ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Αναβάθμιση των συστημάτων προστασίας και μέτρησης της γεννήτριας ισχυρών κρουστικών ρευμάτων του εργαστηρίου υψηλών τάσεων, Α.Π.Θ.» Παπαδόπουλος Θεόφιλος Επιβλέπων καθηγητής: Π.Ν. Μικρόπουλος ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2013
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η αναβάθμιση των συστημάτων ασφαλείας και μετρήσεως της γεννήτριας ισχυρών κρουστικών ρευμάτων του εργαστηρίου. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια θεωρητική ανάλυση των μορφών ισχυρών κρουστικών ρευμάτων σύμφωνα με τα πρότυπα της IEC. Επίσης αναλύεται ο τρόπος παραγωγής τους, αλλά και οι μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τα εκθετικά ισχυρά κρουστικά ρεύματα. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται ο χώρος όπου είναι εγκατεστημένη η γεννήτρια. Ακόμη αναλύονται η μέθοδος λειτουργίας και τα χαρακτηριστικά της κονσόλας ελέγχου, του τροφοδοτικού υψηλής τάσης, των πυκνωτών φόρτισης και του δοκιμίου. Το τρίτο κεφάλαιο περιγράφει την εγκατάσταση μικροαυτόματων διακοπτών ως πρόσθετο μέσο προστασίας στη γεννήτρια. Αυτοί επιλέγονται βάση των χαρακτηριστικών καμπυλών ρεύματος/χρόνου ώστε να προηγούνται πάντα των ασφαλειών τήξης και τοποθετούνται στην κονσόλα. Έπειτα ακολουθεί το τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο της κατασκευής, δοκιμής και εγκατάστασης μετρητικής διάταξης ωμικού καταμεριστή τάσης. Με αυτόν τον τρόπο μετράται με εξαιρετική ακρίβεια η τάση φόρτισης των πυκνωτών. Η εργασία κλείνει με τα τελικά συμπεράσματα και την παράθεση τεχνικών φυλλαδίων σχετικών με τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στον κ. Π. Ν. Μικρόπουλο, αναπληρωτή καθηγητή του τμήματος και επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας. Ευχαριστώ ακόμα τον κ. Δ. Ζιάκα για την πολύτιμη βοήθεια του κατά την διάρκεια των κατασκευών. 1
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Εισαγωγή...σελ 1 Κεφάλαιο 1 ο 1.1 Μορφές ισχυρών κρουστικών ρευμάτων.....σελ 3 1.2 Παραγωγή εκθετικών κρουστικών ρευμάτων...... σελ 5 1.2.1 Κρίσιμα αποσβενύμενη ταλάντωση..........σελ 7 1.2.2 Yποαποσβενύμενη ταλάντωση.........σελ 7 1.2.3 Υπεραποσβενύμενη ταλάντωση.. σελ 8 1.3 Παραγωγή ορθογωνίων κρουστικών ρευμάτων...σελ 8 Κεφάλαιο 2 ο 2.1 Γεννήτρια ισχυρών κρουστικών ρευμάτων Α.Π.Θ......σελ 9 2.2 κονσόλα ελέγχου-τροφοδοτικό συνεχούς υψηλής τάσης...σελ 11 2.3 Πυκνωτές...σελ 17 2.4 Εκφόρτιση των πυκνωτών.....σελ 21 Κεφάλαιο 3 ο 3.1 Προστασία γεννήτριας........σελ 26 3.2 Περιγραφή ασφαλειών τήξης........ σελ 27 3.3 Περιγραφή μικροαυτόματων διακοπτών.... σελ 29 3.4 Επιλεκτική συνεργασία μέσων προστασίας εξοπλισμού.. σελ 33 3.5 Επιλογή στοιχείων προστασίας..... σελ 34 3.6 Σύνδεση των διακοπτών στο κύκλωμα της κονσόλας. σελ 38 Κεφάλαιο 4 ο 4.1 Τρόποι μέτρησης υψηλών τάσεων.......σελ 41 4.2 Περιγραφή ωμικού καταμεριστή τάσης...σελ 42 4.3 Κατασκευή ωμικού καταμεριστή με ψηφιακό βολτόμετρο...σελ 43 Συμπεράσματα..σελ 50 Βιβλιογραφία Πηγές..σελ 51 Τεχνικά φυλλάδια...σελ 52 2
Κεφάλαιο 1 ο 1.1 Μορφές ισχυρών κρουστικών ρευμάτων Ισχυρά κρουστικά ρεύματα (impulse currents) θεωρούνται οι ισχυροί παλμοί ρεύματος οι οποίοι διαρρέουν ηλεκτρικά δοκίμια. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε εργαστηριακές δοκιμές για να ελεγχτεί η αντοχή συστημάτων αντικεραυνικής προστασίας (ΣΑΠ), διακοπτών, διατάξεων απόζευξης, τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού. Κατά την εργαστηριακή χρήση τους, παράγονται σε πλήθος κυματομορφών ανάλογα με τις ανάγκες των δοκιμών. Σύμφωνα με την IEC και το διεθνές πρότυπο (600)60-1 που εξέδωσε το 1989 υπάρχει τυποποίηση των κυματομορφών με τις διπλεκθετικές και τις ορθογωνικές να χρησιμοποιούνται συχνότερα. Οι διπλεκθετικές ταλαντώσεις προσομοιώνουν χτυπήματα από κεραυνούς σε γραμμές μεταφοράς και ουσιαστικά αποτελούνται από τη διαφορά δύο φθινουσών εκθετικών συναρτήσεων. Χαρακτηρίζονται από το εύρος τους, τη διάρκεια μετώπου Τ1 και τη διάρκεια ημίσεως εύρους Τ2. Οι τυποποιημένες κυματομορφές έχουν λόγο Τ1/Τ2 ίσο με 1/20, 4/10, 8/20 και 30/80 μs. Στο σχήμα 1.1 όπου απεικονίζεται μια κυματομορφή εκθετικού κρουστικού ρεύματος(exponential current impulse), η διάρκεια μετώπου Τ1 ορίζεται ως 1,25 φορές η διάρκεια Τ, η οποία ορίζεται μεταξύ των στιγμών όπου στο μέτωπο το ρεύμα λαμβάνει τιμές 10% και 90% του εύρους του. Αυτό γιατί σε τιμές κάτω του 10% και άνω του 90% υπάρχουν διαταραχές οι οποίες εμποδίζουν την ακριβή μέτρηση της διάρκειας μετώπου. Ως συμβατική αρχή του χρόνου ορίζεται η χρονική στιγμή που προηγείται κατά 0,1 Τ1 του χρόνου όπου το ρεύμα ισούται με 10% του εύρους στο μέτωπο του κρουστικού παλμού. Η διάρκεια ημίσεως εύρους Τ2 ορίζεται ως ο χρόνος μεταξύ της συμβατικής αρχής του χρόνου και της στιγμής όπου το ρεύμα μειώνεται στο 50% του εύρους του. Οι μέγιστες επιτρεπόμενες ανοχές για τα εκθετικά κρουστικά ρεύματα είναι 10% απόκλιση από το εύρος, τη διάρκεια μετώπου και τη διάρκεια ημίσεως εύρους. Ταλαντώσεις στη κορυφή και στην αρχή επιτρέπονται εάν δεν υπερβαίνουν το 5%. Ακόμη επιτρέπεται αναστροφή της πολικότητας μετά τον μηδενισμό το πολύ μέχρι 10%. 3
Σχήμα 1.1 Κυματομορφή εκθετικού κρουστικού ρεύματος, [3] Ορθογωνικά κρουστικά ρεύματα (rectangular current impulses) εμφανίζονται κατά την εκφόρτιση γραμμών μεταφοράς μεγάλου μήκους, τα οποία αντίστοιχα χαρακτηρίζονται από το εύρος τους, τη διάρκεια κορυφής Τd κατά την οποία το ρεύμα έχει τιμή μεγαλύτερη του 90% του εύρους και τη συνολική διάρκεια Τt κατά την οποία το ρεύμα έχει τιμή μεγαλύτερη του 10% του εύρους τους(σχήμα 1.2). Οι τυποποιημένες διάρκειες κορυφής τους Τt είναι 500, 1000, 2000 και μεταξύ 2000 και 3200 μs. Η ανοχή τους τόσο στο εύρος όσο και στη διάρκεια κορυφής Τd είναι έως και 20% των τιμών. Για τη συνολική διάρκεια Tt οι επιτρεπόμενες τιμές ορίζονται στο +50% της διάρκειας κορυφής Τd. Για το εύρος επιτρέπονται ταλαντώσεις μικρότερες του 10% τιμή που ισχύει και για την αντιστροφή πολικότητας της κυματομορφής μετά από τον μηδενισμό. Η παραπάνω ανάλυση βασίστηκε στο σύγγραμμα του Κ.Α. Στασινόπουλου, Τεχνολογία των Υψηλών Τάσεων. Σχήμα 1.2 Κυματομορφή ορθογωνικού κρουστικού ρεύματος, [3] 4
