osnove visokonapetostne tehnike -...

Osnove visokonapetostne tehnike

Boštjan Blažič[email protected]‐lj.sileon.fe.uni‐lj.si01 4768 414

2013/14

Uvod ‐ tematika

Električno polje v visokonapetostni izolaciji– osnovne zakonitosti– izračun

Razelektritve v materialih– v homogenem polju– v nehomogenem polju– razelektritve v naravi

Izolacijski materiali– vrste

Visokonapetostna preskusna tehnika– preizkušanje materialov, ugotavljanje stanja izolacije

Prenapetosti v visokonapetostnih napravah– obremenitve izolatorjev

Proizvajanje in merjenje visokih napetosti Nastanek prenapetosti v elektroenergetskih omrežjih Koordinacija izolacije

Primer: stanje izolacije navitja generatorja

Generatorji za proizvodnjo električne energije– vzroki okvar: najpogosteje okvara statorskega navitja

minimizacija stroškov proizvodnje

Delne razelektritve – različni proizvajalci strojev

Delne razelektritve

Delna razelektritev– premostitev (preboj) dela izolacije– ne prebije celotne izolacije nehomogenost izolacijskega materiala

Dva dielektrika med elektrodama– matematični model

1 21 0 1 2 0 2

1 2

in r rS SC Cd d

1 2

2 1

U CU C

Delne razelektritve – zračni mehurček

Prisotnost zračnega mehurčka v izolaciji– preboj, ko v mehurčku presežena dielektrična trdnost zraka kondenzator Cz1 se napolni z dodatno elektrino (napetost naraste na Uz2)

Dodatna elektrina– merljiva visokofrekvenčni pulz

Delne razelektritve – vzroki

Vzroki delnih razelektritev– lokalno zvišane vrednosti električne poljske jakosti

mehurčki delaminacija (npr. zaradi nepopolnega strjevanja materiala) električna dreves (zračni kanali zaradi delnih razelektritev)

Delne razelektritve – merjenje

Merjenje energije ob delnih razelektritvah– merjenje napetostnih impulzov, ki se pojavijo na sponkah generatorja

različna frekvenčna območja meritev (100 kHz .. 3 GHz)

– on‐line, off‐line meritve filtriranje motenj iz okolice

Delne razelektritve – izvajanje meritev

Izvajanje on‐line meritev– merimo amplitudo posameznih impulzov delnih razelektritev– izvedba baznih meritev, služijo kot referenca

več primerov obratovanja

Prikaz rezultatov– velikost in število impulzov– velikost in število impulzov v časovnem prostoru

različni vzorci za različne tipe razelektritev

Delne razelektritve – ukrepi

Ukrepi ob povečani intenziteti delnih razelektritev– delne razelektritev lahko indikator težav na statorju

vibracije slabo izvedena polprevodna plast poškodbe plasti

– popravila statorja, previtje statorja


Električno polje


2013/14

Osnovne zakonitosti

V prostor okoli naelektrenega telesa vpeljemo elektrino Q– sila je sorazmerna elektrini Q in električni poljski jakosti

– polje v točki prostora: statično + inducirano

Visoke električne poljske jakosti v izolacijskih materialih– električna prebojna trdnost: mejna električna poljska jakost, pri kateri se

izolator električno poruši in prebije določanje električne poljske jakosti v odvisnosti od napetosti U

Procesi v visokonapetostni tehniki hitri:– napetost v kratkem časovnem intervalu praktično konstantna– električno polje obravnavamo kot elektrostatično

F Q E

Lorentzov zakon dF dQ E v B

(V/m)s iE E E

Osnovne zakonitosti

Elektrina– prostorska gostota elektrine– površinska gostota elektrine– dolžinska gostota elektrine

Vektor gostote električnega pretoka

(As=C)Q dQdV

V

Q dV dQdA

A

Q dA dQqdl

l

Q qdl

20

120

.

(As/m )

8,854 10 (As/Vm) dielektričnost praznega prostorar

not prostiA

prostiA V

D E E

DdA Q

DdA dV

IV. Maxwellova enačba

Osnovne zakonitosti

Električni potencial– potencial v neskončnosti 0

Električna napetost

Delo sil električnega polja– premik elektrine Q

– premik elektrine Q po zaključeni poti v elektrostatičnem polju

2 2

121 1

12 1 2 12

W Fdl Q Edl

W Q V V QU

( )T

T

V T Edl

2

1

12 1 2( ) ( )T

T

U V T V T Edl

0l

Edl

Osnovne zakonitosti

Dve naelektreni kovinski elektrodi– med njima napetost U– elektrini Q1 = ‐Q2

kapacitivnost: snovno geometrijska lastnost

Električno polje glede na porazdelitev električnega potenciala– gradient: povezava med skalarnim in vektorskim poljem

(C/V=F)QCU

, ,V V VE gradVx y z

kartezični koordinatni sistem

Izračun elektrostatičnih polj

Enostavna elektrostatična polja: osamljena mirujoča elektrina na površini prevodnega telesa:– električno polje osamljene krogelne elektrine– električno polje osamljene valjne elektrine– električno polje neskončne naelektrene ravnine

okolico naelektrenega telesa napolnjuje homogen dielektrik v okolici ni nobenega prevodnega telesa nasprotnoimensko elektrino upoštevamo v neskončnosti

Oblika električnega polja:– osamljena krogelna elektrina: prostorsko radialno polje

lahko reduciramo v točkasto elektrino

– osamljena valjna elektrina: ravninsko radialno polje lahko reduciramo v premo elektrino

– neskončna naelektrena ravnina: homogeno polje


Razelektritve


2013/14

Dielektrična trdnost in zdržnost izolacije

Izolacijski materiali med elektrodama– plinasti, tekoči, trdni

dielektrična trdnost: jakost električnega polja, ki jo dielektrik zdrži, preden se njegova struktura poruši (V/m)

dielektrična zdržnost: najvišja napetost, ki jo element še zdrži dielektrična trdnost tudi časovno pogojena zdržna napetost: najvišja napetost, ki jo element še zdrži

Testiranje izolacijskih materialov v homogenem polju– računamo s homogenim poljem, ki ga popravljamo s faktorjem η– odstopanje polja od homogenega polja: faktor izkoristka elektrodne

konfiguracije η (odvisnost od razmerja d/r0, krogelno iskrilo: η = 0,85..1)– jakost polja največja na površni elektrode, v točki, ki je najbližja drugi elektrodi

hom

max

1 2hom

max hom

... prebojna napetostp

p

EE

V VUEd d

U E d E d

U

Razelektritev

Procesi, ki povzročajo dielektrične obremenitve, so hitri: predpostavimo, da je obratovalna napetost v tem času konstantna (enosmerna)

