PLINSKI ODVODNIK
ZA ZAŠČITO PRED
PRENAPETOSTJO
PRI UDARIH STRELE
PLINSKI ODVODNIK
ZA ZAŠČITO PRED
PRENAPETOSTJO
PRI UDARIH STRELE
UREDIL
Martin Bizjak
Zavod Tehnološki center SEMTO
Ljubljana, 2010
Naslov dela: Plinski odvodnik za zaščito pred prenapetostjo pri udarih strele
Urednik: doc. dr. Martin Bizjak
Avtorji: doc. dr. Martin Bizjak, France Brecelj, dr. Nikola Jelić, dr. Vincenc Nemanič, mag.
Andrej Pirih, mag. Andrej Pregelj, dr. Robert Rozman, mag. Aleš Štagoj in dr. Bojan Zajec
Recenzenta: prof. dr. Jože Pihler, dr. Peter Panjan
Lektor: dr. Jože Gasperič, znan. svetnik
Oblikovanje in prelom: Nataša Robežnik
Založnik: Zavod Tehnološki center SEMTO, Stegne 25, Ljubljana
Za založnika: Jožef Perne
Tisk: Tiskarna Littera picta d.o.o.
Naklada: 200 izvodov
Cena: 38 EUR
Ljubljana, 2010
Izid publikacije so finančno omogočili Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike
Slovenije, Javna agencija za knjigo Republike Slovenije in Zavod Tehnološki center SEMTO.
Brez soglasja založnika in avtorjev je prepovedano vsakršno razmnoževanje ali prepis v kateri
koli obliki.
CIP - Kataložni zapis o publikaciji
Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana
621.316.93(082)
PLINSKI odvodnik za zaščito pred prenapetostjo pri udarih strele
/ [avtorji Martin Bizjak ... et al.] ; uredil Martin Bizjak. Ljubljana : Tehnološki center SEMTO, 2010
ISBN 978-961-92519-1-1
1. Bizjak, Martin, 1947253193216
PREDGOVOR
Pred nami je knjiga, ki je nastala kot rezultat raziskovalnega in razvojnega dela
strokovnjakov s področja zaščitnih elementov v elektrotehniki iz raziskovalnih organizacij in industrije, torej iz sveta znanosti in gospodarstva. Na prvi pogled se
zdita ta dva svetova različna in nezdružljiva. Znanost je usmerjena v raziskave,
v iskanje matematičnih modelov in razvijanje znanstvenih teorij, cilji gospodarstva pa so produkti v proizvodnji, dobiček, stalne racionalizacije in zadovoljevanje
kupcev. V tem delu je združeno oboje, saj je knjiga nastajala v tesni povezavi z
izvajanjem dveh aplikativnih raziskovalnih nalog, ki ju je vodil Tehnološki center SEMTO in sofinancirala Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike
Slovenije. Raziskovalne naloge, pri katerih sodelujejo raziskovalci iz znanosti in
gospodarstva, morajo temeljiti na notranji zavezi in odločenosti vseh sodelujočih
o potrebnosti takega sodelovanja. Partnerji morajo delati za skupno dobro, hkrati
pa sami videti v sodelovanju svojo korist. Upoštevani morajo biti temeljni principi
sodelovanja, ki jih razvijamo v Tehnološkem centru SEMTO in jih poimenujemo s
pojmom ODGOVORNO PARTNERSTVO.
Odgovorno partnerstvo zahteva med drugim odlično projektno vodenje, obvladovanje inovacijskega procesa, vodenje človeških virov, upravljanje intelektualne
lastnine in šele kot tako zagotovi ob sicer odlični znanosti tudi potreben pogoj za
uspeh projekta. Ob tem ne smemo zanemariti državnih mehanizmov dodeljevanja
razvojnih spodbud, ki imajo lahko odločilno vlogo tudi pri usmerjanju zasebnih
sredstev v procesu povezovanja razvoja.
Ta knjiga je nastala tudi iz potrebe sodelujočih strokovnjakov, da v tehniki in
znanosti zapustijo trajnejšo sled in da s skupnim delom povzamejo na eni strani
znanstvene članke, ki jih je vzporedno z delom pri projektu ustvarila znanost, in
na drugi praktične razvojne dosežke industrije. Avtorjem je to dobro uspelo: lahko
so ohranili svoj strokovni način izražanja, veliko delo pa je opravil tudi urednik, ki
je avtorske prispevke povezal v celoto. Knjiga je kljub različno oblikovanim prispevkom avtorjev oblikovno enotno zasnovana, za kar gre zasluga oblikovalki, ki
se je trudila za enoten in korekten videz. Za izdajo te knjige, ki se lahko uporablja
kot učbenik in kot izhodišče za nadaljnje raziskave ali tudi kot zanimivo strokovno
PREDGOVOR VII
branje, so bila potrebna tudi finančna sredstva, tu pa je priskočila na pomoč Javna
agencija za knjigo Republike Slovenije.
In še za nekaj je ta knjiga pomembna. V prevladi angleščine, kot jezika tehnike,
je napisana v tehniško pravilni slovenščini. Lektorjeva strogost je bila tu zelo na
mestu. Nujno je, da se tudi tehniška inteligenca zaveda pomena slovenščine in jo
goji ter uporablja. Kot narod se moramo stalno potrjevati na vseh področjih delovanja, tudi na področju znanstvene in tehniške misli, in tu je edino orodje slovenski
jezik. Znanstvena in tehniška integriteta pa nas skupno z drugimi enakopravno uvršča v družbo razvitih narodov.
Vsem, ki so kakor koli prispevali k izdaji te knjige, se zahvaljujem in jim čestitam k odlično opravljenem delu. Prepričan sem, da smo vsi uživali pri tem, saj, kot
je dejal že Aristotel, »le užitek pri delu ustvarja odličnost«.
Direktor TC SEMTO
Jožef Perne
KNJIGI OB ROB
Atmosferske razelektritve so vzrok nevarnih prenapetosti v električnih omrežjih, ki
jih pri poškodbi izolacije spremljajo znatni tokovni sunki. Zato delujejo uničujoče
na električne naprave. Nastanku in zaščiti pred prenapetostmi pri udaru strele je zato
v tem delu dan največji poudarek.
