EN 60060-1 Podstawy do wprowadzenia współczynnika napięcia probierczego

Dlatego tez w rozdziale D.1 załącznika zwrócono uwagę, że poprzednia wersja niniejszej normy (IEC60060-1:1989) klasyfikowała napięcia udarowe piorunowe pełne do dwóch klas:

• gładkie udary napięciowe piorunowe pełne oraz
• udary napięciowe piorunowe pełne z tłumionymi oscylacjami.

W praktyce jednak wszystkie udary mają pewne oscylacje i to użytkownik miał subiektywnie ocenić, kiedy oscylacje były takie, że udar należy uznać za udar piorunowy pełny z tłumionymi oscylacjami. Udar napięciowy piorunowy pełny z tłumionymi oscylacjami analizowano na podstawie „wykreślenia krzywej średniej przez oscylacje”, a użytkownik subiektywnie oceniał, która gładka krzywa jest właściwa. Określono dopuszczalną wartość „wartości szczytowej pojedynczego piku” jako 5 % wartości szczytowej (udaru).

Przypomnijmy, że oscyloskop to elektroniczny instrument, który przekształca sygnały elektryczne (głównie napięcie) w widoczne ślady na ekranie bądź wyświetlaczu. Innymi słowy, przekształcają energię elektryczną w światło. Instrumenty te dynamicznie wykreślają zmieniające się w czasie sygnały elektryczne w dwóch wymiarach. Na osi "Y" (lub pionowej) oscyloskopu wykreślane jest napięcie, natomiast czas jest nanoszony jest na oś "X" (lub poziomą). Wynikowy wykres napięcia w funkcji czasu pokazuje "obraz" sygnału wejściowego i jest zwykle określany jako "przebieg". Jako charakterystykę zmiany sygnału wejściowego można zaś wyświetlić ciągłe, dynamiczne aktualizacje wykreślonego przebiegu na ekranie oscyloskopu. Oscyloskopy są głównym narzędziem stosowanym przez inżynierów elektroników do testowania i weryfikowania ich projektów. Instrument ten będzie również podstawowym instrumentem, którego będziesz używał w swoich laboratoriach elektrycznych i fizycznych. Głównym celem oscyloskopu jest uzyskanie dokładnej wizualnej reprezentacji sygnału elektrycznego. Z tego powodu integralność sygnału jest bardzo ważna. Integralność sygnału odnosi się do zdolność oscyloskopu do rekonstrukcji przebiegu tak, aby była dokładną reprezentacją oryginalnego sygnału. Ważne jest jednak, aby pamiętać, że przebieg w oscyloskopie nigdy nie będzie identyczną reprezentacją prawdziwego sygnału, bez względu na to, jak dobry oscyloskop jest. Dzieje się tak, ponieważ po podłączeniu oscyloskopu do obwodu oscyloskop staje się częścią obwodu. Innymi słowy, istnieją pewne efekty ładowania. Producenci instrumentów starają się minimalizować efekty ładowania, ale w pewnym stopniu zawsze będą obecne. Istnieje jednak wiele różnych typów oscyloskopów. Mimo to istnieją pewne podstawowe cechy, które ma większość oscyloskopów. Przedni panel większości oscyloskopów można podzielić na kilka podstawowych sekcji: wejścia kanałów, wyświetlacz, pokrętła do regulacji pionowej i poziomej oraz regulacja poziomu wyzwalania. 

Rozróżnia się trzy rodzaje oscyloskopów:

• z odchylaniem ciągłym lub okresowym,
• uniwersalne z odchylaniem ciągłym i wyzwalanym,
• szybkie (bardzo dużej częstotliwości).

Z kolei w zależności od technologii analizy sygnału wyróżnić można oscyloskopy:

• analogowe z lampą oscyloskopową, na której obraz generowany jest w wyniku oddziaływania obserwowanych przebiegów na układ odchylania wiązki elektronowej;
• cyfrowe z monitorem wyświetlającym obraz wygenerowany przez układ mikroprocesorowy na podstawie analizy zdigitalizowanych sygnałów wejściowych.

Oscyloskopy mogą występować jako system wbudowany albo oprogramowanie funkcjonujące po podłączeniu odpowiedniego przetwornika do komputera.

Wreszcie, z uwagi na sposób pomiaru dzieli się oscyloskopy analogowe na:

• oscyloskop jednostrumieniowy — może pracować także w systemie dwukanałowym, sygnały badane z zakresu 0 Hz do około 3 GHz;
• oscyloskop dwustrumieniowy — lampa oscyloskopowa o dwóch strumieniach elektronów, co pozwala na jednoczesne badanie dwóch sygnałów, posiadają jeden generator podstawy czasu;
• oscyloskop stroboskopowy (próbkujący) — z badanego przebiegu pobiera próbki przesunięte w czasie, a obwiednia jest zapisem sygnału, stosowany do badania przebiegów powtarzalnych;
• oscyloskop z pamięcią — pozwalają na pomiary różnych sygnałów, także aperiodycznych.

Omawiana norma stwierdza dalej, że analiza zależała od czasu trwania przewyższenia lub częstotliwości oscylacji; w 19.2 stwierdzono: „W niektórych układach probierczych mogą wystąpić oscylacje lub przewyższenia na szczycie udaru; jeżeli częstotliwość tych oscylacji nie jest mniejsza niż 0,5 MHz lub czas trwania przewyższenia nie jest dłuższy niż 1 µs, dla celów pomiarowych można wykreślić średnią linię. Wartość szczytową amplitudy otrzymanej w ten sposób krzywej należy przyjąć za wartość szczytową napięcia probierczego”. To, wedle autorów normy, powodowało występowanie ostrego przeskoku charakterystyki, ale zostało zaakceptowane jako uzasadniona metoda analizy oscylogramów, gdy przewyższenie było ograniczone do 5 %. Wykres tego przeskoku charakterystyki zamieszczono na Rysunku D.1.