Za razelektritev morajo obstajati gibljivi naboji– ionizacija: proizvodnja nosilcev elektrine (nevtralna molekula odda ali sprejme

elektron) na elektrodah ali v prostoru udarna (trkovna) ionizacija: pospešeni nabiti delec trči z nevtralnim in izbije

elektron‐e fotoionizacija: foton trči v nevtralni delec, povzroči ionizacijo termična ionizacija: pri visoki temp., molekule s trki povzročajo ionizacijo

– lavinska (plazovita) ionizacija: nabiti delec ima dovolj energije, da izbije nevtralnemu delcu dva elektrona zunanja ionizacija ni več potrebna zrak: 3 MV/m, izguba lastnosti izolatorja

– pramenasta ionizacija (streamer): ob močnem polju v plazu pride do razvoja streamer‐jev kot posledica fotoionizacije

– razelektritev v plinih, tekočinah in trdnih dielektrikih podobna

Razelektritev

Razelektritev– ionizacija spremeni izolatorske

lastnosti dielektrika– razelektritve: delne (tlenje oz. korona,

pramen), popolne (preskok oz. preboj izolacije –> iskra, oblok): tlenje (korona): polje je homogeno,

naboj se prazni v okoliški prostor, ne doseže nasprotne elektrode

pramen: polje je šibko nehomogeno, z višanjem napetosti se tlenje pretvarja v pramenasto plazenje (modro svetlikanje), naboj ne doseže nasprotnem elektrode

iskra: polje je nehomogeno, pride do prehodnega tokovnega pulza (energija vira ne more vzdrževati obloka)

oblok: polje močno nehomogeno, s temperaturo pogojena prevodnost

Razelektritev – naraščanje števila nosilcev naboja

Plazovito naraščanje števila nosilcev naboja– predpostavka: v električnem polju en prosti elektron, pospeševanje v polju Ei– pogoj za začetek ionizacije je dovolj visoka kinetična energija elektrona e

– generiranje novih delcev

– ionizacijski koeficient: število ionizacijskih parov na enoto razdalje zaradi začetnega elektrona

i e i ionizacijee E e U W

0 0

0

xn x

n

xx

dndn n dx dxn

n n e

n0 ..začetno število prostih elektronovnx ..število prostih elektronov na razdalji xα ..ionizacijski koeficient

255/

(splošna enačba za pline)

8,8 (zrak)E p

Ep fp

ep

Razelektritev v homogenem polju

Plazovita (lavinska) ionizacija v zraku, homogeno polje (Townsendow mehanizem)– začetno število delcev na katodi n0– število delcev prve generacije na anodi:– ioni potujejo na katodo, elektroni na anodo– ioni povzročijo na katodi novo ionizacijo

število ionov, ki dospejo do katode: elektroni druge generacije (vsak ion da γ elektr.):

– število delcev druge generacije na anodi:– število delcev k‐te generacije:

0 0d

dn n e

0 0 0 1d dn e n n e 0 1d

In n e

0 1d ddIn n e e

2 1( 1) 0 1 ..

1

d kd k

d

n n e M M M

M e

1M 1M 1M

Razelektritev v rahlo nehomogenem polju

Rahlo nehomogeno polje– upoštevamo vpliv prostorske elektrine na polje

hitro elektroni tvorijo negativno glavo plazu (velika gostota naboja) počasni ioni tvorijo razpotegnjen rep

– povečanje polja pred glavo večja ionizacija, oddajanje svetlobe zaradi fotoionizacije pride do generiranja novih plazov (pramen, streamer)

Primeri razelektritev v nehomogenem polju– Pozitivna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja– Pozitivna konica – plošča, primer kritičnega ojačenja (razvoj streamerjev)– Negativna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja

Razelektritev v nehomogenem polju

Pozitivna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja– neenakomerna razporeditev potenciala

ionizacija, ioni počasnejši od elektronov ob dotiku z anodo se elektroni nevtralizirajo poz. ioni se počasi pomikajo proti katodi• poz. ioni zmanjšajo jakost polja ob pozitivni

elektrodi• poz. ioni povzročijo, da se konica navidezno

pomakne bliže katodi (povečanje polja)


Pozitivna konica – plošča, primer kritičnega ojačenja (razvoj streamerjev)– jakost polje na koncu oblaka poz. ionov preseže Emin, pride do ionizacije

nevtraliziranje pozitivnih ionov prve lavine in elektronov ‐> sprostijo se fotoni

– sprožitev druge lavine v prostoru pred oblakom zaradi fotoionizacije ‐> streamer povečanje števila nosilcev elektrine nad 108/cm3

preskakovanje delov poti s svetlobno hitrostjo

– proces se ustavi, ko polje pade pod Emin

ionizacija se odvija daleč v prostor med elektrodama, na področje nizke jakosti E


Negativna konica – plošča, primer brez kritičnega ojačenja– neenakomerna razporeditev potenciala

ionizacija, ioni počasnejši od elektronov (hitro oddaljevanje elekt. od neg. konice) elektroni tvorijo s plinom (npr. kisik) negativne ione negativni ioni pred konico oslabijo polje, lavinski proces ni več mogoč poz. ioni gredo proti konici, poveča se jakost polja ob pozitivni elektrodi

• ponovna tvorba elektronov pred anodo je polje nekoliko povečano zaradi negativnega prostorskega naboja v splošnem je polje enakomernejše – kritična napetost je višja


Negativna konica – plošča, primer kritičnega ojačenja– lavinska razelektritev pri ostrih konicah– kritično ojačenje lavine lahko vodi do streamerjev

Iskra in električni oblok

Pramenasta razelektritev (streamer) premosti vso razdaljo– zaradi majhne prevodnosti napetost ne upade v trenutku– več pramenastih razelektritev: povzroči termo‐ionizacijo (segrevanje kanala)

povečanje prevodnosti razelektritvene poti povečanje prevodnosti povzroči nadaljnje povečanje toka in razvijanje toplote ob konici se pojavi svetel, vroč kanal (ioniziran zrak oz. plazma) rast svetlega, vročega kanala: vodilna razelektritev (iskra ali leader)

– oblok nastane, ko iskra premosti celotno razdaljo med elektrodama

Razelektritev ob izmenični napetosti

Obremenitev z izmenično napetostjo– enaki procesi kot pri enosmerni napetosti– pojavi ob razelektritvi hitri – predpostavimo konstantno napetost v času pojava

Potek razelektritev pri višanju napetosti– najprej nastopijo impulzi pri temenski vrednosti negativne polperiode– pri višanju napetosti pride pri obeh polperiodah do stalnega razelektrenja

(pojav korone)– pri nadaljnjem višanju napetosti pride do pramenaste razelektritve– sledi porušitev dielektrične trdnosti zraka

