 |
|
|
|
ARTYKUŁY Elektrotechnika Przewód o izolacji wysokonapięciowej elementem urządzenia piorunochronnego |
|
Zgodnie w wymaganiami normy PN-EN 62305-3, izolowane urządzenie piorunochronne powinno być zastosowane, jeśli efekty oddziaływania prądu piorunowego mogą spowodować uszkodzenie obiektu budowlanego oraz urządzeń lub systemów elektrycznych i elektronicznych. W niektórych przypadkach zapewnienie bezpiecznej odległości pomiędzy elementami urządzenia piorunochronnego a urządzeniami lub systemami można uzyskać, stosując przewody o izolacji wysokonapięciowej. W artykule przedstawiono właściwości takich przewodów oraz sposoby ich badań.
Podstawowym zadaniem ochrony odgromowej obiektów budowlanych jest wyeliminowanie możliwości oddziaływania prądu piorunowego na ludzi, urządzenia i instalacje [1, 2]. Przyjęcie takich zasad ochrony powoduje wzrost znaczenia odstępów izolacyjnych pomiędzy elementami urządzenia piorunochronnego a urządzeniami i instalacjami ułożonymi na dachach lub ścianach obiektów budowlanych (rys. główny).
Określając wielkość odstępu izolacyjnego, należy uwzględnić:
W części obiektów zachowanie wyznaczonych odstępów izolacyjnych nie jest możliwe. W takich przypadkach rozwiązaniem jest zastosowanie kabli o izolacji wysokonapięciowej pokrytej materiałem półprzewodzącym.
Rys. 2. Wyładowania ślizgowe w układzie przewód o izolacji wysokonapięciowej – uziemiony element: wysokonapięciowej, C, C1 – odpowiednio pojemność dielektryka stałego oraz elementu powierzchniowego, R, R1 – rezystancje skrośna dielektryka i powierzchniowa |
W miejscach, w których występują niedostateczne odstępy izolacyjne pomiędzy urządzeniami lub instalacjami, a elementami urządzenia piorunochronnego można próbować zastosować osłony izolacyjne, izolowane elementy wsporcze lub dystansujące oraz specjalnie wykonane do celów ochrony odgromowej przewody o izolacji wysokonapięciowej, której wytrzymałość udarowa przewyższa wytrzymałość analizowanego odstępu izolacyjnego.
W typowych przewodach o izolacji wysokonapięciowej po przyłożeniu napięcia udarowego linie natężenia pola elektrycznego przebiegają w izolacji przewodu oraz w powietrzu. Schemat zastępczy takiego układu przedstawiono na rysunku 2.
Różnice w wartościach przenikalności dielektrycznej powietrza i izolacji przewodu powodują, że C1<< C i przeważa składowa normalna natężenia pola elektrycznego. W przedstawionym układzie pojemności przyłożenie napięcia udarowego o stosunkowo niskiej wartości szczytowej powoduje rozwój wyładowań niezupełnych od uziemionego elementu do miejsca doprowadzenia wysokiego napięcia (rys. 2b).
Powstające wyładowania, charakteryzujące się dużym (w porównaniu z innymi formami wyładowań elektrycznych) natężeniem prądu oraz przemieszczaniem się po powierzchni izolacji przewodu nazwano wyładowaniami ślizgowymi.
W wyładowaniach ślizgowych rezystancje silnie zjonizowanych kanałów są niewielkie i występujące na nich spadki napięć są również niewielkie. Taki rozwój wyładowania umożliwia przenoszenie dużych wartości natężenia pola elektrycznego na znaczne odległości i w konsekwencji dalsze wydłużanie iskier.
Rys. 3. Napięcia przeskoku w układach modelowych izolatora wsporczego i przepustowego |
Praktycznie w wielu przypadkach osiągnięcie napięcia początkowego powstawania wyładowań ślizgowych jest równoważne z osiągnięciem napięcia przeskoku w układzie. Występowanie wyładowań ślizgowych znacznie obniża wartości napięć przeskoków na powierzchni izolacji przewodu w porównaniu z wartościami napięć przeskoków po powierzchni samej izolacji (bez przewodu). W celu przedstawienia występujących różnic, na rysunku 3 porównano wartości napięć przeskoków rozwijających się po powierzchni izolatora wsporczego i przepustowego [3].
