NCERCAREA ECHIPAMENTELOR ELECTRICE

Introducere

ncercarea echipamentelor electrice i energetice este strict necesar, att pentru asigurarea calitii constructive i funcionale a acestora, pe ntreaga durata de via, ct i pentru ndeplinirea condiiilor necesare de lansare n fabricaie a unui produs (echipament). ncercrile echipamentelor electrice sunt divizate n dou mari categorii:

- ncercri la nalt tensiune, pentru verificarea izolaiei electrice, caracterizate de tensiuni nalte i foarte nalte, dar cureni mici (maxim 1-3 A);

- ncercri la cureni inteni, pentru verificarea la capacitatea de comutaie a echipamentelor electrice, respectiv la solicitrile termice i electrodinamice, caracterizate de cureni mari, dar tensiuni limitate, conform normelor de ncercare.

n general ncercrile se divid n dou mari clase: - ncercri de tip - ncercri de serie

La ncercrile de tip sunt verificate integral calitile, proprietile, parametrii electromagnetici ai aparatului, ai echipamentului n totalitate. Aceste ncercri de tip sunt prevzute pentru prototip, seria 0 sau dup un numr de ani (periodic), perioad dup care se precizeaz c dei lent, totui au aprut anumite modificri n procesul de fabricaie, anumite abateri de la produsul iniial. ncercrile de serie sunt prevzute pentru marea serie de echipamente electrice, pentru fiecare produs sau pe loturi de produse, certificndu-se parial calitile constructiv funcionale ale produsului. Aceste ncercri sunt efectuate n laboratoare specializate, laboratoare de nalt tensiune (LIT) i mare putere (LMP), dotate cu instalaii i staii adecvate pentru verificarea calitii execuiei echipamentului respectiv, precum i pentru atestarea /previzionarea c echipamentul realizat va rezista pe ntreaga durata de via, dac sunt ndeplinite condiiile de exploatare. Totodat, ncercrile mai urmresc, n cazul c echipamentul ncercat nu rezist la proba de verificare, s evidenieze i s localizeze defectele, deoarece unele dintre aceste sunt destul de greu de depistat, proiectantul i constructorul avnd nevoie de aceste informaii. Cum, din pcate, nu exista o singur metod de a descoperi aceste defecte, pentru fiecare tip de defect corespunznd cate o metoda de ncercare, cu instalaia adecvat, rezult c aceste laboratoare sunt foarte complexe, cu o multitudine de instalaii de ncercare, cu metodologii i aparatur standardizate de verificare.

CAPITOLUL I

NCERCAREA IZOLAIEI ECHIPAMENTELOR ELECTRICE

1.1. LABORATOARE DE NALT TENSIUNE 1.1.1. Probleme generale ncercrile izolaiilor cu tensiuni nalte distructive se efectueaz n

laboratoare speciale de nalt tensiune prevzute cu utilaj tehnologic corespunztor. n funcie de scopul cruia i sunt destinate i pentru care sunt utilate,

laboratoarele de nalt tensiune pot fi: - laboratoare de cercetare ale institutelor sau ale marilor firme productoare; - laboratoare uzinale, destinate ncercrilor de tip i de control care se

efectueaz n fabricile productoare asupra aparatajului de nalt tensiune pe care acestea l produc;

- laboratoare care deservesc sistemul energetic pentru efectuarea n special a ncercrilor preventive asupra izolaiei echipamentului din sistem.

Utilaje de baz ale oricrui laborator de nalt tensiune constituie sursele de nalt tensiune, alternativ, continu i de impuls, precum i instalaiile de msur adecvat.

La echipamentul electric de tensiuni nalte i foarte nalte, transporturile n aceste laboratoare fixe sunt deosebit de greoaie, motiv pentru care s-au creat instalaii de ncercare mobile, de performane ridicate. Pentru obinerea unor gabarite i greuti minime s-au realizat variante constructive n mediul de SF6.

1.1.2. Principale instalaii de ncercare Un laborator complet de nalt tensiune trebuie s cuprind urmtoarele

instalaii de ncercare: - instalaii pentru producerea i msurarea tensiunii nalte alternative de

frecven industrial; - instalaii pentru producerea i msurarea tensiunii nalte de impuls de

trsnet; - instalaii pentru producerea i msurarea tensiunii nalte de impuls de

comutaie; - instalaii pentru producerea i msurarea tensiunii nalte continue; - instalaii pentru producerea i msurarea impulsului de curent; - instalaii mixte de impuls de curent i tensiune alternativ. Caracteristicile termice ale instalaiilor de ncercare sunt determinate de

nivelele tensiunilor de ncercare propuse a se realiza care la rndul lor sunt stabilite pe baza principiilor de coordonare a izolaiei.

Instalaiile de ncercare trebuie s asigure parametrii prescrii i mrimilor electrice pe care le produc.

De asemenea, instalaiile de ncercare sunt prevzute cu scheme de msurare care trebuie s asigure convertirea tensiunilor nalte n valori adecvate pentru msurri sau nregistrare.

O dotare complet a laboratorului - hal de nalt tensiune, include i o instalaie de ploaie artificial, iar unele laboratoare sunt prevzute cu o sal anex n care se dispune de o instalaie de preparare a ceei saline. La dimensionarea laboratoarelor hal de nalt tensiune trebuie s se in seama de o serie de considerente tehnice i economice, cum sunt: asigurarea unor distane de izolaie satisfctoare n condiiile unui volum ct mai mic al halei: dispunerea instalaiilor de ncercare i a obiectului de ncercat astfel nct legturile de racord s fie scurte, s fie uor de observat din camera de comand, s se poat asigura lucrrile de ntreinere i s se prevad accesul uor al echipamentelor de ncercat n laborator. Camera de comand situat de obicei la o nlime de circa 2-3 m are dimensiunile determinate de gabaritele pupitrelor de comand.

1.1.3. Protecia muncii n laboratoarele de nalt tensiune Sigurana n exploatare ct i protecia personalului ce deservete

laboratoarele de nalt tensiune sunt asigurate dac instalaiile de ncercare sunt ecranate i prevzute cu punere la pmnt, iar spaiul destinat ncercrilor este nconjurat cu un gard metalic legat la pmnt.

Ecranarea (cuca Faraday) unui laborator de nalt tensiune trebuie s ndeplineasc urmtoarele condiii:

- micorarea perturbaiilor electromagnetice care ar strbate n exterior n timpul ncercrilor;

- diminuarea cmpurilor parazite electromagnetice care ptrund din exterior, pentru evitarea erorilor de msurare;

- realizarea repartiiei uniforme a cmpului n ncperea de ncercat; - eliberarea instalaiei de pmntare de curenii datorai capacitilor de

dispersie dintre electrozii de nalt tensiune i pmnt, acetia putndu-se nchide prin cuc.

Necesitatea unei ecranri electromagnetice i unei puneri la pmnt corespunztoare este evident mai ales n cazul laboratoarelor unde se efectueaz ncercri la impuls de tensiune din urmtoarele considerente:

- impulsurile de tensiune, al cror spectru conine frecvene pn la ordinul zecilor de MHz, trecnd spre priza de pmnt determin pe elementele legate la priza de pmnt cderi de tensiune considerabile, deoarece la aceste frecvene conductoarele de legtur se comport ca o linie de impedan mult mai mare dect rezistena de dispersie a prizei n curent continuu;

- apare un flux magnetic rapid variabil n timp care poate induce n conductoarele de joas tensiune sau pasive tensiuni periculoase;

- capacitile parazite ale instalaiei de impuls sunt ncrcate i se descarc n momentul producerii impulsului mrind curentul de descrcare i crend descrcri de tensiune periculoase.

Ecranul se realizeaz din tabl de oel expandat sau chiar din plas de srm cu ochiuri mici, sudate la ncruciri i legat prin sudur la armturile cldirii.

Ecranul camerei de msur pentru oscilograf este indicat s fie din tabl de cupru. Toate obiectele metalice din hal se leag la ecran prin legturi ct mai scurte; trecerile conductelor de ap, abur etc. prin ecran se fac cu tronsoane izolante, iar alimentarea cu energie electric a instalaiilor de for i iluminat se face prin transformator de izolare.

Ecranul se leag la pmnt n ct mai multe puncte. Instalaia de pmntare se realizeaz de obicei din evi de oel zincat cu

diametrul de 80-100 mm, grosimea peretelui de 5-10 mm, introduse la mare adncime (5-15 m) i legate ntre ele cu benzi de oel sudate. Rezistena total a prizelor de pmnt trebuie s fie sub 0,5 .

Sub pardoseal prizele de pmnt se leag cu o reea format din band lat, pentru a avea inductivitatea redus i care formeaz ochiuri de 2-6 m. Pe ct posibil, sub divizorul de tensiune s se afle o priz de pmnt cu rezistena de trecere ct mai mic.

Probleme deosebite ridic i realizarea instalaiilor de nclzire, aerisire i climatizare. Compartimentarea este necesar n special pentru laboratoarele care nu au camere de comand. Uile de acces n zona de nalt tensiune sunt prevzute cu blocaje electromagnetice i contacte de siguran. Dac proteciile acioneaz, tensiunea periculoas este ntrerupt i sarcina remanent capacitiv este descrcat automat. Funcionarea instalaiilor din hal este semnalizat de obicei prin lumin plpitoare.

1.2. PRINCIPALELE METODE DE CONTROL PREVENTIV ASUPRA IZOLAIEI 1.2.1. Comportarea izolaiei instalaiilor electroenergetice Izolaia echipamentelor electrice n exploatare este supus unui ansamblu de

solicitri de natur electric, termic, mecanic, chimic, biologic, climateric, etc., care determin proprietile izolante. n afar de solicitrile mecanice care pot produce spargerea gurirea, fisurarea izolaiei, n exploatare degradarea izolaiei se manifest sub dou aspecte principale:

- contaminarea sau poluarea izolaiei generat de influenele externe (praful industrial umezit); este o degradare reversibil;

- mbtrnirea izolaiei datorit efectului cumulativ al descrcrilor pariale i care conduce printr-un proces lent la degradarea ireversibil a izolaiei echipamentelor electrice.

Viteza de mbtrnire a izolaiei depinde de: - calitatea materialelor electroizolante; - particularitile constructive; - condiiile de funcionare. Comportarea izolaiilor n exploatare poate fi analizat pe caracteristica

tensiune timp generalizat, care reprezint dependene ntre valoarea tensiunii disruptive raportat la valoarea maxim a tensiunii de serviciu pe faz i durata acesteia.

O diagram orientativ tensiune timp pentru o izolaie de tip hrtie-ulei (diagrama I) este reprezentat n figura 4.1.

Pe caracteristic sunt delimitate mai multe nivele care corespund urmtoarelor solicitri distructive ale izolaiei :

1. supratensiuni externe; 2. supratensiuni de comutaie; 3. supratensiuni temporare;

4. strpungerea termic a izolaiei solide; 5. strpungerea ionizant datorit descrcrilor pariale;

6. mbtrnirea natural. Cu liniile ntrerupte se indic nivelele tensiunilor de ionizare critic (Ucri i

Uii); cu linii pline nivelul de inere la frecvena industrial Uinc i la impuls (50%). Prin UFF i UCP se noteaz valorile maxime ale tensiunii de serviciu ntre

faz i respectiv pe faz, pentru a asigura o funcionare sigur, de lung durat a izolaiei. Prin diagramele II i III s-au reprezentat solicitrile caracteristice ale izolaiei ntre faze i respectiv fa de pmnt, care apar n exploatare la echipamentul de 400 kV.

1.2.2. Sarcinile controlului preventiv asupra izolaiei Controlul preventiv se efectueaz n primul rnd n fabricile constructoare

de echipamente electrice i const n verificarea nivelelor de izolaie n principal. Uneori, se mai efectueaz i aa-zisele probe sau ncercri de referin sau limit prin care se testeaz posibilitile maxime, de inere a izolaiei.