Prva poglavja obravnavajo razvoj pogojev v atmosferi za udar strele. Načrtovanje
zunanje zaščite pred strelo vsebuje oceno verjetnosti in predvidevanje mest za udar
strele, na osnovi katere je projektiran učinkovit lovilni sistem. Opisano je nekaj vrst
lovilk strele in poizkus nadzorovanega proženja udara. Podana je ocena velikosti
prenapetostnih in tokovnih sunkov kot posledica udara strele v objekte, navedeni pa
so tudi elementi prenapetostne zaščite, ki so sposobni omejiti prenapetost in odvesti
udarni tok. To so odvodniki toka, med katere spadajo močnostni varistorji in predvsem plinski odvodniki prenapetosti.
V poglavjih o delovanju plinskega odvodnika prenapetosti so podani osnovni
pojavi, ki so izkoriščeni za omejitev prenapetosti in prekinitev toka po prenehanju
prenapetostne motnje v energijskih tokokrogih. Pri razvoju plinskega odvodnika,
ki bo ustrezno reagiral na nastanek prenapetosti in zanesljivo opravljal svojo zaščitno funkcijo, je pomembno poznavanje razelektritvenih pojavov pri delovanju
plinskih odvodnikov in izkoriščanje njihovih lastnosti za doseganje zahtevanih ali
želenih zmogljivosti. Zaradi stikalnega načina delovanja plinskega odvodnika je
precej obravnave namenjene doseganju samougasitvene sposobnosti, da odvodnik
po povratku tokokroga v normalno obratovalno stanje sam prekine tok, ki teče skozenj tudi v normalnih obratovalnih razmerah, ko mora zagotoviti galvansko ločitev
med deli tokokroga na različnih potencialih.
Pri obravnavanju notranje zaščite pred prenapetostjo so podani razredi zaščitnih con in zahteve za zmogljivost zaščitnih elementov na meji med njimi. Podane
so zahteve za delovanje plinskih odvodnikov v prenapetostni zaščiti in preizkusni
postopki za preverjanje te funkcije na elementih pred vgradnjo v zaščitni sistem.
Preizkusni laboratorij Iskra Zaščite, d. o. o., Ljubljana, opravlja naloge preizkušanja
plinskih odvodnikov za kvalifikacijo zaščitnih elementov in za preverjanje razvojnih dosežkov lastnega plinskega odvodnika.
KNJIGI OB ROB IX
V zadnjih poglavjih je opisana konstrukcijska in tehnološka pot od zamisli in
modela do lastnega izdelka, spremljana z raziskavami razelektritvenih pojavov in
preiskavami zgradbe in materialov za plinski odvodnik. V razvojno delo so bili
vključeni strokovnjaki z različnih področij naravoslovja in tehnike, uporabljene so
bile tudi kompleksne analitske metode za preiskavo uporabljenih materialov in uvedeni napredni tehnološki postopki, kot so vakuumska tehnologija.
Zgodba o razvoju plinskega odvodnika podjetja Iskra Zaščite ima namesto epiloga sklep, da je najdena pot, po kateri se kot enakovreden udeleženec tekmovanja
za prestiž na področju prenapetostne zaščite vključuje tudi slovenski proizvajalec.
Urednik
AVTORJI
Martin Bizjak, univ. dipl. inž. fizike, doktor elektrotehniških znanosti. Zaposlen
je v Iskri MIS, d. d. Ukvarja se z nizkonapetostno stikalno tehniko, še posebej pa s
pojavi na električnih kontaktih in z izklopi velikih tokov. Docent za elektrotehniko
na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru.
Član društva Fuse club-a.
France Brecelj, univ. dipl. inž. kem. tehnol., poznavalec materialov in tehnologij s
področja izdelave vakuumskih in s čistimi plini napolnjenih elektronk, predavatelj
na izobraževalnih tečajih Društva za vakuumsko tehniko Slovenije.
Nikola Jelić, univ. dipl. inž. elektrotehnike, specializiran za fiziko in tehniko nuklearnih reaktorjev, magister elektrotehnike, specializiran za fiziko in tehniko plazme
ter doktor fizike, specialist za fiziko plazme. Ukvarja se s fuzijskimi, z laboratorijskimi in s tehnološkimi plazmami ter s plazmami v naravi, in sicer predvsem z
uporabo računalniških in teoretičnih metod.
Vincenc Nemanič, univ. dipl. inž. fizike, magister in doktor tehniških znanosti, je
vodja Vakuumskega laboratorija na Odseku za tehnologijo površin in optoelektroniko na Institutu »Jožef Stefan«. Laboratorij ima dolgoletne izkušnje na področju
raziskav in razvoja elektronskooptičnih naprav in je pri svojem delu razvil izjemno
natančne metode meritve tlaka in sestave plinskih zmesi. Ožji področji raziskav
zadnjih nekaj let sta: interakcije vodika s kovinami, ki bodo uporabljene v fuzijskih
reaktorjih, in hladna emisija elektronov iz nanostrukturiranih materialov.
Andrej Pirih, univ. dipl. ing., magister elektrotehnike, direktor projektov in inženiringa v podjetju VARSI, d. o. o. Ukvarja se z razvojem in proizvodnjo specialnih varistorjev in z aplikacijami varistorjev v prenapetostnih zaščitah. Je član
mednarodnih delovnih skupin: IEC (International Electrotechnical Commission),
TC37/SC37A/WG3 - Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems-Selection and application principles in WG5 - Surge protective
devices connected to low-voltage power distribution systems-Performance requirements and testing methods ter TC37/SC37B/MT1 - standard test specification
for gas discharge tubes and metal-oxide varistor components that are used in surge
protective devices in MT2 - standard test specification for silicon avalanche diode
AVTORJI XI
and thyristor surge suppressor components that are used in surge protective devices.
Andrej Pregelj, univ. dipl. inž. stroj., magister elektrotehnike, poznavalec vakuumske tehnike in tehnologije, izdelave hermetičnih spojev ter načrtovalec konstrukcij.
Aktivni član Društva za vakuumsko tehniko Slovenije (DVTS), predavatelj na izobraževalnih tečajih DVTS.
