Skripta Lab.cv. Vysoké napětí

zdrojů vysokého napětí,
- stavební díly - mechanické díly, rezistory, kondenzátory, usměrňovače, jiskřiště a jiné
díly, které jsou navzájem spojeny ve vhodnou sestavu a vytvoří tak zdroj střídavého,
stejnosměrného nebo impulsního vysokého napětí,
- měřící přístroje a příslušenství - umožňují měřit střídavé, stejnosměrné a impulsní
napěti pomocí děličů napětí, koaxiálních kabelů a měřicích přístrojů,
- zkušební přístroje - umožňuji znázornit různé typické děje v technice vysokého napětí.
Blokové schéma stavebnice ukazuje Obrázek 2.1. Vhodnou sestavou stavebních dílů,
měřicích přístrojů a příslušenství lze sestavit zdroje:
- střídavého napětí 100 kV, 5 kVA a 200 kV, 5 kVA
- stejnosměrného napětí 100 kV, 5 mA a 200 kV, 5 mA
- impulsního napětí 130 kV, 85 J a 260 kV, 170 J
10 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Stavební díly mají jednotné délkové rozměry, takže z nich lze snadno vytvořit
prostorovou sestavu ve tvaru kvádrů, kde vrcholy jsou tvořeny spojovacími díly a na hranách
jsou díly mechanické (izolační nebo vodivé tyče) a díly funkční (rezistory, kondenzátory,
usměrňovače, jiskřiště atp.). Rozteče v horizontálním směru jsou 750 mm a ve vertikálním
směru 650 mm.

Obrázek 2.1: Blokové schéma stavebnice vysokého napětí
2.2.2 Popis jednotlivých prvků stavebnice
Pro jednotlivé prvky zavedeme písmenné označení odvozené od českého názvu prvku.
Pouze v těch případech, kdy se jedná o typové označení prvku, se přidržíme označení podle
výrobce. Zavedených značek budeme užívat v dalším textu a při popisu obrázků a schémat.
Řídící pult
Z tohoto pultu lze řídit všechny funkce stavebnice a jsou sem svedena i všechna
potřebná měření. Kromě řídících, regulačních a měřících prvků dále řídící pult obsahuje:
jednofázový regulační transformátor 5 kVA, 230 V/(0 ÷ 250) V, jisticí prvky a automatiku k
ochraně proti zkratu v silovém obvodu a v ovládacích a v měřících obvodech, nadproudové
relé v obvodu stykače, přerušovač pro výstražné lampy, magnetický stabilizátor napětí,
chladicí větrák a zásuvku pro připojení osciloskopu.

Transformátor vysokého střídavého napětí
TEO 100/10 – olejový transformátor, uzavřený ve válcovém izolačním plášti. Spodní i
horní víko slouží jako vývody vinutí vysokého napětí a jeden pól je vždy uzemněn. Mezi víky
je na izolačních lištách zavěšeno ocelové jádro s primárním, sekundárním a vazebním
vinutím. Vazební vinutí je nízkonapěťové vinutí, které je na potenciálu vysokého napětí a
slouží k buzení dalšího transformátoru TEO 100/10 při kaskádním zapojení.
Transformátor vysokého střídavého napětí se také někdy nazývá vysokonapěťovým
zkušebním transformátorem.
Technická data:
- převod 230 V/(0 ÷100) kV/230 V
- výkon 5 kVA
- napětí nakrátko 5 %
Vysoké napětí a elektrické přístroje 11
TEOK 200/10 – střídavá kaskáda vytvořená ze dvou transformátorů TEO 100/10
Technická data:
- převod 230 V/(100 ÷ 200) kV
- výkon 5 kVA
- napětí nakrátko 7 %