Delne razelektritve

Delna razelektritev: premostitev (preskok) dela poti med elektrodama– nehomogenosti pri izdelavi dielektrika– zdravi del izolacije premostitev zdrži– večinoma nastopa v trdni izolaciji

Zračni mehurčki v trdni izolaciji– manjša dielektričnost mehurčka, večja

možnost preboja ob izmenični napetosti 100 prebojev na

sekundo

– erozija dielektrika (povečanje defekta) zaradi bombardiranja notranje površine mehurčka (ioni, kemične reakcije, pregrevanja…)

– lahko privede do popolnega preboja izolacije

ACd

Delne razelektritve

Primer razelektritve na mehurčku– kapacitivnosti: a..zdrav del izolacije, b..zdrav del izolacije v cevki, kjer je

mehurček, c..kapacitivnost mehurčka– ob preboju kondenzatorja c se rekombinira elektrina Qc znotraj mehurčka– napetost na kondenzatorju b se poveča za Vc

– kondenzator b se napolni z dodatno elektrino visokofrekvenčni pulz, merljiv učinek delnih razelektritev

– obremenitev z izmenično napetostjo delna razelektritev vsakič, ko napetost preseže mejno vrednost

c b

b c

b b c

V CV CQ C V

Razelektritve v naravi

Pogoji za nastanek strele:– potrebni pogoji: vlaga, kondenzacijska jedra, toplota (termično strujanje zraka)– kapljica naelektrene– kopičenje poz. nabitih delcev v zgornjem delu, neg. v spodnjem delu– večin strel znotraj oblaka

Nastanek strele:– dielektrična trdnost zraka s kapljicami: 10 kV/cm– do ionizacije zraka začne prihajati pri oblaku

iz streamerja nastane leader (dolžina 5‐50 m) ko se leader približa tlom pride do preskoka (povratni udar) če so v oblaku še dodatna območja s presežkom negativnega naboja lahko pride do

novega leaderja

Določanje lokacije atmosferskih razelektritev

Načini določanja lokacije atmosferskih razelektritev:– smerni– časovni– kombiniran


Smerni način– senzorji, ki zaznajo azimut elektromagnetnega vala (ortogonalna antena)– bistveno je natančno merjenje azimuta– za izračun zadostujeta dva senzorja, natančnost povečamo s tremi– za izračun mesta se upošteva tudi ukrivljenost zemlje


Časovna metoda– merjenje časa detekcije elektromagnetnega vala (vsak senzor zazna točen čas

detekcije)– potrebna sinhronizacija senzorjev (GPS)– potrebni najmanj štirje senzorji


Kombinirana metoda– kombinacija smernega načina in časovne metode– dobra točnost tudi pri topem kotu– sodobni sistemi detekcije pogosto kombinirani


Slovenski center za avtomatsko lokalizacijo atmosferskih razelektritev (SCALAR)– senzorji IMPACT (časovni+smerni), LPATS (časovni), LS (časovni)– določitev najverjetnejše točko udara in njej pripadajočo elipso napake,

elipsasto področje napake je določeno s 50 % verjetnostjo– mogoče izdelati karte gostote strel z resolucijo 100 m x 100 m

Atmosferske razelektritve

Verjetnostna in kumulativna porazdelitev amplitud– verjetnost amplitude toka strele na določenem območju

Verjetnostna porazdelitev Kumulativna porazdelitev


Izolacijski materiali


2013/14


Delitev: plinasti, tekoči, trdni

Plinasti dielektriki (zrak, SF6, helij, vodik…)– dielektrična trdnost odvisna od tlaka plina– uporaba ob normalnem tlaku 1 bar zahteva veliko prostora– plini: zrak, SF6, helij (superprevodnost), vodik (veliki generatorji)– uporaba SF6 (GIS, GIL):

uporaba plina pod tlakom, majhne dimenzije postrojev

Prebojna trdnost v odvisnosti od tlaka GIS 110 kV, Siemens


Tekoči dielektriki (mineralna in sintetična olja, ogljikovodiki, askareli ‐ PCB…)– viskoznost, sposobnost odvajanja toplote, obnavljanje razelektritvene poti– uporaba: izolacijski material, impregnacijski material, hladilno sredstvo, gasilno

sredstvo…– olja: velika dielektrična trdnost, uporabno za odvod toplote, veže vodo, je

vnetljivo prevodnost:

• polarizacijski tok• premikanje prostih elektrin• zmanjševanje prevodnosti zaradi zmanjševanja števila hitrih nosilcev• stacionarni tok (ioni, ki nastajajo)

Prevodnost v odvisnosti od časa


Trdni dielektriki (keramika, steklo, papir, sljuda, umetne mase…)– poleg dielektrične zdržnosti še mehanska trdnost– običajno so tudi toplotni izolatorji– dielektrična trdost:

po preboju se struktura ne obnovi (neobnovljiva izolacija) preboji:

• električni preboj (polje E)• toplotni preboj (segrevanje, dielekt. izg.)• napake v materialu, staranje (delne razel.)

Življenjska doba izolacije odvisna od temperature

0

00 2ž žT T

Tž življenjska dobaTž0 izhodiščna življenjska dobaθ0 temperatura, ki ustreza izhodiščni življenjski dobiθ dejanska temperaturaΔ0 povišanje temperature, ki zmanjša življenjsko dobo za polovico

Časovna odvisnost prebojev

Ugotavljanje stanja izolacije

Stanje izolacije pomemben indikator zanesljivosti elementa– spremljanje stanja od izdelave elementa naprej (med postopkom izdelave,

pred vgradnjo, med obratovanjem oz. ob zaustavitvah)– občasno in sprotno spremljanje stanja izolacije– postopki:

destruktivni (ugotavljanje maksimalne zdržnosti) potencialno destruktivni (preizkušanje pod nazivnimi pogoji) nedestruktivni (npr. preverjanje vlažnosti dielektrika)

Stanje izolacije – izolacijska upornost

Merjenje izolacijske upornosti– merjenje upornosti v odvisnosti od časa– napajanje z enosmerno napetostjo, merjenje toka

(vseh odvodnih tokov med dvema kovinskima deloma – elektrodama)

– ugotavljanje globalnega stanja izolacije napajalna napetost mora biti konstantna

dui Cdt

15 115 /60 1 /10

60 10

i iIP IPi i

Časovni potek toka– polarizacijski tok posledica dipolskih elementov

dielektrika, počasi pojema– kondukcijski tok, proporcionalen U, konstanten– polarizacijski indeks: razmerje med tokovoma ob

različni časovnih intervalih (splošni kriterij za oceno stanja izolacije)

– empirični kriteriji za vrednosti indeksa IP (večji trans. in generatorji) npr. IP1‘/10‘ > 2,5 (manjša vrednost nakazuje vlažno

izolacijo)

