HV (Wysokie napięcia, ciekawe eksperymenty, ochrona przepięciowa)

I.BHP

Przy pracy z wysokimi napięciami należy zachować szczególną ostrożność (oczywiście obowiązują wszelkie zasady BHP takie jak przy pracy z napięciem 230V), do tego dochodzą dodatkowe zasady jakich należy przestrzegać a mianowicie minimalne odległości jakie należny zachować przy pracy z WN 5 kV : 1 cm; 30 kV : 5 cm; 80 kV : 20 cm; 100 kV : 50 cm.

II. Czym jest wyładowanie atmosferyczne ?, trochę ciekawostek

Jeśli chodzi o wysokie napięcie to najlepszym przykładem jest sama przyroda a mianowicie pioruny które powstają w wyniku gromadzenia się ogromnych ładunków elektrostatycznych w chmurach burzowych (cumulonimbus). Piorun ma zwykle postać wielkiej iskry przeskakującej między podstawą chmury burzowej a powierzchnią ziemi, do czasu gdy przeciwne potencjały wyrównają się. Burze powstają zwykle z dużych, pionowo rozbudowanych cumulonimbusów, wewnątrz których istnieją silne prądy powietrzne. Powstałe w chmurze cząstki gradu poruszają się wskutek działania ruchów powietrza wytwarzając wielkie ładunki elektryczne. Dolna część chmury zwykle jest naładowana ujemnie, zaś jej środkowa cześć posiada ładunek przeciwny. Chmura przesuwająca się nad powierzchnią ziemi powoduje, że grunt ładuje się dodatnio. Gdy napięcie pomiędzy chmurą a ziemią staje się tak wielkie, że następuje przebicie powietrza (stanowiącego dielektryk) na niebie pojawia się błyskawica. Obserwując niebo burzowe możemy dotrzeć różne rodzaje wyładowań. Niekiedy piorun widziany z ziemi może przyjąć wygląd błysku rozświetlającego chmury – jest to wyładowanie przysłonięte przez chmury. Najczęściej widujemy pioruny liniowe doziemne. Mogą one występować także jako między chmurowe. Rzadkimi zjawiskami są natomiast pioruny kuliste (bardzo ciekawe i jak dotąd nie wyjaśnione do końca zjawisko) i pioruny koralowe (udało mi się takie cudo zauważyć pewnej letniej nocy, ciekawa jest szczególnie jego barwa). Każda błyskawica (wyładowanie liniowe) początkowo ma postać pojedynczej gałęzi łączącej podstawę chmury z pewnymi punktami ziemi, powszechnie uważa się , że pioruny „wybierają” punkty najwyższe, nie do końca jest to prawdą, gdyż na to gdzie piorun uderzy ma wpływ szereg innych czynników np. wielkość gradientu elektrycznego (najchętniej pioruny tłuką w ostrza), opór powietrza (np. smuga deszczu; gorące, zanieczyszczone dymy itp.), dlatego też czasami słyszymy o wypadkach w których porażeniu ulegli ludzie znajdujący się w pozornie bezpiecznych miejscach (podczas ubiegłych wakacji taki nieszczęśliwy wypadek wydarzył się o ile mnie pamięć nie myli w Warszawie). Po chwili powstają postrzępione odgałęzienia błyskawicy, będące efektem wyładowań w odwrotnym kierunku tj. między „dodatnim”” podłożem a chmurą. Każdemu wyładowaniu w atmosferze towarzyszy grzmot. Każda błyskawica poruszająca się z prędkością 150000 km/h, o napięciu ponad 100 MV i prądzie kilkudziesięciu czy kilkuset kA ma niesamowitą moc. Błyskawica, której kanał posiada temperaturę ok. 30 000°C