1.2 Παραγωγή εκθετικών κρουστικών ρευμάτων Η παραγωγή εκθετικών κρουστικών ρευμάτων γίνεται συνήθως μέσω της εκφόρτισης ενός πυκνωτή C ο οποίος έχει προηγουμένως φορτιστεί με συνεχή υψηλή τάση U(0) σε ένα κύκλωμα μίας αυτεπαγωγής L και μίας αντίστασης R σε σειρά, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.3. Το ρόλο του διακόπτη συνήθως αναλαμβάνουν σφαιρικά διάκενα. Σχήμα 1.3 Κύκλωμα παραγωγής κρουστικών ρευμάτων, [3] Η συνολική αντίσταση R του παραπάνω RLC κυκλώματος σε μια εργαστηριακή διάταξη περιλαμβάνει τις αντιστάσεις των καλωδίων, του δοκιμίου, ενδεχομένως κάποια πρόσθετη αντίσταση που τοποθετείται για να επιτευθεί η επιθυμητή κυματομορφή και την αντίσταση μέτρησης. Αντίστοιχα, η αυτεπαγωγή L περιλαμβάνει την αυτεπαγωγή των αγωγών, του δοκιμίου καθώς και την τυχών πρόσθετη αυτεπαγωγή. Η σύνθετη αντίσταση Ζ προκύπτει από το διανυσματικό άθροισμα των R,L και C. Η εκφόρτιση των πυκνωτών γίνεται μόλις επέλθει διάσπαση στα διάκενα, συνήθως με τη βοήθεια κάποιου μηχανισμού τύπου trigatron, και το ρεύμα i διαρρέει την αυτεπαγωγή L και την αντίσταση R ώστε να κλείσει μέσω του βρόγχου. Η διαφορική εξίσωση του ρεύματος σε συνάρτηση με τον χρόνο I(t) προκύπτει λοιπόν από την παρακάτω σχέση. ή αλλιώς, i(t)+r i(t)+ +L =0 + =0 Η παραπάνω εξίσωση είναι δεύτερης τάξης και είναι της μορφής: 5
Όπου η λύση της ως προς i(t) είναι: +2 + =0 i(t)= sin( t) όπου ω n = η συχνότητα συντονισμού, σ= = 4" # η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος, η κρίσιμη αντίσταση, και =% η συχνότητα αποσβενύμενης ταλάντωσης. Η παραπάνω εξίσωση του ρεύματος συναρτήσει του χρόνου σε ένα κύκλωμα RLC εκφράζει τρεις τις μορφές ταλαντώσεων του κρουστικού ρεύματος. Η κάθε μορφή ταλάντωσης εξαρτάται από την σχέση της συχνότητας της ταλάντωσης με τον συντελεστή σ. Στην περίπτωση όπου η συχνότητα ωn ισούται με τον συντελεστή σ η ταλάντωση θεωρείται κρίσιμα αποσβενύμενη(damped). Σε περίπτωση μεγαλύτερης συχνότητας, το ρεύμα παίρνει και αρνητικές τιμές και η ταλάντωση θεωρείται υποαποσβενύμενη(under damped). Αντίθετα, για μικρότερες τιμές της συχνότητας ωn από τον συντελεστή σ η ταλάντωση παίρνει υπεραποσβενύμενη μορφή(over damped). Οι τρεις παραπάνω μορφές όπως και φαίνονται στο σχήμα 1.4 συνήθως εναλλάσσονται με μεταβολή της συνολικής αντίστασης R του κυκλώματος, καθώς η χωρητικότητα C και η αυτεπαγωγή L παραμένουν σταθερές. Σχήμα 1.4 Μορφές αποσβενύμενων ταλαντώσεων, [4] 6
1.2.1 Κρίσιμα αποσβενύμενη ταλάντωση Σε αυτή τη περίπτωση επιτυγχάνεται το μέγιστο εύρος αποφεύγοντας την αλλαγή πολικότητας του ρεύματος. Η τιμή της συχνότητας ωn ισούται με αύτη του συντελεστή σ και η κυματομορφή του ρεύματος δίνεται από τον τύπο: i(t)= t, η απαιτούμενη διάρκεια μετώπου προκύπτει Τ 1 =, και το εύρος του ρεύματος I MAX = & ' 1.2.2 Yποαποσβενύμενη ταλάντωση Με την συχνότητα ωn μεγαλύτερη του όρου σ, το εύρος κατά την εκφόρτιση της χωρητικότητας αυξάνεται, προσθέτοντας όμως και αρνητικές τιμές στο ρεύμα όπως φαίνεται στον παρακάτω τύπο: i(t)= & ( sin(ω d t) Εδώ η κυματομορφή έχει δύο κορυφές, με την πρώτη να έχει μεγαλύτερο εύρος από αυτό της κρίσιμης και με την δεύτερη σε αρνητική πολικότητα. Η διάρκεια μετώπου προκύπτει Τ 1 = )*+), % - το εύρους του παλμού του ρεύματος I MAX = & (. /sin( T 1 ) Ο χρόνος από την αρχή του παλμού μέχρι το μέγιστο εύρος ανάστροφου ρεύματος είναι 7
Τ =Τ+ 0, και από αυτόν το χρόνο το ελάχιστο(μέγιστο αρνητικό) ρεύμα προκύπτει I MIN =-I MAX 123 4 1.2.3 Υπεραποσβενύμενη ταλάντωση Καθώς η συχνότητα ωn δεν ξεπερνά την κρίσιμη αντίσταση που παριστά ο όρος σ, το εύρος μειώνεται και το ρεύμα κάθε στιγμή της εκφόρτισης προκύπτει ως εξής i(t)= & ( [314 5-364 5 ] η διάρκεια μετώπου Τ 1 = ( ln -( ( και το εύρος του ρεύματος του παλμού I MAX = & 314 ( [9 / 5-9 / 364 5 ] 1.3 Παραγωγή ορθογωνίων κρουστικών ρευμάτων Επειδή για την παραγωγή ορθογωνίων κρουστικών ρευμάτων απαιτούνται τεράστιες σε μήκος γραμμές μεταφοράς, συνήθως προσομοιώνονται μέσω αυτεπαγωγών σε σειρά οι οποίες ανάμεσα τους φέρουν χωρητικότητες όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.5. Για να παραχθεί μία ορθογώνια κυματομορφή η οποία να πλησιάζει στην ιδανική απαιτούνται τουλάχιστον δέκα ζεύγη αυτεπαγωγών και χωρητικοτήτων σε σειρά. Σχήμα 1.5 Διάταξη παραγωγής Ορθογωνικών Κ.Ρ. [3] Σημείωση: Η ανάλυση για την παραγωγή Κ.Ρ. βασίστηκε σε αναφορές του συγγράμματος του Κ.Α. Στασινόπουλου [1], στη δημοσίευση Impulse current testing [3], και στη διπλωματική των Κοκκίδη και Σκούρου [5]. 8
Κεφάλαιο 2 ο 2.1 Γεννήτρια ισχυρών κρουστικών ρευμάτων Α.Π.Θ. Η γεννήτρια βρίσκεται στο εργαστήριο υψηλών τάσεων του Α.Π.Θ. στο υπόγειο του κτηρίου Δ της πολυτεχνικής σχολής. Το εργαστήριο υψηλών τάσεων ιδρύθηκε το 1984 από τον καθηγητή Κ. Α. Στασινόπουλο και θεσμοθετήθηκε το 2001 με το Προεδρικό Διάταγμα 80/ΦΕΚ Α 66/2001. Το εργαστήριο εξυπηρετεί εκπαιδευτικές και ερευνητικές ανάγκες στο γνωστικό αντικείμενο των υψηλών τάσεων και ισχυρών ρευμάτων, των μετρήσεών τους, όπως και των μετρήσεων σε διηλεκτρικά, τη συμπεριφορά αερίων, υγρών και στερεών διηλεκτρικών, καθώς και αυτή του υψηλού κενού και της αντικεραυνικής προστασίας. Σχήμα 2.1 κάτοψη του εργαστηρίου Υ.Τ. [6] Στο παραπάνω σχήμα (σχήμα 2.1) διακρίνεται ο χώρος του εργαστηρίου όπου είναι τοποθετημένη η γεννήτρια ισχυρών κρουστικών ρευμάτων, ενώ στο σχήμα 2.2 φαίνεται η διάταξη των στοιχείων που απαρτίζουν την γεννήτρια. Σημείωση: Για την συγγραφή του 2 ου κεφαλαίου λήφθηκαν στοιχεία από τις διπλωματικές εργασίες των Κοκκίδη και Σκούρου[5], καθώς και του Μαχαιρίδη [8]. 9
Σχήμα 2.2 διάταξη της γεννήτριας στο χώρο του εργαστηρίου, [5] 10
2.2 κονσόλα ελέγχου-τροφοδοτικό συνεχούς υψηλής τάσης Η συσκευή φόρτισης των πυκνωτών (εικόνα 2.3) είναι ένα τροφοδοτικό συνεχούς υψηλής τάσης της οποίας το ύψος είναι 1,5m. Στο επάνω μέρος της υπάρχει μια κονσόλα χειρισμού και όργανα που βοηθούν τον χειριστή να καθορίζει και να γνωρίζει κάθε στιγμή τη τάση στην οποία είναι φορτισμένοι οι πυκνωτές και το ρεύμα που τους φορτίζει. Στο πίσω μέρος της συσκευής υπάρχουν η έξοδος της υψηλής τάσης που δίνεται μέσω ενός μονωτήρα διέλευσης, το τριπολικό καλώδιο για την τροφοδότηση των αυτόματων γειωτών και το καλώδιο παροχής της συσκευής με χαμηλή τάση. Εικόνα 2.3 κονσόλα ελέγχου-τροφοδοτικό Η τροφοδοσία της συσκευής γίνεται μέσω τριφασικού φις χαμηλής τάσης, ενώ η παροχή της με συνεχή υψηλή τάση στους πυκνωτές γίνεται μέσω ομοαξονικού καλωδίου RG8CU. 11