Robert Rozman, univ. dipl. inž. fizike, doktor znanosti s področja strojništva, ukvarja se z modeliranjem nastanka plazme pri laserski obdelavi materialov. Zaposlen je
v Iskri Zaščite, d. o. o., kjer vodi razvoj plinskih odvodnikov.
Aleš Štagoj, univ. dipl. inž. el., magister elektrotehnike, zaposlen v Iskri Zaščite,
d.o.o. Strokovnjak na področju razvoja, uporabe in preizkušanja energijskih prenapetostnih zaščitnih naprav na osnovi tehnologije varistorjev in plinskih odvodnikov.
Dober poznavalec sedanjih in novo nastajajočih standardov ter merilne tehnike s
tega področja.
Bojan Zajec, univ. dipl. inž. fizike in doktor znanosti o materialih. Zaposlen je
v Vakuumskem laboratoriju na Odseku za tehnologijo površin in optoelektroniko
Instituta »Jožef Stefan«. Pri svojem delu se ukvarja predvsem z meritvami in modeliranjem interakcije vodika s kovinami (kinetika in termodinamika) in tudi z raziskavami hladne emisije iz nanostrukturiranih materialov.
VSEBINA
PREDGOVOR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
KNJIGI OB ROB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII
AVTORJI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
POMEN UPORABLJENIH SIMBOLOV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV
1. UVOD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Aleš Štagoj
Reference in viri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. PREHODNE PRENAPETOSTI V OMREŽJIH NIZKE NAPETOSTI. . . 3
Martin Bizjak in Aleš Štagoj
2.1 OMREŽNE PRENAPETOSTI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 PREKLOPNE PRENAPETOSTI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 ELEKTROSTATIČNE RAZELEKTRITVE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 ATMOSFERSKE RAZELEKTRITVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4.1 Potek (negativne) atmosferske razelektritve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4.2 Druge vrste strel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.3 Vplivi na okolico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.4 Povečanje električnih potencialov zgradbe ob udaru strele . . . . . . . . . 18
2.4.5 Električna in magnetna polja kot vzrok induciranih napetosti. . . . . . . 21
Reference in viri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3. ZUNANJA ZAŠČITA PRED DELOVANJEM STRELE . . . . . . . . . . . . 25
Aleš Štagoj
3.1 GEOMETRIČNI ELEKTRIČNI MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
VSEBINA XIII
3.2 DOLOČANJE ZAŠČITENEGA PROSTORA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1 Zaščitni nivoji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.2 Zaščitne cone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 VRSTA IN IZVEDBA STRELOVODNIH LOVILNIH NAPRAV . . . . . 34
3.3.1 Franklinov palični lovilnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.2 Radioaktivni lovilnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.3 Lovilnik z aktivno kroglo [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Reference in viri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4. ELEMENTI ZA PRENAPETOSTNO ZAŠČITO. . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Robert Rozman
5. PLINSKI ODVODNIK PRENAPETOSTI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Robert Rozman
5.1 DELOVANJE PLINSKEGA ODVODNIKA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 OSNOVNE KONSTRUKCIJSKE VERZIJE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Reference in viri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6. FIZIKALNI POJAVI PRI VŽIGU IN UGASNITVI RAZELEKTRITVE V
PLINSKEM ODVODNIKU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Martin Bizjak, Nikola Jelić, Vincenc Nemanič, Robert Rozman in Bojan Zajec
6.1 VŽIG RAZELEKTRITVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.1.1 Variabilnost napetosti električnega preskoka. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.1.2 Električni preskok pri hitrem naraščanju napetosti med elektrodama. . . . 48
6.1.3 Lastnosti delovnega plina v plinskem odvodniku. . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.1.4 Netesnost in odkrivanje netesnih mest. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.1.5 Kvantitativna analiza plinskih zmesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.1.5.1 Osnove masne spektrometrije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.1.5.2 Eksperimentalni primeri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.2 FORMIRANJE STABILNE RAZELEKTRITVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3 UGASITEV
OBLOKA
–
PROBLEM
SAMOUGASITVENE
SPOSOBNOSTI PLINSKEGA ODVODNIKA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3.1 Povratni vžig obloka – plinski odvodnik ni samougasitven . . . . . . . . 68
6.3.2 Ugotavljanje mehanizma povratnega vžiga v plinskem odvodniku. . . . 70
6.4 MOŽNOSTI ZA POVEČANJE SAMOUGASITVENE SPOSOBNOSTI
PLINSKEGA ODVODNIKA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.4.1 Prekinitev sledilnega toka v »naravni ničli« izmeničnega toka. . . . . . 72
6.4.2 Prekinitev sledilnega toka s povečanjem obločne napetosti Ub . . . . . . 81
6.4.3 Kombinacija plinskega odvodnika in elektromehanskega odklopnika. . . 83
XIV VSEBINA
6.4.4 Izboljšanje samougasitve plinskega odvodnika z gibanjem obloka med
elektrodama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.5 ZGOSTITEV PLAZME Z MAGNETNIM FOKUSIRANJEM. . . . . . . . 85
6.6 PRIMERLJIVOST RAZELEKTRITEV PRI NIZKIH IN ATMOSFERSKIH
TLAKIH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Reference in viri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7. NOTRANJA ZAŠČITA PRED DELOVANJEM STRELE. . . . . . . . . . . 93
Aleš Štagoj
7.1 IZENAČITEV POTENCIALA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7.1.1 Glavna izenačitev potenciala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.1.2 Izenačitev potenciala za aktivne vode električnih naprav. . . . . . . . . . . 95
Reference in viri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8. NOTRANJA ZAŠČITA PRED PREHODNIMI PRENAPETOSTMI. . . . 97
Aleš Štagoj