Rysunek D.1 – „Skuteczna” funkcja napięcia probierczego wg IEC 60060-1:1989

Jak stwierdza Załącznik D, powodowało to trzy problemy dotyczące spójności pomiaru:

• Ostre przejście od „wartości maksymalnej” do „wartości maksymalnej krzywej średniej” prowadzi do bardzo dużych błędów, gdy częstotliwość przewyższenia jest bliska częstotliwości przejścia 500 kHz. To ostre przejście nie charakteryzuje poprawnie właściwości materiałów izolacyjnych. Trudno jest również dokładnie określić tę częstotliwość.
• Wybór krzywej średniej był subiektywny. Powoduje to znaczną dodatkową niepewności przy wyznaczaniu parametrów pełnego udaru napięciowego piorunowego z tłumionymi oscylacjami.
• Nie jest precyzyjnie podane, w jaki sposób określić, czy impuls jest gładki, czy też ma bardzo małe, nakładające się oscylacje.

Dalej w normie czytamy, że w ostatnich dwóch dekadach powszechne stało się stosowanie rejestratorów cyfrowych. Rejestratory cyfrowe stosowane z analizą programową są w stanie zapewnić uzyskanie znacznie wyższej dokładności niż oscyloskopy, ale ich zastosowanie utrudniały nieprecyzyjne zapisy w standardzie IEC 60060-1:1989. Z kolei użytkownicy opracowali wiele programów komputerowych, które mogą być testowane za pomocą przebiegów z generatora danych testowych (TDG) według opisanego wcześniej standardu IEC 61083-2, ale wykorzystanie tych programów podczas prób jest nadal ograniczone przez nieprecyzyjne definicje podane w standardzie IEC 60060-1:1989. Różnice zaś między wartościami parametrów obliczonymi przez dany program a tymi, które podano w standardzie  IEC 61083-2 stanowią dodatkowy składnik do szacowania niepewności.

W punkcie D.2 Załącznika D czytamy, że Grupa Robocza CIGRE WG D 1.33 (znana wcześniej jako CIGRE WG 33.03) w ciągu ostatnich dwóch dekad wspierała prace nad tymi problemami, a zespół IEC TC 42 MT4 pracował nad nimi od samego początku. W sumie zaś badania, sfinansowane przez Wspólnotę Europejską, prowadziło 5 instytutów badawczych w latach 1997-1999. Dotyczyły one wpływu oscylacji o zmiennej częstotliwości i amplitudzie nałożonych na napięcie udaru piorunowego pełnego na wytrzymałość na przebicie 5 rodzajów izolacji. Wyznaczono, przy tym, prawdopodobieństwo napięcia przebicia dla gładkiego udaru piorunowego pełnego, którego kształt był zbliżony do sumy dwóch funkcji wykładniczych. Wyznaczono również prawdopodobieństwo napięcia przebicia dla takiego samego udaru z nałożonymi oscylacjami o zmiennej częstotliwości i amplitudzie, oraz określono napięcie równoważnego gładkiego udaru piorunowego pełnego. Efekt nałożonej oscylacji o częstotliwości f jest redukowany o współczynnik k(f)

–  co oznacza, że wartość szczytowa udaru równoważnego jest równa wartości szczytowej zastosowanego udaru gładkiego plus k(f) razy wartość szczytowa oscylacji. Eksperymentalnie wyznaczone wartości k(f) wykreślone w funkcji częstotliwości przedstawiono zaś na Rysunku D.2. Co prawda dane dotyczące różnych rodzajów izolacji były raczej rozproszone, to jednak główna konkluzja była dość wyraźna:

Innymi słowy, występuje stopniowe, a nie ostre, przejście w zależności częstotliwościowej wpływu przewyższenia na wytrzymałość elektryczną. Badacze wprowadzili także „współczynnik k”, k(f) w celu przedstawienia tego stopniowego przejścia. W normie jest to teraz nazwane funkcją napięcia probierczego,

Równanie D1: Ut = Ub + k(f)(Ue – Ub)                                                               

przy czym:

Ut, jest wartością napięcia probierczego, którą należy określić;

Ub  jest wartością szczytową dopasowanej krzywej bazowej;

Ue, jest wartością szczytową oryginalnej krzywej zarejestrowanej.

Załącznik D wskazuje także, że wartość napięcia probierczego (Ut) jest wartością szczytową napięcia równoważnego gładkiego udaru piorunowego pełnego. „Krzywa napięcia probierczego” jest zaś stosowana do obliczania parametrów czasowych, bo metoda ta jest dokładna, powtarzalna i wydajna. Norma stwierdza także, że krzywa napięcia probierczego jest pewnym matematycznym artefaktem, a nie fizyczną reprezentacją równoważnego gładkiego udaru piorunowego. Duże tolerancje parametrów czasowych opierają się natomiast na dziesięcioleciach doświadczeń, a wyniki uzyskane w eksperymencie europejskim potwierdzają fakt, że wartości parametrów czasowych nie są bardzo istotne przy określaniu wytrzymałości. W związku z tym, nowe oszacowania parametrów czasowych są wystarczająco bliskie wartościom, które zostałyby określone z zastosowaniem starych metod.

Rysunek D.2 – Reprezentatywne punkty eksperymentalne z eksperymentów europejskich oraz funkcja napięcia probierczego

W załączniku D opisano także, że wewnątrz CIGRE wiele dyskutowano na temat najbardziej odpowiedniego wzoru dla k(f). Przypomnijmy: CIGRE jest największą na świecie międzynarodową organizacją zrzeszającą ekspertów zajmujących się zagadnieniami dotyczącymi wytwarzania, przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej. Stowarzyszenie zostało założone w 1921 r., Polska była jego członkiem założycielem. Obecnie CIGRE liczy 1 096 członków wspierających (firmy i uczelnie) oraz 7 358 członków zwyczajnych z 92 krajów. Gdy stwierdzono, na podstawie obliczeń, że częstotliwości graniczne tłumienia i przepuszczania nie miały dużego wpływu na wyniki, ponieważ znajdowały się w skrajnych obszarach prawdopodobnych częstotliwości przewyższeń, zaproponowano prosty, poniższy wzór, który zamieszczono w normie. Wzór ten to:

Równanie D.2:                                                                                     

przy czym f jest częstotliwością w MHz. Zostało to także przedstawione na Rysunku D.2.