0n

pi k U t

Stanje izolacije – koeficient absorpcije

Merjenje toka ob skokovitem večanju napetosti– primerjava idealnih vrednosti toka z izmerjenimi– idealna sprememba toka:

konduktivna komponenta: linearno večanje z napetostjo

polarizacijska komponenta:

– trajanje meritve 30‘ napetost stopničaste oblike, stopnice enakih višin pet stopnic, trajanje: 10‘, 15‘, 20‘, 25‘, 30‘ idealni (izračunan) tok po 30‘:

primerjava izmerjenih in izračunanih vrednosti, pri dobri izolaciji vrednosti pod 2

0n

pi k U t

0

30

2

30 20 15

10 5 5

nt pt k k

n n n

n nk

i i i k U t i

i k U k U k U

k U k U i

15_ 20_15 20

15_izračun 20_izračun

...meritev meritevi iK K

i i

U

ICx

IRx

ω

I

δ

Stanje izolacije – dielektrične izgube

Dielektrične izgube: izgube v dielektrikih zaradi polarizacijskih (delno tudi kondukcijskih) tokov

Ponazoritev elektrodne konfiguracije z dielektrikom: kondenzator in upor– serijska vezava, paralelna vezava– kot dielektričnih izgub izražamo z vrednostjo tgδ (izgubni faktor)

2

izg Rx Cx x

izg x

P I U U I tg U U C tg

P U C tg 2

/

1/

izg Rx Cx x

izg x

P I U I U tg I I C tg

P I C tg

Stanje izolacije – dielektrične izgube

Merjenje dielektričnih izgub s Sheringovim mostičem– merjenje kapacitivnosti Cx in izgub Rx med VN in SN navitjem TR– CN standardni kondenzator (zanemarljive izgube)– uravnavanje mostiča dokler Iizenačevalni = 0

1

2

44

3

44

4 3

1

1

1

1

xx

N

Z R jC

Z jC

R jC

ZR j

CZ R

2 1

3 4

Z ZZ Z

4

3

43

x N

xN

RC CRCR RC

Stanje izolacije – delne razelektritve

Merjenje delnih razelektritev– načini: električno, zvočno, optično– problem merjenja so motnje– merjenje impulzov: amplituda, faza, število

Merilno vezje– vir z regulacijo, filter za filtriranje motenj iz omrežja– merilnik delnih razelektritev– sklopni kondenzator Ck (majhna impedanca za visokofrekvenčno praznitev)

Razporeditev potenciala vzdolž dolgih struktur

Nelinearna razporeditev potenciala na izolatorski verigi– c: kapacitivnosti proti masi– k: kapacitivnosti proti faznemu vodniku


Primer: upoštevamo samo kapacitivnosti c (proti zemlji)

2

2

2

2

1'

'

1 1

x g

dU IZ dx I dxC

dI UY dx U c dx

dU d U dIIdx C dx dx CdI U cdx

d U c Udx C

sh x cU Ush l C

Razporeditev potenciala izolatorske verige z 10 členi(najbolj obremenjeni elementi blizu vodniku)

Potencial na oddaljenosti x na izolatorski verigi dolžine l (Ug ‐napetost vodnika)


Primer: upoštevamo samo kapacitivnosti k (proti faznemu vodniku)

Primer: upoštevamo kapacitivnosti k in c

2

2

( ) 1

g

x g

d U k U Udx C

sh x l kU Ush l C

Razporeditev potenciala izolatorske verige z 10 členi(najbolj obremenjeni elementi blizu zemlje)

2

2

/ / C

g

x g

d U c kU U Udx C C

sh x sh x l sh NU U

sh lc C k

2 4 6 8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0


Proizvajanje in merjenje visokih napetosti in tokov


2013/14

Preizkušanje električne opreme

Za elektroenergetski sistem je ključna zanesljivost posamičnih komponent Preizkušanje električne opreme:

– v fazi načrtovanja– v fazi proizvodnje– v času vgradnje in obratovanja

preverjamo: električne, termične, mehanske, kemične…lastnosti

Proizvajanje visokih izmeničnih napetosti

Izvori visokih izmeničnih napetosti– serijski resonančni krog– visokonapetostni preskusni transformatorji

I

U UC

UL

ω

Proizvajanje visokih izmeničnih napetosti

Izvori visokih izmeničnih napetosti– vezava transformatorjev v kaskado– dodatno navitje na izhodnem potencialu ‐> napaja primarno navitje

naslednjega transformatorja izolacijska trdnost VN navitja proti NN navitju in ohišju je pri vseh tr. enaka ohišja tr. morajo biti izolirna proti zemlji (podstavki) za napetosti Uv1, Uv1+Uv2,

Uv1+Uv2+Uv3

Merjenje visokih izmeničnih napetosti

Navadno merimo temensko vrednost napetosti:– merjenje s krogelnim iskriščem

• znan premer krogel in razdalja med njima• znana prebojna trdnost zraka pri normalnih pogojih (20 °C, 1 bar)• znana odvisnost prebojne trdnosti zraka od tlaka in temperature

– merjenje srednje vrednosti kapacitivnega toka kondenzatorja– merjenje preko napetostnega delilnika (najpogosteje kapacitivni delilnik)


Merjenje srednje vrednosti kapacitivnega toka kondenzatorja– kondenzator, vezan v seriji z usmernikom

majhne dielektrične izgube, natančna vrednost kapacitivnosti

– merimo srednjo vrednost toka

/2

0/2

0

1

1 1 2 2

2

T

M C C

T u

Mu

M

dui i t dt i t CT dt

du Ci C dt Cdu u f C uT dt T Tiuf C


Merjenje temenske vrednosti preko kapacitivnega delilnika– kondenzator CM se polni preko diode do temenske vrednosti– počasno praznjenje kondenzatorja (sledenje spreminjanju napetosti)

1 21 2

1

C Cu u

C

Proizvajanje visokih enosmernih napetosti

Uporaba visokih enosmernih napetosti– preizkušanje, raziskave (ustvarjanje visokih vrednosti polj, udarni generatorji)– enosmerni prenos električne energije

Parametri enosmerne napetosti– enosmerno napetost dobimo z usmerjanjem

aritmetična srednja vrednost

temenska vrednost prenihaja (amplituda valovitosti)

relativno odstopanje od srednje vrednosti (valovitost)

0

1

T

U u t dtT

max min0,5 U u u

max min0,5'

u uU

U


Enofazno vezje, polvalno usmerjanje

– glajenje s C


Dvofazno vezje– srednji odcep– manjša valovitost


Trifazno vezje– manjša valovitost


Pomnožitveno vezje– za proizvodnjo najvišjih napetosti, majhni tokovi (do nekaj 100 mA)– točka 1 negativna, točka 2 pozitivna: polnjenje C1 na napetost U√2– točka 1 pozitivna, točka 2 negativna: polnjenje C2 na napetost 2∙U√2– točka 5: pozitivna napetost proti zemlji 4∙U√2