8.1 ODPORNOST NAPRAV PROTI PREHODNIM PRENAPETOSTIM. . 98
8.2 PRENAPETOSTNI RAZREDI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
8.3 DEFINICIJE OSNOVNIH PARAMETROV PRENAPETOSTNE
ZAŠČITE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.3.1 Prenapetostni zaščitni razredi I, II, III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.3.2 Maksimalna dovoljena obratovalna napetost Uc . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.3.3 Napetostni zaščitni nivo Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.3.4 Preostala napetost Ures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8.3.5 Udarni tok Iimp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.3.6 Nazivni udarni tok odvajanja In . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.3.7 Kombinirani sunek 1,2/50 µs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.3.8 Sledilni tok If . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.3.9 Občasna prenapetost UT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.4 PRENAPETOSTNA ZAŠČITNA NAPRAVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.4.1 Zaščitni elementi s stikalno karakteristiko. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.4.2 Zaščitni elementi s stalno omejevalno karakteristiko. . . . . . . . . . . . . 107
8.4.3 Prednosti in slabosti različnih vrst zaščitnih elementov. . . . . . . . . . . 108
Reference in viri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
9. ELEKTRIČNI PREIZKUSI PLINSKIH ODVODNIKOV . . . . . . . . . . . 113
Aleš Štagoj
9.1 PREIZKUSI PLINSKIH ODVODNIKOV PO STANDARDU IEC 6164311. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
VSEBINA XV
9.1.1 Preizkus obratovalne trajnosti za plinski odvodnik zaščitnega
razreda I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
9.1.2 Preizkus obratovalne trajnosti za plinski odvodnik zaščitnega
razreda II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
9.2 IZVAJANJE ELEKTRIČNIH MERITEV V LABORATORIJU ZA
MERITVE PRI VISOKI NAPETOSTI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9.3 REZULTATI PREIZKUSOV IN MERITEV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
9.3.1 Vžigna napetost pri počasi naraščajoči preizkusni napetosti (Uvs) . . .120
9.3.2 Vžigna napetost pri hitrem napetostnem sunku (Uvd). . . . . . . . . . . . . 121
9.3.3 Preostala napetost Ur pri tokovnem udaru 8/20 µs . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.3.4 Preizkus prekinitve sledilnega toka 100 A s samougasitvijo. . . . . . . 124
9.3.4.1 Vžig s hitrim napetostnim sunkom 1,2/50 µs. . . . . . . . . . . . 124
9.3.4.2 Vžig s tokovnim udarom 8/20 µs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.3.4.3 Vžig s tokovnim udarom 10/350 µs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
9.3.5 Stabilnost značilnih vrednosti plinskih odvodnikov kot merilo
proizvodljivosti v seriji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
9.3.5.1 Kvazistacionarna vžigna napetost Uvs, vžigna napetost pri
napetostnem sunku Uvd in kapacitivnost C . . . . . . . . . . . . . . 129
9.3.5.2 Preostala napetost Ur pri tokovnih udarih 8/20 µs. . . . . . . . . 130
9.3.5.3 Vedenje odvodnikov pri preizkusih na tokovni udar 10/350 µs.
130
9.3.5.4 Preizkus samougasitve pri vžignem napetostnem sunku 1,2/50
µs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Reference in viri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
10. ZGRADBA IN IZDELAVA PLINSKEGA ODVODNIKA . . . . . . . . . . 133
France Brecelj in Andrej Pregelj
10.1 MATERIALI ZA PLINSKI ODVONIK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
10.2 ZGRADBA PLINSKEGA ODVODNIKA IN SESTAVNI DELI . . . . 140
10.3 OPREMA IN NAPRAVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.4 KAKOVOST ODVODNIKOV, VZROKI ZA ODMIKE IN NAPAKE . . . 145
10.5 UKREPI, KI IZBOLJŠAJO KAKOVOST PLINSKIH ODVODNIKOV. . . 146
Reference in viri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
11. SKLEP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Martin Bizjak
POMEN UPORABLJENIH
SIMBOLOV
Simbol/enota
(W/R)/(A2 s)
E/(V/m)
i/A
If/A
Iimp/A
In/A
Ip/A
Itemenski/A
Irazel/A
Isc/A
K/(W/K)
P/W
Q/(A s)
RA/Ω
Si/(A/mbar)
Ta/°C
tf/s
u/V
U*/V
Urazel /V
Ub/V
Uc/V
Ue/V
Ui/V
Un/V
Uo/V
Pomen
sproščena moč na enoti ohmskega upora, joulski integral
električna poljska jakost
trenutna vrednost toka (splošno)
sledilni tok
amplituda udarnega toka
nazivni tok
razpoložljivi (pričakovani) tok
amplituda udarnega toka
tok stabilne razelektritve
tok kratkega stika (kratkostični tok)
toplotna prestopnost
moč
električni naboj
ozemljitvena upornost
faktor specifične občutljivosti
temperatura okolice
formacijski čas razelektritve
trenutna vrednost napetosti (splošno)
minimalna stacionarna napetost električnega preskoka
napetost na elektrodah pri stabilni razelektritvi
obločna napetost
maksimalno dovoljena obratovalna napetost
obratovalna napetost
inducirana napetost
nazivna napetost
elektrostatična napetost
POMEN UPORABLJENIH SIMBOLOV XVII
Uoc/V
Up/V
Upv/V
ur/V
us/V
ut/V
UT/V
Utpv/V
Uv/V
Uvd/V
Uvs/V
Z/Ω
ρ/(Ω m)
α
γ
Θ
ρC/(kA/cm2)
napetost v breztokovnem stanju
napetost zaščitnega nivoja
napetost povratnega vžiga
preostala napetost (trenutna vrednost)
trenutna vrednost napetosti vira
napetost prehodnega pojava, tranzientna napetost
občasna prenapetost
napetost povratnega vžiga
vžigna napetost
dinamična vžigna napetost
statična vžigna napetost
impedanca
specifična ohmska upornost
Townsendov ionizacijski koeficient
koeficient sekundarne emisije elektronov
faktor prenapetosti (= ΔU/U*)
ploščinska absorpcija toka varistorja
1
UVOD
Aleš Štagoj
Eden od vzrokov, ki velikokrat pripeljejo do izpadov električne energije in elektronskih naprav, sklopov in sistemov, so prenapetosti v porabniških omrežjih, ki
so posledica neposrednih ali oddaljenih udarov strele, ali stikalnih manipulacij v
distribucijskem omrežju ali v porabniških napravah. Prenapetostni odvodniki prispevajo k zagotavljanju določenih zahtev s področja kvalitete elektroenergetskega sistema (EES) in elektromagnetne skladnosti naprav (EMC – Electromagnetic
Compatibility).