W dalszej treści niniejszej normy czytamy, że ponieważ oryginalne dane uzyskano z oscylacji nałożonych na napięcie udaru piorunowego pełnego, w normie zastosowano metodę „filtrowania rezydualnego”, w której funkcja współczynnika k jest stosowana do różnicy między zmierzonym udarem a dopasowaną krzywą bazową, będącą sumą dwóch funkcji wykładniczych. Stwierdzono także, że wybór dwóch funkcji wykładniczych zapewnia dobrą spójność dla wyznaczenia wartości napięcia probierczego, ale dla uzyskania spójności w wyznaczeniu parametrów czasowych konieczne było określenie metody dopasowania tej funkcji (patrz Załącznik B). Ponadto stwierdzono, że wygodne i matematycznie poprawne jest zastosowanie funkcji k(f) jako filtra cyfrowego. Umożliwia to dokładne i automatyczne obliczenie Równania D.1 bez konieczności określania pojedynczej częstotliwości przewyższenia.

Podsumowując zatem, rozwiązano trzy wymienione wcześniej problemy:

• Funkcją stopniowego przejścia zastąpiono poprzednio stosowane ostre przejście. Nie jest również wymagane ustalanie częstotliwości przewyższenia.
• Trudności w kwestii wyboru krzywej średniej rozwiązano, wprowadzając dobrze zdefiniowaną krzywą bazową.
• Wszystkie napięcia udarowe piorunowe są traktowane w taki sam sposób, więc nie jest już wymagane ustalanie, czy udar jest gładki.

Ponadto, ponieważ obecne definicje są bardziej precyzyjne i oparte na określonym przetwarzaniu zapisów cyfrowych, można stosować rejestratory o znacznie mniejszej niepewności pomiarowej, co wykazano, na pod- stawie obliczeń, w kilku laboratoriach podczas opracowywania niniejszej części standardu IEC 60060.

W dalszej części – jak wskazuje Załącznik D - rozważano również spójność wyników nowej procedury, gdy obecne są inne formy zniekształceń. Zniekształcenia te obejmują:

• oscylacje na czole udaru;

• oscylacje nałożone na przewyższenie;

• oscylacje na grzbiecie;

• zakłócenia wysokoczęstotliwościowe.

Norma wskazuje tez, że zastosowanie krzywej napięcia probierczego ma następujące konsekwencje:

• Wszystkie zakłócenia wysokoczęstotliwościowe zostają usunięte. Usuwane są również oscylacje na czole udaru. Jest to zgodne z intencją poprzedniej wersji standardu IEC 60060-1, jednak inne filtry cyfrowe lub procedury dopasowywania krzywych nie są już wymagane. Usunięcie tych zaburzeń jest teraz osiągane automatycznie, gdy obliczana jest krzywa napięcia probierczego. W efekcie, gdy występują te zakłócenia, wyniki wyznaczenia parametrów udarów są bardziej spójne.
• Każda niskoczęstotliwościowa zmiana kształtu przebiegu zostanie zachowana. Oznacza to, że ogól- ny kształt udaru, który może znacznie różnić się od kształtu krzywej bazowej, zostanie zachowany. W przypadku tej metody krzywa bazowa jest jedynie krzywą pośrednią, używaną do wyodrębnienia krzywej rezydualnej (oscylacji). Każda składowa niskoczęstotliwościowa krzywej rezydualnej zostanie zachowana, co prowadzi do zachowania składowej niskiej częstotliwości w krzywej napięcia probier- czego. Zasadniczo jest to zgodne z poprzednim, drugim wydaniem standardu IEC 60060-1, jednak procedura w niniejszym, trzecim wydaniu daje o wiele bardziej spójne rezultaty.
• W przypadku udarów gładkich zostają usunięte wyłącznie szumy, a parametry udarów zostają dokładnie zachowane.
• Generalnie, te same procedury można stosować do wszystkich udarów piorunowych z wyjątkiem udarów uciętych na czole.

W punkcie D.3 Załącznika D czytamy z kolei, że wskazane jest określenie dopuszczalnych odchyłek, które będą równoważne dopuszczalnym odchyłkom stosowanym w poprzedniej wersji niniejszej normy (IEC60060-1:1989). Subiektywny charakter „krzywej średniej” prowadzi do dużej niepewności i szacuje się ją na 2 %. Ponadto krzywa sumaryczna dwóch funkcji wykładniczych będzie leżeć poniżej „krzywej gładkiej”, średnio o około 3 %. Aby uwzględnić niemal wszystkie (97,5 %) udary z tłumionymi oscylacjami, które były dozwolone w poprzedniej wersji niniejszej normy, względne przewyższenie określono na 10 %. Dopuści to takie same udary jak poprzednio, ale umożliwi dokładniejszą analizę. Zrazem zwrócono uwagę, że w niektórych przypadkach (chociażby dla transformatorów energetycznych) przewyższenie nie może określać maksymalnych naprężeń izolacji, a zwiększenie tolerancji względnej wartości przewyższenia do 10 % może prowadzić do niewystarczającej próby urządzenia, powinien wziąć to pod uwagę właściwy Komitet Techniczny.

Z kolei punkt D.4 Załącznika D wyjaśnia, że w badaniach europejskich [D1] stosowano oscylacje tłumione o amplitudach do około 20 %, o potwierdzonym wpływie na izolację. Jednak w przypadku prób ogólnych nie powinno być wymagane przekroczenie limitu 10 %. W przypadkach szczególnych określenie najlepszego podejścia pozostawia się zaś do decyzji właściwego Komitetu Technicznego. Krzywą resztkową można przy tym  zastosować jako pewien wskaźnik zniekształceń. Należy ponadto zauważyć, że metoda ta opiera się na badaniach izolacji i nie uwzględnia wpływu dużej stromości wzrostu napięcia na rozkład pola elektrycznego w urządzeniu. Wreszcie w niniejszej części standardu IEC 60060-1 podano definicje niektórych nowych parametrów (takich jak wartość szczytowa i średnia szybkość wzrostu), rekomendowanych przez CIGRE Task Force WG 33.03 we wspólnym działaniu z CIGRE SC 12.