Van De Graaf‐ov generator– elektrostatični generator– površinska gostota naboja na

kondenzatorju CDE

– tok je premo sorazmeren hitrosti

– naraščanje napetosti na zgornjo elektrodi s kapacitivnostjo C

ch chI t v b tQUC C C

e DEQ a b U C

I v b

Merjenje visokih enosmernih napetosti

Uporovni delilnik

1 2

1 2 2

1 1 2

2 2

U UIR R R

U R RU R

Proizvajanje visokih udarnih napetosti

Udarne napetosti– naprave podvržene napetostnim udarom

atmosferske prenapetosti (udar strele) stikalne prenapetosti (preklopi v omrežju)

– udarna napetost: enkraten pojav dvojne eksponencialne oblike

*2 1

t tu t U e e


Udarne napetosti– atmosferski napetostni udar 1,2/50 μs (trajanje čela, trajanje hrbta)

• O1 čas začetka udara, od izhodišča do presečišča daljice AB z absciso• T1 čas trajanja čela; čas od začetka do trenutka, ko daljica AB seka temensko

vrednost vala• T2 čas trajanja hrbta; čas med O1 in trenutkom, ko napetost upade na 50 %


Udarne napetosti– stikalni napetostni udar 250/2500 μs (trajanje čela, trajanje hrbta)

• Tp čas čela; čas med začetkom in temensko vrednostjo• T2 čas hrbta; čas od začetka do trenutka, ko napetost upade na 50 %• T1 čas, ko udar presega 90 % temenske vrednosti


Udarne napetosti– odrezan udar: oblika prenapetosti, ko pride do preboja enega od elementov

omrežja hitra sprememba napetosti obremeni elemente omrežja dodamo iskrišče paralelno k preizkušanemu objektu ali viru (upravljano proženje)


Udarni generator– v kondenzator C1 dovedemo ustrezno energijo (iz usmernika)– prenos potenciala kondenzatorja preko iskrišča (hitro stikalo)– polnjenje kondenzatorja C2 preko Rs (C2 << C1)– Rs,Rp in C2 namenjeni določitvi časa čela in hrbta udara

– najvišja akumulirana energija

2 1

2 1

2 1

1 2 2 1 2

1 2

3 0,72

t t

t t

s p

čela hrbta

u t U e e

u t U e e

R C R C C

T T

21 1

2CUW


Večstopenjski udarni generator –Marxova vezava– polnjenje kondenzatorjev Cs1 – Cs5

preko polnilnih uporov RL– vžig preko sprožitve iskrišča VI

(preko VN impulznega transformatorja)

– na C2 se pojavi napetost dvojne eksponencialne oblike (kondenzatorji Cs vezani serijsko)

Merjenje udarnih napetosti

Pomembne parazitne induktivnosti in kapacitivnosti Napetostni delilniki

– kapacitivni– uporovni– uporovno kapacitivni

Proizvajanje velikih udarnih tokov

Generator udarnih tokov– preizkušanje elementov, ki odvajajo tok strele– časovni potek toka

preskus zdržnosti: TČ=4 μs, Th= 10 μs preskus zaščitne sposobnosti: TČ=8 μs, Th= 20 μs

Proizvajanje velikih udarnih tokov

Generator udarnih tokov– kondenzator (velika kapacitivnost) praznimo preko dušilke (tokokrog s serijskim

dušenjem)– dušen sinusni tok frekvence, ki jo določata L in C


Prenapetostna zaščita


2013/14

Prenapetosti v elektroenergetskih omrežjih

Prenapetosti glede na mesto nastanka– notranje; izvor znotraj omrežja

kratki stiki, stikalni manevri, Ferrantijev efekt…

– zunanje; izvor zunaj omrežja atmosferski udari (razelektritev direktno v napravo omrežja) atmosferske prenapetosti (zaradi induktivne povezave, zaradi dviga potenciala

zemlje…)

Zunanje prenapetosti

Atmosferske prenapetosti– direkten udar v vodnik

dvig potenciala vodnika proti zemlji (masi) preboj izolacije (ostala izolacija čuti odrezan udar)

Uporaba zaščitnega vodnika (ščitenje pod kotom 30°)– dvig potenciala stebra ob udaru

možnost povratnega preskoka

– upoštevanje valovne upornosti stebra oz. upornosti ozemljila

Udar v vod, tok strele se razdeli na obe strani, toku se upira valovna upornost voda

310 10 450 4,5 MV2

V

F Z V

LZCIU Z

Notranje prenapetosti

Notranje prenapetosti– posledica hitre spremembe toka ob vklopih/izklopih

nihanja napetosti zaradi elementov z R, L in C

Delitev notranjih prenapetosti– stikalne prenapetosti

trajanje reda milisekund udarni karakter (oblika)

– časne prenapetosti trajanje od nekaj sekund do nekaj 10 sekund zemeljski stik, izguba bremena…

Stikalne prenapetosti

Stikalne prenapetosti– izvori

• vklop dolgega neobremenjenega voda• vklop voda z neobremenjenim transformatorjem na koncu• ponovni vklop voda (prisoten naboj od prejšnjega vklopa)• izguba bremena• vklop/izklop transformatorja• izklop kratkega stika

Vklop neobremenjenega voda– merimo napetost na C

• enačba napetosti

• napetost po trenutku vklopa

• napetost na kondenzatorju

vklopi/izklopi C, L

( ) 1( ) sdi tu t Ri t L i t dtdt C

sin s su t U t

1sin sin tc cu t U t Ae t

Časne prenapetosti

Časne prenapetosti– izvori

• Ferrantijev pojav• ferroresonanca• kratki stiki

Ferrantijev pojav– dvig napetosti na koncu neobremenjenega voda

kapacitivnost prevlada nad induktivnostjo

Povišanje napetosti pri vodu dolžine 135 km pribl. 1 %

Časne prenapetosti

Ferroresonanca– resonančni pojav zaradi zasičenja magnetnih jeder

• napetost UC premo sorazmerna toku• napetost UL sledi magnetilni karakteristiki dvigujemo napetost vira E nezveznost, ko bi za povečanje toka morali zmanjšati

E, pride do spremembe obratovalne točke iz 1 v 2 točka 2: kapacitivni karakter napetost E v 2 enaka kot v 1, UL in UC znatno večji prehod iz 1 v 2 povezan z nihanjem toka, kar povzroči prenapetosti

Časne prenapetosti

Ferroresonanca– primer nastopa serijske resonance

vir: Maležič, ‚Zaznavanje pojava resonance v EES‘

Časne prenapetosti

Prenapetosti ob kratkih stikih– prenapetosti močno odvisne od strukture in ozemljitve omrežja

Izolirana nevtralna točka– upoštevanje kapacitivnosti vodnikov proti zemlji– ob 1p k.s.: okvarjen vodnik dobi potencial zemlje, zdrava vodnika imata proti

zemlji medfazne napetosti– bremena v NN omrežju 1p k.s. ne čutijo

pred k.s.

k.s.