Slika 1.1 Obvezen znak na napravi, ki ustreza skladnosti po Pravilniku o elektromagnetni
združljivosti (EMC) [1]
Z izjavo o skladnosti mora proizvajalec zagotoviti, da naprava, sklop ali sistem
ustrezajo Pravilniku o elektromagnetni združljivosti (EMC). Skladnost naprave potrjuje oznaka CE (slika 1.1). Čeprav za električno inštalacijo v predvidenem objektu
ni potreben znak CE, je pri vsaki novogradnji treba upoštevati osnovne zaščitne cilje
Pravilnika o elektromagnetni združljivosti (EMC), ki vključuje ukrepe za zaščito pred
delovanjem strele in pred prenapetostmi.
Reference in viri
1. SIST IEC 61662: Ocenitev tveganja škode zaradi strele (Assessment of the risk of damage
due to lightning) – druga verzija; avgust 1998
2
PREHODNE PRENAPETOSTI V
OMREŽJIH NIZKE NAPETOSTI
Martin Bizjak in Aleš Štagoj
Prehodna prenapetost v elektroenergetskih omrežjih (EEO) je pojav nenadne spremembe napetosti (pozitivnega ali negativnega predznaka), ki nastane in izzveni
pri prehodu iz enega stanja obratovanja v drugo. Spremembe prenapetosti trajajo
do nekaj milisekund (ms) in so kratkotrajne, dušene, periodične ali aperiodične.
Trajanje in velikost prenapetosti sta odvisna od lokalne mrežne impedance. Pri tem
lahko prenapetost preide iz nizkonapetostnega (NN) omrežja v visokonapetostno
(VN) in nasprotno.
Slika 2.1 Prikaz vzrokov nastalih škod. Vir: Wüba, d. d., podružnica Frankfurt, stanje leta 2000
[1]
Prenapetost označuje povečanje napetosti med dvema točkama do take mere,
da je nevarnost za poškodovanje in uničenje izolacije na električnih in elektronskih
napravah, aparatih in sistemih. Statistike, ki jih periodično izvajajo zavarovalnice,
ATMOSFERSKE RAZELEKTRITVE 7
2.3 ELEKTROSTATIČNE RAZELEKTRITVE
Zaradi različnih zunanjih vzrokov se lahko prosti električni naboji naberejo v ločene
gruče s pozitivnim ali negativnim nabojem. Ko električna poljska jakost vmesnega
prostora preseže njegovo dielektrično trdnost, nastane nenadna razelektritev in izenačitve naboja. Električna napetost med nasprotno nabitima poloma naraste tudi do
40 kV.
Pri elektrostatičnih razelektritvah so prenapetostne motnje močno dušena visokofrekvenčna nihanja ali aperiodični sunki obeh polaritet z dvižnim časom čela
nekaj nanosekund in polovičnim časom upadanj od 20 ns do 60 ns. Pri elektrostatičnih razelektritvah nastanejo tokovi z amplitudo do 100 A (slika 2.3).
80
U0 = 10 kV
70
U0 = 20 kV
60
U0 = 30 kV
U0 = 40 kV
i/A
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
t/ns
Slika 2.3 Tokovni razelektritveni sunki pri različnih elektrostatičnih napetostih
Statična razelektritev je tudi visokofrekvenčni izvir motenj, katerih motilni signal doseže tudi frekvenco 1 GHz. Naboj motilnih impulzov je sicer le velikostnega
reda mikroamper-sekunda, vendar kljub temu skoraj vedno povzroča poškodbe polprevodniških elementov.
2.4 ATMOSFERSKE RAZELEKTRITVE
Atmosferska razelektritev nastane kot udar strele, zaznamo pa jo kot blisk in grom.
Razelektritev sproži električni preskok med električno nabitima oblakoma z raz-
8 PREHODNE PRENAPETOSTI V OMREŽJIH NIZKE NAPETOSTI
lično polariteto naboja ali med oblakom in zemljo, ki ju ločuje zrak kot izolator.
Navadno nastajajo atmosferske razelektritve pri nevihtah, kjer nastajajo v močnih
vertikalnih tokovih vročega in vlažnega zraka veliki in visoki nevihtni oblaki z veliko količino električnega naboja. Strela lahko udari med oblakoma (cloud-to-cloud,
CC) ali iz oblaka v zemljo (cloud-to-ground, CG). Več kot polovica udarov strele
nastane med oblaki. Večina atmosferskih razelektritev med oblakom in zemljo poteka iz negativno nabitega oblaka proti pozitivno nabiti zemlji, kakih 10 % pa iz
pozitivno nabite zemlje proti negativnemu oblaku.
Območje Slovenije je precej izpostavljeno nevarnostim udara strele in temu primerna je tudi škoda, ki jo vsako leto povzroče udari strele v objekte. Za registracijo
atmosferskih razelektritev na območju Slovenije obstaja Slovenski sistem za avtomatsko lokalizacijo atmosferskih razelektritev (SCALAR). Ta na leto zabeleži več
kot 60 000 atmosferskih razelektritev.
2.4.1 Potek (negativne) atmosferske razelektritve
Vir električnega naboja za atmosferske razelektritve je nevihtni oblak. Njegovo
teme sega do 7 km visoko nad zemljo, oblačna baza pa je na višini med 3 km in
4 km. Zgornji del nevihtnega oblaka je nabit pozitivno, spodnji ob bazi oblaka pa
negativno.
Slika 2.4 Nastajanje nevihtnega oblaka
14 PREHODNE PRENAPETOSTI V OMREŽJIH NIZKE NAPETOSTI
i
prvi tokovni udar
30 kA
povratni udar
15 kA
30 kA/μs
Q = 30 A s
ponovni povratni udari
100 A
0
50 μs
30 ms
0,5
t
Slika 2.10 Značilna oblika tokovnih sunkov negativne atmosferske razelektritve in sunkov z
več ponovnimi povratnimi udari [2]
2.4.2 Druge vrste strel
Prej opisana viličasta strela (slika 2.11) je njena najpogostejša oblika. Pri močnem
vetru, ki premika strelin kanal, vidimo zaporedne bliske premaknjene tako, kot jih
prikazuje slika 2.12. Prav tako obstajajo tudi pozitivni bliski, ki potekajo z vrha
oblaka neposredno v tla, poleg teh pa so pogoste tudi strele med oblaki samimi.