powoduje eksplozję powietrza. Eksplozja ta wytwarza falę uderzeniową, którą słyszymy jako grzmot. Ponieważ niektóre odgałęzienia błyskawicy położone są dalej od innych odgłos grzmotu dobiega do nas stopniowo. Nie słyszymy więc silnego trzasku, lecz głuche, długie dudnienie. Rozpatrując różnicę czasu od zaobserwowania błyskawicy do usłyszenia grzmotu możemy w dużą tolerancją oszacować odległość jaka dzieli nas od miejsca uderzenia piorunu dzieląc czas [w sekundach oczywiście przez 3 (V dźwięku w powietrzu ok. 330m/s)]. Warto wiedzieć, że w ciągu jednej sekundy na powierzchnię Ziemi uderza około 100 piorunów. Każdy piorun jest inicjowany przez wyładowanie wstęgowe ku górze tzw. wyznacznik połączenia, niekiedy można zaobserwować wolniej poruszające się powrotniki. Jak się zachować podczas burzy? Każda burza pochłania za sobą ofiary lub straty w gospodarce i przemyśle. Stosuje się coraz nowsze systemy zabezpieczeń sprzętu elektronicznego przed przepięciami burzowymi jednak nawet najnowsze zabezpieczenia w 100% nie zagwarantują bezpieczeństwa. Człowiek na szczęście nie jest narażony na przepięcia o względnie niewielkich wartościach ale w żadnym wypadku nie wolno bagatelizować zagrożeń jakie niesie za sobą burza. Podczas burzy najlepiej jest pozostać w domu (oczywiście nie trzeba wspominać, że każdy budynek powinien być wyposażony w sprawną instalację odgromową). Jeśli znajdujemy się w terenie otwartym najlepszym rozwiązaniem jest ukrycie się w samochodzie, działa to na zasadzie klatki Faradaya, jeśli natomiast nie dysponujemy samochodzikiem a burza nas dopadła to nie wolno pełnić roli najwyższego punktu w okolicy. Należy przykucnąć pamiętając o tym aby zachować jak najmniejszy rozstaw stóp, nie kłaść się na ziemi. Prądy rozpływające się w ziemi po uderzeniu piorunu mogą pomiędzy rozstawionymi stopami osiągnąć wartość kilku kV, oczywiste, że takiej wartości można nie przeżyć (wypadki takie często zdążają się na pastwiskach gdzie ofiarami są zwierzęta gospodarskie typu koń, bydło). Nie można chować się pod wysokimi drzewami, liniami WN czy też w ich pobliżu (ok. 2 x wysokość obiektu), nie przebywać w pobliżu akwenów i rzek, jeśli mieszkamy w terenie, gdzie telefon i elektryczność doprowadzone są liniami napowietrznymi to lepiej nie używać w tym czasie telefonu czy też suszarki, elektrycznej maszynki do golenia itp. a dla bezpieczeństwa cennego sprzętu elektronicznego najlepiej jest go wyłączyć z gniazd sieci energetycznej, antenowej, telefonicznej czy LAN. Jeśli burza jest nad nami a jesteśmy w domku, najlepiej pozamykać okna aby nie pastowały przeciągi. Pozostaje jeszcze kwestia bezpieczeństwa w przypadku bliskiego spotkania z piorunem kulistym. Jeśli już mamy szczęście widzieć to cudo nie można przed nim szybko uciekać, ustrojstwo lubi lecieć pod wiatr dlatego też może polecieć za nami, jeśli zbliża się w naszą stronę należy zasłonić się jakimkolwiek dielektrykiem, a następnie spokojnie go odłożyć, nie wolno uderzać pioruna kulistego – może to doprowadzić do eksplozji.

