodnotu zápalného napätia U záp a dochádza k výboju medzi guľami iskrišťa. To znamená, že vzniká prvý čiastkový výboj v dutine. Napätie u 1 na kapacite C 1 klesne na hodnotu zhášacieho napätia U zh, pri ktorom čiastkový výboj zaniká. Doba trvania jedného výboja je neporovnateľne menšia než perióda aplikovaného napätia, preto je možné považovať tento čas za rovný nule a predpokladať, že napäťový skok U 1 = U záp U zh na kapacite C 1 prebehne okamžite. u U 1m u = U 1 1m sin t U záp u 1 U 1 U zh 0 t 1 t 2 t 3 t U zh. U 1 U záp. U 1 U 1 U 1 U 1 U 1 Obr. 8-3 Časový priebeh napätia na dutinke dielektrika Po zániku prvého čiastkového výboja napätie na kapacite C 1 začína opäť narastať, avšak teraz už v súlade so vzťahom u 1 = U 1m sin ωt U 1. 62

64 V časovom okamžiku t 2 napätie u 1 opäť dosiahne hodnotu U záp, pričom vzniká druhý čiastkový výboj. Po jeho zhasnutí sa napätie na kapacite C 1 bude zákonite meniť podľa vzťahu u 1 = U 1m sin ωt 2 U 1. V čase t 3 začína tretí čiastkový výboj a v následných časových intervaloch ďalšie čiastkové výboje (pozri obr. 8-3). Sled diskrétnych výbojov sa môže nastaviť tak, že tvorí uzavretý cyklus za jednu, alebo niekoľko periód priloženého napätia. Keď uvážime, že sa cyklus uzavrie za jednu periódu a ak amplitúda striedavého napätia na dutine je väčšia než zápalné napätie U záp, môžeme pre výpočet početnosti výbojov za jednu periódu napísať vzťah: pričom f je frekvencia priloženého napätia (50 Hz). n = 4 f U 1m U zh U záp U zh (8-2) Veľmi dôležitou skutočnosťou, ktorá sa využíva pri detekcii čiastkových výbojov je, že pri každej napäťovej relaxácii dochádza ku vzniku prúdových impulzov. Tieto impulzy majú charakter derivačných kriviek, pričom každej napäťovej relaxácii odpovedá práve jeden prúdový impulz. Práve na snímaní týchto prúdových impulzov v uzemnenej časti testovaného objektu je založený elektrický spôsob detekcie čiastkových výbojov, či už je to priamou (galvanickou) metódou použitím meracej impedancie (obr. 8-4), alebo nepriamou metódou, využitím induktívnych, resp. kapacitných snímačov. Základnou fyzikálnou jednotkou čiastkových výbojov je zdanlivý náboj q čv (pc). VnTr C k 230 V ~ AT C x Z m MS Obr. 8-4 Schéma zapojenia merania čiastkových výbojov priamou (galvanickou) metódou Priama (galvanická) metóda merania čiastkových výbojov sa realizuje podľa schémy na obr Testovaný objekt (Cx) je napájaný z vn transformátora (VnTr). Výstupné napätie vn transformátora je regulované pomocou autotransformátora (AT) pripojeného na jeho vstup. Paralelne k testovanému objektu je pripojená meracia impedancia (Zm) a väzobný kondenzátor (Ck). Prúdové impulzy generované čiastkovými výbojmi sú snímané z meracej impedancie príslušným meracím systémom. 8.2 Praktická časť V tejto časti si študenti vytvoria model čiastkových výbojov a overia závislosť počtu čiastkových výbojov od rozdelenia jednotlivých kapacít a priloženého napätia Zadanie úlohy Zmerajte priebeh napätia čiastkového výboja modelovaného pomocou kapacitného modelu. Zostrojte závislosť počtu čiastkových výbojov od veľkosti priloženého napätia Schéma zapojenia a princíp merania Meranie bude realizované na modeli čiastkového výboja podľa obr Kapacita C1 predstavuje dutinku v dielektriku a je tvorená štyrmi sériovo zapojenými kondenzátormi s kapacitou pf každého z nich. Skratovacím vodičom je možné meniť výslednú hodnotu kapacity. Kapacita C2 63