Slika 2.11 Videz najpogostejše negativne [5] (levo) in pozitivne (desno) viličaste strele
ATMOSFERSKE RAZELEKTRITVE 17
Tabela 2.2 Glavne karakteristike tokovnih razelektritev [2]
Verjetnost Amplituda
presežka
toka
Naboj
Strmina
∫ i2 · dt
Q/(A s) S/(kA/µs) (MA2 s)
Skupen
čas
Št. zapored.
udarov
t/s
n
P/%
I/kA
50
26
14
48
0,54
0,09
1,8
10
73
70
74
1,9
0,56
5
1
180
330
97
35
2,7
12
Atmosferski razelektritveni tok ustvarja v svoji okolici škodljive vplive. Navadno
vzamemo, da se ogroženost razširja v prostor na razdalji 1,5 km od udara strele.
Nevarni vplivi atmosferskih razelektritev se v okolico prenašajo na tri osnovne načine, ki so prikazani na sliki 2.14.
Slika 2.14 Možnosti prenašanja nevarnih prenapetostnih vplivov v sosednjo zgradbo pri udaru
strele [6]
ATMOSFERSKE RAZELEKTRITVE 19
Porazdelitev potenciala ozemljitvenega sistema po površini ima obliko »lijaka«
in se zmanjšuje z oddaljenostjo od mesta udara. Pri posamičnih ozemljilih se lahko
zmanjša na vrednost nič že na oddaljenosti 20 m, tako da sta obratovalno ozemljilo
nizkonapetostnega omrežja (RB) in ozemljitveni vodniki porabnika (RA) na različnih
potencialih. Zaščitni ozemljitveni nevtralni vodnik (Protective Earth Neutral, PEN)
distribucijskega omrežja je pri odjemalcu vključen v glavno izenačitev potenciala
in v stavbi prevzame potencial ozemljila RA. Del udarnega toka strele bo zato stekel
po PEN-vodniku distribucijskega omrežja v ozemljitev krajevne transformatorske
postaje. Fazni vodniki L1, L2 in L3 so ozemljeni v zvezdišču transformatorja, ki
je povezan z obratovalnim ozemljilom RB. Tako na porabnik dovedemo omrežno
napetost 230/400 V z dodano udarno napetostjo 250 kV med PEN in faznimi vodniki faz L1, L2 in L3. Izolacija nizkonapetostnega sistema seveda ni predvidena za
take napetostne sunke, zato nastane preboj na najšibkejšem mestu. Tako nastanejo
poškodbe zaradi delnih tokov strele. Preprečimo jih tako, da vse aktivne električne
vode povežemo z zbiralko za izenačitev potenciala preko prenapetostnih odvodnikov (Surge Protection Device, SPD); v takem primeru so to tudi odvodniki toka
Slika 2.15 Vplivi udara strele – 1: direktni udar v zgradbo (povečanje potenciala ozemljila,
indukcija napetosti v inštalacijskih zankah; 2a, b, c: posredni vplivi udara strele (2a – udar v
srednjenapetostno omrežje, 2b – indukcija na srednjenapetostnih vodih, 2c – vpliv oddaljenega
udara strele do 1,5 km. Vrednosti uporov ozemljila RA1 = RA2 = RA3 = RA = 10 Ω
74 FIZIKALNI POJAVI PRI VŽIGU IN UGASNITVI RAZELEKTRITVE V PLINSKEM ODVODNIKU
dalje pa se hitro zmanjšuje. Kot uporabna pa se je izkazala kombinacija zaporedno
povezanega ZnO-varistorja in plinskega odvodnika v obliki lončka in paličaste sredinske elektrode. Zaradi nelinearne karakteristike varistorja pri izmenični napetosti
u(t) sinusne oblike se časovni potek toka i(t) skozi varistor zelo odmika od sinusnega poteka. Okoli točke prehoda u(t) skozi ničlo ustvari varistor širši »breztokovni«
interval, ki omogoča zaporedno priključenemu plinskemu odvodniku, da zanesljivo
prekine sledilni tok že v prvi tokovni ničli, ker se v dovolj dolgem breztokovnem
intervalu oblok dovolj ohladi, da ne nastane ponovni vžig (slika 6.19).
Preizkusi ustreznosti kombinacije prenapetostnih zaščitnih naprav v integriranem hibridnem modulu – varistor zaporedno s plinskim odvodnikom – je bil opravljen v merilnem sistemu, ki ga prikazuje slika 6.20.
Slika 6.20 Električna shema preizkušanja zaporedne kombinacije varistorja in plinskega odvodnika
Zaradi omejitve preostale napetosti Ur pri kombinaciji teh dveh elementov pri
preizkušanju s tokovnimi udari Iimp je za omrežno napetost Uc = 255 V izbran varistor V210 z nižjo delovno napetostjo od priključene.
Plinski odvodnik ima v zaporedni kombinaciji z varistorjem nalogo, da zaradi
galvanske ločitve elektrod prepreči uhajavi tok, ki bi v normalnih razmerah tekel
skozi varistor. Iz podatkov za varistor V210 izhaja, da je pri enosmerni napetosti
297 V < UnDC < 363 V tok skozi varistor 1 mA. Varistor, priključen na omrežno izmenično napetost efektivne vrednosti Uc = 255 V z razpoložljivim omrežnim tokom
efektivne vrednosti Ip > 110 A, bi bil torej v stanju kontinuirnega prevajanja »uhajavega toka«, saj je temenska vrednost napetosti na varistorju Uc· 2 = 361 V.
Naloga varistorja v tej kombinaciji pa je, da pri toku udara strele omogoči plinskemu odvodniku, da doseže stanje z izolacijsko električno upornostjo, ker mu pomaga ugasiti oblok sledilnega toka. Samougasitveno sposobnost prikazujejo oscilogrami na slikah 6.21 in 6.22.