Jak bibliografię Załącznik D wskazał dwie pozycje:

[D1] GARNACHO, F., SIMON, P., GOCKENBACH, E., HACKEMACK, K., BERLIJN, S., and WERLE, P. Evalu-

ation of lightning-impulse voltages based on experimental results. Electra No. 204, October 2002.

[D2] HÄLLSTRÖM, JK. et al, Applicability of different implementations of k-factor filtering schemes for the revision of IEC60060-1 and -2. Proceedings of the XIVth International Symposium on High Voltage Engineering, Beijing, 2005, paper B-32, p 92.

Napięcie probiercze. Napięcie udaru piorunowego normalnego

Na wstępie rozdziału 7.2 dotyczącego napięcia probierczego niniejsza norma określa, że napięcie udaru piorunowego normalnego jest gładkim napięciem udaru piorunowego pełnego o czasie czoła 1,2 μs oraz czasie do półszczytu 50 μs. Jest on opisywany jako udar 1,2/50.

Procedury probiercze

W punkcie 7.2.2 dotyczącym tolerancji czytamy, że jeśli właściwy Komitet Techniczny nie określił inaczej, dopuszcza się następujące różnice między wartościami wymaganymi dla udaru normalnego a wartościami obliczonymi na podstawie krzywej napięcia probierczego:

• wartość napięcia probierczego:    ± 3 %.

• czas czoła:                           ± 30 %.

• czas do półszczytu:               ± 20 %.

Jeśli zaś właściwy Komitet Techniczny nie określił inaczej, względna wartość przewyższenia nie powinna przekraczać 10 %.

Ponadto w przypadku niektórych obwodów probierczych i badanych obiektów standardowe kształty udarów w zakresach tolerancji mogą być niemożliwe do uzyskania. W takich sytuacjach może być konieczne wydłużenie czasu czoła T1 lub przekroczenie wartości przewyższenia. Wytyczne dotyczące takich przypadków powinien określić odpowiedni Komitet Techniczny. Zarazem autorzy normy zwrócili uwagę, że  czas do szczytu, Te, przedział czasu napięcia, Tλ i całka napięcia są parametrami branymi pod uwagę w przypadku alternatywnej charakterystyki udarów napięciowych piorunowych. Ich wartości może określić właściwy Komitet Techniczny

Napięcie uciętego udaru piorunowego normalnego

W zakresie uciętego udaru piorunowego normalnego punkt 7.2.3 niniejszej normy stwierdza, że jest to udar normalny, ucięty przez zewnętrzny iskiernik, z czasem do ucięcia od 2 μs do 5 μs. Natomiast inne wartości czasów do ucięcia może określić właściwy Komitet Techniczny. Czas trwania spadku napięcia powinien być znacznie krótszy niż czas czoła udaru, a wartości graniczne mogą być określone przez właściwy Komitet Techniczny. Wymagania dotyczące pomiaru i związane z tym niepewności pomiarowe określono zaś w standardzie IEC 60060-2.

Napięcia udarów piorunowych specjalnych

W dalszej części omawianej normy czytamy, że w niektórych przypadkach mogą być stosowane napięcia udarów piorunowych oscylacyjnych. Daje to możliwość uzyskania udarów o krótszych czasach czoła lub o wartościach szczytowych odpowiadających sprawności generatora wyższej niż 1. Zarazem autorzy normy zwrócili uwagę, że  szczegółowe informacje e tym zakresie zwierają się w standardzie IEC 60060-3.

Przypomnijmy, że norma PN-EN 60060-3:2008 - wersja polska Wysokonapięciowa technika probiercza -- Część 3: Definicje i wymagania dotyczące prób w miejscu zainstalowania omawia próby napięciowe, które można wykonywać w miejscu zainstalowania - w sytuacjach, gdy badania w laboratorium byłyby bardzo kosztowne lub niemożliwe. Ponadto w normie tej podano sześć rodzajów takich znormalizowanych prób:

• próby napięciem stałym,
• próby napięciem przemiennym w zakresie częstotliwości od 10 Hz do 500 Hz,
• próby napięciem udarowym piorunowym o kształcie aperiodycznym lub oscylacyjnym,
• próby napięciem udarowym łączeniowym o kształcie aperiodycznym lub oscylacyjnym,
• próby napięciem o bardzo niskiej częstotliwości - w zakresie częstotliwości od 0,01 Hz do 1 Hz,
• próby napięciem przemiennym tłumionym.

Podano w niej definicje także poszczególnych rodzajów prób, wskazówki do zestawienia układu pomiarowego, procedury sprawdzania tego układu i wymagania dokładności. Podano w niej wreszcie definicje 31 terminów.

Wytwarzanie napięcia probierczego

W punkcie 7.2.5 normy czytamy, że udar jest zwykle wytwarzany z zastosowaniem generatora składającego się z określonej liczby kondensatorów ładowanych równolegle ze źródła napięcia stałego, a następnie przełączanych w układ szeregowy, rozładowywany w obwodzie formującym udar, zawierającym badany obiekt.

Przypomnijmy, że generator drgań (także oscylator) to układ elektryczny, którego celem jest wytworzenie drgań elektrycznych. Składa się on z dwóch podstawowych elementów: wzmacniacza i obwodu dodatniego sprzężenia zwrotnego podającego sygnał z wyjścia wzmacniacza z powrotem na jego wejście. O częstotliwości drgań decyduje obwód sprzężenia zwrotnego, o ich amplitudzie – parametry wzmacniacza. Aby układ rozpoczął generowanie drgań muszą zostać spełnione dwa warunki: amplitudy i fazy. Warunek amplitudy mówi o tym, że sygnał na wejściu wzmacniacza podawany z układu sprzężenia zwrotnego musi być na tyle duży, aby na wyjściu wzmacniacza otrzymać sygnał o takim samym lub większym poziomie. Oznacza to, że tłumienie układu sprzężenia zwrotnego nie może być większe niż wzmocnienie wzmacniacza. Warunek fazy oznacza, by chwila maksimum sygnału na wejściu wzmacniacza, po przejściu przez wzmacniacz i układ sprzężenia zwrotnego, wypadała zawsze w tym samym momencie. Oznacza to, że przesunięcie fazy całego układu musi być równe wielokrotności 2π (360°).

