Skripta Vysoké napětí část I.

ace křivky napětí byla co nejmenší.
Tyto odlišnosti vyplývají hlavně z rozdílných pracovních podmínek i pracovního
prostředí.

Zkušební zdroj má poskytovat i při zatížení zkoušeným objektem napětí sinusového
průběhu. Průběh napětí se považuje za vyhovující, jestliže poměr maximální a efektivní
hodnoty se neliší od 2 o více než ±5 % a efektivní hodnota z vyšších harmonických
nepřesahuje 5 % efektivní hodnoty základní harmonické.
Protože zatížení mívá zpravidla kapacitní charakter, výkon zkušebního transformátoru
se určuje orientačně ze vztahu
2
..
zk
UCS ω= , ( 2.1 )
kde C je celková kapacita zátěže a U
zk
je zkušební napětí.
Jestliže respektujeme ztrátový činitel tg δ zkoušeného objektu, bude potřebný výkon
()
2
...tg1
zk
UCS ωδ+= . ( 2.2 )

Tabulka 2.2: Přehled kapacit typických zkoušených objektů
Objekt (zařízení) Celková kapacita zátěže [pF]
závěsné izolátory a podpěrné izolátory 8 ÷ 20
průchodkové izolátory 150 ÷ 400
měřící transformátory proudu 200 ÷ 600
výkonové transformátory do 1 MVA cca 1 000
výkonové transformátory nad 1 MVA 1 000 ÷ 8 000
kabel vn – 10 m délky 1 500 ÷ 3 000
rotační stroje nad 100 kVA 10 000 ÷ 100 000

Při kapacitním zatížení nevzniká na sekundárním vinutí transformátoru úbytek napětí,
ale dochází k vzrůstu napětí, tedy výstupní napětí je vyšší než napětí vypočítané ze součinu
napájecího napětí a převodu transformátoru. Postačující velikost trvalého proudu nakrátko na
straně vn u všech zkoušek kromě zkoušek kabelů a znečištěných izolátorů je 1 A. Při
zkouškách malých vzorků pevné izolace, kapalných izolantů nebo jejich kombinace postačuje
proud nakrátko větší než 0,1 A.
U zkušebních transformátorů na nejvyšší napětí dosahuje izolace a tím i délka
magnetického obvodu značných rozměrů a následkem toho úměrně vzrůstá rozptyl. Bývá
proto velmi obtížné zkonstruovat transformátor tak, aby napětí nakrátko zůstalo malé (u
zkušebních transformátorů 10 % i více, u výkonových transformátorů bývá jen 3 % ÷ 8 %).
Celková kapacita transformátoru, zkušebního obvodu a zkoušeného objektu nemá být
menší než 1000 pF. Tato kapacita zabraňuje poklesům napětí při částečných výbojích na
zkoušeném objektu.
Pro zmírnění namáhání izolace transformátoru strmými vlnami při přeskocích a
průrazech na zkoušeném objektu se někdy zapojuje mezi transformátor a zkoušený objekt
ochranný rezistor. Přesahuje-li jeho rezistance 1 kΩ, doporučuje se dosáhnout kapacity
1000 pF za rezistorem v místě připojení zkoušeného objektu (kapacita transformátoru se
12 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
neuvažuje). Při některých měřeních je nutné co nejvíce omezit proud při náhodném průrazu
zkoušeného objektu vysokoohmovými rezistory, aby se nepoškodilo měřicí zařízení (např. při
měření dielektrických ztrát až do průrazu). Tyto rezistory nemají působit úbytek napětí vyšší
než 10 % a mají být neinduktivní (bifilárně vinuté). Rezistance ochranného rezistoru se
empiricky volí 0,5 Ω až 1 Ω na 1 V jmenovitého napětí zkušebního transformátoru.
Z hlediska konstrukční stránky se setkáváme nejčastěji s transformátory olejovými a to
buď v provedení s kovovou nádobou nebo s nádobou z izolačního materiálu.
Druhé provedení je výhodné tím, že nepotřebuje drahou průchodku k vyvedení
vysokého potenciálu z nádoby. Snaha snížit váhu olejových transformátorů vedla k dalšímu
konstrukčnímu řešení. Střed vinutí vysokého napětí je vyveden na kovovou nádobu. Izolace
nádoby, která je potom na polovičním potenciálu vůči zemi, je provedena podpěrnými
izolátory.
Dále se staví transformátory „suché“ se vzduchovou izolací. Jejich přednostmi jsou
snadná výměna cívek při poškození izolace a možnost provedení libovolného množství
odboček k odebírání různých hodnot napětí. Nevýhodou těchto transformátorů je velká
spotřeba místa na zkušebně. Dodržení nutných izolačních vzdáleností značně prodlužuje
magnetický obvod, takže tyto transformátory mají vůči olejovým transformátorům větší
rozptyl. Jsou též málo odolné vůči vnější vlhkosti a prachu a proto je nutné je instalovat
v místnosti s uměle udržovanou malou vlhkostí vzduchu.
Pro napětí několika desítek kV se vyrábějí též transformátory s vinutím zalitým do
pryskyřice.