Aceste ncercri se pot efectua sistematic i n exploatare la locul de funcionare, asigurndu-se astfel mrimea duratei de serviciu a izolaiei.

Controlul preventiv are urmtoarele sarcini: - asigurarea unor lucrri de calitate superioar de montaj, punere n

funciune i reparaii; - depistarea unor condiii de funcionare anormale ale izolaiei (temperatur

sau umiditate excesiv etc.); - scoaterea n eviden a unor defecte incipiente n izolaie i luarea de

msuri corespunztoare; - evidenierea gradului de mbtrnire a izolaiei, n scopul restabilirii

siguranei n funcionare.

Fig.1.1. Diagrama tensiune timp pentru izolaie tip hrtie ulei

1.2.3. Clasificarea metodelor de control preventiv Pentru fiecare tip de construcie izolant sunt caracteristice anumite tipuri

de defecte, care necesit metode adecvate de control preventiv. Defectele izolaiei pot fi de dou feluri:

- defecte locale sau concentrate care ocup o parte mic din volumul izolaiei, ca de exemplu: fisuri de izolaie, urme de carbonizare etc. ;

- defecte distribuite, care ocup n ntregime sau o parte mare din volumul izolaiei, cum ar fi de exemplu umezirea acesteia.

Starea izolaiei se poate constata prin examinare i prin ncercri i msurtori n laborator sau la locul de montare.

Aceste ncercri se efectueaz la punerea n funciune a utilajului respectiv, valorile obinute servind ca date de comparaie pentru verificrile ulterioare. De asemenea ele se execut dup reparaii precum i periodic pentru a determina starea izolaiei i a depista locurile defecte n vederea reparrii i nlocuirii elementelor respective.

Din acest motiv ele se numesc ncercri preventive. Metodele de tensiuni pot fi: a) Distructive, care pot duce la distrugerea izolaiei. Acestea au ca scop verificare comportrii izolaiei la aciune

supratensiunilor din punct de vedere al probabilitii de inere. n aceast categorie se includ ncercrile pentru stabilirea caracteristicilor de performan (care se efectueaz la tensiunea de descrcare disruptiv) precum i ncercrile de verificare la tensiunile nominale de inere (n cadrul controlului uzinal) i la tensiunile de ncercare ale izolaiei (n cadrul ncercrilor de exploatare).

Dei tensiunile de inere ct i cele de ncercare sunt inferioare tensiunilor de ncercare disruptiv, n timpul efecturii acestor ncercri exist pericolul deteriorrii ireversibile a izolaiei.

Din acest motiv toate ncercrile susceptibile s produc descrcri disruptive sunt considerate distructive.

b) Nedistructive, n urma crora izolaia nu se deterioreaz. Acestea au ca scop determinarea strii unei izolaii prin determinarea, intensitii anumitor fenomene fizice care au loc n dielectrici sub aciunea solicitrilor electrice i care preced i determin distrugerea unei izolaii.

Din prima categorie fac parte ncercrile cu tensiune mrit, alternativ, continu i de impuls.

Principalele metode nedistructive sunt: - msurarea tangentei unghiului de pierderi, tg; - msurarea caracteristicilor capacitive; - msurarea descrcrilor pariale n izolaie; - determinarea repartiiei tensiunii pe izolaie; - metode utiliznd tensiunea continu; - defectoscopia cu tensiune de impuls nedistructiv; - defectoscopia prin raze RNTGEN i ultrasunete. Fiecare din aceste metode evideniaz un anumit tip de defect; de aceea,

pentru descoperirea ntregii serii de defecte posibile n instalaie, e necesar s se utilizeze toate metodele.

1.2.4. ncercri distructive ale izolaiei cu tensiune mrit 1.2.4.1. ncercarea cu tensiune alternativ mrit Prin aceast metod se permite, verificarea prezenei unei rezerve necesare

n ceea ce privete rigiditatea dielectric a izolaiei i pentru evidenierea unor defecte locale, care determin reducerea valorii tensiunii de strpungere. Acest tip de ncercare poate fi:

a) Cu tensiune aplicat de frecven industrial care servete la verificarea tuturor izolaiilor externe precum i a izolaiei interne a aparatelor de comutaie i a izolaiei principale uniforme a transformatoarelor, caz n care puterea surselor este:

92 102 = incfCUS [kVA], (1.1.) n care: f este frecvena C capacitatea total de sarcin (inclusiv cele parazite) [pF] Uinc tensiunea de ncercare [kV] b) Cu tensiune indus, care se poate aplica la echipamentele ce au cel puin

dou nfurri cuplate magnetic i servete la verificarea izolaiei longitudinale a transformatoarelor ca i a izolaiei principale a transformatoarelor cu izolaie redus.

Pentru micorarea saturaiei circuitului magnetic i deci a puterii absorbite, se impune mrirea frecvenei de obicei pn la 150 Hz.

n acest caz se modific i timpul de ncercare dup formula:

ft 20060= [s] (1.2.)

Scheme de ncercare pentru transformatoare sunt date n fig. 4.2. pentru tensiunea aplicat i fig. 4.3. pentru tensiune indus.

n aceste figuri 4.2.a,b i 4.3.a,c,d,e corespund ncercrii cu alimentare monofazat, iar 4.2.c i 4.3.b ncercrii cu alimentare trifazat.

nainte de ncercare, toate obiectele de ncercat sunt curate, nu se supun ncercrii:

Fig. 1.2. Scheme pentru ncercarea transformatoarelor

trifazate cu tensiune alternativ mrit aplicat

- izolaiile cu defecte evidente sau cele cu depuneri; - izolaiile care prin metode precedente de control nedisruptive au fost

gsite necorespunztoare; - izolaiile n ulei, la care nivelul acestuia nu este suficient. Tensiunea se aplic brusc pn la cel mult 50% din valoarea tensiunii de

ncercare, apoi se crete lent i continuu sau n trepte de maxim 5% ntr-un timp cuprins ntre 10 i 30 secunde, se menine un minut, dup care se micoreaz continuu pn la cel puin 50% din tensiunea de ncercare n cel mult 5 s i se deconecteaz, aceasta n scopul reducerii supratensiunilor de comutaie. Prezena defectelor n izolaie poate fi sesizat prin oscilaiile indicaiilor aparatelor de msur, declanare automat, strpungeri sau conturnri vizibile, zgomote specifice, prin oscilografiere i prin prezena unor nclziri locale ale izolaiei. ncercarea se execut dup reparaii capitale i prezint unele neajunsuri, n special pentru izolaiile cu hrtie ulei ca:

- reprezint o solicitare grea pentru izolaie favoriznd descrcrile pariale, fr a le putea detecta i avnd posibilitatea de producere a defectelor remanente;

- este insuficient de sensibil fa de exigenele siguranei n exploatare a echipamentelor.

Pentru a ine seama de pericolul defectrii izolaiei, datorit efectului cumulativ, valoarea tensiunii de ncercare pentru control preventiv se alege cu 20 30 % mai mic dect nivelul de inere la tensiunea alternativ de 50 Hz.

ncercarea cu tensiune alternativ mrit prezint unele avantaje; reproduce modul de solicitare din exploatare; strpungerea se observ uor prin creterea brusc a curentului i scderea la zero a tensiunii de ncercare, iar sursele tensiunii de ncercare nu sunt complicate. De aceea este i cea mai rspndit ncercare.

Fig. 1.3. Scheme pentru ncercarea transformatoarelor trifazate cu tensiune mrit alternativ indus

1.2.4.2. ncercarea cu tensiune continu mrit n anumite situaii, cnd nu se dispune de surse de tensiune alternativ, sau

n cazul obiectelor cu capacitate mare, ncercare cu tensiune mrit se poate face folosind tensiunea continu. Fa de ncercarea cu tensiune alternativ mrit, aceast ncercare prezint urmtoarele avantaje:

- nu reprezint o solicitare att de grea pentru izolaie n ce privete fenomenul de descrcri pariale i ca urmare, valoarea tensiunii de ncercare n curent continuu poate fi de 3 4 ori mai mare dect cea n curent alternativ;

- o serie de defecte locale, legate de creterea conductibilitii unor straturi de izolaie, sunt evideniate mai bine la ncercarea cu tensiune continu;

- verificarea rigiditii dielectrice cu tensiune continu permite totodat msurarea curenilor de scurgere, care dau indicaii cu privire la umezirea izolaiei.

Dezavantajul metodei const n aceea c instalaiile de ncercare sunt mult mai complicate dect cele cu tensiune nalt alternativ. Pe de alt parte, repartizarea tensiunii continue aplicat pentru ncercarea izolaiei se face dup rezistenele de izolaie ale structurilor izolante i nu dup permitivitile dielectrice ale acestora cum se ntmpl sub aciunea tensiunii de serviciu i a supratensiunilor ce apar n sistem.

Instalaia de ncercare este o surs de tensiune nalt redresat, adesea mobil.

1.2.5. ncercri nedistructive ale izolaiei 1.2.5.1. Metode de ncercare utiliznd tensiunea

continu Schema electric echivalent a unei izolaii poate fi reprezentat n fig. 1.4. C reprezint capacitatea geometric a izolaiei.

Ramura care conine capacitatea Cp i rezistena r caracterizeaz gradul de neomogenitate al dielectricului i determin pierderile dielectrice n izolaie n curent alternativ.

Rezistena rs caracterizeaz curentul de conducie prin izolaie. C, C, r in seama de fenomenul de descrcare parial: C modeleaz capacitatea incluziunii gazoase, C modeleaz capacitatea dielectricului aflat n limitele liniilor de cmp ce limiteaz incluziunea, r este rezistena canalului de descrcare iar comutatorul modeleaz amorsarea i stingerea descrcrilor pariale. La aplicarea tensiunii U, prin izolaie circul curentul i care conine trei componente:

- curentul de impuls, de ncrcarea a capacitii geometrice, i; - curentul ip de polarizare a izolaiei, numit curent de absorie;

Fig.14.4. Schema echivalent complet (a) i simplificat (b)

- curentul de conducie is , numit i curent de scurgere pe suprafaa sau prin masa izolaiei.

Variaia n timp a curentului de polarizare poate fi caracterizat prin relaia.

Tt

p erUi

= (1.3.) unde constanta de timp T=r. Cp are durata de ordinul secundelor sau zecilor de secunde.

Curentul de conducie, care se menine constant pe durata aplicrii tensiunii, are valoarea dependent de conductibilitatea straturilor dielectrice, crescnd n prezena umiditii, a impuritilor conductoare etc.:

SS r

Ui = (1.4.) Variaia n timp a componentelor curentului prin dielectric sub aciunea tensiunii continue este dat n fig. 4.5.

Dup terminarea proceselor de polarizare, capacitatea total fizic a izolaiei este:

C=C+Cp (1.5.) i determin sarcina total ce se poate acumula pe electrozii construciei izolante.

Rezistena de izolaie a unui dielectric msurat ntre doi electrozi, este

definit de raportul ntre tensiunea continu U aplicat electrozilor i curentul total i:

iURiz =

Variaia de timp a acestei rezistene este reprezentat n fig. 1.5. Msurarea rezistenei de izolaie constituie o metod practic de control preventiv i se realizeaz dup 60 s de la aplicarea tensiunii continue, cnd prin izolaie circul numai curentul de conducie. Umezirea izolaiei conduce la scderea rezistenei de izolaie.

De asemenea, impurificarea masiv sau prezena unor defecte de strpungere determin o scdere accentuat a rezistenei de izolaie.