Ze względu na zastosowane elementy aktywne generatory drgań dzieli się na:

• lampowe,
• tranzystorowe.

W zależności od metod realizacji sprzężenia zwrotnego rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje generatorów:

• RC – z układem sprzężenia zwrotnego wykorzystującym rezystory i kondensatory (np. generator z mostkiem Wiena)
• LC – z układem sprzężenia zwrotnego wykorzystującym obwód rezonansowy (np. generator Meissnera).

Generatory LC charakteryzuje większa stabilność częstotliwości w stosunku do generatorów RC. Najczęściej realizowane generatory LC to:

• Meissnera,
• Colpittsa,
• Hartleya,
• Clappa.

Generator kwarcowy jest szczególnym przypadkiem generatora LC, który w pętli sprzężenia zwrotnego ma rezonator kwarcowy. Charakteryzuje go znacznie większa stabilność częstotliwości w stosunku do generatorów LC i RC. W zależności od sposobu włączenia rezonatora kwarcowego rozróżnia się następujące generatory:

• Butlera,
• Pierce'a.

Pomiar napięcia probierczego i określanie kształtu udaru

W punkcie 7.2.6 normy, czytamy, że pomiar wartości napięcia probierczego, parametrów czasowych oraz przewyższeń lub oscylacji tego napięcia probierczego należy wykonać za pomocą uznanych układów pomiarowych (patrz standard IEC 60060-2). Pomiar należy wykonać z badanym obiektem w obwodzie i na ogół należy sprawdzić kształt udaru dla każdego badanego obiektu. W przypadku, gdy kilka badanych obiektów o tej samej konstrukcji i wielkości jest testowanych w takich samych warunkach, kształt udaru można zweryfikować tylko raz. Z kolei w przypadku udaru piorunowego uciętego, jego ucięcie może wystąpić na czole, na szczycie lub na grzbiecie. Dla napięcia udaru piorunowego uciętego na czole krzywa napięcia probierczego jest krzywą zarejestrowaną. Ponadto udary ucięte na grzbiecie są traktowane jak udary pełne dla wyznaczenia wartości napięcia probierczego i czasu czoła, który można określić na podstawie zredukowanego napięcia udarowego (na przykład ≤ 50 %), który nie powoduje ucięcia. Ucięcie zaś może wykonać zewnętrzny iskiernik ucinający lub może ono być następstwem wyładowania zupełnego w wewnętrznej lub na zewnętrznej izolacji badanego obiektu.

W dalszej części czytamy także, że w przypadku niektórych obiektów lub układów badanych może nastąpić spłaszczenie szczytu lub zaokrąglenie napięcia przed jego ostatecznym ucięciem. Podobne efekty można również obserwować w związku z niedoskonałościami układu pomiarowego. Dokładne określenie parametrów związanych z ucięciem wymaga zarówno wystąpienia ostrej nieciągłości, jak i szybkiego układu pomiarowego. Inne przypadki pozostawia się do rozpatrzenia właściwym Komitetom Technicznym. Wreszcie określenie kształtu udaru za pomocą obliczeń na podstawie parametrów obwodu probierczego nie jest uważane za zadowalające.

Przypomnijmy jeszcze, że ogranicznik przepięć, dawniej odgromnik, a także ochronnik przepięciowy, warrystor, ang. surge arrester) to urządzenie zaprojektowane do ochrony aparatury elektrycznej przed przejściowymi przepięciami, ograniczające czas trwania i częstotliwość prądu następczego. Przepięcia mogą powstać podczas np. załączania lub wyłączania nieobciążonej linii napowietrznej lub przy uderzeniu pioruna w linię napowietrzną, mogą one spowodować zniszczenie izolacji i innych elementów sieci. Ponieważ odgromniki są urządzeniami stosunkowo drogimi, są stosowane tylko do ochrony ważnych elementów sieci jak np. transformator bądź generator. Pojęcie ogranicznik przepięć pojawiło się w polskich aktach normalizacyjnych w roku 1993 jako odpowiednik angielskiego określenia Surge Protection Device (SPD) stosowanego w normach opracowanych przez IEC oraz CENELEC. Pod tym pojęciem należy rozumieć wszystkie urządzenia przeznaczone do utrzymania przepięć w instalacjach elektrycznych na dopuszczalnym poziomie.

Pod względem charakterystyki działania rozróżnia się trzy rodzaje ochronników:

• odcinające
• ograniczające
• kombinowane

Iskierniki ochronne są najprostszymi, najtańszymi, ale jednocześnie najbardziej zawodnymi ochronnikami, o bardzo ograniczonych możliwościach działania. W uproszczeniu można powiedzieć, ze iskiernik składa się z dwóch elektrod, zwykle izolowanych elektrycznie przez powietrze. Rzadziej stosuje się iskierniki o budowie zamkniętej, w których wykorzystuje się różne gazy szlachetne. Odstęp elektrod, czyli tzw. przerwę iskrową, ustala się w zależności od wymaganego poziomu ochrony przepięciowej. Działanie ochronne iskiernika rozpoczyna się od zapłonu iskry lub łuku elektrycznego między elektrodami iskiernika.

Ponadto w ogranicznikach odcinających po przekroczeniu pewnej wartości napięcia następuje gwałtowny spadek oporu wewnętrznego i szybkie przejście ze stanu nieprzewodzenia do stanu przewodzenia. Niejako zaciski ogranicznika zostają zwarte. W tego typu ogranicznikach głównym elementem jest iskiernik.

