دانشکده مهندسي برق و کامپیوتر دستور کار آزمایشگاه عایق و فشار قوی تهیه و تدوین: دکتر رضا شریعتینسب زمستان 2931 0
فهرست آزمایش 2 -تولید و اندازه گیری ولتاژ...1 AC آزمایش 1 -تولید و اندازه گیری ولتاژ فشار قوی 6...DC آزمایش 9- تولید ولتاژ فشارقوی DC با استفاده از مدار گرایناخر و بررسی تاثیر پالریته بر ولتاژ شکست الکترود سوزن-صفحه... 8 آزمایش 4 -تولید ولتاژهای ضربه... 21 آزمایش 5 -بررسی استقامت الکتریکی روغن...29 آزمایش 6 -آزمایش تخلیه جزئی و کرونا... 26 1
آزمایش 1 -تولید و اندازه گیری ولتاژ AC با توجه به اینکه غالب انرژی الکتریکی در سیستمهای انتقال و توزیع از نوع AC است تست تجهیزات با ولتاژ فشارقوی متناوب )HVAC( از اهمیت بسیاری برخوردار است.براساس سطوح مختلف ولتاژ مورد نیاز درسیستمهای قدرت تولید ولتاژهای HVAC در بازه 10 تا 1011 کیلوولت انجام میگیرد. معموال تست AC در فرکانس نامی انجام میگیرد. هدف از این آزمایش تولید ولتاژ فشارقوی AC با استفاده از ترانسفورماتور آزمایشگاهی و اندازهگیری ولتاژ فشارقوی AC با استفاده از ولتاژ اولیه ترانس و نسبت تبدیل آن الکترودهای گوی-گوی و مقسم خازنی متصل به یک ولتمتر پیک AC است. بررسی ولتاژ شکست هوا نیز در این آزمایش میسر میشود. برای بررسی ولتاژ شکست هوا میتوان از الکترودهای گوی-گوی یا صفحه-صفحه استفاده کرد. در الکترودهای گوی-گوی شکل میدان بهصورتی است که بیشترین شدت میدان روی سطح کرهها میباشد )شکل 1 (. اگر r>d برقرار باشد )یعنی شعاع بزرگتر از فاصله دو کره باشد( شدت میدان در فاصله هوایی بین کرهها یکنواخت و تقریبا با سطح کره برابر است. شکل 2 -میدان در الکترودهای گوی گوی میدانیم که در یک میدان همگن مثل دو صفحه خازن در فاصله میان صفحهها: E max = V d 2
میباشد. که d فاصله بین صفحات خازن است. حال در الکترود صفحه-صفحه اگر الکتریکی آن کامال همگن خواهد بود و اختالف پتانسیل بین دو صفحه از رابطه: صفحه در ابعاد نامحدود باشد میدان V = E max. d بهدست خواهد آمد. ولی در عمل بهدلیل محدود بودن ابعاد صفحات در لبهها میدان الکتریکی در فضای اطراف گسترش مییابد و شدت میدان در لبه صفحهها بزرگتر بوده و لذا میدان دیگر همگن نخواهد بود )شکل 2 (. بنابراین امکان شکست الکتریکی یا تخلیه الکتریکی در لبهها بسیار زیاد خواهد بود. برای همگن کردن میدان آقای روگوفسکی بهاین نتیجه رسید که اگر لبههای صفحه با زاویهای معین که بستگی به فاصله دو الکترود دارد خم بخورد میدان بین دو صفحه همگن بوده و شدت میدان در لبهها تغییر نخواهد کرد. این خم به خم روگوفسکی مشهور شده است. شکل 1 -خم روگوفسکی زاویه خمش لبه صفحهها طبق سطوح هم پتانسیل ایجاد شده بین دو صفحه تعیین میشود که رابطه آن بصورت تجربی زیر بیان میشود: y = d π (π 2 + exπ d ) 3
حال با داشتن مدار آزمایش طبق شکل )3( و تنظیم فاصله الکترودهای موردنظر ولتاژ ورودی توسط اتوترانس را افزایش داده تا اتصالکوتاه روی دهد. سپس در لحظه اتصال کوتاه ولتاژ شکست و ولتاژ اولیه ترانس را ثبت کنید. شکل 9 -مدار آزمایش توجه کنید طبق استاندارد IEC شیب افزایش ولتاژ باید 2kv/sec باشد. برای هر فاصله باید آزمایش 0 مرتبه تکرار شده و مقدار متوسط آن به عنوان ولتاژ شکست انتخاب گردد. با تغییر فاصله هوایی بین گویها ولتاژ شکست را به دست آورید. فاصله هوایی d )mm( 5 21 25 11 15 91 ولتاژ شکست Vb )kv( مطلوبست: الف(تعیین ولتاژ شکست با استفاده از نسبت تبدیل ترانس ب(تعیین ولتاژ شکست با استفاده از روش گویهای فلزی )طبق استاندارد )IEC60052 4