Fig. 1.5. Variaia curentului prin dielectric sub aciunea tensiunii continue

Diagnosticarea izolaiei prin aceast metod nu este sigur, existnd defecte (incluziuni gazoase) care pot duce la reducerea substanial a tensiunii de strpungere fr a influena valoarea rezistenei de izolaie.

Aprecierea strii izolaiei prin msurarea rezistenei se recomand s se fac prin comparaie cu datele iniiale i nu dup valorile absolute.

Raportul rezistenelor de izolaie msurate dup 15 s i dup 60 s de la aplicarea tensiunii continue, definete coeficientul de absorie

'

'

15

60

iz

izabs R

RK =

Cu ajutorul acestui coeficient este apreciat coninutul de umiditate al

izolaiei. La izolaia uscat coeficientul de absorie este supraunitar, pe cnd la izolaia umed coeficientul de absorie este aproximativ egal cu unitatea datorit polarizrii dipolice accelerate.

Aprecierea gradului de umiditate a izolaiei se poate face i dup examinarea curbelor de absorie, care reprezint variaia n timp a rezistenei de izolaie la tensiune continu constant (fig. 1.6.).

Dac stabilizarea valorii rezistenei de izolaie se produce repede i la o valoare relativ mic, nseamn c procesele e polarizare decurg cu vitez mare, iar curentul de conducie are o valoare ridicat, ceea ce corespunde izolaiei umede. Aceast metod e indicat pentru izolaiile cu capacitate mare, cu constante de timp

de polarizare de ordinul orelor. Pentru msurarea rezistenei de izolaie se utilizeaz ca instrumente:

megohmetre sau teraohmetre. Valoarea tensiunii la care se execut msurarea influeneaz mrirea rezistenei de izolaie (fig. 1.7.).

Fig. 1.6. Curbele de absorie

Fig. 1.7. Dependena rezistenei de izolaie de tensiune

Pentru ca msurarea rezistenei de izolaie s nu fie influenat de valoarea tensiunii sursei trebuie ca valoarea tensiunii s fie sub Ucr .

La aprecierea strii izolaiei servesc i curbele I=f(U) i Riz=f(U). Cu ct cotul curbelor apare la o tensiune mai mare i cu ct trecerea de la o pant la alta este mai lin, cu att este mai bun starea izolaiei (fig. 1.8.).

Dac se are n vedere comportarea dielectricului neomogen cruia i se

aplic o tensiune nalt continu i apoi este scurtcircuitat a crui schem echivalent este dat n fig. 1.9. a, se poate determina starea izolaiei cu referire la umiditatea coninut. n fig. 1.9. a, se consider dou straturi cu caracteristici dielectrice diferite.

La conectarea izolaiei la o surs de tensiune nalt continu tensiunea se

repartizeaz invers proporional cu mrimea capacitilor

)0(,2

1

2

1 == tC

C

U

U (1.8.)

Dup un anumit timp, repartiia tensiunii este determinat de rezistenele de izolaie:

)(,2

1

2

1 = tRR

UU

(1.9.)

Dac izolaia se deconecteaz de la surs, n primul moment tensiunile se repartizeaz conform relaiei (1.9.) i n continuare tensiunea la bornele izolaiei variaz dup curbe rezultate din suma celor dou exponeniale de descrcare (fig. 1.9. b). Caracteristica U=f(t) astfel ridicat se numete curb de autodescrcare.

Fig. 1.8. Curbele I=f(U)

Fig.1.9. Schema echivalent a unei izolaii n dou straturi (a),

curbele de autodescrcare (b) i de revenire (c)

Dac, curba scade mai repede, rezult c starea izolaiei este slab, deci prezint un grad mai mare de umezire.

Dac dup deconectarea sursei se scurtcircuiteaz pentru un timp izolaia, tensiunile U1 , U2 vor fi egale i de semn contrar, iar sarcina electric de pe suprafaa de separaie a straturilor izolante se repartizeaz proporional cu capacitile C1 i C2 . n primele momente dup desfacerea scurtcircuitului, tensiunea crete relativ repede i apoi scade la zero mai lent (fig. 1.9. c) .

Caracteristica U=f(t) rezult prin nsumarea celor dou tensiuni U1 i U2 poart denumirea de curb de revenire. Pentru izolaia umed revenirea se face mai ncet i pn la o tensiune mai mic. Aceste metode de control a umiditii izolaiei aplicabile la izolaiile neomogene sunt caracterizate prin mare sensibilitate i uurin n execuia msurrii. Pentru a evidenia gradele mici de umezire a izolaiei se poate aplica metoda coeficientului real de absorie, utiliznd schema din fig. 1.10.

Coeficientul real de absorie este dat de raportul valorilor curenilor de

polarizare, msurai la dou momente succesive de timp t1 i t2

T

tt

p

pr eti

tiK

abs

21

)()(

2

1

== (1.10.)

n relaia de mai sus am inut cont i de expresia curentului de polarizare

(1.3.). Odat cu creterea gradului de umezire, crete conductibilitatea straturilor

dielectrice, ceea ce duce la micorarea lui T i creterea lui absrK . n schema din fig. 4. 10. capacitatea C a izolaiei de ncercat se ncarc cu

tensiunea continu U, apoi se descarc pe rezistena r de valoare mic. Curba de variaie a cderii de tensiune produs de curentul de polarizare

care trece prin r este oscilografiat cu ajutorul oscilografului catodic O.C. Exist aparate speciale care dau direct valoarea coeficientului real de absorbie.

Fig. 1.10. Schema pentru determinarea coeficientului real de absorie.

1.2.5.2. Msurarea tangentei unghiului de pierderi Tangenta unghiului de pierderi (tg ) este tangenta unghiului cu care se

micoreaz defazajul dintre curent i tensiunea aplicat dielectricului, fa de cazul condensatorului ideal. El se numete unghiul pierderilor dielectrice i caracterizeaz apariia pierderilor n dielectric. Utiliznd schema din fig. 1.4. dac se aplic o tensiune sinusoidal U, cu pulsaia , curentul rezultat prin izolaie I va conine mai multe componente conform diagramei fazoriale din fig. 1.11.

n fig. 1. 11. a s-a reprezentat diagrama exact, iar n fig. 1. 11. b diagrama simplificat n care:

Ip-reprezint curentul de polarizare cu componenta activ Ipa i reactiv Ipr ; Is- curentul de conducie;

I - curentul de ncrcare a capacitii geometrice; Ic- componenta total reactiv a curentului.

Pe baza diagramei simplificate din fg. 1.11. b, pierderile totale n dielectric

vor fi: tgUIUIUIP c=== sincos (1.11.)

dar CUI c = , de unde: tgCUP 2= (1.12.)

n care C reprezint capacitatea fizic total.

Se observ din relaia (1.12.) c pierderile totale n dielectric depind de dimensiunile geometrice ale izolaiei i pentru aprecierea acesteia se utilizeaz raportul:

c

a

IItg = , (1.13.)

care nu depinde de volumul izolaiei. Utiliznd notaiile din fig. 4.4., componentele activ i reactiv ale

curentului vor avea expresiile (fig. 1.11.).

])(1

1[ 2TTC

rUI p

aa

++= (1.14.)

Fig. 1.11. Diagramele: exact i simplificat a curenilor prin izolaie.

])(1[ 2T

CCUI pc

++= (1.15.) Prin msurarea tg se poate aprecia starea izolaiei pentru echipamente cu

diferite capaciti. Creterea tg indic o stare proast a izolaiei i anume o umezire puternic a ei, precum i existena unor impuriti i incluziuni gazoase n masa dielectricului.

Prezena umiditii determin deci creterea tg , dat practic acestea nu depind de tensiune. Prezena descrcrilor pariale n incluziunile gazoase ale izolaiei solide determin creterea brusc a tg , ncepnd de la o anumit tensiune critic de ionizare Ui (fig. 1.12.).

Punctul de inflexiune A de pe curb este numit punct de ionizare peste

tensiunea Ui izolaia nu mai prezint siguran n exploatare putnd apare strpungerea ei.

Unghiul de pierderi tg variaz i n funcie de temperatur n sensul c la creterea temperaturii, crete conductibilitatea straturilor active Ia i deci la creterea tg .

Considernd variaia n timp se constat c tg crete n timp la izolaiile cu defect i scade la izolaiile n stare bun, la material la izolaie lichid.

Punerea tg a construciilor izolante se face cu puntea aerian, a crui schem principal este dat n fig. 1.13.

Prin Zx (Cx Rx) s-a notat impedana dielectricului studiat, priza (Ze) un

condensator etalon Ce , prin R3 o rezisten reglabil (Z3), iar prin Z4 o rezisten fix i un condensator variabil legate n paralel. Condiia de echilibru a punii este:

34 ZZZZ ex = ,

Fig.1.12. Variaia tg n funcie de valoarea tensiunii aplicate

pentru izolaia solid (a) i izolaia hrtie-ulei (b)

n care:

.1

;

1

;1;

44

44

4

33

ee

xxx

CjZ

CjRCj

RZ

CjRZ

RZ

=+=

+==

(1.16.)

Egalnd prile reale, respectiv pe cele imaginare se obine

4342

4 RRCCRRCC xxxe = (1.17.) i

34 CCjRCj xe = (1.18.) Din aceste relaii se pot deduce expresiile rezistenei i capacitii

dielectricului de msurat:

;43e

x CCRR = (1.19.)

;3

4

RRCC ex = (1.20.)

Se poate calcula astfel expresia lui tg :

44CRCRtg xx == (4.21.) Schema prezentat trebuie ecranat pentru eliminarea influenelor

capacitilor parazite (fig. 1.14.b.).

Fig.1.13. Scheme de principiu a punii Schering.

La msurtorile efectuate cu puntea Schering pot apare erori

determinate de sensibilitatea limitat a indicatorului de echilibru a punii, ca influena cmpurilor electromagnetice exterioare, de cureni i capaciti parazite.

Determinarea tg se efectueaz n special la transformatoare (de putere, tensiune i curent), la bobinele de stingere i la condensatoare.

1.2.5.3. Msurarea caracteristicilor capacitive Metoda este foarte mult utilizat pentru determinarea gradului de umezire a

izolaiei transformatoarelor i se bazeaz pe influena temperaturii, frecvenei, timpului asupra fenomenelor de polarizare lent datorat neomogenitii dielectricului. Din relaia (1.15) rezult valoarea aparent a capacitii izolaiei:

2)(1 TC

CC p++= (1.22.)

relaie din care rezult dou metode de msurare a gradului de umiditate a izolaiei:

- Metoda capacitate-temperatur, care are n vedere c la creterea temperaturii, conductibilitatea straturilor umede din izolaie crete, constante de timp T se micoreaz i deci creterea capacitii cu temperatura este cu att mai intens, cu ct umezirea e mai puternic;

- Metoda capacitate-frecven, care are n vedere faptul c la frecvene relativ nalte, gradul de umiditate nu influeneaz practic valoarea capacitii. Datorit sensibilitilor mici aceste metode se utilizeaz mai puin.

- Metoda capacitate-timp, are o nalt sensibilitate i const n determinarea raportului CC p / , prin msurarea separat a celor dou capaciti. Schema principial este dat n fig. 1.15.

Fig. 1.14. Schema punii Schering neecranat (a) i ecranat (b)

Fig.1.15. Schema de principiu pentru metoda capacitate-timp.

Capacitatea C a obiectului supus msurrii se ncarc cu tensiunea continu

U, de valoare cunoscut, apoi se scurtcircuiteaz pentru scurt timp, dup care se conecteaz la bornele unei capaciti etalon Cn . Dup rencrcare, tensiunea la bornele capacitii etalon va fi:

NN CC

CUU += (1.23) Msurnd tensiunea UN se poate determina capacitatea izolaiei C. Valoarea

capacitii C, msurat imediat dup momentul descrcrii, reprezint C . Valoarea capacitii C, msurat dup o perioad de timp, reprezint suma

capacitii geometrice C i a celei de absorie Cp (relaia (1.5)). Din diferena celor dou valori ale capacitii C rezult creterea capacitii

C datorat umiditii: = CCC (1.24)

n norme este dat valoarea raportului:

==

CC

CCC

CC p

(1.25)

Compararea valorilor msurate cu cele din norme permite aprecierea strii izolaiei.