Zalety ograniczników odcinających:

• prosta i tania budowa,
• duża niezawodność,
• zdolność przewodzenia dużych prądów awaryjnych (udarowych),
• brak przepływu prądu podczas normalnej pracy (poniżej napięcia zadziałania).

Wady:

• silny wpływ czynników środowiskowych (brak w przypadku iskierników zamkniętych hermetycznie w otoczeniu określonego gazu),
• dosyć duża wartość napięcia zadziałania i duży margines wartości napięcia zadziałania,
• występowanie tzw. prądu następczego.

Napięciem zadziałania nazywana jest wartość napięcia, przy której następuje zapalenie się łuku pomiędzy elektrodami iskiernika.

Ze względu na wady powyższych rozwiązań niektórzy producenci starają się łączyć oba aparaty. Może to być zarówno połączenie szeregowe obu aparatów tzw. ograniczniki zaworowe jak i kaskadowe. W szeregowym połączeniu ograniczników nie występuje przepływ prądu podczas normalnej pracy oraz prąd następczy jest znacznie ograniczony. Wadą tego rozwiązania są opisane wyżej problemy z zapłonem iskiernika. Połączenie kaskadowe stosowane jest w przypadku małych obiektów. Najczęściej stosuje się kilka stopni ochrony, buduje się układy kolejno łączonych ograniczników na coraz niższe napięcia. Niestety między kolejnymi stopniami ochrony musi być zachowana pewna odległość. Stosując te urządzenia można użyć tylko jednego zestawu aparatów. Zgodnie z definicją 3.6 normy PN-EN 61643-11 ogranicznik typu kombinowanego to SPD, który zawiera zarówno elementy ucinające jak i elementy ograniczające napięcie, może ucinać napięcie, ograniczać napięcie lub spełniać obie funkcje, w zależności od charakterystyk doprowadzonego napięcia.

Pomiary prądu podczas prób napięciami udarowymi

Z kolei w punkcie 7.2.7 normy czytamy, że właściwy Komitet Techniczny powinien określić charakterystykę płynącego w badanym obiekcie prądu, który należy zmierzyć podczas prób przy udarach wysokonapięciowych. Jeśli ten typ pomiaru jest stosowany dla celów porównawczych, znaczenie ma kształt udaru, a pomiar wartości bezwzględnej prądu może mieć mniejsze znaczenie.

Po dalsze wskazówki w powyższym zakresie niniejsza norma odsyła do standardu IEC 62475. Przypomnijmy zatem, że norma PN-EN 62475:2010 wersja angielska Wielkoprądowa technika probiercza -- Definicje i wymagania dotyczące prądów probierczych i układów pomiarowych podaje wymagania dotyczące pomiarów i prób wielkoprądowych aparatury wysokonapięciowej i niskonapięciowej. Podano w niej także definicje 37 terminów, zdefiniowano parametry prób i ich tolerancje, opisano metody szacowania niepewności pomiarów wielkoprądowych, ustalono wymagania, które powinien spełniać kompletny układ pomiarowy, wreszcie opisano metody zatwierdzania i kontroli układu pomiarowego oraz jego części składowych

Procedury probiercze. Próby napięcia wytrzymywanego

Rozdział 7.3. normy omawia procedury probiercze. I tak zalecana procedura probiercza zależy od właściwości badanego obiektu. Właściwy Komitet Techniczny powinien określić, którą procedurę należy zastosować. Wskazuje się także, że w opisanych poniżej procedurach A, B i C napięcie doprowadzone do badanego obiektu jest określone wartością znamionowego napięcia wytrzymywanego, natomiast w procedurze D należy doprowadzić napięcie o kilku poziomach wartości. Zarazem autorzy normy zwrócili uwagę, że  statystyczna dokładność procedur jest różna, ale dla koordynacji izolacji przyjmuje się, że wynik prób jest równoważny.

W zakresie koordynacji izolacji niniejsza norma odsyła do standardu IEC 60071. Przypomnijmy zatem, że PN-norma EN 60071-1:2008 - wersja polska Koordynacja izolacji -- Część 1: Definicje, zasady i reguły

określa procedurę doboru znormalizowanych napięć wytrzymywanych dla izolacji faza-ziemia, faza-faza i izolacji wzdłużnej urządzeń oraz elementów instalacyjnych w sieciach trójfazowych prądu przemiennego o najwyższym napięciu urządzeń większym niż 1 kV. W normie tej podano też wykazy wartości znormalizowanych, spośród których należy wybierać znormalizowane napięcia wytrzymywane. Podano w niej także definicje 53 terminów

Próba napięcia wytrzymywanego: Procedura A

W przypadku Procedury A niniejsza norma określa, że do badanego obiektu doprowadza się trzy udary o określonym kształcie i biegunowości na określonym poziomie napięcia wytrzymywanego. Wymagania próby są spełnione, jeżeli stosując metody detekcji określone przez właściwy Komitet Techniczny nie ma oznak uszkodzenia. Zarazem autorzy normy zwrócili uwagę, że  procedura ta jest zalecana do prób izolacji niesamoregenerującej się lub degradującej się.

Próba napięcia wytrzymywanego: Procedura B

W przypadku zaś Procedury B czytamy w omawianym dokumencie, że  do badanego obiektu doprowadza się piętnaście udarów o określonym kształcie i biegunowości na określonym poziomie napięcia wytrzymywanego. Wymagania próby są spełnione, jeżeli wystąpią nie więcej niż dwa wyładowania zupełne w samoregenerującej się części izolacji i brak jest oznak uszkodzeń izolacji niesamoregenerującej się, przy zastosowaniu metod detekcji określonych przez właściwy Komitet Techniczny. Zarazem autorzy normy zwrócili uwagę, że  jeśli właściwy Komitet Techniczny nie określi inaczej, można przyjąć, że nie wystąpiło żadne uszkodzenie izolacji niesamoregenerującej się, gdy trzy ostatnie udary nie spowodowały wyładowania zupełnego. W przypadku zaś wystąpienia wyładowania zupełnego przy jednym z udarów o numerach od 13 do 15 można doprowadzić trzy dodatkowe udary (w sumie nie więcej niż 18). Gdy zaś nie wystąpią kolejne wyładowania zupełne, badany obiekt przeszedł próbę z wynikiem pozytywnym.