Kompenzace jalového výkonu
Jak již bylo uvedeno, pracují zkušební transformátory převážně s kapacitní zátěží.
Napájecí zdroj zkušebního transformátoru může být proto podstatně odlehčen zapojením
tlumivky paralelně buď k primárnímu nebo sekundárnímu vinutí zkušebního transformátoru.
Při kompenzaci na primární straně se odlehčí napájecí a regulační zařízení. Výkon
regulačního transformátoru je pak možno při zanedbání ztrát určit ze vztahu
2
2
.
..
1
.
zkreg
U
pL
CS








−=
ω
ω ,
( 2.3 )
kde C je kapacita zkoušeného objektu a přívodů,
L je indukčnost kompenzační tlumivky,
p je převod zkušebního transformátoru definovaný poměrem U
zk
a
napájecího napětí U
1
,
U
zk
je zkušební napětí.
Výkon zkušebního transformátoru je dán rovnicí ( 2.1 ).
Při kompenzaci na straně sekundárního vinutí zkušebního transformátoru, tj. na straně
vysokého napětí, se odlehčí obě vinutí transformátoru a pro výkon zkušebního i regulačního
transformátoru při zanedbání ztrát platí vztah
2
.
.
1
.
zk
U
L
CS






−=
ω
ω .
( 2.4 )
Dimenzování tlumivek závisí na napájecím příkonu, který je k dispozici, na výkonu
zkušebního transformátoru, na možnostech různého zapojení a konečně na rozsahu výkonu a
napětí, které se požadují pro zkoušený objekt.
Vysoké napětí a elektrické přístroje 13
Regulace napětí
Přesná regulace napětí při zkouškách vysokým napětím je nutná pro zabezpečení
správných výsledků zkoušek. Zpravidla se provádí na straně nízkého napětí plynule řízeným
zdrojem. Otázkám regulace napětí zkušebních transformátorů, transformátorových kaskád i
dalších zkušebních zařízení vn je třeba věnovat velkou pozornost.
Při volbě způsobu regulace napětí je nutné vycházet z následujících požadavků:
- regulační zařízení musí zabezpečovat plynulou změnu napětí a musí mít
dostatečný výkon potřebný pro zkoušky v rozsahu kmitočtů 45 Hz až 65 Hz,
- tvar křivky střídavého proměnného napětí při zkoušce musí být prakticky
sinusový,
- regulační zařízení má být jednoduché, spolehlivé a laciné,
- ztráty energie v regulačním zařízení musí být minimální,
- zpravidla je nutná možnost regulace rychlosti dosažení zkušebního napětí tak jak
je toho v řadě případů zapotřebí, protože jinak to může mít nepříznivý vliv na
výsledky zkoušek,
- zvyšování přiloženého napětí ke zkoušenému objektu je nutno provádět
s konstantní rychlostí bez skoků,
- ovládání regulačního ústrojí může mít různý stupeň automatizace: ruční ovládání,
poloautomatické, plně automatické,
- konstrukce regulačního zařízení musí plně zabezpečit spolehlivost a bezpečnost
provozu.
Pro regulaci napětí lze v podstatě použít následující zařízení:
1) regulační rezistory a indukční cívky,
2) regulační autotransformátory,
3) regulační transformátory,
4) synchronní generátory,
5) speciální regulační soustrojí.
2.1.2 Transformátorové kaskády
Zkušební jednofázové transformátory se z izolačních důvodů vyrábějí pro napětí
maximálně 750 kV. Byly již postaveny transformátorové zkušební jednotky na napětí
1200 kV, ale zde je již obtížné provést izolaci vinutí, nehledě ani na složitost technologie při
výrobě a hlavně na cenu kondenzátorové průchodky pro tak vysoké napětí. Zkoušení
jednotlivých prvků rozvodných a přenosových systémů vvn a zvn střídavým napětím síťového
kmitočtu 50 Hz nás ale nutí zhotovit zdroj střídavých napětí vyšších než je 1200 kV.
Východisko bylo nalezeno v sériovém spojení sekundárních (vysokonapěťových) vinutí
několika zkušebních transformátorů. Při asymetrickém (nesouměrném) zapojení se jeden pól
tohoto sériového spojení uzemní, na druhém se střídavě objevuje vrcholová hodnota
zkušebního napětí obou polarit.
Při konstrukci transformátorových kaskád se dospělo ke dvěma řešením. První, starší a
dnes již málo používané, znázorňuje Obrázek 2.2 (tzv. Desauerova kaskáda). Skládá se ze 2
až 3 stejných transformátorů. Sekundární vinutí jsou zapojené do série, primární vinutí jsou
připojená na regulované napájecí napětí 0 až U
1max
buď přímo, nebo přes oddělovací
transformátory. Při výstupním napětí U
2
prvního stupně musí být oddělovací transformátor
druhého stupně dimenzován po stránce izolační na napětí U
2
a stejně tak musí být
dimenzovaná i jeho průchodka. Třetí stupeň je napájen přes dva oddělovací transformátory,
tedy n-stupňová kaskáda má n.(n-1)/2 oddělovacích transformátorů. Výkon oddělovacích
14 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
transformátorů musí být v souladu s příkonem jednotlivých stupňů transformátorové kaskády.
Při třístupňové kaskádě je při výstupním napětí 3.U
2
a zatěžovacím proudu I
2
zdánlivý výkon
kaskády 3.U
2
.I
2
. Výkon každého stupně je U
2
.I
2
, tedy při zanedbáni ztrát v transformátorech
musí být výkony oddělovacích transformátorů také U
2
.I
2
. Celkový instalovaný výkon v
magnetických obvodech je 6.U
2
.I.
2
,tedy z tohoto hlediska je účinnost 50 %. Základní
transformátory této kaskády (označené I, II, III) jsou po konstrukční stránce úplně shodné,
rovněž tak i oddělovací transformátory.