30 0 3 1 L L LI j C U

Časne prenapetosti

Resonančno ozemljeno zvezdišče– kapacitivni tok na mestu 1p k.s. lahko nevtralizira induktivni tok tuljave

priključene v nevtralno točko transformatorja (Petersenova dušilka)– mogoče obratovanje z okvaro– samougasnitev obloka

Časne prenapetosti

Ozemljitev preko ohmskega upora– omejevanje kratkostičnega toka z uporom– 20 kV omrežje: upor 80 , tok 1p k.s. 150 A– k.s. tok vsota ohmskega in kapacitivnega toka– uporaba APV

Časne prenapetosti

Direktno ozemljeno zvezdišče– nizke prenapetosti (blizu vrednosti faznih napetosti)

Časne prenapetosti

Ozemljitev omrežja

Zniževanje prenapetosti

Iskrišče– iskrišče: dva rogljiča na določeni razdalji– znižanje prenapetosti odvisno od razdalje elektrod

iskrišča (ta določa preostalo napetost, t.j. zaščitni nivo)

– če je napetost večja od preskočne, se iskrišče premosti, veže vodnik z zemljo oblok ne ugasne sam, potreben izklop voda

– preskočna napetost odvisna od strmine vala Prenapetostni odvodnik

– iskrišču dodan nelinearni upor (SiC) nelin. upor: višja kot je U, manjši je R po prehodu prenapetosti se poveča R in prekine

tok, počasno ugašanje (ni odrezanega vala)

– kovinsko oksidni odvodnik brez iskrišča (ZnO) Izolacijski nivo ščitene naprave mora biti višji od

zaščitnega nivoja prenapetostnega odvodnika

zdrž zaščU U

Prenapetostni odvodniki

Karakteristika– kombinacija iskrišče –

prenapetostni odvodnik (SiC) po delovanju ni k.s. preostala napetost na

SiC uporu

– samo prenapetostni odvodnik (MOV – ZnO) stalen tok skozi odvodnik

Koordinacija izolacije

Usklajevanje dielektrične zdržnosti opreme z napetostmi, ki se pojavljajo v omrežju (z upoštevanjem zaščitnih naprav)– tehnično in ekonomsko optimalna rešitev


Napetosti v sistemu– nazivna napetost Un: uporabljena za identifikacijo sistema– najvišja napetost sistema: najvišja vrednost obratovalne napetosti (normalno

obratovalno stanje)– najvišja napetost opreme Um: najvišja efektivna napetost, za katero je bila

izdelana oprema (normalno obratovalno stanje) Prenapetosti

– fazna ali medfazna napetost s temensko vrednostjo višjo od napetosti opreme Um

Delitev prenapetosti (glede na trajanje in obliko)– časne: izmenične prenapetosti omrežne frekvence z dolgim trajanjem (nedušene,

slabo dušene)– prehodne prenapetosti: kratkotrajne (nekaj ms ali manj), močno dušene

• s položnim čelom• s strmim čelom• z zelo strmim čelom

– kombinirane prenapetosti: sestavljene iz obeh komponent


Delitev prenapetosti (IEC 60071)


Zdržnost izolacije– standardne najvišje napetosti opreme Um

• območje I: 1 kV do 245 kV• območje II: nad 245 kV

– standardne zdržne napetosti za definiranje izolacijskih nivojev preizkusne napetosti za preizkus zdržnosti• kratkotrajna zdržna napetost U50Hz (časne prenapetosti)• atmosferska zdržna udarna napetost U1,2/50 (prenapetosti s strmim čelom)• stikalna zdržna udarna napetost U250/2500 (prenapetosti s položnim čelom)

– preizkus zdržnosti• konvencionalna zdržna napetost: ne dopuščamo nobenega preskoka• statistična zdržna napetost: dopušča se delež preskokov (zdržna verjetnost 90 %)

Postopek koordinacije izolacije

Koordinacija izolacije– izbira standardnih zdržnih

napetosti– določitev standardnega

izolacijskega nivoja izolacija naj bi zdržala

notranje prenapetosti

Postopek


Določitev značilnih prenapetosti Urp

– določitev napetosti in prenapetosti, ki obremenjujejo izolacijo temenska vrednost, oblika, trajanje

– upoštevanje naprav za omejevanje prenapetosti (iskrišča, odvodniki)– za vsako skupino prenapetosti se določi reprezentativne prenapetosti

maksimalne vrednosti, skupine temenskih vrednosti, verjetnostna porazdelitev temenskih vrednosti (Um, U50Hz, U1,2/50, U250/2500)

Določitev zdržnih napetosti koordinacije izolacije Ucwob upoštevanju obremenitev naprave– izbira izolacije glede na tveganje odpovedi– določitev najnižjih vrednosti zdržnih napetosti

Določitev zahtevanih zdržnih napetosti Urw

– pretvorba usklajenih zdržnih napetosti Ucw na standardne preizkusne pogoje

– ka: korekcija atmosferskih pogojev (upoštevanje dejanskih pogojev v obratovanju)

– ks: različne kakovosti izdelave, staranje izolacije, razlike pri konstrukciji in montaži…

rw a s cwU k k U


Izbira nazivnega izolacijskega nivoja– določitev ekonomsko najbolj upravičenih skupin standardnih zdržnih napetosti

Uw

– pri preizkušanju izolacije z Uw pokažemo, da ta zadosti zahtevanim zdržnim napetostim Urw

določimo standardno vrednost za Um

določimo standardno zdržno napetost Uw (izberemo prvo višjo vrednost od Urw) standardni izolacijski nivo dvigujemo navzgor, dokler niso vse Urw nad Uw

Določitev zdržnih napetosti Ucw

Deterministična metoda– kadar ni na voljo statističnih podatkov o pogostosti okvar– uporabimo faktor koordinacije izolacije kc

Statistična metoda– upoštevamo:

• pogostost vzroka prenapetosti, verjetnostna porazdelitev napetosti, verjetnost preskoka na izolaciji

– določitev sprejemljivega tveganja• pogostost okvar podana z verjetnostjo preskoka Rpr

• f(U)..porazdelitvena funkcija prenapetosti• P(U)..verjetnost preskoka pri določeni napetosti

