Pomiary laboratoryjne przebiegów przepięciowych

Badania wykonano w dwóch etapach:

Etap I: rejestracje przebiegów przepięć podczas wyłączania transformatora wyłącznikiem próżniowym,

Etap II: rejestracje charakterystyk częstotliwościowych impedancji układu z transformatorem współpracującym z wyłącznikiem próżniowym [20, 25].

Etap I obejmował:

­ rejestracje przebiegów przepięć doziemnych na zaciskach transformatora wyłączanego wyłącznikiem próżniowym,

­ rejestracje przebiegów przepięć na zaciskach wyłącznika próżniowego,

­ wyznaczenie przebiegów przepięć między stykami wyłącznika próżniowego podczas wyłączania transformatora jednofazowego.

Do rejestracji przebiegów napięć zastosowano sondy wysokonapięciowe typu TESTEC

HVP–15HF, połączone z oscyloskopem Tektronix typu TDS 784D. Oscyloskop cyfrowy

współpracował z komputerem za pomocą karty pomiarowej typu NI–GPIB–USB–HS.

Badania wykonano przy założeniu, że transformator pracuje bez obciążenia w układzie jednofazowym, w dwóch układach różniących się sposobem połączenia transformatora wyłączanego Tr z wyłącznikiem próżniowym W (Rys. 5.1), a mianowicie w układzie I lub II.

W układzie I połączenie między wyłącznikiem W a transformatorem Tr jest wykonane

opisanym wcześniej kablem l_k, natomiast w układzie II – jest to połączenie bezpośrednie odcinkiem przewodu.

układ I

Wyniki rejestracji napięcia na zaciskach transformatora utr oraz napięcia powrotnego na wyłączniku próżniowym ∆u = uz – uw podczas wyłączania transformatora w układzie I, w którym transformator Tr jest połączony z wyłącznikiem próżniowym W za pomocą kabla lk

o długości 90 m, zamieszczono na rysunku 5.6a. Kolejne rysunki 5.6c oraz 5.6d, stanowią fragmenty przebiegów napięć, pokazanych na rysunku 5.6b, w różnych przedziałach czasowych.

układ II

Wyniki rejestracji napięcia na zaciskach transformatora utr oraz napięcia powrotnego na wyłączniku próżniowym ∆u = uz – uw podczas wyłączania transformatora w układzie II, w którym transformator Tr jest połączony z wyłącznikiem próżniowym W bezpośrednio, przedstawiono na rysunku 5.7a. Kolejne rysunki, oznaczone symbolami 5.7c i 5.7d zawierają fragmenty przebiegów napięć, zamieszczonych na rysunku 5.7b, w różnych przedziałach czasowych.

Rys. 5.6. Przebiegi napięcia przejściowego fazowego utr na zaciskach transformatora Tr i napięcia ∆u=uz – uw między stykami wyłącznika W w układzie I, przedstawionym na rysunku 5.1: a) schemat układu (połączenie kablem lk), b) przebiegi napięć w czasie 10 ms, c) fragmenty przebiegów napięć z rysunku 5.6b w przedziale 2 ms − 3 ms, d) fragmenty przebiegów napięć

z rysunku 5.6b w przedziale 2,63 ms − 2,66 ms:

1 – napięcie fazowe utr na transformatorze Tr, 2 – napięcie ∆u=uz – uw między stykami wyłącznika próżniowego W

l

W _Tr

Tr

Rys. 5.7. Przebiegi napięcia przejściowego fazowego utr na zaciskach transformatora Tr i napięcia ∆u=uz – uw między stykami wyłącznika W w układzie II, przedstawionym na rysunku 5.1: a) schemat układu (połączenie bezpośrednie), b) przebiegi napięć w czasie 10ms, c) fragmenty przebiegów napięć z rysunku 5.7b w przedziale 2 ms − 2,04 ms, d) fragmenty przebiegów napięć

z rysunku 5.7b w przedziale 2,032 ms − 2,04 ms:

1 – napięcie fazowe utr na transformatorze Tr, 2 – napięcie ∆u=uz – uw między stykami wyłącznika próżniowego W bk

W _Tr

Tr

Z badań przeprowadzonych w etapie I wynika, że długość kabla łączącego transformator z wyłącznikiem próżniowym ma wpływ na:

­ przebiegi przepięć,

­ wartości maksymalne przepięć,

­ częstotliwości składowych przejściowych przepięć

narażających układy izolacyjne transformatorów wyłączanych wyłącznikami próżniowymi. Przebiegi przepięć na transformatorze wyłączanym, w układzie I (Rys. 5.6a), w którym transformator jest połączony z wyłącznikiem kablem o długości 90 m są odmienne od przebiegów przepięć w układzie II (Rys. 5.7a), w którym transformator jest połączony bezpośrednio z wyłącznikiem, z powodu zjawiska propagacji fal napięciowych w kablu i wielokrotnych odbić fal na końcach kabla występujących w układzie I. Czas trwania przepięcia w układzie I jest znacznie dłuższy od czasu trwania przepięcia w układzie II.