Stavební díly
S - spojovací bod z hliníkové slitiny, který slouží jako elektricky vodivý prvek
P - patka, která slouží k nasazení jednoho dílu vertikálně a po stranách lze zasunout čtyři
distanční tyče TD
PI - izolační patka, která slouží k nasazení vazebního kondenzátoru v sestavě impulsního
generátoru s elektronickým spínáním
TV - vodivá tyč, která slouží k elektricky vodivému spojení
TD - distanční tyč normalizované délky, která slouží k zasunutí do patky P
TI - izolační tyč pro střídavé a stejnosměrné napětí 100 kV a pro impulsní napětí 130 kV

Kondenzátory a rezistory
CR - impulsní kondenzátor pro výrobu impulsního napětí, použitelný i jako vyhlazovací
kondenzátor ve zdroji stejnosměrného napětí
- jmenovité impulsní a stejnosměrné napětí 140 kV
- kapacita 10000 pF
CZ - zatěžovací kondenzátor pro výrobu impulsního napětí, použitelný i pro stejnosměrná
měření
- jmenovité impulsní a stejnosměrného napětí 140 kV
- kapacita 1200 pF
CM - měřící kondenzátor pro měření vrcholových hodnot nebo jako vazební kondenzátor
pro spouštěcí impulsy při výrobě impulsních napětí
- jmenovité střídavé napětí 100 kV
- kapacita 100 pF
RM - měřicí rezistor pro měření stejnosměrných napětí
- jmenovité stejnosměrné napětí 140 kV
- rezistance 140 MΩ
- jmenovitý stejnosměrný proud 1 mA
RO - ochranný rezistor s olejovou izolací
- jmenovité stejnosměrné a impulsní napětí 140 kV
- rezistance 10 MΩ
- jmenovitý výkon 60 W
RN - nabíjecí rezistor se vzduchovou izolací pro nabíjení 2. stupně impulsního generátoru a
jako omezovací rezistor u stejnosměrného zdroje
- jmenovité stejnosměrné a impulsní napětí 140 kV
- rezistance 50 kΩ
RČ - čelní rezistor pro impulsní generátor, který určuje dobu čela impulsu
- jmenovité impulsní napětí 140 kV
- rezistance 775 Ω pro impuls 1,2/5 µs
455 Ω 1,2/10 µs
375 Ω 1,2/50 µs
360 Ω 1,2/200 µs

12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
RT - tlumicí rezistor pro impulsní generátor, který určuje dobu půltýlu impulsu
- jmenovité impulsní napětí 140 kV
- rezistance 290 Ω pro impuls 1,2/5 µs
1025 Ω 1,2/10 µs
6100 Ω 1,2/50 µs
25500 Ω 1,2/500 µs

Další stavební díly
US - vysokonapěťový selenový usměrňovač. Společně s usměrňovačem je v trubce i
ochranný rezistor.
- maximální vrcholové napětí 140 kV
- jmenovitý proud 5 mA
- rezistance ochranného rezistoru 500 kΩ
ZV - zemnící vypínač pro vybíjení kondenzátorů po vypnutí zdroje stejnosměrného nebo
impulsního napětí. Připojuje se dvěma ocelovými příložkami paralelně ke
kondenzátoru CR.
- jmenovité stejnosměrné napětí 140 kV
PZJ - pohon zapalovacího jiskřiště. Pomocí různě dlouhých izolačních tyčí může být
poháněno buď jedno anebo dvě jiskřiště ZJ.
ZJ - zapalovací jiskřiště, které slouží k nastavení vrcholových hodnot impulsního napětí.
Obě koule mají průměr 100 mm a mohou být od sebe vzdáleny až 80 mm. Vzdálenost
koulí se nastavuje pomocí pohonu PZJ a lze ji odečítat na stupnici.
- maximální stejnosměrné napětí 140 kV
ZK - zapalovací koule je provedena jako polokoule se zapalovací elektrodou a našroubuje
se namísto spodní koule zapalovacího jiskřiště ZJ anebo měřicího jiskřiště MJ.
Impulsy ze zesilovače StAV způsobí na zapalovací kouli přeskok, který má za
následek postupné zapálení celého jiskřiště.