• verjetnostjo preskoka za več prenapetosti

cw c rpU k U

0

prR f U P U dU

1 2 31 (1 )(1 )(1 ) pr pr pr prR R R R


Telegrafska enačba


2013/14

Model voda

Nadzemni oz. kabelski vod– elementa s porazdeljenimi parametri

– r, l, c– opišemo s telegrafsko (valovno) enačbo širjenje elektromagnetnih valov vzdolž voda– v časovnem prostoru– pri obratovalni frekvenci (v frekvenčnem prostoru)

Izpeljava – frekvenčni prostor

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

lim 0

( )

U x x z x I x U xU x x U x z x I xU x x U x z I x

x

xdU z I xdx

( ) ( ) y ( )

( ) ( ) y ( )

( ) ( ) y ( )

lim 0

y ( )

I x x I x x U x x

I x x I x x U x x

I x x I x U x xx

xdI U xdx

' '' '

z R j Ly G j C

Izpeljava – frekvenčni prostor

2

2

( )

( )

dU z I xdxd U dI xzdx dx

2

2

y ( )

( )y

dI U xdxd I dU xdx dx

2

2

2

2

d U z y Udxd I z y Idx

konstanta širjenja

z y

valovna (karakteristična) impedanca/admitanca

v v

yzZ Yy z

Rešitev v splošni točki x

Rešitev za začetek voda, x=l– četveropolna predstavitev voda

– nadomestno vezje dolgega voda

– nadomestno vezje kratkega voda

Rešitev – frekvenčni prostor

22

22

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

v

v

U x ch x U Z sh x I

I x Y sh x U ch x I

1 2

21

( ) ( )( ) ( )

v

v

ch l Z sh lU UY sh l ch lI I

( )

1 ( )2 2

v

v

Z Z sh l

lY thZ

2 2

Z z ly lY

Rešitev v splošni točki x

Zapis s eksponencialnimi funkcijami

– prvi člen: direktni sinusni (dušeni) val, drugi člen: odbiti sinusni (dušeni) val– napetost v poljubni točki je vsota obeh valov

– vod zaključen z Zv: ni odbitega vala

Potujoči valovi – frekvenčni prostor

22

22

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

v

v

U x ch x U Z sh x I

I x Y sh x U ch x I

2 22 2

2 2 2 2

1 1( ) ( ) e ( ) e2 21 1( ) ( ) e ( ) e2 2

x xv v

x xv v

U x U Z I U Z I

I x I Y U I Y U

e e cos sin

e cos sin

x j x x j x x

x x

e e e x j x

e x j x

22

v

UIZ

Vod zaključen z Zv: ni odbitega vala

Idealni vod zaključen z Zv (naravna obremenitev voda)

– U in I imata konstantno amplitudo vzdolž voda in sta v fazi

Potujoči valovi – frekvenčni prostor

2 22 2

2 2 2 2

1 1( ) ( ) e ( ) e2 21 1( ) ( ) e ( ) e2 2

x xv v

x xv v

U x U Z I U Z I

I x I Y U I Y U

22

v

UIZ

z y R j L G j C

j LC

v

v

z R j LZy G j C

LZC2 2

2 2

( ) e e

( ) e e

x j x

x j x

U x U U

I x I I

Izpeljava – časovni prostor

( , )( , ) ' ' ( , ) ( , )

( , )( , ) ( , ) ' ' ( , )

( , ) ( , ) ( , )' ' ( , )

lim 0( , ) ( , )' ' ( , )

i x tu x x t L x R x i x t u x tt

i x tu x x t u x t L x R x i x tt

u x x t u x t i x tL R i x tx t

xu x t i x tL R i x tx t

' '' '

z R j Ly G j C

( , )( , ) ' ' ( , ) ( , )

( , )( , ) ( , ) ' ' ( , )

( , ) ( , ) ( , )' ' ( , )

lim 0( , ) ( , )' ' ( , )

u x x ti x x t C x G x u x x t i x ttu x x ti x x t i x t C x G x u x x t

ti x x t i x t u x x tC G u x x t

x t

xi x t u x tC G u x tx t

Izpeljava – časovni prostor

2

2

( , ) ( , )' ' ( , )

( , ) ( , ) ( , )' '

u x t i x tL R i x tx tu x t i x t i x tL Rx t x x

2

2

( , ) ( , )' ' ( , )

( , ) ( , ) ( , )' '

i x t u x tC G u x tx ti x t u x t u x tC Gx t x x

2 2

2 2

2 2

2 2

( , ) ( , ) ( , )' ' ( , ) ( ' ' ' ') ( ' ')

( , ) ( , ) ( , )' ' ( , ) ( ' ' ' ') ( ' ')

u x t u x t u x tR G u x t R C L G L Cx t ti x t i x t i x tR G i x t R C L G L Cx t t

2 2

2 2

2 2

2 2

( , ) ( , )' '

( , ) ( , )' '

u x t u x tL Cx ti x t i x tL Cx t

Idealni vod

Rešitev v splošni točki x• vsota potujočega in odbitega vala

Rešitev – časovni prostor

( ) e e1( ) e e

x x

x x

v

U x U U

I x U UZ

Primer nadzemni vod – kabelski vod – nadzemni vod

Potujoči valovi

vir: diploma D. Žabjek, Atmosferske prenapetosti

Potujoči valoviPotovanje vala Polariteta u in i glede na smer vala

Udar strele – dva zrcalna valaSrečanje in prehod valov

Primer prehoda nadzemni vod – kabelski vod Primer prehoda kabelski vod – nadzemni vod – neobremenjeni transformator

Potujoči valovi


HVDC


2013/14

HVDC

Zgodovina– prva komercialna DC povezava leta 1954 (živosrebrni usmernik)

Švedska, podmorski kabel, 96 km, 20 MW

– 1970‐a polprevodniški stikalni elementi (tiristor, še vedno prevladuje) 1972, Quebec, +/‐ 130 kV, 312 MW, 73 km Tri doline, Kitajska, 10.2 GW, približno 1000 km

– GTO, IGBT Uporaba

– prenos električne energije na dolge razdalje npr. več kot 400 ‐ 500 km

– podmorski kabli povezave daljše od 30 km (problem visokih kapacitivnosti – potrebna kompenzacija)

– t.i. back‐to‐back povezava Povezava dveh asinhronih sistemov

HVDC

HVDC v Evropi– Obstoječe povezava

(rdeče), povezave v izgradnji (zeleno) in načrtovane povezave (modro)

– Pretežno podmorski kabli

Vir

Wik

iped

ia

HVDC

HVDC v Severni Ameriki (kapaciteta 20 GW)