MOŽNOSTI ZA POVEČANJE SAMOUGASITVENE SPOSOBNOSTI PLINSKEGA ODVODNIKA 75
Slika 6.21 Preizkus kombinacije varistorja in plinskega odvodnika na tokovni udar oblike10/350
μs z amplitudo Iimp = 15 kA pri priključeni omrežni napetosti Uc = 255 V in razpoložljivem omrežnem toku Ip = 120 A. Zgornja sled (F1): tokovni udar Iimp; nižje (F2): Iimp2; spodnja sled (F3):
omrežna napetost Uc, sled nad njo (F4): prepuščeni tok skozi kombinacijo obeh elementov.
Slika 6.22 Preostala napetost (Ur = 612 V) na zaporedno vezanem plinskem odvodniku in
varistorju pri tokovnem udaru oblike 10/350 μs z amplitudo Iimp = 15 kA pri priključeni omrežni
napetosti Uc = 255 V in razpoložljivem omrežnem toku Ip = 120 A. Zgornja sled 2: napetost Uc z
intervalom ur v sredi. Spodnja sled 2: izrez zgornje sledi 2 s preostalo napetostjo ur.
MOŽNOSTI ZA POVEČANJE SAMOUGASITVENE SPOSOBNOSTI PLINSKEGA ODVODNIKA 77
Slika 6.24 Kombinacija plinskih odvodnikov in varistorjev za posebne zahteve prenapetostne
zaščite
namenjen povezovanju v sistem kompleksnejše zaščite pred udarom strele v nizkonapetostnih omrežjih 230V/400V, bodisi kot samostojen element bodisi kot kombinacija skupaj z ustreznim plinskim odvodnikom [15].
ZnO-varistor je v nasprotju s plinskim odvodnikom po osnovni električni karakteristiki samougasitveni element, ker takoj po opravljeni tokovni absorpciji oziroma
po prenehanju prenapetosti ponovno preide iz stanja nizke impedance (velikostni
red nekaj deset miliohmov) v prvotno stanje visoke impedance (velikostni red nekaj
10 MΩ). Kot samougasitveni element je varistor pogosto zaporedno vezan s plinskim odvodnikom z namenom, da bi celotna kombinacija dosegala boljšo samougasitveno sposobnost pri izmeničnem toku 50 Hz. Zato je ena od osnovnih zahtev
ZnO-varistorja poleg samega omejevanja napetosti pri udarih strele tudi velika odpornost proti občasnim prenapetostim, bodisi na srednjenapetostni ali na nizkonapetostni strani omrežja. Pri zasnovi varistorja je bilo treba upoštevati zahtevo po veliki
absorpciji toka na enoto ploščine varistorske keramike (ρc ≥ 0,6 kA/cm2) in doseči
veliko termično odpornost varistorja pri preobrementivi z izmenično napetostjo.
Procesna tehnologija izdelave varistorja obsega izbiro keramične mase z ustrezno kemijsko sestavo, oblikovanje varistorske tablete, termičen proces sintranja,
metalizacijo in epoksiranje. Zaradi zahteve po definiranju ustreznih sestavin in izločanju vplivov variacij procesne tehnologije so bile raziskave materialov in tehnoloških procesov opravljene na vzorcih enake geometrije S40 (34 mm × 34 mm) in
za isto napetost 275V.
Merilo za presojo večje tokovne absorpcije varistorjev je sprememba nazivne
napetosti varistorja oziroma vrednosti v »kolenu« Un, ki je bila merjena pred tokovnim udarom 10/350 µs in po njem. Ta sprememba napetosti kolena naj bi bila
po tem merilu manjša od ±10 %. Končni rezultat petih različnih mas in tehnoloških
procesov po merilu maksimalne tokovne absorpcije je prikazan na sliki 6.25.
IZVAJANJE ELEKTRIČNIH MERITEV V LABORATORIJU ZA MERITVE PRI VISOKI NAPETOSTI 119
Merjenje
preostale
napetosti Ur
pri toku In (8/20 µs)
1-krat v poz.,
1-krat v neg. smer
pri napetostnem valu
1,2/50 µs (6 kV)
6-krat v poz.,
6-krat v neg. smer
vizualno brez poškodb,
Ur'' < Up,
Ur'' < (± 0,1 · Ur')
Preizkusna zaporedja na odvodniku prenapetosti razreda II so navedena v tabeli
9.3, iz katere lahko razberemo tudi razlike glede na preizkuse za odvodnik prenapetosti razreda I.
Preizkusi odvodnika po prenapetostnem razredu III se običajno ne izvajajo.
9.2 IZVAJANJE ELEKTRIČNIH MERITEV V LABORATORIJU ZA
MERITVE PRI VISOKI NAPETOSTI
Za raziskovalno-razvojne potrebe in preizkušanje naprav prenapetostne zaščite pred
atmosferskimi razelektritvami (preizkušanje varistorskih in energijskih plinskih
odvodnikov) po standardu IEC 61643-11 je namenjen generator tokovnih udarov
TUG-200, prikazan na sliki 9.2.
Slika 9.2 Generator udarnih tokov TUG-200 [4]
120 ELEKTRIČNI PREIZKUSI PLINSKIH ODVODNIKOV
Izvedba preizkusa obratovalne trajnosti v laboratoriju je shematsko prikazana na
sliki 9.3. Merilno opremo sestavljajo: generator udarnih tokov TUG-200 z možnostjo nastavitve napetostnih in tokovnih udarov oblike 8/20 µs (do 200 kA) in oblike
10/350 µs (do 100 kA); trifazni avtotransformator nazivne moči 85 kV A in napetosti od 0 V do 1200 V; blokovna sinhronizacija (BS); nastavljiva dušilka in upor za
zaščito avtotransformatorja ter za nastavitev amplitude in faktorja moči toka (cos
φ); predupor (Rshunt 10 A/100 mA) za merjenje sinusnega toka od 0 A do 100 A in
Pearsonova tuljava (1 A ~ 1 mV) za merjenje tokovnih sunkov. Za merjenje napetosti na sponkah odvodnika je najprimernejša visokonapetostna (VN) sonda proizvajalca LeCroy. Preizkus je zapisan z digitalnim osciloskopom velike ločljivosti
LeCroy 6030. Blokovna sinhronizacija (BS) je naprava, ki proži TUG-200 v izbranem faznem kotu sinusoide napetosti avtotransformatorja. Možnost nastavitve
faznega kota je po 30º.