Στο εξωτερικό της συσκευής υπάρχουν δύο αναμονές για εξωτερική γείωση του μεταλλικού περιβλήματος της συσκευής. Στο εσωτερικό της συσκευής υπάρχουν κυρίως ο μετασχηματιστής ανύψωσης τάσης το Variac (αυτομετασχηματιστής) που ρυθμίζει τη χαμηλή τάση τροφοδοσίας του μετασχηματιστή υψηλής τάσης, η γέφυρα ανορθωτών της υψηλής τάσης και η πλακέτα των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών αυτοματισμών. Εικόνα 2.4 εσωτερικό της κονσόλας Η συσκευή φόρτισης στη μπροστινή της όψη περιλαμβάνει τρεις ασφαλειοθήκες από τις οποίες η αριστερή προστατεύει το κύκλωμα αυτοματισμών με ασφάλεια οργάνων old neozed 16 A (τύπου Δ.Ε.Η.). Η μεσαία ασφάλεια είναι 2Α γυάλινη μικρή ασφάλεια και προστατεύει τα ηλεκτρονικά κυκλώματα των οργάνων. Η δεξιά ασφάλεια οργάνων old neozed 20A (τύπου Δ.Ε.Η.) προστατεύει το Variac. Αξίζει να σημειωθεί ότι για λόγους απεξάρτησης από την λειτουργία της συσκευής, οι αυτόματοι γειωτές, η σειρήνα και η κόρνα έχουν συνδεθεί απευθείας με το δίκτυο χαμηλής τάσης χωρίς να παρεμβάλλονται μέσα προστασίας ή άλλοι διακόπτες. Για λόγους ασφαλείας πριν από κάθε χρήση της κονσόλας απαιτείται ηχητική προειδοποίηση με τη χρήση της κόρνας, καθώς και η χρήση κλειδιού για να τεθεί σε λειτουργία η συσκευή. Στη κονσόλα επίσης, υπάρχει περιστροφικός διακόπτης που θέτει όριο στην τιμή του ρεύματος φόρτισης και ενδεικτικές λυχνίες που μας δείχνουν αν η τάση φόρτισης είναι θετική ή αρνητική ως προς τη γη. Κάτω από τις ασφαλειοθήκες υπάρχει διακόπτης πολικότητας της τάσης εξόδου, ο οποίος ανάλογα με τη θέση του η οποία αλλάζει μόνο όταν η συσκευή βρίσκεται εκτός τάσης, ρυθμίζει την πολικότητα της υψηλής τάσης στην έξοδο του τροφοδοτικού. 12
Εικόνα 2.5 ασφαλειοθήκες, διακόπτης αλλαγής πολικότητας και ασφάλειες Ο χειρισμός της συσκευής γίνεται εξολοκλήρου από τους διακόπτες και χειριστήρια στο πάνω μέρος της. Στην κονσόλα διακρίνουμε δύο όργανα, ένα βολτόμετρο και ένα αμπερόμετρο τα οποία μας δίνουν πληροφορίες για την τάση εξόδου και το ρεύμα φόρτισης. Το Variac ρυθμίζει την τάση εξόδου του μετασχηματιστή υψηλής τάσης, ο οποίος δέχεται τάση 0-220V και δίνει στην έξοδο τάση 0-20kV. Ο ρόλος της συσκευής φόρτισης είναι αρχικά να σηκώνει τους αυτόματους γειωτές έτσι ώστε οι πυκνωτές να μην έχουν επαφή με τη γη, στη συνέχεια να φορτίσει με συνεχή υψηλή τάση τους πυκνωτές με την επιθυμητή πολικότητα και τιμή ρεύματος, και στη συνέχει να τίθεται έκτος ώστε να μην επηρεάζει την εκφόρτισή τους. Για να επέλθει η επιθυμητή τιμή ρεύματος φόρτισης των πυκνωτών υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης μέσω περιστροφικού διακόπτη με τιμές 0-300 ma. 13
Ε Εικόνα 2.6 διακόπτες και λυχνίες ελέγχου Στην παραπάνω εικόνα (2.6) διακρίνονται τα στοιχεία ελέγχου της κονσόλας. Για την λειτουργία του τροφοδοτικού και την φόρτιση των πυκνωτών με υψηλή τάση απαιτείται να ακολουθηθούν κάποια βήματα χειρισμών της κονσόλας τα οποία θα περιγραφούν αναλυτικά παρακάτω. Εφόσον συντελούν όλες οι προϋποθέσεις για τη λειτουργία της συσκευής δηλαδή υπάρχει τροφοδοσία στη χαμηλή τάση, υπάρχει πίεση 3-8 ατμόσφαιρες στα πνευματικά των γειωτών και πληρούνται όλοι οι λοιποί κανόνες ασφαλείας, η συσκευή τίθεται σε λειτουργία με την εισαγωγή και την περιστροφή του κλειδιού, ενώ ταυτόχρονα ανάβει η λυχνία με την ένδειξη netzein. Ακόμη, προϋπόθεση για την έναρξη αποτελεί η τοποθέτηση του δείκτη του ποτενσιόμετρου του Variac στη θέση μηδέν. Αυτό γίνεται για να αποφύγουμε τα υπερρεύματα που εμφανίζονται κατά την απότομη σύνδεση ενός μετασχηματιστή. Σε αυτή τη περίπτωση ανάβει η ενδεικτική λυχνία trafo-0-stellung. Στο εσωτερικό της συσκευής μεταξύ των άλλων υπάρχει ρελέ γειωτή που γειώνει αυτόματα όλα τα σημεία της υψηλής τάσης και απενεργοποιείται μόνο με το πάτημα εισαγωγής του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή υψηλής στο κύκλωμα. Έτσι με το πάτημα του buttonhochspannungein o μετασχηματιστής υψηλής τάσης ενεργοποιείται, ενώ ταυτόχρονα ο αυτοματισμός του γειωτή στο εσωτερικό απενεργοποιείται («ανοίγει»). 14
Το ότι η υψηλή τάση δεν έχει εμφανιστεί ακόμη στην έξοδο της συσκευής οφείλεται στο γεγονός ότι στο εσωτερικό της συσκευής υπάρχει διακόπτης κενού που κλείνει μόνο με το πάτημα του buttonausgangschalterein και τότε η υψηλή τάση εμφανίζεται στην έξοδο. Τη στιγμή αυτή το βολτόμετρο δείχνει την τάση στην έξοδο και το αμπερόμετρο το ρεύμα φόρτισης των πυκνωτών. Η φόρτιση η οποία ξεκίνησε με το πάτημα του buttonausgangschalterein, τερματίζεται όταν η τάση φτάσει στην επιθυμητή τιμή με τη χρήση του button aus όπου όλη η συσκευή τίθεται εκτός. Εκείνη τη χρονική στιγμή πρέπει να δοθεί έναυση από τον χειριστή του trigatron και να γίνει η εκκένωση στο σφαιρικό διάκενο που θα οδηγήσει στην εκφόρτιση των πυκνωτών με ισχυρό κρουστικό ρεύμα στο δοκίμιο. Με τη λήξη του φαινομένου ο χειριστής της κονσόλας κλείνει τον διακόπτη των γειωτών που εκφορτίζουν τους πυκνωτές από παραμένοντα φορτία και ταυτόχρονα τους γειώνουν ασφαλώς. Η συνολική διάταξη του τροφοδοτικού απεικονίζεται στο σχήμα 2.7. 15
Σχήμα 2.7 μονογραμμικό τροφοδοτικού Σ.Υ.Τ. 16
2.3 Πυκνωτές Το τροφοδοτικό υψηλής τάσης που αναλύθηκε προηγουμένως μπορεί να φορτίσει συστοιχία 50 πυκνωτών υψηλής τάσης όπως φαίνεται παρακάτω στην εικόνα 2.8. Εικόνα 2.8 Συστοιχία πυκνωτών υψηλής τάσης Κάθε πυκνωτής αποτελείται από δύο ξεχωριστές χωρητικότητες όπως φαίνεται στο σχήμα 2.9. οι χωρητικότητες έχουν το ένα άκρο στον αέρα και το άλλο συνδεδεμένο στο μεταλλικό κέλυφος του πυκνωτή. Έτσι σε κάθε πυκνωτή υπάρχουν τρείς ακροδέκτες που επιτρέπουν τη σύνδεση των εσωτερικών χωρητικοτήτων είτε σε σειρά είτε παράλληλα. Η κάθε χωρητικότητα έχει ονοματική τιμή 2.66μF με ονομαστική τάση 20kV. Στην σε σειρά σύνδεση των πυκνωτών η ονομαστική τάση φτάνει τα 40 kv αφού η κάθε μια από τις δύο εσωτερικές χωρητικότητες φορτίζεται στην ονομαστική της τάση, και η χωρητικότητα του πυκνωτή γίνεται 1,33 μf. 17
Σχήμα 2.9 Ισοδύναμο, στοιχεία, και όψεις των πυκνωτών Σε κατάσταση φόρτισης με σύνδεση σε σειρά το εξωτερικό κέλυφος του ακροδέκτη 3 των πυκνωτών βρίσκεται σε τάση ως προς τη γη και έτσι η επαφή με τους πυκνωτές είναι άκρως επικίνδυνη και είναι απαραίτητο να τηρούνται οι αποστάσεις ασφαλείας. Οι πυκνωτές χωρίζονται σε 10 ομάδες των πέντε πυκνωτών η καθεμία και είναι τοποθετημένοι σε μονωμένο ξύλινο σκελετό. Η κάθε σειρά πυκνωτών φορτίζεται από το τροφοδοτικό μέσω αντίστασης φόρτισης 200Ω/120W. Ακόμη πριν από την αντίσταση της κάθε σειράς μεσολαβεί γενική αντίσταση φόρτισης 1kΩ/200W. Οι αντιστάσεις χρησιμεύουν στον περιορισμό του ρεύματος φόρτισης και την προστασία των πυκνωτών. Ο κάθε πυκνωτής όταν έχει σε σειρά συνδεμένες τις χωρητικότητες έχει 1,33 μf συνολική χωρητικότητα και αποθηκεύει ενέργεια 266 J. Αντίστοιχα, με συνδεμένες τις χωρητικότητες παράλληλα έχει 5,32 μf συνολική χωρητικότητα και αποθηκεύει ενέργεια 1064 J. Αν και στη σύνδεση σε σειρά ο κάθε πυκνωτής έχει 18