Obrázek 2.2: Schéma zapojení Desauerovy kaskády

Druhé, výhodnější řešení ukazuje Obrázek 2.3 a je odvozeno z předchozího zapojeni.
Funkce oddělovacích transformátorů byla přenesena do samotných základních transformátorů.
V každé jednotce (I, II, III) bylo umístěno další vinutí jako část závitů vinutí sekundárního
(tzv. vinutí terciární) ze kterého se odebírá napájecí napětí pro další stupeň. Převod mezi
primárním vinutím a terciárním vinutím je 1:1. Každý transformátor tak tvoří zároveň
transformátor oddělovací pro ostatní stupně výše potenciálově položené.


Obrázek 2.3: Schéma zapojení třístupňové transformátorové kaskády

Výkon jednotlivých transformátorů u takto spojené transformátorové kaskády není
stejný. První stupeň I musí být dimenzován na celý výkon transformátorové kaskády (jsou
Vysoké napětí a elektrické přístroje 15
přes něj napájeny i druhý a třetí stupeň) a na krytí ztrát ve dvou zbývajících stupních. Druhý
stupeň II je dimenzovaný na 2/3 celkového výkonu a na kryti ztrát ve třetím stupni. Třetí
stupeň III je pak dimenzován na 1/3 výkonu.
Uvažujme v tomto případě n-stupňovou kaskádu zatíženou proudem I
2
. Výkon
posledního stupně kaskády nechť je S
n
= U
2
I
2
. Za předpokladu, že výstupní napětí všech
stupňů je stejné a rovné U
2
a při zanedbání ztrát platí pro výkon k-tého stupně kaskády
()knSS
nk
−+= 1
( 2.5 )
Pro celkový výkon transformátorové kaskády pak dostaneme
()()1
2
...321.
1
+=++++==
∑
=
n
n
SnSSS
nn
n
k
kc
.
( 2.6 )
Příkon zátěže činí
no
SnIUnS ...
22
==
( 2.7 )
a účinnost kaskády je
1
2
+
==
nS
S
c
o
η
( 2.8 )
Pro dvoustupňovou kaskádu je η = 0,66, pro třístupňovou η = 0,5 a pro čtyřstupňovou
η = 0,4. S rostoucím počtem stupňů se účinnost rychle snižuje a není tedy ekonomické stavět
transformátorové kaskády o příliš velkém počtu stupňů.