پ(رسم منحنی Vb بر حسب. d تمرین: روش چاب-فورتسکیو )Chubb-Fortescue( برای اندازهگیری پیک ولتاژ AC را تشریح کنید. 5
آزمایش 2 -تولید و اندازه گیری ولتاژ فشار قوی DC ولتاژ فشارقوی DC برای تست ذخیرهکنندههای انرژی خازنی تجهیزات مورد استفاده در سیستمهای انتقال HVDC و همچنین برای تست کابلهای فشارقوی AC مورد استفاده قرار میگیرد. باتوجه به اینکه تلفات خازنی کابلهای فشارقوی HVAC برای ولتاژ DC صفر است بنابراین تست کابلهای AC با ولتاژهای فشارقوی DC مقرون به صرفه است. با توجه به استاندارد 60-1 IEC و 4-1995 IEEE مقدار یک ولتاژ تست DC بصورت مقدار متوسط ولتاژ لحظهای تعریف میشود: V dc = 1 T V(t)dt T DC f=1/t که درآن V(t) یک ولتاژ متغیر و نوسانی با فرکانس چون ولتاژ است. معموال از یکسوکنندهها بدست میآید بنابراین مقدار ثابتی نداشته و اصطالحا دارای ریپل است. ریپل ولتاژ )δv( بصورت زیر تعریف میشود: δv = 0.5(V max V min ) که در آن V max بیشترین مقدار ولتاژ و V min کمترین مقدار ولتاژ در هر پریود است. طبق استاندارد نسبت δv/vdc نباید از %3 بیشتر باشد. هدف از این آزمایش تولید و اندازه گیری ولتاژ DC و تعیین استقامت الکتریکی هوا میباشد. برای این آزمایش مدار زیر مورد استفاده قرار می گیرد. با شروع ولتاژ از صفر ولتاژ شکست برای فواصل هوایی مختلف را برای الکترودهای گوی-گوی و صفحه-صفحه بدست آورید. 6
فاصله هوایی )mm( 5 21 25 11 گوی-گوی )بزرگ( ولتاژشکست )kv( جریان شکست صفحه-صفحه ولتاژشکست )kv( جریان شکست ولتاژ شکست الکترودهای گوی-گوی را با استفاده از استاندارد IEC نیز به دست آورید. 7
آزمایش 3- تولید ولتاژ فشارقوی DC با استفاده از مدار گرایناخر و بررسي تاثیر پالریته بر ولتاژ شکست الکترود سوزن-صفحه یکی از روشهای تولید ولتاژ فشارقوی DC استفاده از مدار دو برابر کننده ولتاژ موسوم به گرایناخر است. دراین مدار میتوان تا حداکثر دو برابر ولتاژ ترانس را در خروجی مدار تولید کرد. برای اندازهگیری ولتاژ DC نیز از مقسم خازنی استفاده میشود. مدار آزمایش بصورت زیر میباشد. توجه: بیشتر شود. برای جلوگیری از اضافه بارشدن یکسوکنندهها و خازنها نباید ولتاژ ترانسفورماتور در این آزمایش از 01 کیلوولت در صورت استفاده از الکترودهای سوزن-سوزن بدلیل کوچک بودن شعاع نوک سوزن نسبت به فاصله دو الکترود میدان الکتریکی بصورت غیرهمگن میباشد به این صورت که در نوک سوزنها شدت میدان بیشترین مقدار خودش را خواهد داشت و در فاصله میانی شدت میدان کاهش مییابد. شکل 2- توزیع میدان در الکترود سوزن-سوزن 8
شدت میدان در نزدیکی قطبها بر حسب شعاع خمش نوک سوزن تعیین میشود. هرچه شعاع کوچکتر باشد شدت میدان بزرگتر خواهد بود. الکترود سوزن صفحه میدان در این حالت مطابق شکل )2( به شکل نیمی از میدان بین الکترودهای سوزن سوزن است. در این حالت نیز میدان ناهمگن است. در چنین میدانهای نامتقارنی با تغییر عالمت پتانسیل الکتریکی الکترودها ولتاژ شکست میدان نیز تغییر میکند. در این حالت پالریته ولتاژ الکترودها نیز بر ولتاژ شکست اثر میگذارد. شکل 1- توزیع میدان در الکترود سوزن-صفحه 1 -با افزایش فاصله از صفر ولتاژ شکست هوا را اندازهگیری کرده و منحنی d برای را حسب بر V b الکترودهای سوزن-سوزن و سوزن-صفحه رسم کنید. 2 -تاثیر پالریته بر ولتاژ شکست را برای الکترود سوزن-صفحه بررسی کنید. فاصله هوایی) mm ( 0 11 10 21 ولتاژ شکست )kv( جریان شکست سوزن-سوزن ولتاژ شکست )kv( جریان شکست سوزن-صفحه 9