65 predstavuje oslabenú časť dielektrika a je rovnako tvorené štyrmi kondenzátormi s kapacitou každého z nich pf. Rovnako skratovacím vodičom je možné meniť výslednú hodnotu kapacity. Kapacita C3 predstavuje zdravú časť izolácie a je tvorená kondenzátorom s hodnotou 0,01 µf. C 2 RZ V C 3 OSC BL C 1 Obr. 8-5 Schéma zapojenia merania priebehu napätia čiastkového výboja Model je napájaný regulovateľným zdrojom RZ s výstupným napätím v rozsahu V. Napätie zdroja je merané digitálnym voltmetrom V, ktorý meria efektívnu hodnotu napätia. Výboj v dutinke je simulovaný pomocou bleskoistky BL. Napätie na bleskoistke je snímané osciloskopom OSC. Postup merania 1. Skratovacími vodičmi si nastavíme hodnoty kapacít C1 a C2. 2. Regulovateľným zdrojom zvyšujeme napätie až sa na osciloskope objaví prvý čiastkový výboj. 3. Odčítame efektívnu hodnotu napätia zdroja U z voltmetra V a prepočítame na maximálnu hodnotu U m. 4. Z osciloskopu postupne odčítame zápalné napätie U záp a zhášacie napätie U zh. 5. Postupne zvyšujeme napätie zdroja až sa na osciloskope objaví ďalší výboj a odčítame údaje podľa bodu 3 a Napätie zvyšujeme až po maximálnu hodnotu 250 V. 7. Zmeníme hodnoty kapacít C1 a C2 a opakujeme meranie podľa bodov 2 až Spracovanie výsledkov Namerané hodnoty zapíšte do tab C 1 = pf C 2 = pf n (-) U (V) U m (V) U1m (V) U záp (V) U zh (V) n vyp (-) Tab. 8-1 Tabuľka nameraných hodnôt 64

66 Pre každý pomer kapacít C1 a C2 zostrojíme grafickú závislosť počtu čiastkových výbojov od veľkosti priloženého napätia (obr. 8-6) n (-) U (V) Obr. 8-6 Grafická závislosť počtu čiastkových výbojov od veľkosti priloženého napätia Porovnáme nameraný počet čiastkových výbojov s vypočítaným počtom podľa vzťahu (8-2). 8.3 Kontrolné otázky: 1. Čo sú to čiastkové výboje? 2. Aká je doba trvania čiastkových výbojov? 3. Čo spôsobujú čiastkové výboje v izolačnom systéme? 4. Čo je to zápalné napätie na dutinke? 5. Čo je to zhášacie napätie na dutinke? 6. Aký jav sa využíva pri detekcii čiastkových výbojov? 7. Čo sa používa na snímanie čiastkových výbojov pri priamej (galvanickej) metóde? 8. Čo sa používa na snímanie čiastkových výbojov pri nepriamej metóde? 9. Aká je základná fyzikálna jednotka čiastkových výbojov? 10. Aký je súvis medzi výškou napätia a namáhaním dielektrika vplyvom čiastkových výbojov? 65

67 9 Korónové javy pri jednosmernom a striedavom napätí 9.1 Úvod do problematiky Korónou nazývame neúplný samostatný výboj, ktorý vzniká v okolí elektród s malým polomerom zakrivenia v nehomogénnom elektrickom poli. Neúplným čiastkovým výbojom ho nazývame preto, že nepreklenie celú vzdialenosť medzi elektródami. Samostatným ho nazývame preto, že sa vyskytuje v silnom elektrickom poli kde sa vytvára ionizáciou dostatočné množstvo elektrónov a iónov pre udržanie prúdu. Koróna sa objavuje v tesnej blízkosti elektród v priestore kde intenzita elektrického poľa dosiahne hodnotu dostatočnú pre vznik koróny. Vo vzduchu je to okolo 30kV/cm. Oblasť vzniku samostatných čiastkových výbojov sa nachádza len v úzkej oblasti okolo koronujúcej elektródy. Veľkosť tejto oblasti je závislá na priebehu intenzity elektrického poľa. Koróna sa totiž vytvára iba v mieste, kde je hodnota intenzity elektrického poľa väčšia ako 30 kv/cm (obr. 9-1). Základným usporiadaním pre vznik a štúdium koróny sú elektródové systémy hrot doska, vodič doska, tenký vodič v rúrke a ich modifikácie zabezpečujúce dosiahnutie požadovanej nehomogenity poľa a počiatočného napätia koróny. Obr. 9-1 Oblasť vzniku koróny medzi vodičom a doskou Koróna vzniká ak vzdialenosť hrotovej, alebo drôtovej elektródy k jej polomeru zakrivenia je väčšia ako 25. s 25 (9-1) r 66