1.2.5.4. Msurarea descrcrilor pariale Descrcrile pariale apar n incluziunile gazoase care pot exista n izolaie.

Sunt denumite pariale deoarece descrcarea este limitat numai la spaiul ocupat de incluziuni. Apariia lor la tensiunea de lucru provoac pierderea lent dar sigur a calitilor izolante ale dielectricului.

Descrcrile pariale reprezint un pericol real pentru aparatele turnate n rini sintetice i aparatele cu izolaie din hrtie i ulei. n legtur cu descrcrile pariale se pun urmtoarele probleme:

- stabilirea unui nivel admisibil de descrcri pariale; - corelaia ntre comportarea la descrcri pariale i durate de via a

izolaiei; Prin determinarea descrcrilor pariale este pus n eviden nu existena

defectelor izolaiei, ci a descrcrilor n izolaie. Astfel, umezirea unei fisuri n porelan, carbonizarea pereilor incluziunii n izolaiile organice duc la dispariia descrcrilor pariale dei defectul de izolaie este evoluat. Se poate spune c msurarea descrcrilor pariale permite determinarea defectelor aflate numai ntr-un stadiu iniial de dezvoltare.

Pentru detectarea i evaluarea descrcrilor pariale se folosesc aparate speciale care se bazeaz pe unul din principiile:

a) msurarea uneia dintre mrimile caracteristice ale descrcrilor pariale ca:

- sarcina electric aparent (q), reprezentnd sarcina care, dac ar fi injectat instantaneu la bornele obiectului de ncercat, ar produce o variaie de tensiune U egal cu aceea produs de descrcarea parial nsi;

- frecvena de repartiie (n) a descrcrilor pariale care reprezint numrul de impulsuri pe secund;

- curentul mediu de descrcare:

[ ] +++= n nqqqTI 0 21 ...1

(1.26)

unde T este un interval de timp mare comparativ cu perioada tensiunii de serviciu; - debitul ptratic:

( ) +++= n nqqqTD 0 22221 ...1 (1.27) b) recepionarea perturbaiilor radio care nsoesc descrcrile pariale ce

au loc n izolaie; c) detectarea oscilaiilor sonore i ultrasonore produse de descrcrile

pariale n special n mediile lichide.

Schema fundamental a aparatelor bazate pe primul principiu este dat n

fig. 4.16. n care: Cx- este obiectul de ncercat; Zm- impedana de msur; Ck- condensator de cuplaj; F- filtru; A- amplificator; - oscilograf catodic; N- contor e impulsuri i discriminator de amplitudine; B- detector liniar sau ptratic; M- instrument de msurat; Z- filtru trece jos; Impedana de msur Zm se conecteaz la circuitul de nalt tensiune, pe

partea dinspre pmnt a obiectului ncercat. Condensatorul de cuplaj Ck reduce perturbaiile n raportul Cx/Ck . Dac obiectul de ncercat are o born legat la pmnt, impedana Zm se conecteaz n serie cu Ck sau alt capacitate din schem, care servete drept capacitate de cuplaj.

Msurarea direct a variaiilor de tensiune la bornele obiectului de ncercat nu este posibil, datorit valorii lor extrem de mici n raport cu valoarea tensiunii aplicate. Datorit descrcrilor pariale n obiect, n ntreaga schem se produce un proces tranzitoriu. Cderea de tensiune pe Zm poate fi aplicat unui filtru trece sus, amplificat i msurat.

Fig. 1.16. Schema de principiu pentru detectarea descrcrilor

pariale prin metoda sarcinilor electrice aparente

Amplificatoarele utilizate pot fi de band larg sau de band ngust, cu frecvena de acord variind n limite largi (de la kHz la MHz) i banda de trecere n jur la 10 KHz. n cazul n care Zm este un rezistor de valoare Rm , neglijnd inductivitatea circuitului primar, la intrarea circuitului de msur se obine un impuls aperiodic pentru fiecare descrcare parial, de forma:

Tt

xmx eUtU=)( (1.28)

unde: emCRT = (1.29) iar:

xk

xkpe CC

CCCC ++= (1.30)

este capacitatea a circuitului, cu Cp capacitata parazit de intrare a circuitului de msur.

innd cont c fiecare descrcare parial produce o variaie foarte mic de tensiune xU pe capacitatea Cx de valoarea:

xx C

qU = (1.31) q fiind, sarcina aparent a descrcrii.

innd cont de acestea, amplitudinea impulsului de tensiune la intrarea circuitului de msur va fi:

)1()(k

xpx

xkxkp

xkxxm

CCCC

qCCCCC

CCUU++

=++= (4.32)

deci e proporional cu sarcina aparent a descrcrii. Pentru Zm rezistiv este nevoie de un amplificator de band larg deci va

rezulta un nivel ridicat al perturbaiilor ce apar de la descrcarea corona pe barele de nalt tensiune, aparatele de comutaie etc. Acest nivel poate fi redus prin folosirea ca impedan de msur a unei inductane Lm , caz n care procesul tranzitoriu la intrarea circuitului de msur e oscilant amortizat, iar impulsul de tensiune e de forma:

teUtU txmx 0cos)( = (1.33) n care: xmU este dat de (4.32);

emCL1

0 = (1.34)

m

e

LR

2= (1.35)

Re fiind rezistena activ a circuitului de nalt tensiune. Forma impulsului de tensiune n cele dou cazuri e dat n fig. 1.17 .

n cazul impedanei inductive se utilizeaz un amplificator de band ngust, n domeniul n care lipsesc semnale perturbatoare. Dispozitivul de msur poate indica valoarea de vrf a impulsurilor individuale, numrul de impulsuri, observarea oscilografic, debitul ptratic sau curentul mediu. Pentru a msura curentul mediu e necesar un amplificator de band larg. Trebuiesc reduse influenele perturbatoare externe, n care scop se utilizeaz scheme de msur cu circuit echilibrat n punte, ecranarea incintei de msurare, evitarea apariiei altor surse de descrcri electrice. Aparatele pentru msurarea descrcrilor pariale n izolaia extern se bazeaz pe principiul radioreceptoarelor. Metoda permite o verificare nedistructiv asupra strii izolaiei i a evidenierii defectelor de izolaie care produc descrcri electrice. Dac sunt prevzute cu antene direcionale aparatele pot localiza izolaia defect.

1.2.5.5. Determinarea repartiiei tensiunii pe izolaie Este o ncercare specific numai izolatoarelor. Prin determinarea repartiiei

tensiunii pe elementele unui lan de izolatoare sau pe suprafaa unui izolator pot fi depistate defecte concentrate. Pentru exemplificare, se consider cazul din fig. 1.18 al repartiiei tensiunii pe un lan de 66 kV format din 5 elemente.

Curba a - arat o repartiie normal;

b - elementul 3 este defect; c - elementele 1 i 2 sunt defecte.

Comparnd curba obinut cu cea normal se poate determina locul

defectului, adic elementul strpuns din lan sau traseul descrcrii pe suprafaa unui izolator.

Fig.14.17 Forma i spectrul de frecvene al impulsului la intrarea circuitului

de msur pentru o impedan de msur rezistiv (a) i inductiv (b)

Metoda are avantajul c se poate efectua fr deconectarea aparatului, adic n condiii normale de funcionare. Pentru determinarea repartiiei tensiunii se folosesc tngi sau prjini de msurare a cror schi este indicat n fig.1.19.

Aceste prjini de nalt tensiune se bazeaz pe amorsarea spaiului disruptiv

al eclatorului E sub efectul tensiunii elementului pe care s-au plasat coarnele 1 ale prjinii. n serie cu eclatorul se monteaz condensatorul C pentru ca scnteia ce apare la eclator s nu unteze elementul respectiv ducnd la creterea tensiunii pe restul elementelor, ceea ce ar putea provoca conturnarea ntregului lan.

1.2.5.6. Defectoscopia izolaiei cu tensiune de impuls Pentru aceast ncercare, impulsurile de tensiune de trsnet und plin, i

impulsurile de tensiune de comutaie se obin de la generatorul de impuls de tensiune, iar impulsul de tensiune, de trsnet und tiat se obine de la generatorul de impuls de tensiune sau de la instalaiile de nalt tensiune prin modificri, respectiv completri corespunztoare.

Detectarea defectelor ascunse se realizeaz prin metode sensibile de defectoscopie cu tensiune de impuls. Defectoscopia bazat pe rspunsul nfurrilor la impulsuri de form convenional sesizeaz selectiv oscilaiile electromagnetice ale bobinajului produse la apariia defectului.

Defectarea izolaiei sub aciunea tensiunii de impuls este echivalent cu scurtcircuitarea unor capaciti transversale sau longitudinale, din schema echivalent a nfurrii. n conturul oscilatorului format iau natere oscilaii de nalt frecven (de ordinul MHz) care se transmit spre capetele nfurrii prin reeaua capacitiv a acesteia.

10

20

30

40

U %

1 2 3 4 5 nr. elem.

ab

c

Fig. 1.18. Repartiia pe un lan de 5 izolatoare

a) repartiia normal; b) elementul 3 defect; c) elementul 1 i 2 defecte.

Fig. 1.19. Schia prjinii de nalt tensiune; E eclator

1. coarne; 2. mner; 3. condensator

n continuare acest fenomen tranzitoriu este urmat de un fenomen de frecven mai joas, (kHz), datorat modificrii inductanei echivalente a nfurrii ca urmare a scurtcircuitrii unei poriuni de bobinaj. Oscilaiile de frecven mai sczut se transmit spre capete, att pe cale inductiv ct i prin reeaua capacitiv.

Scopul defectoscopiei const tocmai n sesizarea delectiv a celor dou tipuri de oscilaii electromagnetice ale bobinajului produse de defect.

Sesiznd pe oscilogram intervalul de timp dintre momentul aplicrii tensiunii i momentul apariiei oscilaiilor de frecven nalt se poate localiza defectul de izolaie.

Detectarea defectelor se face pe dou ci principale: a) prin confruntarea oscilogramelor tensiunii de impuls aplicate, n prezena i respectiv n lipsa defectului (metoda OTA) caz n care pentru fiecare defect de izolaie apare un anumit tip de oscilogram (fig. 1.20).

b) prin analiza distorsiunilor ce apar pe oscilogramele unor mrimi electrice caracteristice, care reprezint rspunsul aparatului ncercat la impuls de tensiune n prezena defectelor de izolaie (defectograme) i compararea lor cu oscilogramele acelorai mrimi n absena defectelor (normograme); putndu-se obine:

- oscilografierea curentului de oc absorbit de la surs (OCS); - oscilografierea curentului indus n nfurarea nencercat,

scurtcircuitat (OCIN); - oscilografierea potenialelor induse n nfurrile nencercate (OPI); - oscilografierea curentului de cuv izolat (OCC); - oscilografierea curentului ntre punctul neutru i pmnt pentru

legarea n stea a fazelor. Alegerea schemei optime de defectoscopie este condiionat de

particularitile constructive ale echipamentului de ncercat, de posibilitile instalaiei de ncercare i nregistrare, de nivelul perturbaiilor etc.

n afar de aceste tipuri de defectoscopie, bazate pe rspunsul nfurrilor, mai exist defectoscopia de tip electroacustic bazat pe recepionarea undelor sonore i ultrasunetelor propagate de la locul de apariie al defectului n izolaie de ulei i hrtie a transformatoarelor sub aciunea tensiunii de impuls.