Porównanie warto.ci otrzymanych przy napięciu udarowym 1/50 obu biegunowo.ci wskazuje na:
Zastosowanie do celów ochrony odgromowej przewodu o izolacji wysokonapięciowej wymaga stworzenia warunków ograniczających lub eliminujących występowanie wyładowań ślizgowych. Można to osiągnąć:
Dwie pierwsze metody zapobiegania wyładowaniom ślizgowym nie znalazły praktycznego zastosowania w ochronie odgromowej.
| W przypadku metody trzeciej, poprawę rozkładu pola elektrycznego w miejscu powstawania wyładowań ślizgowych można osiągnąć, stosując przewody w izolacji wysokonapięcio-wej z pokryciem przewodzącym lub półprzewodzącym (rys. 4). Takie przewody mogą być stosowane, jeśli jest konieczne układanie zwodów lub przewodów odprowadzających obok uziemionych instalacji i urządzeń. Można również rozważyć możliwości ich zastosowania w obszarach zagrożonych wybuchem. |
Rys. 4. Przewód odprowadzający o izolacji wysokonapięciowej |
Określenie zakresu stosowania przewodów o izolacji wysokonapięciowej z pokryciem półprzewodzącym oraz wyznaczenie ich właściwości wymaga przeprowadzenia badań laboratoryjnych.
Ze względu na różnorodne kształty napięć wywołujących przeskoki iskrowe można przyjąć, że izolacja takich przewodów oraz ich odporność na wyładowania ślizgowe powinny być badane na napięcia udarowe 1,2/50 μs [4] oraz udary ucięte o czasach do ucięcia 2–3 μs lub ukośne, o czasach trwania kilkaset nanosekund [5].
Uwzględniając powyższe fakty, podjęto próbę przeprowadzenia badań w następującym układzie pomiarowym (rys. 5):
Rys. 5. Układ do badania właściwości przewodów o izolacji wysokonapięciowej, przeznaczonych do stosowania w ochronie odgromowej
Rys. 6. Kształt napięcia doprowadzonego do badanego przewodu |
Do przewodu doprowadzano napięcie udarowe o wzrastającej wartości szczytowej oraz czasach czoła zmieniających się w zakresie 0,35–0,45 μs. Przykładowy przebieg napięcia udarowego doprowadzanego do przewodu przedstawiono na rysunku 6.Zwiększanie wartości szczytowej napięć udarowych, doprowadzające do wystąpienia przeskoków iskrowych między poprzeczkami, umożliwiło przeprowadzenie badań właściwości izolacji przewodu przy występowaniu szybkozmiennych napięć uciętych, symulujących przepięcia wywołane przez prądy kolejnego wyładowania piorunowego w kanale.
Rys. 7. Przebiegi napięć badających właściwości przewodu o izolacji wysokonapięciowej |
Przykładowe przebiegi napięć badających właściwości izolacji z pokryciem półprzewodzącym przedstawiono na rysunku 7. W czasie prowadzonych pomiarów określano możliwości występowania
wyładowań ślizgowych oraz badano wytrzymałość udarową izolacji wysokonapięciowej przewodu.
Analizując możliwości stosowania przewodu o izolacji wysokonapięciowej z pokryciem półprzewodzącym w obszarach zagrożonych wybuchem oraz próbując ocenić wartości prądu wywołane przez sprzężenia pomiędzy przewodem a uziemionymi elementami, przeprowadzono badania w układzie przedstawionym na rysunku 8.
Zarejestrowane wartości szczytowe prądów udarowych dochodziły do kilkuset amperów i były wywołane przez gwałtowne zmiany napięcia doprowadzonego do przewodu (rys. 9).
Rys. 8. Pomiar prądów wywołanych przez szybkozmienne napięcie udarowe | Rys. 9. Przebiegi napięcia doprowadzonego do przewodu o izolacji wysokonapięciowej oraz prądu płynącego w uziemionym przewodzie |
Izolowanie elementów urządzenia piorunochronnego od urządzeń i instalacji wymaga zachowania odstępów izolacyjnych. W przypadku niemożliwości ich zachowania można zastosować przewody o izolacji wysokonapięciowej z pokryciem półprzewodzącym.
Ocena podstawowych właściwości izolacji oraz materiału pokrycia wymaga przeprowadzenia badań laboratoryjnych. Propozycja takich badań oraz uzyskane wyniki zostały przedstawione jako materiał do dalszej dyskusji.
[1] PN-EN 62305-1 Ochrona odgromowa – Część 1: Wymagania ogólne
[2] PN-EN 62305-3 Ochrona odgromowa – Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia
[3] Florkowska B.: Wytrzymałość elektryczna gazowych układów izolacyjnych wysokiego napięcia. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2003
[4] Wodziński J.: Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997
[5] Hasse P.: Overvoltage protection of low voltage systems. IEE Power and Energy Series 2000 No 33
[6] Materiały informacyjne firmy DEHN
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