68 Obr. 9-2 Koróna vznikajúca na sústave ihlových elektród Peek stanovil poloempirický vzťah pre stanovenie minimálneho počiatočného napätia, pri ktorom vzniká koróna, pričom tento vzťah rešpektuje aj vplyv kvality povrchu vodičov a vplyv atmosférických podmienok: U 0 = 21,1 m 1 m 2 r ln a r [kv] (9-2) kde: r je polomer vodiča [cm], a je vzdialenosť medzi osami vodičov [cm], je relatívna hustota vzduchu, m 1 je činiteľ vyjadrujúci vplyv kvality povrchu vodiča dosahujúci hodnoty: 1 - pre celkom hladké vodiče kruhového prierezu 0,98-0,92 pre znečistené a drsné vodiče, 0,92-0,82 pre laná, m 2 je činiteľ rešpektujúci vplyv počasia dosahujúci hodnoty: 1 pre suché počasie, 0,8 pre daždivé počasie. 0,9 sa uvažuje v dlhodobom priemere. Podstatný vplyv na počiatočné štádium korónového výboja má polomer elektród a akosť ich povrchu. Drobné nečistoty a nerovnosti povrchu elektród aj na nanoúrovni, spôsobujú lokálne zvýšenie intenzity elektrického poľa a sú ohniskami nestabilných výbojov nízkej intenzity, ktoré sa vyskytujú aj pod úrovňou počiatočného napätia U 0. Prúdy tečúce v dôsledku týchto výbojov sú veľmi malé a prerušované. Určiť napätie, pri ktorom koróna začína, je v takomto prípade veľmi ťažké. Počiatočné napätie vzniku koróny je možné presnejšie určiť len v prípade veľmi hladkých a čistých elektród, pri presne definovaných vonkajších podmienkach (tvar elektrického poľa, tlak, vlhkosť, teplota). Pri postupnom zvyšovaní napätia je možné v okolí elektród pozorovať slabo svietiacu vrstvu, ktorá je sprevádzaná aj zvukovým efektom vo forme sršania a svetelným efektom vo forme modrého a ultrafialového žiarenia. Spôsobuje poruchy v šírení rozhlasového a televízneho signálu, ako aj vo vysokofrekvenčnej telekomunikačnej technike. Koróna má aj chemické účinky hlavne v dôsledku produkcie ozónu O3, ktorý je veľmi silným oxidačným činidlom, ktoré je v spojení so vzdušnou vlhkosťou a dusíkom zo vzduchu veľmi agresívne a spôsobuje koróziu kovových častí a izolačných materiálov. Koróna spôsobuje na vodičoch vedení VN a VVN činné straty elektrickej energie, ktoré v minulosti dosahovali až do 10%.Dnes dosahujú okolo 4%. Pri koordinácii vedení VN a VVN sú straty korónou rozhodujúcim faktorom pri voľbe priemeru vodičov a vzájomnej vzdialenosti vodičov. Ako je zrejmé z uvedených vzťahov, maximálna intenzita elektrického poľa, minimálne (počiatočné napätie koróny) 67

69 a taktiež aj straty korónou sú silne závislé od polomeru vodiča. Pre optimálne straty korónou by však na vedeniach VN a VVN boli potrebné vodiče veľkých priemerov s vysokou hmotnosťou, ktoré sa v praxi nedajú použiť. Z tohto dôvodu sa inštalujú zväzkové vodiče, t. j. dva alebo aj viac vodičov mechanicky paralelne spojených. Takéto vedenia majú v porovnaní s jednoduchými vodičmi väčšiu kapacitu, menšiu indukčnosť, menšie elektrické namáhanie na povrchu jednotlivých vodičov, a teda aj menšie straty korónou. V praxi sú 110 kv elektrické vedenia tvorené jedným vodičom, v prípade 220 kv vedení sa používajú dvojvodičové a v prípade 400 kv vedení trojvodičové zväzky a na hladine 750kV štvorvodičové zväzky. Obr. 9-3 Zväzkové vodiče Okrem nepriaznivých účinkov koróny sa v praxi s výhodou využívajú aj jej dobré vlastnosti. V prípade, ak je vedenie zasiahnuté bleskom, koróna účinne tlmí šíriacu sa prepäťovú vlnu. Od miesta úderu blesku do vedenia sa vedením šíria elektromagnetické vlny, napätie ktorých mnohonásobne prevyšuje počiatočné napätie koróny čím dochádza k nárastu strát a spotrebovaniu energie týchto vĺn. Vrcholová hodnota ako aj strmosť nárastu vzniknutých vĺn sa rýchlo tlmia a teda zmenšuje sa aj nebezpečie poškodenia ďalších zariadení. Korónový výboj sa tak isto využíva aj v elektrotechnológii, napr. pri elektrostatickom nanášaní častíc na kovové predmety (elektrostatické lakovanie). Tento princíp sa využíva aj v elektrických odlučovačoch, separátoroch,ionizátoroch, kopírkach, tlačiarňach... Obr. 9-4 Elektrostatický odlučovač 9.2 Úloha merania 1. Zmerajte veľkosť počiatočného napätia koróny a závislosť korónového prúdu I k od veľkosti priloženého napätia pri: a. Rôznych tvaroch elektród 68