Metoda de ncercare cu tensiune de impuls nedistructiv se aplic i mainilor electrice rotative pentru evidenierea izolaiei slbite dintre conductoarele

Fig. 1.20. Defectoscopia prin metoda OTA:

1,2 - normograme und plin respectiv tiat; 3 - defectogram, defect masiv n izolaia principal;

4 - idem n izolaia longitudinal; 5 - defect scurtcircuitul de galei;

6. defect pasager n izolaia longitudinal;

unei secii sau bobine sau ntre dou bobine. ncercrile se execut n uzina constructoare, precum i n laboratoarele specializate, dup reparaii capitale.

1.2.5.7. Defectoscopia izolaiei prin raza Rntgen i

ultrasunete Defectoscopia prin raza Rntgen se bazeaz pe faptul c intensitatea razelor

Rntgen, care strbat izolaia de ncercat, va fi atenuat n mod diferit n poriunile defecte ale izolaiei, fa de restul izolaiei.

Defectoscopia ultrasonor se bazeaz pe fenomene de propagare a sunetelor n medii diferite. Impulsurile ultrasunete aplicate unei izolaii de ncercat, dup ce au trecut prin acestea, sunt recepionate cu ajutorul unui traductor piezoelectric i oscilografiate. Din modificarea vitezei de propagare a impulsurilor, care este legat de modificarea parametrilor mediului de propagare se poate aprecia existena unor defecte n izolaie i evoluia lor.

1.3. Echipamente de ncercare n laboratorul de nalt tensiune n principiu, orice circuit de ncercare cu tensiune nalt se compune din trei

elemente (fig. 4.21): sursa de nalt tensiune (1), dispozitivul de msurare a tensiunii (2) i obiectul de ncercat (3).

Tensiunea nalt folosit difer dup tipul ncercrii efectuate iar

dispozitivele de msur a tensiunii difer dup felul tensiunii i parametrul msurat. 1.3.1. Instalaii de ncercare cu tensiune nalt de frecven industrial 1.3.1.1. Transformatorul de ncercare Sursa de tensiune nalt a unei instalaii de ncercri cu tensiune alternativ

nalt, este transformatorul de ncercare. Acesta are o construcie special, monofazat, cu puterea relativ redus n regimul de durat, dar cu posibiliti de suprancrcare la funcionarea de scurt durat.

Caracteristicile de baz ale unui transformator sunt: - Tensiunea nominal trebuie s fie apropiat ca valoare de tensiunea de

ncercare;

1 2 3

Fig. 1.21. Schema unei instalaii pentru ncercri de nalt tensiune.

- Puterea nominal care rezult din curentul de regim de durat trebuie s fie suficient pentru ca deformarea curbei tensiunii de ncercare s fie redus i pentru evitarea supratensiunilor de autoexcitaie;

- Curentul de scurtcircuit pe partea de nalt tensiune trebuie s fie suficient de mare pentru a produce un defect vizibil n izolaia ncercat i pentru a evita pericolul supratensiunilor datorate descrcrilor intermitente. Curentul de scurtcircuit stabilizat trebuie s fie de circa 1 A;

- Tensiunea de scurtcircuit trebuie s aib o valoare ct mai mic (cteva procente), pentru a satisface condiia de mai sus, precum i pentru a nu rezulta cderi de tensiune importante la bornele obiectului ncercat n regimul descrcrii incomplete. Aceast condiie ar conduce la valori necesare ale curentului de scurtcircuit de circa 5 A;

- Sursa trebuie s aib o capacitate de intrare mare, pentru evitarea atenurii semnalelor de descrcri pariale fa de cele corespunztoare condiiilor naturale.

Din motive de stabilitate mecanic i asigurarea izolaiei interne, la transformatorul de ncercare se folosete predominant nfurarea n straturi (fig. 1.22.).

nfurarea de nalt tensiune (3) se execut n form de bobine cilindrice cu un strat de supori izolani rigizi (pertinax) concentrici i cu lungime din ce n ce mai mic ctre exterior. Astfel eforturile mecanice la scurtcircuit sunt preluate de cilindrii suport i cu ct tensiunea de bobinaj este mai mare, cu att distana pn la miezul magnetic crete, nlesnind asigurarea izolaiei. Izolaia nfurrii este, de regul, de tipul hrtie-ulei. n fig. 1.23. sunt prezentate cteva tipuri constructive de transformatoare de ncercare.

Variantele din fig. 1.23 a i b, au carcase 5 din material izolant, care ndeplinete i rolul izolatorului de trecere. Un astfel de transformator are dou trepte de tensiune, miezul 4 aflndu-se la potenialul primei trepte. Dac nfurarea de nalt tensiune 6 este dispus pe dou coloane ale miezului iar nfurarea de joas tensiune 2 se afl pe o singur coloan, pentru a evita o tensiune de scurtcircuit mare, se efectueaz un transfer de energie de pe o coloan pe alta cu ajutorul unei nfurri speciale de reducere a fluxului de dispersie, numit nfurare de egalizare 3 (fig. 1.23.a). n fig. 1.23.b este prezentat varianta cu circuit magnetic deschis, la care curentul de magnetizare are o pondere suficient de mare n curentul total absorbit, asigurnd n mare msur compensarea curentului capacitiv de sarcin, ceea ce elimin pericolul de autoexcitaie. Astfel de transformatoare de ncercare, tip coloan, se construiesc pn la tensiuni care pot atinge 1 MV.

Varianta din fig. 1.23.c are cuv metalic, la care se leag o extremitate a nfurrii de nalt tensiune. Izolatorul 5 de trecere este dimensionat de valoarea

Fig. 1.22. Realizarea transformatorului de ncercare

tensiunii nominale. Pentru obinerea de tensiuni mai nalte (peste 1 MV) se folosete conectarea transformatoarelor de ncercare n cascad.

1.3.1.2.Transformatoare de ncercare n cascad n general, pentru obinerea tensiunilor mai mari de 500 kV

transformatoarele de ncercare se conecteaz n cascad, sistem ce se utilizeaz i sub 500 kV, cnd sunt impuse anumite restricii.

Se deosebesc dou tipuri principale de conectare n cascad (fig.1.24.) n schema din fig. 1.24.a , transformatorul posed, pe lng nfurarea

primar (P) i secundar (S), o nfurare de transfer (T), necesar alimentrii transformatorului treptei urmtoare. Aceast nfurare este nseriat cu nfurarea S, astfel c, dei furnizeaz tensiunea U1, se gsete la un potenial ridicat fa de pmnt, egal cu U2. Legarea bornei de nalt tensiune a primei trepte la carcasa metalic a treptei a doua, impune ca aceasta din urm s fie aezat pe izolatoare suport dimensionate la tensiunea U2. Izolatoarele de trecere ale celor dou trepte se dimensioneaz tot la tensiunea U2.

Fig.1..23. Tipuri constructive de transformatoare de ncercare

n schema din fig. 1.24.b alimentarea transformatorului treptei a doua se

face printr-un transformator auxiliar (T3) care are raportul de transformare unitar. Cele dou tipuri de cascade se deosebesc n ceea ce privete puterea

transformatoarelor, componena. Astfel, n cazul (a) transformatorul primei trepte trebuie s asigure i transferul de putere pentru alimentarea treptei a doua, iar n cazul (b) toate cele trei transformatoare au puterea egal (U2I2). n ansamblu puterea instalat n cele dou cascade este aceeai, 3U2I2.

Coeficientul de utilizare a puterii instalate n cascad va fi:

[ ] 12

2)1(1...)1( 22

22

. +=+=+++== nnn

nIUnn

InUPPC

inst

utila (1.36)

unde n este numrul de trepte. Deoarece C scade cu creterea lui n, numrul de trepte se limiteaz la 2-3,

rareori 4. Dac crete numrul de trepte, crete i tensiunea de scurtcircuit a cascadei. Pentru cascadele cu tensiuni i puteri mari se iau msuri de reducere a reactanei de scpri (fig. 1.25).

nfurrile E legate n scurtcircuit cu rolul de a mri cuplajul magnetic ntre cele dou colone, reducnd fluxul de scpri.

Pentru a evita efectele duntoare datorate cuplajului se folosesc nite bobine de reactan fig.1.25 (nfurarea C cuplate cu fiecare etaj). Pentru a nltura apariia unei eventuale armonici superioare n curba tensiunii, se monteaz filtre RC acordate pe armonicile cele mai probabile (3 sau 5), de regul, n nfurrile de egalizare sau de alimentare.

Fig.1.25. Reducerea reactanei de scpri

Fig. 1.24. Transformatoare de ncercare n cascad

Transformatoarele componente ale cascadei sunt: fie cu carcas izolant de tip coloan, fie cu cuv metalic i izolator de trecere. n fig. 1.26. este reprezentat schema electric a unei cascade moderne cu trei trepte, tensiune nominal 1200 kV, putere nominal 800 kVA.

Pe lng nfurrile primar (P), secundar (S), de transfer (T), transformatoarele posed nfurarea de egalizare (E), bobina de compensare a puterii reactive (C) i filtrul de armonici (F) n prima treapt. Conectarea n cascad are o serie de inconveniente ca: gabarite importante, tensiune de scurtcircuit mai ridicat, puterea instalat depete puterea nominal a cascadei.

1.3.1. Instalaii de ncercare cu tensiune nalt de nalt

frecven Tensiunea nalt de nalt frecven este folosit n special pentru studiul

descrcrilor electrice n dielectrici solizi i gazoi pentru producerea radiaiilor X, precum i n unele aplicaii industriale.

Instalaiile folosite pentru producerea acestor tensiuni au ca element principal un transformator fr miez. Cea mai rspndit este instalaia din fig. 1.27.a, cunoscut i sub denumirea de transformator Tesla.

De la transformatorul de ncercare T se ncarc condensatorul C1 pe

redresorul K i rezistena de protecie B. La atingerea tensiunii de amorsare a

Fig. 1.26. Cascad de transformatoare 1200 kV / 800 kVA

Fig. 1.27. Transformatorul Tesla: realizare practic (a) i schema echivalent (b)

eclatorului E1 acesta este strpuns i n circuitul oscilant L1C1 iau natere oscilaii de frecven egal cu frecvena proprie a circuitului. Prin cuplajul magnetic M se induce tensiune de nalt frecven i n circuitul secundar. Dac numrul de spire, factorul de cuplaj i frecvena proprie a acestui circuit sunt alese corespunztor, tensiunea U2 este mult mai mare dect U1 .

n fig. 1.27, b este reprezentat schema echivalent, cu ajutorul creia se poate gsi analitic forma tensiunii U2. Prin C2 s-a reprezentat capacitatea obiectului de ncercare (inclusiv capacitatea eclatorului E2 i capacitatea proprie a nfurrii L2).

Dup amorsarea eclatorului E1 se pot scrie ecuaiile:

1

1 0

11

01

11 1

20

22

02

22 2

1

Ci dt L di

dtR i M di

dtU

Ci dt L di

dtR i M di

dt

t

t

+ + =

+ + = (1.37)

Calculele se simplific dac nu se ia n considerare amortizarea deci R1=R2=0. Utiliznd transformata Laplace i pentru condiii iniiale nule, ecuaiile devin:

01

1

1222

0211

1

=

+

=

+

MpIIpLpC

pU

MpIIpLpC

(1.38)

Din aceste condiii eliminnd pe I1, se obine: ( )( )

pU

IMpCMC

pCLpCLp

022

21

222

211 11 =

++ (1.39)

Deoarece:

= t dtiCU 0 2221

dup transformare, I2=C2pU2. Introducnd expresia lui I2 n relaia (4.39) se obine:

( ) ( ) ( )U U MC pp k pp = + +0 1 12

22

4 2 21

22

21

(1.40) n care:

k ML L L C L C

22

1 21

2

1 12

2

2 2

1 1= = =, , (1.41) Presupunnd c ambele circuite oscilante sunt acordate la rezonan ( )021 == rezult:

( ) ( ) 40220244

0102 21

++= pkp

pMCUpU (1.42)

Folosind transformarea invers se obine:

( )u t U LL

tk

tk2

0 2

1

0 0

2 1 1= +

cos cos

(1.43)

Soluia obinut reprezint o sum de oscilaii cu pulsaii diferite, funcie de gradul de cuplaj k.