Měřicí přístroje a příslušenství
GM 700 - přístroj k měření stejnosměrných napětí ve spojení s vysokoohmovým měřicím
rezistorem RM. Měří se vlastně proud procházející měřicím rezistorem. Přístroj je
nezávislý na síti. Má tyto přepínatelné rozsahy:
- 37,5 kV – 75 kV - 150 kV s jedním RM
- 75 kV – 150 kV - 300 kV se dvěma RM
Dále má přístroj přepínač polarity a přepínatelnou ochranu proti přepětí.
SM 615 - přístroj měřící vrcholovou hodnotu střídavého napětí ve spojení s měřicím
kondenzátorem CM, který je vysokonapěťovou částí kapacitního děliče napětí.
Nízkonapěťová část děliče je přepínatelná a je zabudována v přístroji. Lineární
stupnice je cejchována v hodnotách 2/
max
U (při sinusovém napětí odpovídá
efektivním hodnotám). Přístroj je nezávislý na síti. Měří vrcholové hodnoty kladné i
záporné polarity v rozsazích:
- 20 kV - 50 kV - 100 kV ( 2/
max
U ) s jednim CM
- 50 kV – 100 kV - 200 kV ( 2/
max
U ) se dvěma CM
StM 700 - přístroj k měření kladných i záporných vrcholových hodnot impulsních napětí.
Přístroj má dva vstupy:
- vysokoohmový vstup D (přepínač v poloze D) pro připojení na nízkonapěťovou část
kapacitního děliče CN, popř. k přímému měření nízkých impulsních napětí do
375 V.
Vysoké napětí a elektrické přístroje 13
- nízkoohmový vstup 75 Ω pro připojení na odporový dělič. Rozsahy na tomto vstupu
jsou:
37,5 kV – 75 kV - 150 kV (U
max
) s jedním RM
75 kV – 150 kV - 300 kV (U
max
) se dvěma RM
Osciloskop je možno připojit paralelně k vysokoohmovému vstupu.
CN - nízkonapěťová část kapacitního děliče napětí vestavěná do kovového válcového
pouzdra, označená rozsahem měřeného impulsního napětí: 37,5 kV, 75 kV nebo
150 kV. Je bezindukční, připojuje se na konektor zatěžovacího kondenzátoru CZ a
s měřicím přístrojem StM 700 je propojena přes impedanční přizpůsobovací člen IPČ
koaxiálním kabelem KM.
IPČ – přizpůsobovací člen pro koaxiální měřicí kabel KM s vlnovou impedancí 75 Ω.
Nachází uplatnění při měření impulsního napětí, připojuje se k CN.
StAG - přístroj k elektronickému spínání zapalovacího jiskřiště a omezovacího jiskřiště
impulsního generátoru napětí a spouštěcího osciloskopu. Vzhledem k okamžiku
zapnutí zapalovacího jiskřiště lze plynule nastavit:
- spuštění osciloskopu v časech 2 µs až 110 µs
- sepnutí omezovacího jiskřiště v časech 0 µs až 110 µs
Spínání se vybavuje buď ručně tlačítkem nebo automaticky po dosažení předem
určeného nabíjecího napětí. Spíná se buď jednotlivě nebo opakovaně s maximální
kadencí 5 impulsů/min.
StAV 72 - zesilovač k zesílení spínacích impulsů z přístroje StAG 616. Impulsy jsou
přiváděny koaxiálním kabelem KM a s nastavitelným zpožděním asi 2 µs jsou
zesíleny na amplitudu asi 13 kV. Vazba těchto zesílených impulsů se zapalovacím
jiskřištěm a současně izolace zesilovače od vysokého napětí je provedena vazebním
kondenzátorem (použit CM) na izolační patce PI.
KM - koaxiální měřicí kabel pro měření střídavých, stejnosměrných a impulsních napětí a
pro spojení StAG a StAV. Kabel je dlouhý 5 m a má vlnovou impedanci 75 Ω. Na
obou koncích je opatřen konektory pro připojení na měřicí přístroje na jedné straně a
na měřicí rezistory nebo kondenzátory na straně druhé.