Obrázek 2.4: Schéma zapojení dvoustupňové transformátorové kaskády

Obrázek 2.4 uvádí schéma zapojení dvoustupňové transformátorové kaskády s
hodnotou maximálního výstupního napětí 1200 kV. U této konstrukce se dosáhlo podstatného
snížení půdorysné plochy a to věžovitým uspořádáním stupňů I a II. Středy
vysokonapěťových vinutí jsou u obou stupňů připojeny na nádoby transformátorů, takže
napětí nádoby transformátoru I proti zemi je 300 kV, druhé nádoby pak 900 kV. Mezi stupni I
a II je ekvipotenciální plocha s napětím 600 kV, která vylepšuje průběh elektrického pole.
Kaskáda má čtyři průchodky na 300 kV, vnitřní izolace je dimenzovaná na stejné napětí.
16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Drahá izolace vinutí transformátorů a hlavně průchodek je zde nahrazena levnou izolací
tvořenou podpěrnými izolátory. Výkon této kaskády je 1500 kVA. Příklady
transformátorových kaskád ukazuje Obrázek 2.5.


a) b)
Obrázek 2.5: Transformátorové kaskády
a) Dvoustupňová transformátorová kaskáda 2,4 MV (IREQ, Kanada)
b) Třístupňová transformátorová kaskáda 3 MV, 4 A (High-Volt Dresden,
Německo)
2.1.3 Zkušební zdroje vysokých kmitočtů
V technice vysokých napětí se zkušebních zdrojů střídavého napětí vysoké frekvence
používá ke zkoušení izolace přístrojů výkonové vysokofrekvenční techniky, pro výzkum
elektrických výbojů, pro napájení rentgenových přístrojů při nedestruktivních zkouškách
materiálů, dále pak jako napáječů pro speciální přístroje a často též ve fyzikálních
laboratořích pro napájení urychlovačů částic. Vysokofrekvenční vysoké napětí lze získat
pomocí:
- elektronických výkonových generátorů,
- rezonančních transformátorů.

Elektronické generátory o kmitočtech 300 kHz až 1 MHz, o napětí 30 kV až 100 kV a
o výkonu až 40 kVA, které vyrábí netlumené kmity, se používají zpravidla v laboratořích pro
přesnější měření. Takovéto zařízeni se skládá ze tří částí:
- vlastního generátoru (elektronického oscilačního obvodu),
- zesilovače,
- indukční cívky vysokého napětí.
Oscilátor – vf generátor bývá zpravidla zapojen v dvojčinném zapojení a má konstantní
anodové napětí; zesilovač s chlazením má regulovatelné anodové napětí, aby bylo možno
nařídit na výstupu potřebný výkon. Cívka vysokého napětí je připojena na výstup zesilovače
tak, že působí jako vzduchový autotransformátor. Zkušební obvod má být v rezonanci s
napájecím kmitočtem a má-li se dosáhnout vysokého napětí, musí být zkušební obvod tvořen
cívkou s velkou indukčností a malou kapacitou. Připojí-li se zkoušený objekt na cívku
vysokého napětí, nařídí se rezonance nejdříve zhruba vhodnou volbou odbočky na cívce a
Vysoké napětí a elektrické přístroje 17
přesné nastavení se pak provede změnou kmitočtu napájecího generátoru. Elektronické vf-vn
generátory jsou zařízení značně složitá a drahá.

Obrázek 2.6: Náhradní schéma Teslova transformátoru

Při požadavku na vyšší výkony při vysokých střídavých napětích vysoké frekvence se
zpravidla v technice vn používají rezonanční transformátory, jejichž představitelem je
Teslův transformátor, jehož náhradní schéma ukazuje Obrázek 2.6. Při jeho konstrukci se
vychází ze známého poznatku, že elektromotorické napětí indukované v jednom závitu závisí
na kmitočtu podle vztahu:
fu
z
..44,4 Φ= ( 2.9 )
kde u
z
je závitové napětí, Φ je magnetický tok a f je kmitočet.
Ze vztahu je patrno, že vedle magnetického toku závisí velikost elektromotorického
napětí i na frekvenci. Zvýšením frekvence je tedy možno dosáhnout zvýšení napětí na
sekundárních svorkách transformátoru. Je však známo, že s rostoucí frekvencí rostou i
hysterezní ztráty vířivými proudy v magnetickém obvodu. Rovněž se snižuje dosažitelná
indukce jádra transformátoru.
Kondenzátor C
1
v primárním obvodu se nabíjí stejnosměrným napětím z napájecího
obvodu. Primární a sekundární obvody jsou u Teslova transformátoru vytvořeny jako
kmitavé. Když napětí na kondenzátoru C
1
dosáhne hodnoty přeskokového napětí jiskřiště KJ,
dochází k výboji a primární kmitavý obvod se rozkmitá s frekvencí
11
1
..2
1
CL
f
π
= .
( 2.10 )
Protože vinutí L
1
a L
2
jsou magneticky vázané, rozkmitá se i kmitavý obvod
sekundárního vinutí transformátoru s frekvencí
22
2
..2
1
CL
f
π
= .
( 2.11 )
Protože se energie z primárního obvodu přenesla do obvodu sekundárního, kmity se
rychle tlumí. K útlumu přispívá i rezistance jiskřiště, která je v důsledku negativní
charakteristiky elektrického oblouku tím větší, čím je vrcholová hodnota kmitu menší. Když
primární obvod přestane kmitat, je vrcholová hodnota kmitů v sekundárním obvodu nejvyšší.
Joulovými ztrátami a ztrátami v dielektriku kondenzátoru C
2
a připojeném zkoušeném
objektu se i sekundární kmity utlumují. Transformátor tedy vyrábí tlumené kmity vysokého
napětí a průběh kmitavého napětí závisí na těsnosti vazby M mezi vinutími L
1
a L
2