Pentru cuplaj puternic (K1), pulsaiile difer mult ntre ele, iar tensiunea U2(t) se va prezenta ca o sinusoid de frecven mare modulat n amplitudine dup o sinusoid cu frecven mic (fig. 1.28.a).

Pentru un cuplaj slab (K0), cele dou pulsaii sunt apropiate i U2(t) este o sinusoid (fig. 1.28.b).

Curbele din fig. 1.28 in seama de prezena amortizrilor des n calcule s-a

neglijat amortizarea; aceasta pentru c rezultatele obinute cu considerarea amortizrii duc la aceleai concluzii cu privire la forma tensiunii U2.

Amortizarea n circuitul primar este mrit n prezena rezistenei arcului electric ntre sferele eclatorului E1.

Tensiuni nalte de nalt frecven staionare se pot produce i cu ajutorul unor scheme rezonante excitate cu tensiune alternativ de nalt frecven (fig. 1.29).

n bobina L2 se induce o tensiune de nalt frecven, datorit cuplajului magnetic M cu bobina L1 din circuitul rezonant L1C1.

Fig. 1.28. Tensiunea de ieire a transformatorului Tesla pentru un cuplaj puternic (a) i cuplaj slab (b)

Pentru aceast schem se pot scrie n complex ecuaiile: 1

1 0

11 1 1 2 1

22 2 2 1

j Cj L R I j M I U

j Cj L R I j M I

+ + =

+ + =

(1.44)

Neglijnd amortizrile (R1=R2=0) i notnd:

X L

C

X LC

1 11

2 22

1

1

=

=

(1.45)

se obine:

( )Ij MU

X X M21

1 22

= +

(1.46)

tiind c: U Ij C2

2

2

= i fcnd notaiile:

121 1

22

2 2

2

1 2

1 1= = =L C L C

k ML L

, , (1.47)

se obine:

Uk U

C M k2

21

22

12

22

2

221 1

=

+

(4.48)

Se observ din relaiile1.48 c U2 atinge maximul n fiecare din situaiile: ==== 2121 ,, .

Ar rezulta c amplitudinile tensiunii sunt identice n toate cele trei cazuri de rezonan. Dac se vor lua n considerare i R1 i R2 se va arta c concluzia de mai sus este valabil numai pentru factori de cuplaj redui. Pentru cuplaje magnetice strnse tensiunea U2 este maxim numai dac rezonana este total.

Schematic construcia unui transformator Tesla este dat n fig. 1.30.

Fig. 1.29. Schema rezonant excitat cu tensiune

alternativ de nalt frecven

Izolaia ntre nfurri este realizat cu aer. Instalaia se compune din:

- sursa de alimentare, inclusiv redresorul (1); - eclatorul de amorsare (2); - bobina primar L1 , cu puine spire amplasate pe un cadru izolant

(3); - bobina secundar (4), cu un numr mare de spire, aezate pe un

cilindru izolant, acoperit cu material protector (parafin) pentru a reduce influena umiditii atmosferice asupra izolaiei;

- eclatorul (6) pentru msurarea tensiunii nalte. Capacitile C1 i C2 reprezint capacitile proprii ale nfurrilor.

Coeficientul de cuplaj ntre nfurri poate fi ntre 5% i 25% prin modificarea poziiei reciproce a bobinelor. Tensiunea U2 se regleaz modificnd tensiunea de alimentare cu ajutorul eclatorului (2) sau prin reglarea factorului de cuplaj. Montajul poate da tensiuni pn la 2000 kV. Pentru a obine tensiuni mai mari izolaiei transformatorului se execut cu ulei.

1.3.1. Instalaii de ncercare cu tensiune nalt continu

Obinerea tensiunii nalte continue se poate face prin dou metode:

- prin redresarea tensiunii nalte alternative; - cu ajutorul mainilor electrostatice.

Cu mainile electrostatice se pot obine tensiuni foarte nalte, ns puterea disponibil este redus.

O instalaie pentru obinerea tensiunii continue prin redresare cuprinde surse de nalt tensiune alternativ, redresorul i eventual condensatorul de filtrare.

1.3.3.1. Elementele redresoare pentru tensiune nalt Primul redresor folosit a fost cel mecanic i datorit numeroaselor

dezavantaje a fost scos din uz. Actualmente se folosesc diode de nalt tensiune cu vid (Kenotron) i redresoare cu diode semiconductoare.

Kenotronul const dintr-un tub n interiorul cruia se afl doi electrozi; Catodul format din nsui filamentul tubului, alimentat la tensiunea redus (6-24 V) i anodul care poate avea forme de disc sau cilindru ce nconjoar catodul. Curentul admisibil este de ordinul zecilor de miliamperi, iar tensiunile inverse pn la 500

Fig. 1.30. Construcia unui transformator Tesla

kV. Dezavantajele Kenotroanelor sunt legate de dimensiunile lor mari. Pentru alimentarea filamentului se poate folosi un transformator special sau un acumulator, fiecare cu dezavantajele lui.

Diodele semiconductoare prezint fa de Kenotroane multe avantaje, unul esenial fiind legat chiar de dimensiunile mai mici ale acestora. Tensiunea invers pe o jonciune poate atinge la tipurile cele mai perfecionate cteva mii de voli. Problema redresrii tensiunilor mai nalte, se rezolv prin nserierea unui numr mai mare de elemente, atingndu-se tensiuni inverse pn la 500-600 kV. Tensiunile foarte nalte se obin prin redresarea n schema cu multiplicarea tensiunii.

1.3.3.2.Scheme de redresare pentru producerea tensiunilor nalte

continue n fig. 1.31 sunt reprezentate principalele scheme de redresare folosite

pentru producerea tensiunilor nalte continue. n schema din fig. 1.31.a se redreseaz o singur alternan. Tensiunea

redresat cea mai mare depinde de tensiunea invers maxim admis de redresor. Tensiunea maxim obinut la bornele condensatorului C poate s fie cel mult jumtate din tensiunea invers a redresorului, iar valoarea de vrf a tensiunii produs de transformator trebuie s fie cu 10-15% mai mare dect tensiunea continu de ieire, pentru acoperirea pierderilor dielectrice.

Schema din fig. 1.31.b permite dublarea tensiunii de vrf dat de transformatorul T, care are o born legat de pmnt. Condensatorul C1 se ncarc prin redresorul Rd1 , potenialul punctului 2 devenind egal cu de dou ori valoarea de vrf a tensiunii alternative de alimentare. Condensatorul C2 se ncarc prin intermediul redresorului Rd2 astfel nct la funcionarea n gol punctul 3 va lua potenialul punctului 2, redresoarele avnd o tensiune invers egal cu dublul valorii de vrf a tensiunii alternative de alimentare. Schema st la baza realizrii instalaiilor de nalt tensiune continu, obinute prin legarea n cascad a mai multor astfel de module de redresare cu dublare de tensiune.

Schema din fig. 1.31.c, este folosit , pentru obinerea tensiunii continue cu valoarea dubl fa de valoarea de vrf a tensiunii dat de transformator, cnd acesta are ambele borne izolate. Fiecare din cele dou condensatoare este ncrcat de cte un redresor, dup schema redresrii monoalternan, astfel nct tensiunile lor se nsumeaz. Transformatorul T este mai bine utilizat, deoarece nfurarea sa

Fig.1.31. Scheme de redresare

de nalt tensiune este parcurs de curent pe durata ambelor alternane ale unei perioade. Pentru schemele din fig. 1.31, forma curbei tensiunii redresate la bornele de ieire ale acestora, n regim staionar, este prezentat n fig. 1.32.

Rolul capacitii de netezire C, pentru schema din fig. 1.31.a, rezult din

compararea figurilor 1.32.a i 1.32.b, care corespund situaiei n care capacitatea lipsete (fig. 1.32.1) i respectiv n prezena acesteia (fig. 1.32.b). Dac la ieirea schemei este conectat o sarcin, n semiperioada n care redresorul nu conduce, aceasta este alimentat de condensator. Valoarea absolut a pulsaiei u la redresarea monoalternan va fi dat de expresia:

u med medI TCIC f

= = . .

(1.49)

Imed. este curentul de sarcin al instalaiei. f i T frecvena i respectiv perioada tensiunii de alimentare. Factorul de ondulaie care caracterizeaz instalaia de ncercare cu tensiune

nalt redresat va fi:

[ ]%100100RCfU

k u == (1.50) unde R este rezistena obiectului de ncercat.

Valoarea lui K este limitat la instalaiile de ncercare la 3-5% i chiar 1% pentru ncercrile descrctoarelor. Astfel curentul de sarcin maxim admis Imed.=U/R. La creterea curentului de sarcin e necesar s se adopte o capacitate de netezire mai mare. Curbele tensiunilor din fig. 1.32.c i d se refer la schemele de redresare-dublare b i respectiv c din fig. 4.31. n cazul schemelor din fig. 1.31.b,c la conectarea sarcinii, redresorul nu mai d o tensiune maxim egal cu dublul tensiunii de vrf a transformatorului de alimentare deoarece n intervalul de T/2 , ce trece ntre maximul pozitiv i cel negativ al tensiunii, condensatoarele se descarc pe sarcin.

Tensiunile maxime ce pot fi coninute sunt:

Fig. 1.32. Formele tensiunii redresate:

a) redresare monoalternant; b) pentru schema din fig. 4.31.a; c) pentru schema din fig. 4.31.b; d) pentru schema din fig. 4.31.c.

U U I tC

I tC

med medmax.

^. .= +

2 1 2 (1.51)

- pentru schema 1.31b:

U U e RCmax.^= +

1

12

(1.52)

- pentru schema 1.31.c , n cazul n care C1=C2=C. n fig. 1.32.c, s-a pus n eviden att cderea de tensiune produs n sarcin

de curentul de descrcare al condensatorului u , ct i cderea de tensiune produs la ncrcarea acestuia (U). La conectarea n cascad factorul de ondulaie crete, ceea ce limiteaz numrul de trepte al cascadei la 43 .

Redresoarele folosite n schemele instalaiilor de nalt tensiune continu sunt redresoare de tensiune nalt cu seleniu, realizate prin conectarea n serie a mai multor celule. Tensiunea invers pe celul este de cca. 45 kV, iar redresorul realizat prin nserierea celulelor poate atinge valoarea tensiunii inverse de 350 kV, curentul nominal fiind de 30-50 mA.

Reglajul tensiunii de ncercare se realizeaz pe partea de joas tensiune a transformatorului care alimenteaz schema de redresare cu ajutorul unui transformator reglabil.

Pentru tensiuni pn la 90 kV se realizeaz instalaii de nmarcare cu tensiune redresat, dup schema din fig. 4.31.a, care pot servi i ca instalaii de ncercare n curent alternativ prin detaarea redresorului. Pentru tensiuni nalte continue ntre 100 i 400 kV se folosesc instalaii realizate dup principiul redresrii cu dublarea de tensiune, iar peste 400 kV (pn la cca. 1300 kV) instalaii n cascad.

Schema principial de montare a unei instalaii de tensiune nalt continu de 300 kV este prezentat n fig. 1.33.

Aceast schem al crui curent este de 50 mA, a fost produs de firma TUR Dresden pe baza schemei electrice din fig. 1.31.