όριο φόρτισης τα 40kV, αυτή η τάση περιορίζεται στα 20kV η οποία και είναι η μέγιστη τάση εξόδου του τροφοδοτικού. Εκατέρωθεν της διάταξης των πυκνωτών υψηλής τάσης συμπεριλαμβάνονται δύο ομάδες αυτόματων γειωτών. Οι διακόπτες αυτοί λειτουργούν με τη χρήση πνευματικών εμβόλων. Χρησιμεύουν στο να βραχυκυκλώνουν και να γειώνουν τους ακροδέκτες όλων των πυκνωτών μέσω ελέγχου τους από την κονσόλα. Και οι δύο ομάδες των γειωτών αποτελούνται από πέντε διακόπτες, έναν για κάθε σειρά πυκνωτών. Η πρώτη σειρά γειωτών είναι τοποθετημένοι ανάμεσα στη κονσόλα και στης αντιστάσεις φόρτισης των πυκνωτών. Η δεύτερη σειρά γειωτών λειτουργεί με χρονοκαθυστέρηση 3 δευτερολέπτων και γειώνει τα μεταλλικά κελύφη των πυκνωτών της κάθε σειράς. Εικόνα 2.10 γειωτής 1 ης και 2 ης σειράς Η κάθε σειρά των πυκνωτών συνδέεται με τις μπάρες παραλληλισμού μέσω ομοαξονικού καλωδίου μέσης τάσης NA2XSY 75mm 2.Το κάθε καλώδιο συνδέεται στα παραλληλισμένα άκρα των οπλισμών των πυκνωτών της κάθε σειράς με το κεντρικό καλώδιο στον θετικό πόλο και το πλέγμα στον αρνητικό πόλο. Τα καλώδια της κάθε σειράς παραλληλίζονται μεταξύ τους πάνω στις μπάρες. Τα καλώδια τις κάθε σειράς πρέπει να έχουν ακριβώς το ίδιο μήκος έτσι ώστε να εκφορτίζονται ταυτόχρονα και να έχουν την ίδια σύνθετη αντίσταση. Κατά τη διάρκεια φόρτισης των πυκνωτών οι γειωτές είναι ανοιχτοί όπως και κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης των πυκνωτών δια μέσου του κυκλώματος παραγωγής κρουστικών ρευμάτων. Για να λειτουργήσουν είναι απαραίτητη η 19
παροχή τους με πεπιεσμένο αέρα πίεσης 3 έως 8 atm, τον οποίο και προμηθεύονται από κατάλληλο κύκλωμα που υπάρχει στο εργαστήριο. Τα έμβολα των διακοπτών τροφοδοτούνται μέσω ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας και συστήματος γειωτή και ελέγχονται από την κονσόλα ελέγχου. Στην ανενεργό κατάσταση η εξασφάλιση ότι κανένα μεταλλικό μέρος της διάταξης δεν φέρει τάση έρχεται μέσω της δεύτερης σειράς γειωτών. Στους πυκνωτές φόρτισης υψηλής τάσης κατά την εκφόρτιση τους, η συχνότητα της ταλάντωσης δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 30kHz έτσι ώστε να μην κινδυνεύουν από απότομες εκφορτίσεις όπως προκύπτει από τις κατασκευαστικές τους απαιτήσεις. Την απαίτηση αυτή κατά την παραγωγή ισχυρών κρουστικών ρευμάτων την ικανοποιεί η συνολική σύνθετη αντίσταση του δοκιμίου και των καλωδίων, αρκεί να είναι μεγαλύτερη ή ίση με την κρίσιμη αντίσταση. Σε περίπτωση όμως εκφόρτισης τους μέσω των γειωτών την απαίτηση αυτή ικανοποιούν σπειρωτά τυλίγματα που παρεμβάλλονται μεταξύ των δεύτερων γειωτών και των κελυφών των πυκνωτών όπως φαίνεται στην εικόνα 2.11. Εικόνα 2.11 Σύνθετες αντιστάσεις εκφόρτισης πυκνωτών 20
2.4 Εκφόρτιση των πυκνωτών Για την εκφόρτιση των πυκνωτών της γεννήτριας ισχυρών κρουστικών ρευμάτων χρησιμοποιούνται σφαιρικά διάκενα έτσι ώστε να γίνεται διάσπαση την επιθυμητή στιγμή. Η διάσπαση των διακένων είναι ένα στοχαστικό φαινόμενο και εξαρτάται από το μέτρο και τη μορφή της τάσης φόρτισης, τη μορφολογία των διακένων, το υλικό τους αλλά και το υλικό της επιφάνειας τους, τις εκάστοτε ιδιότητες του μέσου κτλ. Στη συνηθέστερη περίπτωση όπου το μέσο είναι ο αέρας ιδιαίτερη σημασία έχει η υγρασία του, σχετική και απόλυτη. Εάν θεωρηθούν σταθεροί οι υπόλοιποι παράγοντες εκτός της τάσης, για κάποιο συγκεκριμένο μήκος διακένου η τάση διάσπασης εντοπίζεται γύρω από κάποια μέση τιμή, χωρίς όμως να είναι σταθερή στη τιμή αυτή. Έτσι δεν είναι δυνατό για τον χειριστή της κονσόλας να προκαλέσει διάσπαση του διακένου και παραγωγή κρουστικού παλμού για συγκεκριμένη τάση. Το παραπάνω πρόβλημα επιλύεται με τη χρήση συσκευών trigatron. Η συσκευή trigatron προσθέτει στα δύο ηλεκτρόδια της διάταξης ένα τρίτο, βοηθητικό. Κατά τη λειτουργία της συσκευής εφαρμόζεται τάση μικρότερη από τη μέση τάση διάσπασης του διακένου και την επιθυμητή στιγμή ένας παλμός υψηλής τάσης επιβάλλεται στο βοηθητικό ηλεκτρόδιο. Η διάσπαση που προκαλείται μεταξύ του βοηθητικού ηλεκτροδίου και της γης η ενός άλλου ηλεκτροδίου προκαλεί έντονη ανομοιογένεια στο πεδίο του χώρου γύρω από τα ηλεκτρόδια. Έτσι ξεκινά η διάσπαση του κυρίως διακένου σε τάση μικρότερη από τη μέση τάση διάσπασης[6]. Σχήμα 2.12 διάγραμμα ηλεκτροδίων με συσκευή trigatron, [6] Στη γεννήτρια ισχυρών κρουστικών ρευμάτων που μελετάται, στο ηλεκτρόδιο από τη πλευρά του δοκιμίου υπάρχει εντός του βοηθητικό ηλεκτρόδιο(μπουζί βενζινοκινητήρα) το οποίο διασπάται όταν εφαρμοστεί σε αυτό 21
τάση κοντά στα 10kV. Τότε, λόγω του χωρικού φορτίου που δημιουργείται τοπικά, προκαλείται έντονη ανομοιογένεια στο ηλεκτρικό πεδίο ανάμεσα από τα ηλεκτρόδια και εάν η τάση ανάμεσα τους είναι κοντά στη μέση τάση διάσπασης προκαλείται η διάσπαση. Το μπουζί που αποτελεί το βοηθητικό ηλεκτρόδιο δέχεται τον παλμό υψηλής τάσης από μία συσκευή παραγωγής κρουστικών τάσεων που τροφοδοτείται από μπαταρία 12V. Για λόγους ασφαλείας και ευκολίας η συσκευή ενεργοποιείται με τηλεχειρισμό από πομπό όπως φαίνεται στην εικόνα 2.13. Εικόνα 2.13: πομπός έναυσης, [5] Στην εικόνα 2.14 φαίνεται το διάκενο και στη εικόνα 2.15 η συνολική διάταξη του διακόπτη ο οποίος είναι τοποθετημένος πάνω σε ξύλινο πάγκο. Εικόνα 2.14 διάκενο 22
Εικόνα 2.15 πάγκος διάταξης διακόπτη Από τον πάγκο που εδράζεται η συσκευή trigatron, καλώδιο υψηλής τάσης τύπου NA2YSY 90mm 2 οδεύει μέσω μονωτήρων στήριξης στον πάγκο του δοκιμίου. Ο πάγκος έχει διαστάσεις 1 x 1,2m και πάνω του, στηριγμένα στους κατάλληλους μονωτήρες, είναι τοποθετημένα όλα τα στοιχεία όπως θα αναλυθούν παρακάτω. Αρχικά στο καλώδιο υψηλής τάσης συνδέεται μια μεταβλητή σύνθετη αντίσταση. Αυτή έχει μήκος 4 μέτρα και οδεύει κατά μήκος της περιφέρειας του πάγκου στήριξης. Αποτελείται από κράμα ατσαλιού διαμέτρου 2.5mm 2 και μέσω βραχυκυκλωτήρα επιτυγχάνεται το κατάλληλο μήκος για την εκάστοτε επιθυμητή τιμή αντίστασης. Κατά προσέγγιση προσθέτει στο δοκίμιο 1Ω/m και 1μH/m. Σε σειρά με τη σύνθετη αντίσταση συνδέεται μια μεταβλητή αυτεπαγωγή. Αυτή αποτελείται από 5, 10, ή και 15 σπείρες οι οποίες αντίστοιχα προσθέτουν 2 μh, 5,1 μh, 9,4 μh. 23
Το δοκίμιο το οποίο έπεται της μεταβλητής αυτεπαγωγής, στηρίζεται πάνω σε δύο μεταλλικές μπάρες, κατάλληλα μονωμένες. Από το δοκίμιο συνδέεται σε σειρά αντίσταση μέτρησης (shunt). Αυτή έχει πολύ μικρή τιμή αντίστασης (2,8mΩ). Η τιμή της είναι μικρή διότι πρόκειται για αντίσταση μέτρησης ισχυρών ρευμάτων. Στη συνέχεια συνδέεται με το πλέγμα του καλωδίου υψηλής τάσης και καταλήγει στη γη. Η συνολική διάταξη των στοιχείων του πάγκου του δοκιμίου φαίνεται στην εικόνα 2.16. Εικόνα 2.16 πάγκος διάταξης δοκιμίου 24
Σχήμα 2.17 Συνολικό διάγραμμα γεννήτριας Ι.Κ.Ρ. 25