Próba napięcia wytrzymywanego: Procedura C

Jeśli chodzi o Procedurę C, to norma określa, że do badanego obiektu doprowadza się trzy udary o określonym kształcie i biegunowości na określonym poziomie napięcia wytrzymywanego. Jeżeli nie wystąpi wyładowanie zupełne, badany obiekt przeszedł próbę z wynikiem pozytywnym. Jeżeli zaś wystąpi więcej niż jedno wyładowanie zupełne, badany obiekt próby nie przeszedł. Natomiast jeżeli wystąpi jedno wyładowanie zupełne w samoregenerującej się części izolacji, doprowadza się dziewięć dodatkowych udarów. Jeżeli nie wystąpi żadne wyładowanie zupełne, badany obiekt przeszedł próbę z wynikiem pozytywnym. Wreszcie, jeżeli, stosując metody detekcji określone przez właściwy Komitet Techniczny, wykryje się jakiekolwiek uszkodzenie niesamoregenerującej się części izolacji, w którejkolwiek części próby, badany obiekt próby nie przeszedł.

Próba napięcia wytrzymywanego: Procedura D

Omawiając Procedurę D norma wskazuje, że w przypadku izolacji samoregenerującej się można oszacować 10 % napięcie wyładowania zupełnego U10, stosując statystyczne metody probiercze opisane w Załączniku A (patrz poniżej). Metody te pozwalają na bezpośrednie oszacowanie U10 i U50 lub na pośrednie oszacowanie U10. W tym ostatnim przypadku U10 oblicza się z U50, stosując podaną niżej zależność:

U10 = U50 (1 – 1,3s)

Ponadto norma wskazuje, że właściwy Komitet Techniczny powinien określić wartość odchylenia standardowego s, przyjmowaną dla napięcia wyładowania zupełnego. Dla prób na sucho w izolacji powietrznej, przy braku jakiejkolwiek innej izolacji, można przyjąć wartość s = 0,03. Ponadto uważa się, że obiekt badany przeszedł próbę z wynikiem pozytywnym, jeżeli wartość U10 jest nie mniejsza niż ustalone udarowe napięcie wytrzymywane. W celu określenia U50 można zaś stosować następujące metody:

• metodę wielopoziomową – (patrz Rozdział A.1.1) o m ≥ 4 poziomach napięcia i ni ≥ 10 udarach na każdym poziomie;
• metodę góra-dół (patrz Rozdział A.1.2) o n = 1 udarach w grupie i m ≥ 20 użytecznych doprowadzeniach napięcia.

Z kolei w celu oszacowania wartości U10 można zastosować metodę góra-dół z n = 7 udarami w grupie i co najmniej ośmiu użytecznych grupach.  We wszystkich zaś przypadkach różnica ΔU między poziomami napięcia powinna w przybliżeniu wynosić od 1,5 % do 3 % estymowanej wartości U50.

Procedury prób gwarantowanego napięcia wyładowania zupełnego

Procedury prób gwarantowanego napięcia wyładowania zupełnego są – jak wskazuje norma - podobne do opisanych powyżej (w 7.3.1), jednak z odpowiednimi zmianami pomiędzy warunkami wyładowania i braku wyładowania. Właściwy Komitet Techniczny może zaś również określić inne procedury dla określonych obiektów badanych.

Przypomnijmy, że wspomniany wyżej Załącznik A (informacyjny) Statystyczne opracowanie wyników prób określa, że procedury probiercze wyładowań zupełnych, z punktu widzenia opracowania statystycznego, można podzielić na trzy kategorie:

•           Klasa 1: Próby metodą serii (Rysunek A.1)

Podczas próby klasy 1 doprowadza się ni napięć (przykładowo: napięć udarów piorunowych) powodujących Ki ≤ ni wyładowań zupełnych, a wykonuje się to na każdym z m poziomów napięć Ui (i = 1, 2, ..., m), gdzie różnica po- między sąsiadującymi poziomami napięcia zaczyna się od ΔU = Ui+1 – Ui (i = 1,2,... m – 1). Metodę tę stosuje się zazwyczaj dla napięć udarowych, aczkolwiek próby napięciem przemiennym i stałym, o określonym czasie narażenia, również zaliczają się do tej klasy. W normie zaleca się także wybranie parametrów zgodnie z: m ≥ 5, ni ≥ 10 dla wszystkich i = 1,2,...m; ΔU = (0,01 do 0,06) U50. Wreszcie wynikami prób jest ni doprowadzeń napięcia oraz odpowiadająca im liczba ki wyładowań zupełnych przy każdym poziomie napięcia Ui (i = 1,2,..., m).

•           Klasa 2: Próby metodą góra-dół (Rysunek A.2)

Podczas próby klasy 2 doprowadza się do m zaakceptowanych grup po n niemal równych naprężeń napięciowych przy poziomach napięcia Ui (i = 1,2,..., l). Poziom napięcia dla każdej z kolejnych grup naprężeń jest zwiększany lub zmniejszany o niewielką wartość ΔU, w zależności od wyniku uzyskanego w poprzedniej grupie naprężeń.

Ponadto powszechnie stosuje się dwie procedury probiercze:

• procedurę sprawdzania wytrzymałości, mającą na celu określenie poziomów napięcia odpowiadających małym prawdopodobieństwom wyładowania zupełnego. W procedurze badania wytrzymałości poziom napięcia podwyższa się o wartość ΔU, jeżeli nie wystąpi żadne wyładowanie zupełne w grupie o n doprowadzeniach napięcia. W przeciwnym razie poziom napięcia zostaje obniżony o tę samą wartość.
• metodębadaniawyładowań określającą poziomy napięcia odpowiadające dużym prawdopodobieństwom wyładowania zupełnego. W procedurze badania wyładowań poziom napięcia podwyższa się o ΔU, jeżeli izolacja wytrzyma raz lub więcej. W przeciwnym razie obniża się go o tę samą wartość.