Slika 9.3 Električna shema preizkusnega tokokroga za preizkušanje plinskega odvodnika
9.3 REZULTATI PREIZKUSOV IN MERITEV
9.3.1 Vžigna napetost pri počasi naraščajoči preizkusni napetosti
(Uvs)
Meritev stacionarne vžigne napetosti je zaradi počasi naraščajoče napetosti (Uvs)
kvazistacionarna. Uporabljamo merilnik domače izdelave z virom enakomerno naraščajoče enosmerne napetosti. Naraščanja napetosti na sponkah vira je semilinearna s hitrostjo 100 V/s, ker vsebuje nekaj eksponentno padajoče komponente, kot je
prikazano na oscilogramu slike 9.4.
Meritev Uvs izvajamo po vezavi, ki je podana na sliki 9.1.
126 ELEKTRIČNI PREIZKUSI PLINSKIH ODVODNIKOV
D z napetostjo okrog 30 V, ki je značilna vrednost obločne napetosti. Po končanem
preizkusu je bila na odvodniku vidna črna lisa (slika 9.13) na mestu gorenja obloka,
kjer je tekel sledilni tok omrežja.
Slika 9.12 Potek omrežne napetosti – D in toka – A pri vžigu odvodnika s hitrim napetostnim
sunkom 1,2/50 µs ; vžigni kot je 210°; časovna os oscilograma: 10 ms na razdelek; amplitudno
območje napetosti 136 V na razdelek in toka 500 A na razdelek
Slika 9.13 Plinski odvodnik, ki mu ni uspelo ugasiti sledilnega toka omrežja efektivne vrednosti
Ip = 330 A
9.3.4.2 Vžig s tokovnim udarom 8/20 µs
Za presojo sposobnosti prekinitve sledilnega toka je odločujoč standardiziran preizkus, kjer za vžig odvodnika uporabimo tokovni udarni generator sunka oblike 8/20
μs. Tega opravljamo v VN-laboratoriju Iskra Zaščite s preizkusnim sistemom, ki ga
sestavlja generator TUG-200 z avtotransformatorjem, blokovnim sinhronizatorjem
(BS) in nastavljivo dušilko ter uporom, tako kot nam to prikazuje slika 9.3. Udarni
10
ZGRADBA IN IZDELAVA
PLINSKEGA ODVODNIKA
France Brecelj in Andrej Pregelj
Konstrukcijski in tehnološki načini za izdelavo plinskega odvodnika zahtevajo
dobro poznavanje različnih tehničnih in znanstvenih disciplin:
• obvladovanje vakuumskih tehnik in tehnologij, ki zagotavljajo: izvedbo spojev steklo-kovina, keramika-kovina in kovina-kovina, ustvarjanje vakuuma in
merjenje stopnje vakuuma, razplinjanje materialov in preverjanje tesnosti;
• znanje iz plinske tehnike, predvsem za zagotovitev deklarirane sestave polnilnega plina in optimalne plinske napeljave (cevovodi, ventili, spojke, …);
• poznavanje materialov in njihovih vplivov na razelektritvene pojave;
• poznavanje plinske razelektritve v različnih okoliščinah in učinkov delovanja
plazme na vgrajene sestavne dele;
• znanje elektrotehnike za raziskave lastnosti izdelanih odvodnikov ter za postavitev preizkusnih metod in naprav oz. instrumentov.
Izdelek mora po konstrukcijski izvedbi in z izbrano tehnologijo izdelave za vgradnjo v prenapetostne zaščitne sisteme ustrezati naslednjim osnovnim zahtevam delovanja:
1. razelektritev se vžge pri podani vrednosti statične napetosti in pri podani vre-
MATERIALI ZA PLINSKI ODVONIK 135
brez Cd, Zn, ...), zahtevam za vakuumsko tesnost odvodnika (neprepustnost za
pline), imeti morajo npr. visoko tališče (glave elektrod), visoko električno prevodnost (elektrode) in upornost (izolator), zahtevano minimalno čistost itd. V naslednjem odstavku so na kratko predstavljeni najpogosteje uporabljeni materiali.
Jeklo [1, 2]
Navadna konstrukcijska ogljikova jekla in nerjavna jekla se pogosto uporabljajo
za izdelavo vakuumskih sistemov in elementov. Nerjavna jekla so pretežno neferomagnetna in precej dražja od konstrukcijskih, uporabljajo se predvsem za izdelavo
visokovakuumskih sistemov. Cenejša ogljikova jekla so feromagnetna in uporabna
do tlaka 10–5 mbar, pri katerem deluje večina vakuumskih naprav. Za višje zahteve
je treba jeklo razpliniti v segretem stanju, vendar je smotrno le do neke meje, ker
v jeklu nastane ogljikov monoksid, ki laže izhaja iz njega. Nerjavna jekla so manj
primerna za sestavne dele odvodnika, ker je pri trdem spajkanju takih spojev potrebna previsoka temperatura. Ustreznejša za plinski odvodnik so jekla z zelo majhno vsebnostjo ogljika, ki jih poznamo pod komercialnimi imeni armco, relejsko
železo, SPŽ-2… z oznakami 1.011 in 1.013 in vsebujejo manj kot 0,1 % ogljika.
Maloogljično jeklo je uporabno za lončasto ohišje plinskega odvodnika, za glavo
središčne elektrode in kot ščit steklenega izolatorja proti naprševanju s kovinskimi
parami.
Baker [1, 2]
V vakuumski tehniki je baker cenjen kot dober električni in toplotni prevodnik,
ki ima nizek parni tlak tudi pri visokih temperaturah. Za uporabo pri visokih
Slika 10.1 Plinski odvodnik z ohišjem iz bakra, ki je vseboval nekaj kisika, po žarenju v vodiku.
Izboklina na zgornji strani je nastala zaradi nastanka vodne pare v materialu.