آزمایش 4 -تولید ولتاژهای ضربه تجهیزات الکتریکی فشارقوی همواره با اضافهولتاژهای گذرا مواجه هستند. یعنی دلیلی مانند کلیدزنی خطوط بلند موج رعدوبرق و یا اتصال تکفاز به زمین باعث میشود که ولتاژ خطوط به صورت نمائی افزایش پیدا کند که معموال دامنه موج ایجاد شده به p.u. 2-3 میرسد. در این اضافهولتاژها فرکانس موج ایجاد شده یا اعمال شده به تجهیزات حتما 01 هرتز نمیباشد. به این دلیل کلیه تجهیزات مانند زنجیره مقره ترانسفورماتور راکتورها و... باید تحت تست موج ضربه قرار گیرند. این کار در بخش کنترل کیفیت کارخانههای سازنده انجام میشود. استانداردهای مربوط به تجهیزات فشارقوی عبارتند از: )بریتانیا- BS ( )آمریکا- ANSI ( )آلمان- VDE ( و IEC استاندارد مورد استفاده در ایران IEC است. آزمایش موج ضربه شامل موارد زیر است: 1 -تست ضربه صاعقه test( )Lightning impulse که برای کلیه تجهیزات در تمام ولتاژها انجام میشود. 2 -تست ضربه کلیدزنی test( )Switching impulse که برای تجهیزات 311 kv به باال انجام میشود. موج موردنظر در این آزمایشگاه از نوع موج ضربه صاعقه است که شکل آن مطابق زیر در لحظه بسیار کوتاهی افزایش یافته و سپس به آرامی کاهش پیدا کرده و به صفر میرسد. شکل موج استاندارد صاعقه یک موج 1.2/50 میکرو ثانیه است. t 1 = 1.2 ± 30%(μ. s) 10
t 2 = 50 ± 10%(μ. s) برای تولید ولتاژ ضربه معموال از ژنراتور ضربه زیر استفاده میشود که میتواند به صورت چند طبقه نیز برای ایجاد ولتاژهای باالتر مورد استفاده قرار گیرد. مولد موج ضربه یک طبقه با بستن مدار زیر می توان یک شکل موج ضربه استاندارد 1.2/50 μs را ایجاد کرد. t 1 R e (C s + C b ) t 2 R d ( C sc b C s + C b ) 11
12
آزمایش 5 -بررسي استقامت الکتریکي روغن بطور کلی عایقهای الکتریکی را به صورتهای مختلفی دستهبندی میکنند. مثال از نظر فیزیکی به جامد مایع و گاز از نظر ساختمان شیمیایی به معدنی وآلی از نظر روش ساخت به طبیعی و مصنوعی و از نظر واکنش در برابر حرارت به عایقهای ترموست و ترموپالست تقسیمبندی میشوند. عایقهای ترموست عایقهایی هستند که فقط یکبار پس از حرارتدادن شکل میگیرند. عایقهای ترموپالست عایقهایی هستند که به دفعات مختلف پس از حرارتدادن شکل میگیرند. عایقهای ترموپالست از مواد مصنوعی آلی مانند پلی اتیلن pvc یا پلی استیرول ساخته میشوند. بعنوان مثال پلی اتیلن دارای خواص دیالکتریک زیر است. ε r = 2.3, E b = 75kv mm, tgδ = 10 3 عایقهای ترموست صمغ پلیاستر بوشینگها استفاده میشود. که بصورت پارچه بافته شده و در سیمپیچ ترانسفورماتور مقرهها و یا صمغ اپوکسید که استخراج میگردد. در ماشینهای الکتریکی و کلید وپریزهای معمولی استفاده میشود و از نفت خام عایقهای جامد مثل کوارتز شیشه چینی کاغذ چوب و میکا که بصورت ورقهورقه میباشد و دارای هدایت حرارتی خوبی هستند. عایقهای گازی 1 -هوا که در خازنها و کلیدهای قدرت خطوط انتقال بکار میرود. 