Κεφάλαιο 3 ο 3.1 Προστασία γεννήτριας Όπως αναφέρθηκε στο δεύτερο κεφάλαιο, για την προστασία του αυτομετασχηματιστή (Variac) και του κυκλώματος των αυτοματισμών είναι τοποθετημένες ασφάλειες τήξης τύπου old neozed. Κατά τη χρήση της κονσόλας σε περίπτωση λάθος χειρισμών όπως την εκφόρτιση των πυκνωτών χωρίς να τεθεί εκτός η συσκευή φόρτισης με το πάτημα του διακόπτη not aus, ισχυρά ρεύματα διαρρέουν την συσκευή με αποτέλεσμα την τήξη των ασφαλειών. Το ίδιο αποτέλεσμα προκαλείται και από άλλους χειρισμούς λόγω και της παλαιότητας των διακοπτών και την έλλειψη ακρίβειας κατά την λειτουργία τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάγκη συχνής αντικατάστασης των ασφαλειών, μερικές φορές και κατά τη διάρκεια λίγων κύκλων χειρισμών της κονσόλας. Λόγω των παραπάνω, όπως επίσης και για την επιπλέον ασφάλεια της ίδιας της κονσόλας και του χειριστή της από υπερρεύματα, στη κονσόλα προστίθενται μικροαυτόματοι, οι οποίοι συνεργάζονται με τις ασφάλειες τήξης στη προστασία της και επιπλέον απαλείφουν την ανάγκη συχνής αντικατάστασης των ασφαλειών. Στην εικόνα 3.1 διακρίνονται οι ασφάλειες της κονσόλας μαζί με τις ασφαλειοθήκες τους η κάθε μια. Από τα αριστερά διακρίνεται η ασφάλεια του κυκλώματος αυτοματισμών ονομαστικής αντοχής 16 Α και στα δεξιά η ασφάλεια προστασίας του Variac ονομαστικής αντοχής 20 Α. Στο κέντρο διακρίνεται η μικρή γυάλινη ασφάλεια 2 Α που προστατεύει τα ηλεκτρονικά στοιχεία της κονσόλας. Εικόνα 3.1 ασφάλειες-ασφαλειοθήκες 26
3.2 Περιγραφή ασφαλειών τήξης Στις ασφάλειες τήξης η διακοπή ενός κυκλώματος προκαλείται από την τήξη ενός χάλκινου ή αργυρού σύρματος ή ταινίας μέσα σε σκόνη χαλαζία. Σε αντιδιαστολή με τους μηχανικούς διακόπτες οι ασφάλειες εισάγουν μετά την τήξη τους μια μεγάλη ωμική αντίσταση στο κύκλωμα. Αυτή η αντίσταση προκαλεί μια μείωση του ρεύματος βραχυκύκλωσης. Για χαμηλά ρεύματα (<20Α) μπορεί να χρησιμοποιούνται χάλκινα σύρματα. Για υψηλότερα ρεύματα χρησιμοποιούνται και αγωγοί (τηκτά) από άργυρο. Αυτό γίνεται για να μειωθούν οι απώλειες ισχύος στην αντίσταση του τηκτού. Οι ασφάλειες εκλέγονται σύμφωνα με τα εξής στοιχεία: Ονομαστική τάση π.χ. 230/400V Ονομαστική ισχύς διακοπής ή ρεύμα διακοπής. Υπάρχουν τύποι D,DO,NH Χαρακτηριστικές χρόνου-ρεύματος. Αντί της χαρακτηριστικής ή μαζί της μπορεί να δίνονται το «μικρό» και το «μεγάλο» ρεύμα βραχυκύκλωσης. Το μικρό ρεύμα δεν λιώνει την ασφάλεια σε ορισμένο χρόνο που είναι συνήθως μια ώρα. Το μεγάλο ρεύμα λιώνει την ασφάλεια μέσα σε ορισμένο χρόνο. Στο εμπόριο υπάρχουν οι εξής τύποι ασφαλειών: Ασφάλειες D (μεγάλες βιδωτές), λέγονται Diazed Ασφάλειες Ασφάλειες DO(μικρές βιδωτές), λέγονται Neozed Ασφάλειες Ασφάλειες NH ή HRC-Fuses ή HBC-Fuses (μαχαιρωτές). Ασφάλειες G (μικροασφάλειες σε κυλινδρικό γυάλινο σωλήνα) για συσκευές Οι ασφάλειες χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες χρήσης και ξεχωρίζουν από δύο γράμματα. Η σημασία τους φαίνεται παρακάτω. Το πρώτο γράμμα σημαίνει: g=πλήρης προστασία σε όλη τη περιοχή ρευμάτων α=μερική προστασία μόνο σε υψηλά ρεύματα (χρήσιμες σε κινητήρες λόγω υψηλών ρευμάτων εκκίνησης) το δεύτερο γράμμα χαρακτηρίζει το υπό προστασία αντικείμενο. Αυτό μπορεί να είναι από τα παρακάτω γράμματα. G= γενική χρήση L= γραμμές, καλώδια Μ=θερμικά (π.χ. κινητήρες) R=ημιαγωγοί 27
Β= εγκαταστάσεις ορυχείων Τr=μετασχηματιστές Οι ασφάλειες τύπου Neozed που υπάρχουν στην κονσόλα ελέγχου του τροφοδοτικού έχουν κοινά χαρακτηριστικά με τις ασφάλειες τύπου diazed αλλά διαφέρουν στο μέγεθος τους. Σε αυτές, όπως και στις τύπου diazed, ο αγωγός προς τήξη είναι σύρμα ή ταινία με σταθερή διατομή. Κατασκευάζονται για περιοχές 2-125 Α. Οι χαρακτηριστικές ρευμάτων-χρόνου διαφέρουν ανάλογα με τον κατασκευαστή, με τα όρια για κάθε περιοχή τιμών ρεύματος όμως να ορίζονται από τον κανονισμό VDE 0636. Παλιά υπήρχε διάκριση σε ασφάλειες βραδείας και ταχείας τήξης. Πλέον διαχωρίζονται ανάλογα με το «μικρό» και «μεγάλο» ρεύμα, και τις χαρακτηριστικές ρεύματος-χρόνου. Εικόνα 3.2 Ασφάλεια Siemens neozed και χαρακτηριστικές ρεύματος-χρόνου, [10] Σημείωση: Για την περιγραφή τόσο των ασφαλειών όσο και των μικροαυτόματων παρακάτω κύρια πηγή αποτελεί το σύγγραμμα του Π. Ντοκόπουλου Ηλεκτρικές Εγκαταστάσεις καταναλωτών. [7] 28
3.3 Περιγραφή μικροαυτόματων διακοπτών Οι διακόπτες προστασίας στη χαμηλή τάση είναι διακόπτες ισχύος που ανοίγουν αυτόματα σε ένα καθορισμένο χρόνο, εφόσον το ρεύμα υπερβεί μία τιμή. Σκοπό έχουν να προστατεύσουν τον εξοπλισμό από υπερβολική θερμοκρασία σε υπερφορτίσεις και από υπερβολική μηχανική και θερμική καταπόνηση σε βραχυκυκλώματα. Αποτελούνται κυρίως από δύο ή τρία μέρη. Το μέρος του διακόπτη ισχύος, δηλαδή τις επαφές με θάλαμο σβέσης Το θερμικό στοιχείο ή τον ηλεκτρονόμο που δίνει εντολή στο διακόπτη ισχύος να ανοίξει. Αυτό προστατεύει μια γραμμή ή συσκευή από υπερφόρτιση. Οι χρόνοι διέγερσης μπορούν να είναι από δευτερόλεπτα έως λεπτά ανάλογα με το ρεύμα. Ενδεχομένως το ηλεκτρομαγνητικό στοιχείο που δίνει εντολή στο διακόπτη ισχύος να ανοίξει σχεδόν ακαριαία(10-100 ms) όταν το ρεύμα υπερβεί μια τιμή (περίπου 2-15 φορές επί το ονομαστικό ρεύμα). Αυτό λέγεται και στιγμιαίο στοιχείο. Εικόνα 3.3 λεπτομέρεια αυτόματου διακόπτη, [10] 29
Ανάλογα με το τι προστατεύουν οι αυτόματοι διακρίνονται σε αυτόματους γραμμών, συσκευών κινητήρων και διακόπτες ισχύος για εγκαταστάσεις διανομής. Οι αυτόματοι προστασίας γραμμών εγκαταστάσεων ή αλλιώς μικροαυτόματοι, χρησιμοποιούνται στην αναχώρηση γραμμών για την προστασία τους σε παρατεταμένη υπερένταση ή βραχυκύκλωμα. Έχουν τυποποιηθεί από τους κανονισμούς VDE 0641, EN 60898, IEC 0947, IEC 0898. Τα τυποποιημένα ρεύματα τους είναι από 4 έως 63 Α. Κατασκευάζονται σε μονοπολική και τριπολική μορφή για 230/400V και διακόπτουν τα ίδια περίπου ρεύματα για τάσεις 60-110V DC. Ο χειρισμός τους είναι στο κλείσιμο χειροκίνητος ενώ στο άνοιγμα γίνεται αυτόματα μέσω εντολής από το θερμικό ή το ηλεκτρομαγνητικό στοιχείο. Χαρακτηριστικά στοιχεία τους είναι: Η τάση π.χ. 230/400 V 50Hz ή 60 V DC. Το ονομαστικό ρεύμα IN π.χ. 63 Α. Το «μικρό» και το «μεγάλο» ρεύμα δοκιμής. Ισχύουν οι ίδιοι ορισμοί όπως στις ασφάλειες. Αυτά αφορούν κυρίως το θερμικό στοιχείο. Την ικανότητα διακοπής σε σφάλματα π.χ. 6000 Α cosφ=0.4. Οι μικροαυτόματοι είναι χωρισμένοι σε τρεις ομάδες, Ι,ΙΙ,ΙΙΙ με αντίστοιχες ικανότητες διακοπής 3, 6 και 10kA. Η κλάση περιορισμού ροής ρεύματος. Είναι οι κλάσεις 1, 2 και 3 και αντιστοιχούν στην ικανότητα του διακόπτη ν αντέξει σε μεγάλο μεταβατικό ρεύμα για μεγάλο χρόνο. Συγκεκριμένα το γινόμενο Ι 2 *t είναι τι κριτήριο για την ένταξη σε μία κλάση. Οι κλάσεις 1, 2 και 3 αντιστοιχούν σε μικρές, μεσαίες και υψηλές απαιτήσεις. Οι χαρακτηριστικές ρεύματος-χρόνου. Αυτές δείχνουν το χρόνο που απαιτείται για να ανοίξει ο διακόπτης συναρτήσει του πολλαπλάσιου του ονομαστικού ρεύματος που τον διαρρέει. 30