Wartość maksymalna napięcia na zaciskach transformatora wyłączanego w układzie I jest mniejsza od wartości napięcia w układzie II. Wartości maksymalne napięć w tych układach są następujące:

− układ I: 12 kV

− układ II: 14,5 kV.

Kabel lk, o dużej pojemności, włączony między transformatorem a wyłącznikiem, powoduje więc zmniejszenie narażenia układu izolacyjnego transformatora od przepięć powstających podczas wyłączania.

Na podstawie zarejestrowanych przebiegów przepięć łączeniowych, przedstawionych na rysunkach 5.6 i 5.7, wyznaczono częstotliwości f₀, f₁, f₂ (Rys. 4.7) składowych przejściowych przepięć narażających transformator w układach: I i II (Tabela 5.7). Z analizy porównawczej wynika, że częstotliwości składowych przepięć powstających na zaciskach wyłączanego transformatora w układzie I i II są różne. Częstotliwość składowych przejściowych przepięć ma duży wpływ na narażenia układów izolacyjnych transformatorów. Składowe przejściowe o częstotliwości równej lub zbliżonej do częstotliwości własnej transformatora mogą być przyczyną powstawania przepięć wewnętrznych o dużych wartościach w wyniku zjawiska rezonansu.

Etap II badań

Badania przeprowadzone w etapie II obejmowały rejestracje charakterystyk częstotliwościowych impedancji Z=g(f) układu zawierającego transformator współpracujący z wyłącznikiem próżniowym. Wyniki rejestracji zamieszczono na rysunku 5.8. Na podstawie wyników badań wyznaczono częstotliwości własne układu, w którym transformator Tr jest połączony z wyłącznikiem próżniowym W za pomocą kabla l_k (układ I − Rys. 5.6a), oraz układu gdzie transformator jest połączony bezpośrednio z wyłącznikiem (układ II – Rys. 5.7a). Wyznaczone częstotliwości zamieszczono w tabeli 5.7.

Rys. 5.8. Zależności Z = g(f) układu jednofazowego z transformatorem i wyłącznikiem próżniowym: a) układ I: transformator Tr jest połączony z wyłącznikiem próżniowym W za pomocą kabla lk

o długości 90 m (Rys. 5.6a), b) układ II: transformator Tr jest połączony bezpośrednio z wyłącznikiem próżniowym W (Rys. 5.7a)

Wykonano także obliczenia częstotliwości składowych przejściowych przepięć powstających na zaciskach transformatora wyłączanego wyłącznikiem próżniowym w układach zamieszczonych na rysunkach 5.6a i 5.7a. Wykorzystano w tym celu wzory (4.1), (4.2) i (4.3) oraz parametry schematów zastępczych transformatorów, kabla i wyłącznika próżniowego zamieszczone w tabelach 5.2, 5.4 i 5.6, wyznaczone we wstępnym etapie badań. Wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli 5.7.

Tabela 5.7: Częstotliwości składowych przejściowych przebiegów przepięć na zaciskach transformatora wyłączanego wyłącznikiem próżniowym w układach z rysunków 5.6a i 5.7a

częstotliwość częstotliwości wyznaczone z przebiegów u=f(t) (Rys. 5.6, Rys. 5.7) częstotliwości wyznaczone z zależności Z=g(f) (Rys. 5.8) Częstotliwości obliczone (wzory, (4.1), (4.2) i (4.3)) układ I: transformator Tr połączony z wyłącznikiem W kablem l_k (Rys. 5.6a)

f₀ 15 kHz - 60 kHz − −

f₁ 0,99 MHz 1 MHz 2,38 MHz

f₂ 100 Hz 281 Hz 330 Hz

fz − 112 Hz 150 Hz

układ II: transformator Tr połączony bezpośrednio z wyłącznikiem W (Rys. 5.7a)

f₀ 300 kHz - 900 kHz − − f₁ > 2 MHz > 2 MHz 9,19 MHz f₂ 0,69 kHz 1,1 kHz 1,3 kHz f_z − 120 Hz 150 Hz 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 _{2 3 4 5 6} 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 2 3 4 5 1 0⁶ 1 0⁰ 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 _{2 3 4 5 6} 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 2 3 4 5 1 0⁶ 1 0⁰ a) Z, Ω f, Hz Z, Ω f, Hz b) fz f₂ f1 fz f2