2 -گاز ازت که در خازنهای معمولی بکار رفته و دارای تلفات دیالکتریک کمی است. 3 -گاز کربنیک که در خازنهای معمولی بکار رفته و دارای تلفات دیالکتریک کمی است. 4 -گاز هیدروژن که اگر به مایع تبدیل شود خاصیت خنککنندگی خواهد داشت و در ماشینهای بزرگ برای خنک کردن استفاده میشود. در نیروگاه نکا در استاتور ژنراتورها استفاده شده است. 5- گاز SF 6 که به گاز خشتی معروف است یعنی اگر بر اثر یک جرقه تجزیه شد بعد از قطع جرقه دوباره به شکل اول بر میگردد. تا 011 درجه سلسیوس حرارت را تحمل میکند و در ترانسفورماتورها و دژنکتورها استفاده میشود. 13
عایقهای مایع 1 -روغن ترانسفورماتور 2 -روغن کابلها )از روغن ترانسفورماتور در درجه حرارت معمولی سختتر است( درجه اشتعال روغن ترانس در حدود 131 بوده و بیبو و بیرنگ است. دارای رنگ زرد لیمویی است که پس از پیر شدن به رنگ قهوهای در میآید. روغن ترانس در حالت معمولی عوامل پیری روغن عبارتند از : 1 -وارد شدن رطوبت به آن 2 -درجه حرارت باال 3 -تخلیه الکتریکی روغن 4 -آلودگیها روشهای تشخیص پیری روغن نیز عبارتند از: 1 -روش حسی: روغن را دریک ظرف شیشهای بیرنگ ریخته و جلوی المپ بیرنگ هم معلق در صورت وجود دیده میشوند که نشانه پیری روغن ترانس است. 2 -روش بویائی: با پیرشدن روغن بوی آن تند و نافذ میشود 3 -آزمایشات فیزیکی مانند ویسکوزیته زده میشود. ذرات 4 -آزمایشات شیمیائی: بر اثر پیرشدن روغن در آن اسید تولید میشود. برای روغن عددی به نام عدد اسیدی تعریف شده است که با اندازهگیری آن میتوان فرآیند پیری راتشخیص داد. 0 -روش استقامت الکتریکی: چون ولتاژ شکست روغن در حالت استاندارد مشخص است. )IEC( میتوان با تست فهمید که روغن پیر است یا نه. طبق استاندارد مدار آزمایش به صورت زیرمیباشد: 14
استاندارد طبق IEC تست روغن باید بین دو الکترود که تقریبا به شکل نیمکره بوده و فاصله بین آنها 2/0 mm باشد انجام پذیرد. این وضعیت را تنظیم نموده و ولتاژ را با نرخ 2kV/sec افزایش دهید تا شکست الکتریکی اتفاق افتد. این آزمایش باید 0 مرتبه انجام شود. توجه کنید که تکرار آزمایش نباید پشت سر هم انجام شود. بلکه بین هر تکرار باید به مدت 2 دقیقه فاصله باشد تا روغن به وضعیت اولیه خود برسد. طبق استاندارد استقامت عایقی روغن در طی 5 بار آزمایش از یک مقدار مینیمم نبایستی کمتر باشد. 15
آزمایش 6 -آزمایش تخلیه جزئي و کرونا تخلیه الکتریکی ناقص در اطراف الکترودها در یک میدان الکتریکی ناهمگن را کرونا مینامند. کرونا معموال با نویز همراه بوده و تولید اوزن میکند. در اطراف خطوط انتقال فشارقوی نیز بدلیل ناهمواریهایی که در سطح خارجی سیمهای فاز وجود دارد میدان الکتریکی بصورت یکنواخت نبوده و کرونا اتفاق میافتد. کرونا میتواند باعث افزایش تلفات سیستم شده و همچنین باعث بروز نویز برای سیستمهای مخابراتی در اطراف خط انتقال گردد. در این آزمایش میتوان وقوع کرونا در اطراف سیمهادی بررسی تخلیه جزئی مطابق شکل زیر است: را بررسی و مشاهده نمود. مدار آزمایش برای با افزایش ولتاژ توسط اتوترانس ولتاژ و جریان را در لحظه شروع به کرونا )که ابتدا با صدای وزوز مشخص میشود و بعد به صورت هاله نورانی در نوک الکترودها ایجاد میگردد( و همچنین در لحظه اتصال کوتاه کامل قرائت و ثبت کنید. توجه کنید که طبق استاندارد IEC نرخ افزایش ولتاژ نباید از 2kV/SEC بیشتر شود. پایان 16