Ponadto przy n = 1 obie procedury stają się identyczne i odpowiadają procedurze góra-dół określającej 50 % napięcie wyładowania zupełnego.

Z kolei próby przy innych wartościach n stosuje się także dla określenia napięć odpowiadającym innym prawdopodobieństwom wyładowania zupełnego. Wynikiem próby są liczby ki grup naprężeń wywołanych przy poziomie napięcia Ui. Pierwszy poziom Ui brany pod uwagę jest poziomem, przy którym były doprowadzone co najmniej dwie grupy naprężeń. Całkowita liczba użytecznych grup wynosi:

 na poziomach napięcia i = 1…l.

W normie zwrócono także uwagę, że próby dla n = 7 określają 10 % oraz 90 % napięcie wyładowania zupełnego, które są zdefiniowane jako odpowiednio napięcie wytrzymywane oraz napięcie wyładowania. Zaleca się też dobranie pozostałych parametrów jak niżej: ΔU = (0,01 do 0,03) U50 oraz m >15.

Przypomnijmy, że poszczególne rodzaje napięć możemy zaklasyfikować następująco:

• Napięcie znamionowe sieci, które jest wartością skuteczną międzyfazowego napięcia o częstotliwości sieciowej, powodujące naprężenia napięciowe izolacji w czasie eksploatacji, klasyfikuje się jako:
  • Napięcie pracy ciągłej o częstotliwości sieciowej – przyjmuje się jako wartość stałą i równą najwyższemu napięciu sieci (Us), czyli najwyższej wartości napięcia roboczego mogącego wystąpić w normalnych warunkach pracy sieci, w dowolnym czasie i w dowolnym miejscu systemu. Najwyższe napięcie urządzenia (Um) wykorzystuje się w odniesieniu do poziomu izolacyjnego izolatorów i innych urządzeń połączonych z linią napowietrzną. Między innymi określa ono poziom napięcia, na który bada się podzespoły linii. Należy zwrócić uwagę, że najwyższe napięcie urządzeń nie jest niższe od najwyższego napięcia sieci;
  • Przepięcia dorywcze są występującymi w danym miejscu stosunkowo długotrwałymi, nietłumionymi lub słabo tłumionymi oscylacyjnymi przepięciami o częstotliwości sieciowej (IEV 604-03-12). Zwykle są one wynikiem zwarcia, operacji łączeniowych (tzn, zrzutu obciążenia), warunków rezonansowych, nieliniowości (ferrorezonansu) lub ich kombinacji. Reprezentatywne przepięcie dorywcze jest napięciem o częstotliwości sieciowej o czasie trwania 1 min, ale na ogół nie jest rozpatrywana przy określaniu odstępów linii;
  • Napięcia o częstotliwości sieciowej o charakterze ciągłym i przepięcia, które mogą być dorywcze lub przejściowe. Przepięcia przejściowe dzieli sie na:
    • Przepięcia o łagodnym czolemogą być wynikiem zwarć, operacji łączeniowych lub odległych uderzeń pioruna w linię napowietrzną. Istotnymi dla linii napowietrznych przepięciami o łagodnym czole są przepięcia ziemnozwarciowe oraz przepięcia powstające przy włączaniu i przy powtórnym włączaniu linii. Reprezentatywne naprężenie napięciowe jest charakteryzowane przez:
      • kształt znormalizowanego udaru łączeniowego (250/2 500 μs),
      • reprezentatywną amplitudę, która może być albo złożoną wartością maksymalną przepięcia albo wartością wyznaczoną z rozkładu prawdopodobieństwa amplitud przepięć.
      • Przepięcia o stromym czole są głównie przepięciami piorunowymi wywołanymi przez bezpośrednie uderzenie pioruna w przewód fazowy lub przez przeskoki odwrotne, bądź też, w sieciach o niższych napięciach (< 245 V) - napięcia zaindukowane przez uderzenia piorunów w ziemię w pobliżu linii.

•           Klasa 3: Próby rosnącym naprężeniem (Rysunek A.3)

Załącznik A określa dalej, że podczas próby klasy 3, procedurę prowadzącą zawsze do wyładowania zupełnego na badanym obiekcie stosuje się n razy. Napięcie probiercze można podnosić w sposób ciągły lub skokowy aż do wystąpienia wyładowania zupełnego przy napięciu Ui lub utrzymywać je na pewnym poziomie aż wyładowanie zupełne wystąpi po czasie ti. Wynikiem próby jest natomiast liczba n napięć Ui lub czasów ti, przy których wystąpiło wyładowanie zupełne (n ≥ 10). Powyższe próby przeprowadza się przy podnoszonych w sposób ciągły lub skokowo napięciach stałych lub przemiennych i podnoszonych skokowo napięciach udarowych. Do klasy tej zalicza się także próby, w których wyładowania zupełne występują na czole udaru.

Przypomnijmy, że udar napięciowy to krótki, nieregularny, destrukcyjny impuls napięcia o wartości setek do tysięcy kV, pojawiający się w sieci elektroenergetycznej w postaci fali wędrownej rozchodzącej się w obu kierunkach i powstały w wyniku wyładowania elektrycznego w linię elektryczną. Typowy udar przedstawia impuls, w którym "czoło udaru" odpowiada bardzo szybkiemu wzrostowi napięcia do wartości szczytowej, następnie "grzbiet" odpowiada części wolno malejącej impulsu napięciowego. Parametrami charakteryzującymi udar jest wartość szczytowa napięcia, czas trwania czoła oraz czas do półszczytu. Udar jest zjawiskiem niepożądanym, powstającym wskutek wyładowań elektrycznych wielkiej mocy. Udary przekraczają znacznie wartość znamionową napięć dopuszczalnych dla większości maszyn podłączonych do sieci elektrycznych, a co za tym idzie ich zniszczenie. Dlatego też wytrzymałość udarowa instalacji elektrycznych ma wielkie znaczenie w projektowaniu urządzeń i ich ochrony przed zniszczeniem, czy zapewnieniu im stabilnej pracy podczas burzy.