vzduchového transformátoru. Je-li vazba příliš těsná, přenáší se energie z primárního vinutí na
sekundární a zpět. Tento stav je pro provoz rezonančního transformátoru nežádoucí. Při volné
18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
vazbě se přenáší energie pouze jedním směrem z primárního vinutí na sekundární. Koeficient
vazby lze měnit osovým posouváním primárního vinutí vůči sekundárnímu.
Transformátor pracuje v optimálním režimu tehdy, když primární a sekundární obvod
jsou v rezonanci, tj. když f
1
= f
2,
z čehož plyne:
2211
CLCL = . ( 2.12 )
Změnou zkoušeného objektu se mění i celková kapacita C
2
a tedy i f
2
. Rezonance se
proto musí nastavovat pro každý zkoušený objekt změnou indukčnosti L
1
. Měření je dosti
zdlouhavé a Teslův transformátor nepracuje v ustáleném kmitočtovém provozu. Změna
vrcholové hodnoty výstupního napětí se nastavuje změnou doskoku na kulovém jiskřišti KJ.
Při zkouškách izolace napětím o vysoké frekvenci je nutno transformátor provozovat při málo
těsné vazbě M.
Napětí na vysokonapěťové straně Teslova transformátoru je možno určit (zanedbáme-li
ztráty energie v obvodech) tak, že porovnáme energii v kondenzátoru C
1
nízkonapěťového
obvodu u
1
2
.C
1
/2 s energií v kondenzátoru C
2
ve vysokonapěťovém obvodu u
2
2
.C
2
/2.
Obdržíme:
2
.
2
.
2
2
21
2
1
CuCu
= . ( 2.13 )
Napětí na kondenzátoru C
2
ve vysokonapěťovém obvodu a tedy i na svorkách
vysokonapěťové strany transformátoru bude
2
1
12
C
C
uu = .
( 2.14 )
V praxi jsou rezonanční transformátory stavěny buď jako vzduchové nebo olejové.
Dosahují napětí až několika MV a kmitočet se pohybuje v rozsahu 10 kHz až 100 kHz.
Příklad takového zdroje ukazuje Obrázek 2.7.


Obrázek 2.7: Zkušební zdroj střídavého napětí 2,2 MV vysokých kmitočtů
(Hitachi Research Laboratory, Brewster, USA)
Vysoké napětí a elektrické přístroje 19
2.2 Zkušební zdroje stejnosměrného vysokého napětí
Vysoké stejnosměrné napětí se používá v laboratořích vn pro zkoumání vlastností
izolačních systémů zařízení o vysoké kapacitě, jako jsou např. kondenzátory a kabely, a dále
pro vyšetřování fyzikálních vlastností převážně nehomogenních elektrických polí.
V technické praxi mají stejnosměrné zdroje vysokého napětí široké uplatnění v rentgenových
zařízeních, v elektrických odlučovačích, v zařízeních na rozstřikování nebo rozprašování laků,
prášků apod. Vysoké stejnosměrné napětí je možno získat usměrněním střídavého proudu,
násobením tohoto základního napětí v kaskádních zapojeních, případně elektrostatickými
generátory.
Střední hodnotu usměrněného napětí můžeme určit jako
∫
=
T
s
dttu
T
U
0
)(
1
,
( 2.15 )
kde u(t) je časový průběh zvlněného výstupního napětí usměrňovače. Pod pojmem
„zvlnění“ rozumíme periodické kolísání usměrněného napětí mezi maximální hodnotou U
max

a minimální hodnotou U
min
. Zvlnění můžeme vyjádřit:
2
minmax
UU
U
−
=δ ( 2.16 )
Pro velmi kvalitní usměrnění bude δU/U
s
C
2
, R
2
> R
1
). Jejich velikost určuje tvar napěťo