Χαρακτηριστικές πτώσης μικροαυτόματων Η σχέση ρεύματος πτώσης σκανδαλισμού και χρόνου λέγεται χαρακτηριστική. Η χαρακτηριστική ενός διακόπτη κυμαίνεται σε ορισμένα όρια ανοχής. Δηλαδή δύο διακόπτες, ακόμα και του ίδιου κατασκευαστή δεν έχουν ίδιες χαρακτηριστικές. Σχήμα 3.4 Χαρακτηριστική ρεύματος-χρόνου αυτόματου διακόπτη, [10] Οι χαρακτηριστικές προσδιορίζονται από τα πρότυπα EN 60898 και DIN 0641. Ονομάζονται A, B, C, D και διαφέρουν στο ηλεκτρομαγνητικό τους στοιχείο. Οι περιοχές των χαρακτηριστικών είναι σε επαφή, δηλαδή εκεί π.χ. που τελειώνει η περιοχή Α αρχίζει η περιοχή Β. Οι χαρακτηριστικές διευκολύνουν την προστασία καθότι η συνθήκες λειτουργίας και οι συσκευές που τροφοδοτούνται από τη γραμμή μπορούν να παρουσιάσουν διαφορετικά «μεγάλα» ρεύματα εκκίνησης. Π.χ. σε κινητήρες, σε λάμπες πυράκτωσης, πυκνωτές, ιατρικά μηχανήματα, μετασχηματιστές. 31
Η χαρακτηριστική Α έχει προβλεφτεί για γραμμές που τροφοδοτούν ημιαγωγούς όπου το ρεύμα που προκαλεί την πτώση είναι τριπλάσιο. Το ηλεκτρομαγνητικό της στοιχείο ανοίγει ακαριαία για ρεύματα 2-3 φορές του ονομαστικού. Στη Β η οποία χρησιμοποιείται κυρίως σε γραμμές το ηλεκτρομαγνητικό της στοιχείο ανοίγει για ρεύματα 3-5 φορές του ονομαστικού. Η C χαρακτηριστική έχει προβλεφθεί για κυκλώματα συσκευών με υψηλά ρεύματα εκκίνησης όπως κινητήρες, φωτιστικά ισχύος. Το ηλεκτρομαγνητικό της στοιχείο ανοίγει ακαριαία για ρεύματα 5-10 φορές του ονομαστικού. Στο τέλος, η D χαρακτηριστική επιλέγεται σε κυκλώματα συσκευών με πολύ υψηλά κρουστικά ρεύματα όπως μετασχηματιστές ισχύος, πηνία, πυκνωτές. Το ηλεκτρομαγνητικό της στοιχείο ανοίγει ακαριαία για ρεύματα 10-20 φορές του ονομαστικού. Παρακάτω, στο σχήμα 3.5 φαίνονται οι λεπτομέρειες δύο χαρακτηριστικών. Σχήμα 3.5 Χαρακτηριστικές ρεύματος χρόνου για καμπύλες Β και C μικροαυτόματων (της εταιρίας Hager), [11] 32
3.4 Επιλεκτική συνεργασία μέσων προστασίας εξοπλισμού Αυτή η τεχνική επιτρέπει τη χρήση μίας διάταξης προστασίας (αυτόματου διακόπτη ισχύος, αυτόματης ασφάλειας ή φυσιγγίου τήξης) με ικανότητα διακοπής μικρότερη από το ρεύμα βραχυκυκλώματος που προβλέπεται στο συγκεκριμένο σημείο της εγκατάστασης. Στη πράξη με αυτό το μέτρο επιτυγχάνεται η συνδυασμένη χρήση μέσων προστασίας έτσι ώστε να καλύπτονται οι ανάγκες προστασίας και παράλληλα να υπάρχει ευκολία επαναλειτουργίας μετά από σφάλματα. Προϋποθέσεις για την εφαρμογή αυτής της τεχνικής είναι ότι θα υπάρχει συσκευή προστασίας που να καλύπτει τις προδιαγραφές ασφαλείας για κάθε μέγεθος εντάσεων (ασφάλεια τήξης) και ότι η ενέργεια(υπερρεύμα) που επιτρέπει ο διακόπτης πριν το σφάλμα (ασφάλεια τήξης) να διέλθει δεν θα έχει καταστροφικές συνέπειες για τους διακόπτες (αυτόματους). [10] Συνεργασία μεταξύ ασφαλειών τήξης και μικροαυτόματων διακοπτών Σε αυτή τη περίπτωση η συνεργασία μεταξύ τους επιτυγχάνεται με χρήση των χαρακτηριστικών ρεύματος/χρόνου. Οι αυτόματοι διακόπτες των οποίων οι χαρακτηριστικές πρέπει να προηγούνται από αυτές των ασφαλειών τήξης προσφέρουν προστασία από υπερρεύματα μέχρι μία ορισμένη τιμή, αυτή του ρεύματος αποκοπής. Η τιμή αυτή εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του διακόπτη. Σε περιπτώσεις όπου κατά το σφάλμα υπάρχει τιμή του ρεύματος μεγαλύτερη από αυτή που μπορεί να αποκόψει ο αυτόματος διακόπτης την προστασία παρέχει η ασφάλεια τήξης η οποία πρέπει να επιλεγεί με επιπλέον κριτήριο να ενεργοποιείται για τιμές ρεύματος κοντινές με αυτές του διακόπτη για μέγιστη προστασία του εξοπλισμού. 33
3.5 Επιλογή στοιχείων προστασίας Όπως αναφέρθηκε στην αρχή του κεφαλαίου, για την αποτελεσματικότερη και ασφαλέστερη λειτουργία του τροφοδοτικού φόρτισης υψηλής τάσης τοποθετήθηκαν μικροαυτόματοι διακόπτες οι οποίοι συνεργάζονται με τις ήδη υπάρχουσες ασφάλειες τήξης. Η επιλογή των στοιχείων έγινε με κριτήριο σωστή τοποθέτηση των καμπυλών τους πάνω στις χαρακτηριστικές ρευμάτων/χρόνου και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του καθένα να είναι κατάλληλα για τη συγκεκριμένη χρήση. Για την προστασία του Variac επιλέχθηκε μικροαυτόματος της εταιρίας ABB μοντέλο S201 C10. Στο διάγραμμα 3.6 φαίνεται η συνεργασία του διακόπτη με την ασφάλεια τήξης. Διάγραμμα 3.5 χαρακτηριστικές ρεύματος/χρόνου μέσων προστασίας Variac, [12] 34
Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αυτόματου διακόπτη δίνονται στον παρακάτω πίνακα: ABB S201 C10 Πρότυπο IEC/EN 60898-1 Αριθμός πόλων 1 Χαρακτηριστική Kαμπύλη C Ονομαστικό ρεύμα 10 Α Τάση λειτουργίας 230/400 V AC Συχνότητα λειτουργίας 50/60 Hz Μέγιστο ρεύμα αποκοπής 10 ka Τάση δοκιμής 2 kv (1min) Βαθμός προστασίας IP20 Αντοχή λειτουργίας 20000 κύκλοι Eικόνα 3.6 Αυτόματος διακόπτης ΑΒΒ S201 C10, [12] 35
Αντίστοιχα, για την προστασία των ηλεκτρικών αυτοματισμών της κονσόλας ελέγχου επιλέχθηκε μικροαυτόματος της εταιρίας HAGER μοντέλο MCN 106A C6. Στο διάγραμμα 3.7 φαίνεται η συνεργασία του διακόπτη με την ασφάλεια τήξης. Διάγραμμα 3.7 χαρακτηριστικές ρεύματος/χρόνου μέσων προστασίας αυτοματισμών, [11] 36
Τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αυτόματου διακόπτη δίνονται στον παρακάτω πίνακα: HAGER MCN 106A C6 Πρότυπο IEC/EN 60898 Αριθμός πόλων 1 Χαρακτηριστική Kαμπύλη C Ονομαστικό ρεύμα 6 Α Τάση λειτουργίας 230-240 V AC Συχνότητα λειτουργίας 50/60 Hz Μέγιστο ρεύμα αποκοπής 6 ka Τάση δοκιμής 2500 V Βαθμός προστασίας IP20 Αντοχή λειτουργίας 20000 κύκλοι Εικόνα 3.8 Αυτόματος διακόπτης HAGER MCN C6, [11] 37
3.6 Σύνδεση των διακοπτών στο κύκλωμα της κονσόλας. Η σύνδεση των διακοπτών έγινε μεταξύ των ασφαλειών τήξης και των στοιχείων που χρήζουν προστασίας. Για να επιτευθεί αυτό έγινε επέκταση των καλωδίων που τροφοδοτούν τη κονσόλα όπου αυτό χρειάστηκε. Στη προκειμένη περίπτωση επιλέχθηκαν καλώδια τύπου H07V-Κ με μόνωση PVC. Τα καλώδια αυτά είναι «λεπτοπολύκλωνα» κατάλληλα για χρήση σε μόνιμες εγκαταστάσεις, καθώς συνδυάζουν ευκαμψία και αντοχή σε καταπονήσεις (λεπτομέρεια εικόνα 3.9). Εικόνα 3.9 Καλώδιο τύπου H07V-Κ Η διατομή του καλωδίου που χρησιμοποιήθηκε στο κύκλωμα των ηλεκτρικών αυτοματισμών της γεννήτριας είναι 1,5 mm 2 ενώ η διατομή του καλωδίου για το κύκλωμα του Variac είναι 2,5 mm 2. Για το καλώδιο με διατομή 1,5 mm 2 η μέγιστη ένταση ρεύματος που είναι ικανό να φέρει σε συνεχή φόρτιση, βάση του προτύπου HD 384.5.324.1 της CENELEC είναι 18,5 Α και η αντίστοιχη για το καλώδιο με διατομή 2,5 mm 2 είναι 25 Α. Οι περιορισμοί αυτοί καλύπτονται αφενός από τις απαιτήσεις της γεννήτριας σε εντάσεις και τη μικρή διάρκεια φόρτισης, και αφετέρου από τα μέσα προστασίας τα οποία αποτρέπουν μεγαλύτερες φορτίσεις. 38