Fig. 1.33. Schema unei instalaii de tensiune nalt continu

Separatoare de

1.3.4. Instalaii de ncercare cu tensiune nalt de impuls

Tensiunea nalt de impuls necesar verificrii nivelelor de izolaie i de protecie, n concordan cu principiile coordonrii izolaiei, ca i pentru cercetarea fenomenelor fizice specifice din izolaii sub aciunea impulsului aperiodic ce simuleaz supratensiunea atmosferic, se obine de la generatoare de impuls de tensiune de trsnet (GIT). Pentru ncercarea cu und de impuls de supratensiune de comutaie se folosesc instalaii obinute pornind fie de la generatoare de impuls de trsnet (GIT) fie de la instalaiile de tensiune nalt sinusoidal, prin modificri sau completri corespunztoare.

Tensiunile de impuls foarte nalte se obin cu ajutorul unor scheme cu mai multe etaje.

1.3.4.1.Generatorul de impuls de tensiune cu un singur

etaj

Exist dou tipuri de scheme de producere a impulsului de tensiune: schema Marx i schema Marguerre.

Schema Marx exist mai multe variante dintre care cea general este artat n fig. 1.34 celelalte fiind particularizri ale acesteia.

Condensatorul se ncarc de la o surs de tensiune continu; la amorsarea eclatorului cu sfere E, condensatorul C1 se descarc pe circuitul RC din partea dreapt a schemei, rezultnd pe C2 o tensiune U2(t) de forma unui impuls aperiodic. Dac elementele schemei sunt dimensionate corespunztor, U2(t) este un impuls standard 1,2/50 s.

Pentru schema din fig. 4.34. se pot scrie ecuaiile:

=+=

+==

dtduCi

uiRiiR

iiRiRdtiC

U

222

223212

2121111

0

)(

)(1

(1.53)

Aplicnd transformata Laplace i rezolvnd sistemul (1.53) n ipoteza c la momentul iniial C2 era descrcat se va obine:

( )

=

+

1111

20

2

22

1eeUtu [Vmax] (1.54)

n care s-au fcut notaiile:

Fig. 1.34. Varianta general a schemei Marx

21

23122211

RCCRCRCRCR +++= (1.55)

( ) =+ + +

+ +R C R C R C R C

C C R R R R R R1 1 2 2 2 1 3 2

1 2 1 2 1 3 2 32 (1.56)

( ) = + +C C R R R R R R1 2 1 2 1 3 2 3 (1.57)

Expresia 1.54 se poate scrie:

( ) ( )u t kU e et t2 0 1 2= / / (1.58) n care:

k =

2 1 (1.59)

1 11

2

= (1.60)

11 2

2

+= (1.61) Din analiza acestor relaii rezult c pentru obinerea impulsului cu front

rapid i descretere lent este necesar s fie ndeplinite condiiile:

>>

Un generator de impuls are performane cu att mai bune cu ct acest coeficient este mai apropiat de unitate.

Aceasta se realizeaz atunci cnd R1 i C2 au valori mult mai mici dect R2 i C1.

Schema Marguerre este dat n fig. 1.36 i cuprinde dou condensatoare C1 i C2 , care se ncarc de la o surs de curent continuu de nalt tensiune, pn la tensiunea U0 de amorsare a eclatorului cu sfere E.

Prin descrcarea condensatoarelor pe rezistenele R1 i R2 iau natere cderi

de tensiune care dau un impuls de tensiune a crei expresie este: ( )u t R i R i2 1 1 2 2= (1.64)

curenii i1 i i2 fiind:

2211 02

01 ;

CRt

CRt

eR

UieR

Ui == (1.65)

Tensiunea la ieire va avea astfel o form asemntoare cu cea de la schema

Marx, expresia ei fiind:

( ) ( )u t U e et R C t R C2 0 1 1 2 2= / / (1.66)

Fig. 1.35. Impulsul de tensiune pentru generatorul Marx

Fig. 1.36. Schema Marguerre

Pentru a fi un impuls aperiodic trebuie ca R1C1>R2C2. 1.3.4.2. Generatorul de impuls de tensiune cu mai multe

etaje Generatoarele de impuls de tensiune care produc tensiuni mai mari de 100

kV se construiesc cu mai multe etaje, dup principiul Ervin Marx i anume: condensatoarele de impuls se ncarc n paralel i se descarc n serie.

Schema electric a unui astfel de generator este indicat n fig. 1.37. Fiecare etaj al generatorului conine un condensator de impuls 1, o

rezisten de ncercare 5, o rezisten de front 3, o rezisten de spate 4 i un eclator de comutaie 8. Capacitatea de sarcin 2 este coron pentru toate etajele, la unele ncercri aceasta fiind nsi capacitatea obiectului de ncercat.

n regim de ncrcare toate condensatoarele se ncarc n paralel pn la tensiunea U0 de amorsare a eclatoarelor 8, prin redresorul 7, rezistena de limitare 6 i rezistenele de ncrcare 5. Prin amorsarea eclatoarelor, etajele se nseriaz, iar la bornele OA se obine tensiunea de impuls. Conectarea n serie a etajelor are loc n cascad imediat dup amorsarea eclatorului 8 al etajului inferior.

La amorsarea acestuia, potenialul U0 este transmis punctului a. Prin aceasta potenialul punctului f crete de la U0 la 2U0, iar sfera din dreapta a eclatorului are tendine de a lua potenialul U0 al punctului a, capacitatea parazit Cp ncrcndu-se cu constante de timp T= CpR, unde R este rezistena 4. Astfel, n momentul n care potenialul punctului c devine 2U0, potenialul sferei a doua a eclatorului este mai mic dect U0. Aceast supratensiune a eclatorului etajului al doilea determin amorsarea lui, imediat dup amorsarea primului etaj. La fel se produce amorsarea rapid a tuturor etajelor, obinndu-se ntre punctele O i A o tensiune de impuls cu amplitudinea apropiat de valoarea nU0, unde n este numrul de etaje.

Fig.1.37. Generatorul de impuls de tensiune multietajat

Eclatorul primului etaj are o construcie special, este triggerat, fiind echipat cu un electrod de aprindere montat izolat fa de corpul sferei. Prin aplicarea pe acest electrod a unui impuls de tensiune de cel mult 10% din tensiunea nominal a etajului, se iniiaz o descrcare care produce amorsarea descrcrii ntre sferele eclatorului.

Astfel, generatorul de impuls poate fi meninut n stare de ncrcare i declanat la momentul dorit. Dac numrul de etaje este mai mare i forarea amorsrii la nivelele superioare nu este sigur, se triggereaz i aceste eclatoare de comutaie.

Deformarea undei normalizate de impuls poate avea mai multe cauze: - procese oscilante, care suprapuse peste cele aperiodice deformeaz unda,

datorate n primul rnd capacitilor parazite dintre etaje i inductivitilor conductoarelor de legtur. Capacitile parazite Cp sunt mici i influena lor se resimte doar cnd tensiunea variaz brusc, adic pe frontul impulsului. Inductivitatea legturilor mpiedic obinerea undelor de front de durat redus.

- capacitatea obiectului de ncercat n paralel cu condensatorul 2, poate s modifice forma undei de impuls, iar la ncercarea echipamentelor cu inductivitate mare, pot s apar oscilaii inadmisibile. Pentru efectuarea unor probe cu unda 1,2/50 s, este necesar s fie satisfcut relaia:

CCi 5 (1.67) pentru ncercarea izolaiilor care reprezint o capacitate pur i:

LtC si 8 (1.68)

n cazul echipamentelor de ncercat care reprezint o inductivitate unde n

CCi 1= este capacitatea de impuls a generatorului; C este format din capacitatea obiectului i capacitatea parazit a instalaiei ts este durata semiamplitudinii, n s; L inductivitatea echipamentului de ncercat, n H, iar capacitile se exprim n pF. - rezistenele de ncrcare 5, influeneaz forma undei de impuls, prin valoarea constantei de timp de ncrcare. Pentru a obine o und de impuls de tensiune tiat necesar ncercrii izolaiilor, se folosete un eclator multiplu de tiere (ETM). Acesta se realizeaz sub forma unei coloane cu mai multe eclatoare dispuse vertical i acionat de un mecanism comandat de la un pupitru i cuplat prin rezistena cu condensatoarele divizorului de tensiune, care face parte din lanul de msur.

1.3.5. Instalaii de ncercare la impuls de curent 1.3.5.1.Generatorul de impuls de curent Datorit loviturilor de trsnet pe liniile aeriene, prin acestea circul curenii

de trsnet a cror aciune poate fi modelat n laboratoarele de nalt tensiune prin generatoare care produc impulsuri de curent de scurt durat i amplitudine mare. Dup recomandrile CEI-, unda de curent normalizat este de forma 8/20 s. Aceast und este folosit pentru stabilizarea rezistenelor neliniare ale descrctoarelor.

Schema electric a unui generator de impuls de curent este dat n fig. 1.38.

Condensatorul C se ncarc pn la tensiunea U0 de amorsare a eclatorului Ea i apoi se descarc aperiodic pe circuitul format din rezistena R i inductivitatea L.

n regimul de descrcare al condensatorului este valabil ecuaia:

UC

idt L didt

Rit

00

1= + + (1.69)

Transformnd n operaional i identificnd curentul se obine:

( )IUL p R

Lp

LC

p = + +0

2

11 (1.70)

Dac se noteaz cu:

= = = RL LC2

10

2 20

2, , (1.71)

i se impune cu 2 0> , rezult dup transformarea invers: ( )i t U

Le sh tt= 0 (1.72)

n cazul de mai sus am presupus rezistena R liniar de valoare rezultat n urma condiiei 2 0> :

R LC

> 2 (4.73) Dac rezistena este neliniar, ecuaia (4.69.) se rezolv numeric innd

seama de expresia pentru caracteristica tensiune-curent a rezistenei neliniare. Ciu = (1.74)

unde: u- este cderea de tensiune pe rezistena R; C- este o constant cuprins ntre (650-700), n acest caz; - ia valori n domeniul 0,2 0,35.

De obicei rezistena R, este de valoare foarte mic.

Fig. 1.38. Generator de impuls de curent

1.3.5.2.Generatorul mixt de impulsuri

n realitate descrcrile atmosferice n sistemul electroenergetic nu produc

numai impulsuri de tensiune sau impulsuri de curent pentru a modela n laborator ambele impulsuri ntlnite n exploatarea reelelor de nalt tensiune se folosete un generator mixt format dintr-un generator de impuls de curent (pentru unda 8/20s) i un generator de impuls de tensiune conectate ca n schema din fig. 4.39.

Prin F s-a reprezentat un fuzibil cu rezistivitate mare ntins ntre sferele unui

eclator. Comanda declanrii se transmite asupra generatorului de tensiune care

aplic pe obiect un impuls. Dac obiectul de ncercat este conturnat (strpuns) de ctre impulsul de

tensiune, este scurtcircuitat circuitul generatorului de curent i fuzibil se topete. Impulsul de curent se nchide prin arcul electric format dup topirea fuzibilului.

Pentru generarea impulsului de tensiune se folosete o surs de tensiune alternativ de 50 Hz i puterea 1-2 MVA.

Schema electric principial a unui generator mixt n care obiectul de ncercat este un descrctor D este prezentat n fig. 1.40.

Generatorul de impuls de curent, ce se compune din condensatorul C,

eclatorul Ea i inductivitatea L, amorseaz descrctorul D, iar transformatorul T, la frecvena industrial creeaz curentul de nsoire prin descrctor.

Eclatorul de protecie Ep este folosit pentru a aplica modulului descrctor tensiunea de 50 Hz i pentru a-l izola de generatorul de impuls neamorsat.

nregistrrile oscilografice se fac cu ajutorul divizorului de tensiune Dt i a unturilor S1 i S2.