Zkušební přístroje
MJ - měřicí jiskřiště je řízeno ručně nebo může být ovládáno dálkově z řídícího pultu. Na
kruhové stupnici lze odečítat vzdálenost mezi elektrodami (doskok). K měřicímu
jiskřišti patří tyto dvojice elektrod:
- kulové průměr 100 mm
- kulové průměr 50 mm
- tyčové průměr 20 mm
- kuželové
- ploché (Rogowského profil)
Jiskřiště jsou určena pro nejvyšší:
- střídavé napětí 100 kV
- stejnosměrné napětí 140 kV
- impulsní napětí 130 kV
KV - korónový válec je uzemněný kovový válec, izolovaný plexisklem, v jehož ose mohou
být napnuty dráty různého průměru a různého povrchu. Korónový výboj pozorujeme
štěrbinou ve válci.
TPV - tlakový a podtlakový válec pro zkoumání izolačních vlastností plynů i pevných látek
při tlacích 0 MPa až 0,507 MPa. Je určen pro nejvyšší střídavé napětí 100 kV a
nejvyšší stejnosměrné napětí 140 kV.
14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
2.2.3 Sestavy jednotlivých zdrojů
Sestavy jednotlivých zdrojů přehledně uvádí Obrázek 2.2 až Obrázek 2.8. Na každém
z nich je uvedeno principiální schéma zapojení a stavební schéma prostorového uspořádání
sestavy zdroje. Jsou zde znázorněny nejjednodušší zapojení, zdroje však lze sestavit více
různými způsoby. Jsou to tyto sestavy zdrojů:
- zdroj střídavého napětí 100 kV jednofázový transformátor vysokého
napětí
- zdroj střídavého napětí 200 kV dvoustupňová transformátorová kaskáda
- zdroj stejnosměrného napětí 100 kV jednocestný usměrňovač
- zdroj stejnosměrného napětí 200 kV zdvojovač napětí
- zdroj impulsního napětí 130 kV jednostupňový impulsní generátor napětí
- zdroj impulsního napětí 260 kV dvoustupňový impulsní generátor napětí
zapojený podle Marxe

Postup při sestavování zkušebního obvodu:
1. Podle potřeb daného měření navrhneme schéma zapojení.
2. Navrhneme stavební schéma prostorového uspořádání sestavy potřebného zdroje.
3. Vybereme potřebné prvky a vytvoříme z nich navrženou sestavu.
4. Uzemníme transformátor TEO a všechny prvky zkušebního obvodu, které nejsou
uzemněny, přímým stykem s měděnou podlahou.
5. Podle navrženého zapojení připojíme k řídícímu pultu potřebné prvky pomocí
vyvedených kabelů a konektorů.
6. Připojíme měřicí přístroje na měřicím pultu, popřípadě i přístroje StAV a StAG.
7. Zkontrolujeme zapojení.

Postup při měření:
1. Uzavřeme všechny vstupy do zkušebního prostoru.
2. Zapneme vypínač ovládacího napětí a rozsvítí se výstražné zelené světlo.
3. Zapneme uzamykatelný vypínač ovládacího napětí stykačů.
4. Zkontrolujeme, zda je regulační transformátor v nulové poloze.
5. Zapneme stykač „síť“ a začne blikat výstražné červené světlo.
6. Zkontrolujeme funkci dveřních kontaktů.
7. Houkačkou dáme signál „pozor, zapínám“.
8. Zapneme stykač „regulované napětí“ a začne trvale svítit výstražné červené světlo.
9. Vyzkoušíme funkci zemnícího vypínače, pokud je v zapojení použit.
10. Vyzkoušíme funkci hlavního vypínače.
11. Zapneme oba stykače.
12. Zahájíme vlastní měření. Při opakovaných měřeních není třeba vykonávat kontrolní
funkce, tj. body 6., 9. a 10.