Λόγω της συνύπαρξης κυκλωμάτων χαμηλής και υψηλής τάσης στο τροφοδοτικό λήφθηκε περεταίρω φροντίδα κατά την εγκατάσταση ώστε να μην υπάρξουν επικίνδυνες επαφές μεταξύ των επιμέρους καλωδίων. Έτσι τα καλώδια τοποθετήθηκαν και στερεώθηκαν μακριά από τα διάφορα στοιχεία που κατά τη λειτουργία είναι υπό υψηλή τάση. Η διάταξη των στοιχείων φαίνεται στο διάγραμμα 3.10. Διάγραμμα 3.10 διάταξη μέσων προστασίας στη κονσόλα Για την στήριξη των μικροαυτόματων στην κονσόλα χρησιμοποιήθηκε ράγα ηλεκτρικών εγκαταστάσεων και προσαρμόστηκε κατάλληλα πάνω σε εσοχή της γεννήτριας με τη χρήση γωνιών στήριξης και πριτσινιών (εικόνα 3.11). Για τις ανάγκες της τοποθέτησης αφαιρέθηκε ταμπέλα της κονσόλας με τα ονομαστικά της στοιχεία και αντικαταστάθηκε από επιγραφή plexi glass η οποία περιβάλλει τους αυτόματους διακόπτες και πάνω της αναγράφονται ανάγλυφα τα ονομαστικά στοιχεία της κονσόλας. H επιγραφή κατασκευάστηκε σε σχετικό κατάστημα κατόπιν παραγγελίας, φέρει διαστάσεις 15x16cm και στο εσωτερικό της έχει κενό 4,7x3,5cm το οποίο καλύπτεται από τις προσόψεις των αυτόματων διακοπτών. 39
Εικόνα 3.11 αυτόματοι και βάση στήριξης Εικόνα 3.12 Αυτόματοι διακόπτες στη κονσόλα 40
Κεφάλαιο 4 ο 4.1 Τρόποι μέτρησης υψηλών τάσεων [2] Με την αύξηση της τιμής των παραγόμενων τάσεων, αυξάνονται και τα προβλήματα στη μέτρησή και στη καταγραφή της κυματομορφής τους. Τα προβλήματα έχουν να κάνουν κυρίως με το ότι οι συσκευές παραγωγής έχουν μεγάλες διαστάσεις και σε αυτές αναπτύσσονται ισχυρά πεδία. Έτσι πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα ώστε να αποφεύγονται φαινόμενα υπερπηδήσεων και διασπάσεων. Βασικός κανόνας προστασίας είναι η επαρκής μόνωση των μετρητικών διατάξεων και η καλή απομόνωση μεταξύ των μετρητικών συσκευών και της μετρούμενης τάσης. Για την μέτρηση υψηλών τάσεων χρησιμοποιούνται διάφοροι τρόποι μέτρησης. Λόγω της μεγάλης δυσκολίας κατασκευής οργάνων που να μετρούν απ ευθείας υψηλή τάση συνήθως η μέτρηση γίνεται μέσω καταμεριστών. Για τη μέτρηση συνεχών υψηλών τάσεων δεν χρησιμοποιούνται χωρητικά στοιχεία. Έτσι η μέτρηση τους περιορίζεται στη χρήση ωμικών καταμεριστών και διακένων. Με τη χρήση ωμικού καταμεριστή τάσης επιτυγχάνεται ακριβής μέτρηση με απλά μέσα. Ωστόσο η ακρίβεια της μέτρησης επηρεάζεται από την θερμοκρασία. Τα διάκενα μετράνε τη μέγιστη τιμή της υψηλής τάσης χωρίς καταμερισμό. Η μέθοδος στηρίζεται στο ότι υπό δεδομένες συνθήκες περιβάλλοντος η τάση διάσπασης των διακένων είναι σταθερή γύρω από κάποιες τιμές. Υπάρχουν σφαιρικά διάκενα, διάκενα πλάκας-πλάκας, ακίδας-ακίδας, ακίδας-πλάκας. Για την μέτρηση εναλλασσόμενων υψηλών τάσεων εκτός από τους παραπάνω τρόπους χρησιμοποιούνται χωρητικοί καταμεριστές καθώς και άλλες χωρητικές διατάξεις. Οι χωρητικοί καταμεριστές χρησιμοποιούνται συνήθως για υψηλότερες τάσεις από αυτές των ωμικών, γιατί περιορίζονται μόνο από τις παράσιτες χωρητικότητες και όχι από την μεγάλη τιμή αντίστασης και τις ανάγκες απαγωγής θερμότητας όπως συμβαίνει στους ωμικούς καταμεριστές. Επίσης υπάρχει η μέθοδος chubb-fortescue που χρησιμοποιεί έναν πυκνωτή υψηλής τάσης, έναν μέτρησης, αντιπαράλληλα τοποθετημένους ανορθωτές και ένα αμπερόμετρο και η οποία απαιτεί την καταγραφή ολόκληρης της κυματομορφής. Ακόμη με τη χρήση ανορθωτικών διατάξεων στη έξοδο χωρητικού καταμεριστή (μέθοδος Davies-Bowdler-Standring) επιτυγχάνεται ακριβής μέτρηση της τάσης κορυφής. Τέλος, για το ρόλο του διαιρέτη τάσης σε περιπτώσεις μέτρησης υψηλών τάσεων (εναλλασσόμενων και κρουστικών) είναι σύνηθες να χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές τάσης. Σε αυτούς το δευτερεύον φέρει χαμηλή τάση, υποβιβασμένη ανάλογα με τη σχέση τυλιγμάτων με το πρωτεύον. 41
4.2 Περιγραφή ωμικού καταμεριστή τάσης Ο ωμικός καταμεριστής (σχήμα 4.1) υποβιβάζει την τάση εισόδου Vin στην τάση εξόδου Vout με τη βοήθεια των αντιστάσεων R1 και R2. Η εξερχόμενη τάση προκύπτει από τον υποβιβασμό της τάσης εισόδου σύμφωνα με τον τύπο: = Ο λόγος wr=(r1+r2)/r2 ονομάζεται λόγος καταμερισμού, είναι βαθμωτό μέγεθος και καθορίζει τη μέγιστη τιμή υψηλής τάσης που μπορεί να μετρηθεί. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω περιορισμοί υπόκεινται στη δυνατότητα απαγωγής θερμότητας στο περιβάλλον από την αντίσταση υψηλής τάσης. Έτσι συνήθως η ένταση του ρεύματος που την διαρρέει πρέπει να μην ξεπερνά τα 2 mα. Σε τόσο μικρές τιμές έντασης τα παράσιτα ρεύματα και τα ρεύματα μερικών εκκενώσεων δύναται να επηρεάσουν την ακρίβεια των μετρήσεων. Έτσι στο στάδιο της κατασκευής πρέπει να μεριμνάται η αντίσταση υψηλής να είναι χωροθετημένη έτσι ώστε η τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου να είναι όσο το δυνατόν μικρή. Σχήμα 4.1 Ακόμη οι αντιστάσεις πρέπει επηρεάζονται το ελάχιστο δυνατό από τη τάση φόρτισης έτσι ώστε να μην υπάρχουν σφάλματα στη μέτρηση. Με τις παραπάνω προϋποθέσεις να πληρούνται ο ωμικός καταμεριστής έχει εξαιρετική ακρίβεια στη μέτρηση συνεχών τάσεων. 42
4.3 Κατασκευή ωμικού καταμεριστή με ψηφιακό βολτόμετρο Τα αναλογικά όργανα μέτρησης που εδράζονται στην κονσόλα ελέγχου προσφέρουν περιορισμένη ακρίβεια λόγω παλαιότητας. Ακόμη κατά την ανάγνωση των τιμών τους, λόγω των υποδιαιρέσεων στη βαθμονόμηση είναι πιθανό να ληφθούν λάθος μετρήσεις. Έτσι θεωρήθηκε σκόπιμο να κατασκευαστεί ωμικός καταμεριστής με LCD βολτόμετρο για ακρίβεια στη μετρούμενη τάση φόρτισης των πυκνωτών και ευκολία στην ανάγνωση της. Ο καταμεριστής που κατασκευάστηκε αποτελείται από δύο αντιστάσεις υψηλής τάσης σε σειρά, δύο αντιστάσεις χαμηλής τάσης σε σειρά και το LCD βολτόμετρο με το κύκλωμα τροφοδοσίας του. [9] Για την υψηλή τάση επιλέχθηκαν 2 αντιστάσεις MG750 της εταιρίας Caddock των 10ΜΩ η κάθε μία με μέγιστη τάση φόρτισης 10kV. Έτσι συνδεμένες σε σειρά είναι ικανές να φορτιστούν μέχρι και με 20 kv. Η κάθε μία έχει μέγιστη απόκλιση 1 % στη ονομαστική τιμή της, αντέχει ισχύ μέχρι και 5 W σε μέγιστη συνεχή φόρτιση, η οποία όμως μπορεί να πενταπλασιαστεί για βραχυχρόνιες φορτίσεις. Περισσότερες λεπτομέρειες για τις αντιστάσεις αυτές υπάρχουν στο παράρτημα με τα στοιχεία των υλικών. Στο κλάδο της χαμηλής τάσης χρησιμοποιήθηκαν αντιστάσεις 10 kω, 400 V μέγιστης ισχύος 2 W. Πριν από την σύνδεση των αντιστάσεων στο κύκλωμα του καταμεριστή έγινε μέτρηση της τιμής τους με της χρήση ψηφιακού ωμομέτρου. Παράλληλα με τον κλάδο της χαμηλής τάσης συνδέθηκε varistor ώστε να προστατέψει το βολτόμετρο από στιγμιαίες υπερτάσεις κατά την εκφόρτιση των πυκνωτών. Εικόνα 4.2 αντιστάσεις και varistor 43
Το βολτόμετρο είναι ψηφιακό με οθόνη τύπου LCD της εταιρίας Velleman components. Επιλέγει αυτόματα την ένδειξη της πολικότητας της τάσης, και έχει αντίσταση εισόδου που δεν επηρεάζει αισθητά την μέτρηση(rl>10ω). Έχει τη δυνατότητα ρύθμισης της μέγιστης τάσης εισόδου(0,2-200 V) με την επιλογή ανάλογων αντιστάσεων σε αντίστοιχους ακροδέκτες, τροφοδοτείται από μπαταρία 9 V DC και ελέγχεται από διακόπτη (μπουτόν). Περεταίρω λεπτομέρειες για τα παραπάνω υπάρχουν στο παράρτημα των υλικών. Εικόνα 4.3 βολτόμετρο LCD Διάγραμμα 4.4 Ωμικός καταμεριστής τάσης 44