Fig. 1.39. Schema de principiu a

generatorului mixt

Fig. 1.40. Schema electric a generatorului mixt

Pentru ca amplitudinea i durata curentului de nsoire prin descrctor s fie maxime, aceasta se amorseaz cu ajutorul eclatorului Ea la momentul dorit al semiperioadei tensiunii alternative.

1.4. MSURRI ELECTRICE N TEHNICA TENSIUNILOR NALTE 1.4.1 Aparate i scheme pentru msurarea tensiunii Pentru msurarea tensiunii nalte se pot folosi metode directe, cnd

tensiunea se aplic direct aparatului de msur i indirect cnd tensiunea se aplic acestuia prin intermediul altui aparat (de ex. a divizoarelor de tensiune sau transformatoarelor de msur).

Dup valoarea care o msoar, aparatele de msur corespunztoare celor dou metode pot fi de dou feluri:

- aparate pentru msurarea valorii de vrf a tensiunii, cum sunt: eclatoarele cu sfere, oscilografele etc.;

- aparate pentru msurarea valorii efective a tensiunii, cum sunt: voltmetrele electrostatice, voltmetrele generatoare etc.;

Cele mai rspndite aparate pentru msurarea tensiunii alternative sunt eclatoarele cu sfere, voltmetrele electrostatice, transformatoarele de tensiune cu voltmetre de joas tensiune i divizoarele de tensiune cu diferite aparate de msur conectate pe partea de joas tensiune a divizorului. Pentru msurarea tensiunii de impuls se folosesc de regul eclatoarele cu sfere i divizoarele de tensiune cu oscilograf catodic.

1.4.1. Msurarea tensiunii nalte cu eclatorul cu sfere Cu ajutorul eclatorului cu sfere se pot msura toate tipurile de tensiuni care

se utilizeaz ntr-un laborator de nalt tensiune. El este format din dou sfere metalice de diametru egal, fixate pe doi supori dintre care cel puin unul este izolant. Una din sfere are posibilitatea de deplasare. Axul comun al sferelor poate fi orizontal pentru diametre pn la cca. 250 mm (ca n fig. 1.41), sau vertical pentru diametre mai mari.

Eclatoarele cu sfere se construiesc cu diametre de la 20 la 3000 mm. n interiorul zonei sferice cu centrul n punctul de scnteiere nu trebuie s se afle obiecte ctre care s se poat nchide liniile cmpului electric ntre sfere.

Eclatorul cu sfere reprezint un caz tipic de sistem de electrozi cu cmp slab neuniform. Ele se conecteaz n circuitul de nalt tensiune prin intermediul unei rezistene ce are dublu rol:

- limiteaz curentul prin arcul electric dintre sfere n scopul prevenirii deteriorrii acestora;

- amortizeaz oscilaiile de nalt frecven datorat tierii brute a tensiunii de ctre eclator.

Aceast rezisten poate fi de 0,5-1 V/ pentru tensiuni de durat i mult

mai mic pentru tensiuni de impuls. Msurarea tensiunii se efectueaz prin intermediul unei descrcri electrice.

n cazul tensiunilor de durat pot fi ntlnite dou metode de msurare: - meninnd constant distana ntre sfere i crescnd tensiunea aplicat; - meninnd constant tensiunea i reducnd distana ntre sfere pn la

apariia strpungerii. Dei condiiile de msurare sunt meninute pentru mai multe ncrcri

efectuate, totui rezultatele pot diferi, din care cauz se recomand mai multe serii de msurri.

Din aceste serii se selecteaz cele care nu difer cu mai mult de 3% i se face media aritmetic a lor. La eclatoarele cu diametrul sferelor mmD 125 , pentru mrirea preciziei de msurare se iradiaz spaiul de eclatoare cu un preparat radioactiv sau cu raze ultraviolete. Dac se msoar tensiunea de impuls se determin, cu ajutorul eclatorului cu sfere, de fapt valoarea de 50% amorsri. n acest caz tensiunea se menine constant, iar distana se regleaz n trepte mici. Se fixeaz o anumit distan ntre sfere i se aplic un numr de impulsuri cu aceeai amplitudine, la intervale de timp suficient de mari pentru deionizarea aerului. De obicei din distana ntre sfere se determin prin aplicarea a 10 impulsuri pentru care apar 4 sau 5 amorsri neconsecutive.

Folosirea eclatorului cu sfere pentru msurarea tensiunilor nalte nu asigur precizie maxim, din care motiv nu este utilizat n mod curent pentru msurri, ci doar pentru etalonarea altor dispozitive de msur.

n scopul unificrii metodei de msurare pe plan mondial, CEI a adoptat valorile tensiunilor de strpungere n publicaia 52 din 1960, valori reproduse de STAS 3811-63, pentru condiii atmosferice normale din mediu.

Fig.14.41. Eclator cu sfere orizontat

4.4.1. Msurarea tensiunilor nalte cu ajutorul voltmetrelor 1.4.4.1. Voltmetrul electrostatic

Voltmetrul elctrostatic este folosit, n mod uzual pentru msurarea valorii

efective a tensiunii nalte alternative. Soluia constructiv a unui voltmetru electrostatic este dat n fig. 1.42. i

este folosit pentru tensiuni ntre 50 i 200 kV.

n principiu, voltmetrul electrostatic este format din dou armturi metalice,

dintre care una este mobil. Dac se aplic o tensiune ntre aceste armturi, are loc o deplasare a electrodului mobil sub aciunea forei electrostatice. Fcnd asemnarea cu un condensator, energia nmagazinat n cmpul su electric va fi:

2

2CUW = (1.75) Dac fora electrostatic care acioneaz asupra armturii mobile este F,

deplasarea acesteia n cmp, pe distana dx, necesit consumarea unui lucru mecanic:

dL=Fdx (1.76) innd cont c variaia de energie n cmp este datorat variaiei distanei

ntre armturi, valoarea forei electrostatice va fi dat de relaia:

dxdcUF = 2

21 (1.77)

n fig. 1.42 prin 1 i 3 s-au reprezentat electrozii fici care sunt nite discuri cu margini curbate n scopul evitrii efectului de capt. Electrodul mobil 2 este susinut de axul 6. Cuplul antagonist este creat de aripioara 5 care se rotete n ntrefierul magnetului permanent 4.

Deplasarea armturii mobile sub aciunea forei electrostatice este msurat pe cale optic pe o scal gradat n kV.

Dac se variaz distana ntre electrozii 1 i 3, se modific domeniul de msurare.

Tensiunile foarte nalte se pot msura cu voltmetre construite prin modificarea unui eclator cu sfere fig.1.43, la care sfera superioar este suspendat de un lan de izolatoare i un dispozitiv cu resort. Prin blocarea dispozitivului cu resort, aparatul se poate folosi ca eclator.

Fig. 1.42. Schema de principiu a voltmetrului electrostatic

Cele mai uzuale voltmetre electrostatice sunt cele de construcie sovietic

de tipurile C-100 i C-96 pentru tensiuni maxime de 75 kVef i respectiv 30 kVef . Acestea au trei domenii de msurare, cu precizie de 1,5%, n domeniul de frecven de la 40 Hz la 5 MHz.

Pentru msurarea tensiunilor nalte alternative, domeniul de msurare al voltmetrelor electrostatice se poate extinde cu ajutorul divizoarelor capacitive sau al unui condensator auxiliar conectat n serie cu voltmetru.

1.4.3.2. Voltmetru generator Voltmetrul generator se utilizeaz pentru msurarea tensiunilor nalte

continue i cu anumite restricii i pentru msurarea tensiunilor nalte alternative. De fapt, aceste voltmetre sunt maini electrice capacitive cu excitaie

separat. Pentru msurarea tensiunilor continue nu se consum energie de la circuitul de msur. Principiul de funcionare al unui astfel de aparat este dat n fig. 1.44.

Liniile cmpului electric creat de electrodul 1, aflat la un potenial ridicat fa de pmnt, cad pe electrozii 2 i 3, izolai ntre ei. Rezult o sarcin electric a crei densitate este direct proporional cu intensitatea local a cmpului. Densitatea local a sarcinii electrice se schimb dac ntre liniile de cmp i electrozii 2 i 3 apare o micare relativ. Ca urmare apare un curent electric de egalizare, care se poate msura cu aparatul conectat ntre electrozi.

Fig.1.43. Voltmetru obinut prin modificarea unui eclator cu sfere

Fig.1.44. Principiul de funcionare al voltmetrului generator

Principiul voltmetrului generator sectorial este reprezentat schematic i n fig. 1.45.

Se compune dintr-un electrod metalic 1, la care se aplic tensiunea de msurat, un electrod metalic 2 de ecranare prevzut cu un anumit numr de ferestre, indusul 3, un electrod metalic (fix sau mobil), format din nite sectoare metalice izolate, de o anumit form, un electrod metalic 4 legat la pmnt. Indusul este rotit

de un motor cu turaie fix i este indus periodic n cmpul tensiunii de msurat. Sarcinile induse se scurg la pmnt prin capacitatea C i rezistena R, producnd un curent alternativ proporional cu intensitatea cmpului n care se afl. Pot exista dou categorii de voltmetre generatoare: voltmetre sectoriale cu simetrie plan (fig. 1.46) i voltmetre cu simetrie cilindric.

Voltmetrele generatoare sectoriale cu simetrie plan au o rspndire mai larg i sunt compuse din: placa metalic izolat a, legat la intrarea unui amplificator A; placa metalic rotitoare b, format din dou segmente (ptrimi), legate la pmnt prin intermediul axului motorului M, placa metalic, fix e izolat, format din dou segmente.

Formele electrozilor b i c (fig. 1.46) sunt alese astfel nct s se obin o variaie ct mai apropiat de sinusoid a tensiunii ce ia natere ntre ele.

Voltmetrele generatoare se pot utiliza pentru msurarea unor tensiuni foarte nalte, ntruct lipsete contactul galvanic cu circuitul de nalt tensiune. Sunt indicate pn la tensiuni de 1 MV ale surselor de putere mic.

Pentru msurarea tensiunilor nalte alternative pot fi utilizate astfel de voltmetre de tip generator, ntruct consumul de energie de la circuitul de nalt tensiune este foarte redus, datorit capacitii mici ntre acesta i aparat.

Pentru msurarea tensiunilor continue energia necesar este asigurat de motorul de antrenare.

Fig. 1.45. Schema de funcionare a voltmetrului generator sectorial

Fig. 1.46. Voltmetrul generator sectorial cu simetrie plan

1.4.5. Msurarea tensiunilor nalte cu ajutorul divizoarelor de tensiune

1.4.5.1. Divizoare de tensiune. Tipuri de divizoare

Un divizor de tensiune const n principiu din dou impedane neegale nseriate, pe care se aplic tensiunea de msurat (fig. 1.47).

Impedana Z1 care suport cea mai mare parte a tensiunii se numete bra de nalt tensiune, iar impedana Z2 care suport restul tensiunii i la care se conecteaz aparatul de msurat, poart numele de bra de joas tensiune. Aceste impedane se aleg astfel nct raportul de divizare:

21

2

1

2ZZ

ZUUK +== (1.78)

s fie suficient de mare.

Astfel valoarea maxim a tensiunii U2 va fi de cteva zeci sau sute de voli. Este necesar ca raportul de divizare s fie practic constant ntr-o plaj ct

mai larg de frecven (care cuprinde spectrul de frecven al mrimii msurate). Calitatea divizorului de tensiune va fi cu att mai bun cu ct va avea un

timp de rspuns mai mic sau o band de frecven mai mare. n funcie de elementele de circuit utilizate exist diferite tipuri de divizoare (fig. 1.48).

a- divizor rezistiv; b- divizor capacitiv; c- diviz