Vysoké napětí a elektrické přístroje 15

Obrázek 2.2: Zdroj střídavého vysokého napětí 100 kV, 5 kVA



Obrázek 2.3: Zdroj střídavého vysokého napětí 200 kV, 5 kVA


16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Obrázek 2.4: Zdroj stejnosměrného vysokého napětí 100 kV, 5 mA



Obrázek 2.5: Zdroj stejnosměrného vysokého napětí 200 kV, 5 mA

Vysoké napětí a elektrické přístroje 17

Obrázek 2.6: Zdroj impulsního napětí 130 kV, 85 J



Obrázek 2.7: Zdroj impulsního napětí 260 kV, 170 J

18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Obrázek 2.8: Zdroj impulsního napětí s elektronickým spínáním
2.3 Základní vybavení laboratoře vysokého napětí IVEP, a.s, Brno
Laboratorní cvičení nebudou probíhat jen v laboratoři vysokého napětí FEKT VUT, ale
i v laboratoři IVEP, a.s., Brno. Zde budou studenti provádět zkoušky na zařízeních
vyráběných podnikem IVEP, a.s. Protože zkoušené předměty se budou měnit podle
momentální náplně výrobního programu závodu, budou studenti seznámeni s laboratorními
úlohami, které budou měřit v této laboratoři, na začátku semestru. S vybavením laboratoře
budete stručně seznámeni však již v této kapitole.
Zdroje napětí, popisované v této kapitole, jsou tedy ve vysokonapěťové laboratoři
IVEP, a.s., Brno, která je součástí autorizované zkušebny.
Základní vybavení vysokonapěťové laboratoře tvoří jeden nebo více zdrojů impulsního
napětí včetně příslušenství (tj. transformátor a usměrňovač), zkušební transformátory, zařízení
pro zkoušky za deště, napěťové děliče, kondenzátory, přístroje pro měření částečných výbojů,
kulová jiskřiště a ostatní přístroje.
Zkušební obvod pro zkoušky impulsním napětím v laboratoři vysokého napětí IVEP,
a.s. je sestaven z generátoru impulsních napětí (výrobce HAEFELY Švýcarsko), spouštěcího
zařízení (trigatronu), transformátoru a usměrňovače v napájecí části, kombinovaného RC
děliče, osciloskopu a voltmetru v ovládacím panelu a zkoušeného předmětu. Schématické
uspořádání systému pro zkoušky impulsním napětím ukazuje Obrázek 2.9. Obrázek 2.10
ukazuje schématické uspořádání zkušebního obvodu pro zkoušky střídavým napětím.

Vysoké napětí a elektrické přístroje 19

Obrázek 2.9: Schématické uspořádání zkušebního obvodu pro zkoušky impulsním napětím


Obrázek 2.10: Schématické uspořádání zkušebního obvodu pro zkoušky střídavým napětím