Η κατασκευή του καταμεριστή εδράζεται σε κουτί ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Η επιλογή αυτή έγινε για μεγαλύτερη ευκολία στη εγκατάσταση και την επίβλεψη των μερών του καταμεριστή. Στο πάνω μέρος του προσαρμόστηκαν οι μετρητικές διατάξεις με το κύκλωμα τροφοδοσίας τους. Αρχικά το LCD βολτόμετρο ρυθμίστηκε στην μέτρηση για μέγιστη τάση εισόδου 20 Volt. Για να επιτευθεί αυτό τοποθετήθηκαν αντιστάσεις σε συγκεκριμένους ακροδέκτες σύμφωνα με το φυλλάδιο δεδομένων του βολτομέτρου. Το καλιμπράρισμα έγινε με παροχή συνεχούς χαμηλής τάσης από την τροφοδοσία του εργαστηρίου και προσαρμογή στις ενδείξεις ψηφιακού πολυμέτρου. Το βολτόμετρο προσαρμόστηκε στο κουτί με και συνδέθηκε με την μπαταρία τροφοδοσίας μέσω κατάλληλου μπουτόν. Για την μπαταρία υπήρξε πρόβλεψη δυνατότητας εξόδου και αντικατάστασης. Τα παραπάνω φαίνονται και στην εικόνα 4.5. Εικόνα 4.5 Κύκλωμα βολτομέτρου και τροφοδοσίας Στη βάση του κουτιού τοποθετήθηκε ο καταμεριστής τάσης και οι επαφές οι οποίες συνδέονται με την έξοδο των πυκνωτών. Οι επαφές απέχουν αρκετά ώστε να αποφευχθούν υπερπηδήσεις. Το ίδιο ισχύει και για τις αντιστάσεις υψηλής τάσης οι οποίες απέχουν από τις αντιστάσεις χαμηλής τάσης καθώς και από τα λοιπά μέρη της κατασκευής. Ακόμη οι αντιστάσεις υψηλής συνδέθηκαν έτσι ώστε στις συνδέσεις τους 45
να υπάρχει η ελάχιστη δυνατή διαφορά τάσης καθώς και να μην υπάρχουν γωνίες στους αγωγούς. Οι αντιστάσεις χαμηλής τάσης συνδέθηκαν έτσι ώστε να αιωρούνται. Οι συνδέσεις έγιναν με κασσιτεροκόλληση και όπου χρειάστηκε για τις συνδέσεις χρησιμοποιήθηκαν μονόκλωνα καλώδια. Λόγω της απαίτησης για κατασκευή του καταμεριστή στον μικρότερο δυνατό χώρο, και δεδομένου ότι η υψηλή τάση έχει μέγιστη τιμή 20 kv, για την προστασία των στοιχείων χρησιμοποιήθηκαν εποξικές ρητίνες στην πλευρά της υψηλής τάσης. Αρχικά η ρητίνη είναι υγρή και μετατρέπεται σε συμπαγή με την προσθήκη σκληρυντικού υλικού. Η ρητίνες εκτός από ηλεκτρική μόνωση προσφέρουν και υψηλή μηχανική αντοχή, καθώς και μικρή απορροφητικότητα σε υγρασία. Στις εικόνες 4.6 και 4.7 φαίνονται τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν καθώς και η κάλυψη των αντιστάσεων υψηλής τάσης. Εικόνα 4.6 Εποξικές ρητίνες και σκληρυντής 46
Εικόνα 4.7 Κάλυψη των αντιστάσεων Το κύκλωμα του καταμεριστή τάσης όπως κατασκευάστηκε φαίνεται στην εικόνα 4.8. Εικόνα 4.8 Συνολικό κύκλωμα καταμεριστή 47
Ο καταμεριστής υποβλήθηκε σε δοκιμή-έλεγχο ώστε να διαπιστωθεί η σωστή και ασφαλής λειτουργία του. Στη δοκιμή χρησιμοποιήθηκε ένας αυτομετασχηματιστής με ρυθμιζόμενη τάση εξόδου 0-250 V και ένας μετασχηματιστής υψηλής τάσης με μέγιστη τάση εξόδου 10 kv o οποίος δέχεται ως είσοδο την έξοδο του αυτομετασχηματιστή. Επίσης, για την ανόρθωση της εναλλασσόμενης υψηλής τάσης στην έξοδο του μετασχηματιστή συνδέθηκε πυκνωτής χωρητικότητας 22nF και μέγιστης τάσης 20 kv. Ο καταμεριστής συνδέθηκε έτσι ώστε να μετρά την τάση στην έξοδο του πυκνωτή, όπως φαίνεται στην εικόνα 4.9. Τέλος, στη δοκιμή συνδέθηκε παράλληλα και δεύτερος ωμικός καταμεριστής τάσης[9] για να επιβεβαιώσει τη εγκυρότητα των ενδείξεων, όπως και έγινε (εικόνα 4.10). Εικόνα 4.9 Δοκιμή ωμικού καταμεριστή Εικόνα 4.10 Σύγκριση ενδείξεων καταμεριστών 48
Ο καταμεριστής τάσης εγκαταστάθηκε στο στύλο στήριξης των καλωδίων υψηλής τάσης στην έξοδο των πυκνωτών. Ο στύλος έχει ύψος περίπου 2 μέτρα με αποτέλεσμα ο καταμεριστής να είναι εύκολα ορατός από τον χειριστή της κονσόλας. Εικόνα 4.11 Εγκατάσταση της συσκευής Η σύνδεση του καταμεριστή έγινε με μονόκλωνο καλώδιο σιλικόνης υψηλής τάσης με την είσοδο συνδεδεμένη στο σημείο σύνδεσης των πυκνωτών μετά από την γενική αντίσταση φόρτισης. Έτσι κάθε στιγμή η ένδειξη του είναι η τάση φόρτισης των πυκνωτών. Η σύνδεση της εξόδου της συσκευής με τη γείωση του εργαστηρίου έγινε αντίστοιχα με καλώδιο σιλικόνης σε κόμβο των γειωτών. 49
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Προστέθηκαν μικροαυτόματοι διακόπτες ως επιπλέον μέσο προστασίας της κονσόλας. Αυτοί συνδέθηκαν στο κύκλωμα του αυτομετασχηματιστή (Variac) και των ηλεκτρικών αυτοματισμών και συνεργάζονται με τις ήδη υπάρχουσες ασφάλειες τήξης. Οι παραπάνω μικροαυτόματοι τοποθετήθηκαν πάνω σε ράγα ηλεκτρικού πίνακα και στηρίχθηκαν σε κατάλληλη πλακέτα. Δοκιμάστηκαν και διαπιστώθηκε η αποτελεσματικότητα τους κατά τα σφάλματα λειτουργίας. Κατασκευάστηκε διάταξη ωμικού καταμεριστή τάσης με LCD βολτόμετρο για την μέτρηση κάθε στιγμή της τάσης φόρτισης των πυκνωτών. Με λόγο καταμερισμού 1000/1 αυτός υποβιβάζει και μετρά με εξαιρετική ακρίβεια. Η προσθήκη εποξικών ρητινών στις αντιστάσεις υψηλής τάσης προσφέρει επαρκή μόνωση ενώ η σύνδεση ενός varistor παράλληλα με τις αντιστάσεις χαμηλής τάσης προστατεύει το βολτόμετρο από υπερτάσεις κατά την παραγωγή ισχυρών κρουστικών ρευμάτων. Ο καταμεριστής δοκιμάστηκε και διαπιστώθηκε η ακριβής και ασφαλής λειτουργία του και στη συνέχεια εγκαταστάθηκε σε εμφανές σημείο του εργαστηρίου. Η σύνδεση του έγινε με καλώδια σιλικόνης υψηλής τάσης. 50
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΗΓΕΣ 1) Κ.Α. Στασινόπουλος, Τεχνολογία των Υψηλών Τάσεων, Δ έκδοση, Υπηρεσία Δημοσιευμάτων Α.Π.Θ. 2) Μιχαήλ Γ. Δανίκας, Στοιχεία Υψηλών Τάσεων, Β Έκδοση, Εκδόσεις Σμπίλιας. 3) Impulse current testing, Michael Gamlin, Haefely Test AG, Basle, Switzerland. 4) Analysis and design of an impulse current generator I.F. Gonos, N.Leontides, F.V. Topalis, I.A. Stathopoulos, Department of Electrical and Computer Engineering, High Voltage Laboratory, National Technical University of Athens. 5) Κοκίδης Δημήτριος, Σκούρος Απόστολος, Διερεύνηση της λειτουργίας της γεννήτριας ισχυρών κρουστικών ρευμάτων του εργαστηρίου υψηλών τάσεων, Α.Π.Θ. 6) Mικρόπουλος Π., Πανεπιστημιακές παραδόσεις, 2005. 7) Ηλεκτρικές Εγκαταστάσεις Καταλανωτών, Πέτρος Ντοκόπουλος, Εκδόσεις Ζήτη. 8) Μαχαιρίδης Ευθύμιος, Διπλωματική Εργασία «Αντικεραυνική Προστασία Ηλεκτρονικών Κυκλωμάτων» Α.Π.Θ. Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας. 9) Γεωργαντάς, Δρακόπουλος, Διπλωματική έργασία «Σχεδίαση και κατασκευή μονοβάθμιας γεννήτριας κρουστικών υψηλών τάσεων», εργαστήριο υψηλών τάσεων, Α.Π.Θ. 10) Fuse systems, Beta low voltage circuit protection, Siemens AG 2010 11) Hager, miniature circuit breakers, product catalog,2012 12) ABB, pro miniature circuit breakers, low voltage products & systems. 51
ΤΕΧΝΙΚΑ ΦΥΛΛΑ ΙΑ 52
53
54
55
56
57