Z przeprowadzonych badań i obliczeń wynika, że częstotliwości składowych przejściowych przebiegów przepięć podczas wyłączania transformatora wyłącznikiem próżniowym w układzie I (Rys. 5.6a) i w układzie II (Rys. 5.7a) są różne i zależą głównie od przebiegu zjawisk przejściowych w liniach łączących transformator z wyłącznikiem próżniowym.

Na podstawie analizy porównawczej można stwierdzić, że częstotliwości składowych przejściowych przepięć wyznaczone różnymi metodami, tj. na podstawie zarejestrowanych przebiegów u = f(t), z zależności Z = g(f) oraz w wyniku obliczeń, są zbliżone. Różnice między częstotliwościami f₁ wyznaczonymi różnymi metodami wynikają głównie z różnych wartości napięcia, wpływającego na stan namagnesowania rdzenia transformatora, przy którym rejestrowano przebiegi przepięć i przy którym wyznaczano charakterystyki częstotliwościowe impedancji układu doświadczalnego z transformatorem. Przebiegi przepięć podczas wyłączania transformatora rejestrowano przy napięciu międzyfazowym 6 kV, a charakterystyki częstotliwościowe wyznaczono przy napięciu 20 Vpp.

Wpływ napięcia zasilania transformatora na częstotliwość f₁ uwidaczniają wyniki dodatkowych badań obejmujących rejestracje przebiegów przepięć na zaciskach transformatora 20 kVA (Tabela 5.1), wyłączanego wyłącznikiem próżniowym przy dwóch różnych wybranych napięciach zasilania, o wartościach maksymalnych wynoszących 50 V i 5,5 kV (Rys. 5.9). Z badań wynika, że częstotliwość przepięć po wyłączeniu transformatora przy napięciu zasilania 50 V wynosi 200 Hz, a w przypadku wyłączania transformatora przy napięciu 5,5 kV częstotliwość przepięć wynosi 125 Hz. Różnice między częstotliwościami są spowodowane wpływem napięcia na strumień w rdzeniu, a przez to na indukcyjność uzwojeń.

Rys. 5.9. Przebiegi napięć doziemnych w wybranej fazie transformatora Tr 20 kVA (Tabela 5.1) podczas wyłączania transformatora przy różnych napięciach: a) wyłączenie przy napięciu o wartości

maksymalnej 50 V, b) wyłączenie przy napięciu o wartości maksymalnej 5,5 kV

u,V t, ms a) t, ms u, kV b)

Z badań przepięć narażających układ izolacyjny transformatora przeprowadzonych w układzie jednofazowym wynika, że podczas wyłączania transformatorów wyłącznikami próżniowymi powstają przepięcia o różnych przebiegach i wartościach maksymalnych, zależnych od przebiegu zjawisk przejściowych:

­ w komorach wyłączników,

­ w układach elektrycznych z transformatorami współpracującymi z wyłącznikami. Wartości maksymalne przepięć podczas wyłączania transformatorów maleją ze wzrostem długości kabla łączącego transformator z wyłącznikiem próżniowym. Częstotliwości składowych przejściowych przepięć podczas wyłączania transformatorów są różne, zależne od propagacji fal napięciowych w kablach łączących transformatory z wyłącznikami próżniowymi. Częstotliwości składowych przepięć przejściowych na zaciskach transformatorów mają wpływ na przepięcia narażające układy wewnętrzne uzwojeń. Reakcje transformatorów na przepięcia zewnętrzne są zależne nie tylko od wartości maksymalnej przepięć, ale również od ich przebiegów czasowych. Szczególnie przebiegi zawierające składowe o częstotliwościach zgodnych z częstotliwościami własnymi transformatora mogą stanowić duże narażenie układów izolacyjnych uzwojeń, spowodowanych silnym wzmocnieniem przepięć wewnętrznych w wyniku zjawiska rezonansu.

5.2. Badania przepięć podczas wyłączania