Zkušební sytém pro zkoušky střídavým napětím je sestaven z regulačního
transformátoru, zkušebního transformátoru, kapacitního děliče napětí, ovládacího panelu,
vrcholového voltmetru, kulového jiskřiště a zkoušeného předmětu.
Jako součást základního vybavení vysokonapěťové laboratoře je detektor výbojů a
vazební kondenzátor s příslušenstvím pro měření částečných výbojů.
2.3.1 Generátor impulsního napětí
Generátor impulsního napětí je v principu sestaven z určitého počtu kondenzátorů,
nabíjených paralelně na požadovanou hodnotu napětí. Maximální nabíjecí napětí je l00kV.
Jakmile se kondenzátory nabijí (paralelně) na požadované napětí, řada jiskřišť propojí tyto
kondenzátory do série a výstupní napětí se vytváří na kapacitě zkoušeného předmětu a
rezistancích generátoru.
Každý stupeň generátoru impulsního napětí sestává z kondenzátoru o kapacitě C
s
,
kulového jiskřiště, čelního rezistoru R
si
, celkové kapacity zátěže C
b
a vybíjecího rezistoru,
který je v praxi tvořen kombinací rezistorů R
pi
, R
pe
a R
se
a může též zahrnovat i rezistory
napěťového děliče.
Schématické znázornění zapojení šesti stupňů impulsního generátoru do série pro
dosažení maximálního napětí 1200 kV ukazuje Obrázek 2.11.
S ohledem na nastavenou vzdálenost kulových jiskřišť a tím i odpovídající nabíjecí
napětí se kondenzátory C
s
nabíjí ze zdroje stejnosměrného napětí přes rezistory R
i
(nabíjecí
rezistory) až na požadované napětí. Všech šest stupňů se nabíjí paralelní cestou současně.
Trigatronové spouštěcí zařízení sleduje průběh nabíjení. Jakmile napětí dosáhne požadované
hodnoty, je z trigatronu vyslán přes pomocný napěťový zdroj impuls několika kV (obvykle
20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
5 kV) na první zapalovací jiskřiště, vzniklý přeskok způsobí vybití kondenzátoru C
s
. Přepětí v
důsledku tohoto výboje má za následek připojení druhého stupně do série přes rezistory R
pi
a
R
si
. Ostatní stupně se bezprostředně propojí do série obdobným způsobem. Celkové napětí
impulsu je dáno počtem stupňů (kondenzátorů) zapojených buď v sérii nebo paralelně.


Obrázek 2.11: Schématické znázornění zapojení šesti stupňů impulsního generátoru

Atmosférický impuls, který se objeví na zkoušeném předmětu (jeho kapacitě), je
aperiodické přechodné napětí, které obvykle rychle narůstá až do své vrcholové hodnoty (čelo
impulsu) a potom klesá mnohem pomaleji až k nule (týl impulsu). Pokles napětí - týl impulsu
- je prakticky napětí, které se vyskytuje na týlních rezistorech R
pe
a R
pi
v důsledku proudu
výboje. Rychlý nárůst napětí - čelo impulsu - závisí na kapacitě zátěže, která zahrnuje
Vysoké napětí a elektrické přístroje 21
kapacitu zátěže zkoušeného předmětu, a na čelních rezistorech R
se
a R
si
, při které se tato
kapacita nabíjí.
Obvyklá stavebnicová konstrukce vysokonapěťových impulsních generátorů umožňuje
navzájem propojit paralelně určitý počet stupňů do skupin. Tento požadavek vyplývá z
optimálního napěťového rozsahu pro zkoušku.
V případě zapojení šesti stupňů generátoru firmy HAEFELY do série (viz Obrázek
2.11) je maximální nabíjecí napětí každého stupně 200 kV, jeho kapacita je 250 nF a celková
energie impulsu je pro tento typ generátoru 30 kJ. Tímto zapojením dosáhneme maximálního
vybíjecího napětí 1200 kV.
Jestliže jsou požadavky zkoušky elektrických zařízení na nižší jmenovitá napětí, např.
v rozsahu od 10,0 kV do 72,5 kV, je vhodné sestavit zapojení generátoru tak, aby maximální
vybíjecí napětí bylo buď 200 kV, 400 kV nebo 600 kV, podle rozsahu požadovaných
zkušebních napětí.
Je nutné brát v úvahu i induktanci odporů (R
pe
, R
se
). V důsledku induktance dochází k
nárůstu výstupního napětí a tím i ke zkrácení doby čela impulsu. Z tohoto důvodu je nutné
použít bifilárního vinutí u čelních a týlních rezistorů.
Zkušební postupy při zkouškách vysokým napětím jsou obecně předepsány normami