Vir:

ww

w.c

lean

linee

nerg

y.co

m

HVDC

HVDC Nova ZelandijaConverterStation Pole 2 Pole 3

Commissioned 1991 May 2013

Manufacturer ABB Siemens

Operatingvoltage −350 kV +350 kV

Converternominal rating 560 MW 700 MW

Short term overload rating 840 MW for 5 s 1000 MW for

30 min

Thyristor type

4" (100 mm) diameter, electrically triggered, water cooled

5" (125 mm) diameter, light triggered, water cooled

Valve maximumcontinuouscurrent rating

2,000 A 2,860 A

Thyristor peakreverse voltage 5.5 kV >7.5 kV

Thyristors per valve 66 52

Thyristors per station 792 624

Quadrivalvemass 20 tonnes 17 tonnes

No of convertertransformers

8 total: 3 plus 1 spare at each converter station

8 total: 3 plus 1 spare at each converter station

Convertertransformermass

324 tonnes, including oil

330 tonnes, including oil

Vir:Wikipedia

HVDC

Prednosti DC prenosa– kabli: pri izmenični napetosti problematična kapacitivnost kabla– DC vodi ne potrebujejo vmesne kompenzacije jalove moči– možna povezava različnih sistemov

poljubni koti asinhroni sistemi

– ni skin efekta– omogoča hitro regulacijo moči voda (vpliv na stabilnosti sistema)

2 2

sin 1 cossV VP QX X

P

Q

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0d

0.5

1.0

1.5

2.0P, Q

Power transmission as a function of d

AC prenos

HVDC

Slabosti DC prenosa– visoka cena pretvornikov– interferenca z IKT sistemi – vpliv na navigacijske sisteme– problematično prekinjanje DC toka– visoka poraba jalove moči pretvornikov

HVDC

Vrste HVDC povezav– monopolarne

en vodnik, zemlja nevtralni vodnik

– bipolarne dva vodnika (+ in ‐) dva neodvisna sistema

– homopolarne dva vodnika (‐ in ‐), zemlja nevtralni vodnik

117

Monopolarna

Bipolarna Homopolarna

+

−

−

−

HVDC

Komponente sistema– pretvornik: AC/DC in DC/AC pretvorba– gladilne dušilke (velike, npr. 1,0 H)– harmonski filtri (pretvornik generira haronike)– jalova moč: poraba Q (približno 50 % delovne moči)

118

Prekinjanje DC tokov?

Reactive power source

AC filter AC filter

Reactive power source

DC filter

DC smoothing

reactor

HVDC

Tiristor – statična karakteristika– delno krmiljen element, štiri‐slojni, komercialna uporaba v 1970‐ih– tri elektrode: anoda, katoda, prožilna elektroda– prevaja ko V > Von in ko je na prožilni elektrodi prisotna pozitivna napetost

(pulz Ig)tiristor ostane vklopljen do prehoda toka skozi nič (negativna napetost na tiristoju) preklapljanje enkrat na periodonazivne vrednosti: 8 kV, 6 kA

HVDC

Pretvornik– trifazni tiristorski pretvornik

6‐pulzni pretvornik 12‐ pulzni pretvornik

– Lc impedanca vira– Ld gladilna dušilka

T1

T4

T3

T6

T5

T2

Ld Id

Lc

vc

vb

va

vd

HVDC

Delovanje pretvornika – brez zakasnitve vklopa– AC/DC pretvorba

brez prekrivanja pri komutacijibrez zakasnitve vklopa

121 / xx

0

060

3 1.65

...temenska fazna napetost

d ac m

m

V v d V

V

Idealna napetost odprtih sponk

T1

T4

T3

T6

T5

T2

vd

vc

vb

va

Prevajanje T1• va > (vb, vc)

Prevajanje T2• vc < (va, vb)

HVDC

Delovanje pretvornika – zakasnitev vklopa stikal– spreminjanje kota proženja stikal α– Usmernik– Razsmernik– Prevajanje tiristorja

120°

– tok se ne more obrnitisprememba pol. Vd

122 / xx

0 cosd dV V

T1

T4

T3

T6

T5

T2

vd

vc

vb

va

DC napetost

0 90

90 180

HVDC

Delovanje pretvornika – zakasnitev vklopa– kot proženja stikal α T1

T4

T3

T6

T5

T2

vd

vc

vb

va

ωt

va

ia

α=0°

ωt

va

ia

α=30°

ωt

va

ia

α=120°

Va

Ia

Va

Ia

Va

Ia

Predpostavke• Id konstanten• ni prekrivanja• oblika neodvisna od α• fazni zamik funkcija α

Pretvornik zmeraj porablja jalovo moč

HVDC

Delovanje pretvornika – prekrivanje pri komutaciji– zaradi induktivnosti AC sistema→ fazni tokovi se ne morejo spremeniti

hipoma→ prekrivanje (prehod toka iz ene faze v drugo zahteva nekaj časa)

15 25...kot prekrivanja...kot ugasnitve

Vpliv komutacije• zmanjšanje DC napetosti Vd

• ponazorimo kot R

va vb vc

0° 120° 240° 60° -60° ωt

vd

(va-vb)/2

α μ

1

42

3 5

6

Id

-Id

δ

δ=α+μ

T1

T4

T3

T6

T5

T2

vd

vc

vb

va

HVDC

Delovanje pretvornika – prekrivanje pri komutaciji– razsmernik

( 15 )...kot za ugasnitev

...kot za vklop

Vpliv komutacije• zmanjšanje DC napetosti Vd

• ponazorimo kot R• komutacija mora biti zaključena preden postane napetost negativna

T1

T4

T3

T6

T5

T2

vd

vc

vb

va

HVDC

Regulacija sistema– Shema– Ekvivalentno vezje

0 0

2

cos cosd r d id

cr L ci

dr dr d

di di d dr L d

V VIR R R

P V I

P V I P R I

HVDC

Funkcije regulacije– preprečevanje nihanja Id (zaradi sprememb v omrežju)

upornosti so majhne; sprememba Vd0i ali Vd0r ‐> velika sprememba Id– regulacija DC napetosti na nazivno vrednost

minimizacija izgub

– vzdrževanje visokega faktorja delavnostiminimizacija izgub, nazivne moči, kompenzacije jalove moči

– preprečevanje neuspelih komutacijmin α = 5° (zadostna napetost na stikalu)

α se regulira na 15°‐20° (dovolj prostora za regulacijo napetosti)min γ = 15° (kot ugasnitve)

HVDC

Karakteristika regulacije– usmernik: regulacija vzdržuje konstanten tok

regulacija toka s spreminjanjem kota α

– razsmernik: regulacija vzdržuje konstanten kot za ugasnitev– idealna in dejanska karakteristika (omejitve: αmin, nižanje omrežne napetosti)

preklop načina regulacije

Vd…sponke usmernika

Vd

Id

Inverter

Rectifier

Operating point

Reduced voltage

Constant ignition angle

Constant current

Constant extinction angle

Constant current

0 0cos cosd r d i

dcr L ci

V VIR R R

osnove visokonapetostne tehnike -...

Documents