III. Ochrona przepięciowa w sieciach energetycznych

Przepięcia są to przejściowe wzrosty napięcia w urządzeniach elektrycznych i w sieciach nie wynikające z ustalonego stanu pracy. Są one niebezpieczne. gdyż wartość ich przekracza nieraz znacznie napięcia robocze urządzeń. Pod względem przyczyn powstania dzielimy przepięcia na zewnętrzne i wewnętrzne. Przepięcia zewnętrzne powstają wskutek oddziaływania na linie elektroenergetyczne ładunków elektryczności atmosferycznej. Przepięcia wewnętrzne powstają przy nagłych zmianach obciążenia obwodu, przy wyłączaniu nie obciążonych linii napowietrznych lub nie obciążonych transformatorów i przy zwarciach doziemnych. Przyczyną powstawania przepięć zewnętrznych czyli atmosferycznych jest po prostu burza a bezpośrednio piorun. Duża różnica potencjałów między chmurami burzowymi i ziemią; z chwilą gdy natężenie pola osiągnie wartość ok. 30 kV/cm rozpoczyna się wyładowanie do ziemi. tzw. wyładowanie wstępne. Po osiągnięciu ziemi zaczyna się wyładowanie właściwe, które posuwa się, od ziemi do chmury, wzdłuż kanału wyładowania wstępnego, przy czym wyładowanie to odbywa się z szybkością ok. 30 m(us); lus=1/1000 000 sekundy. Wyładowanie wstępne ma szybkość znacznie mniejszą, bo tylko ok. 0,15 m/us. Przez obiekt, w który uderzył piorun. przepływa prąd o wartości 1-220 kA. Czas pojedynczego wyładowania wynosi ok. 110 us. Krzywa przedstawiająca przebieg prądu piorunu wskazuje, że prąd ten szybko wzrasta i osiąga swą wartość szczytową Imax, po czym wolniej maleje do zera. Ze względu na krótki czas trwania wyładowania prąd pioruna nazywamy udarem prądowym, przy czym część krzywej, która odpowiada wzrostowi prądu, nazywamy czołem udaru, a część krzywej, która odpowiada zmniejszeniu się prądu, nazywamy grzbietem udaru. Piorun uderza zwykle w przedmioty znajdujące się najwyżej nad ziemią, dobrze z nią połączone elektrycznie, a więc posiadające potencjał ziemi. Dla urządzeń elektroenergetycznych najniebezpieczniejsze jest wyładowanie piorunów w linię napowietrzną, gdyż po uderzeniu piorunu rozchodzi się wzdłuż przewodów fala napięciowa o bardzo dużej amplitudzie; fala ta posuwa się z prędkością światła, a więc ok. 300 000 km/s. Wskutek tego w coraz dalszych punktach sieci pojawia się napięcie o bardzo wysokich amplitudach. Dla ochrony linii napowietrznych stosujemy przewody odgromowe zawieszone nad przewodami roboczymi i dobrze uziemione. Przy dobrze umieszczonym przewodzie odgromowym wyładowanie piorunowe następuje do niego lub bezpośrednio do jednego ze słupów linii i przy dobrym uziemieniu ładunek spływa do ziemi. Przewody odgromowe są stosowane tylko w liniach napowietrznych najwyższych napięć a w liniach o napięciu do 30 kV stosuje się te przewody tylko na odcinkach linii do 2 km począwszy od stacji. Dla ochrony odgromowej stacji stosujemy najczęściej odgromniki zaworowe.

IV. Uziemiania i ochrona odgromowa

Uziemienia urządzeń powyżej 1 kV. W urządzeniach o napięciu powyżej 1 kV przewody uziemiające punktów zerowych transformatorów lub generatorów, przewody fazowe linii i aparatów kompensujących prąd pojemnościowy powinny być położone oddzielnie od przewodów uziemień ochronnych, oraz być osobno przyłączone do uziomów lub do uziemiających szyn zbiorczych. Szyny te powinny być przyłączone do uziomów przynajmniej w dwóch miejscach. W urządzeniach rzędu 30 kV, przyłączanych do sieci o dużych prądach ziemno zwarciowych, opór uziemień sztucznych o dowolnej porze roku nie powinien być większy niż 0,5 Om. Uziemienia robocze i ochronne powinny być termicznie wytrzymale na przepływ prądów jednofazowego zwarcia z ziemią. W urządzeniach powyżej 1 kV przyłączonych do sieci z punktem zerowym izolowanym, z kompensacją prądów ziemno zwarciowych lub z zastosowaniem oporu w przewodach zerowych, znacznie ograniczających prąd zwarcia z ziemią, napięcie uzwojeń roboczych lub ochronnych w stosunku do ziemi przy przepływie prądu ziemno zwarciowego, nieodłączalnego automatycznie w każdej porze roku nie powinno być większe niż 250 V. W urządzeniach o napięciu powyżej 1 kV, przyłączonych do sieci, w których przewód zerowy lub fazowy jest uziemiany bezpośrednio lub przez mały opór, uziomy powinny być rozmieszczone na obwodzie obszaru zajmowanego przez urządzenie. Ze względu na wytrzymałość mechaniczną i dla umożliwienia należytych połączeń wszystkie przewody uziemiające i zerujące powinny posiadać wymiary nie mniejsze niż niżej podane urządzenia o napięciu powyżej 1 kV

• stalowe przewody sieci uziemiającej ułożone w ziemi: okrągłe powinny mieć średnicę nie mniejszą niż 5 mm, prostokątne przekrój nie mniejszej niż 24 mm2 i grubość nie mniejszą niż 3 mm,
• stalowe przewody sieci uziemiającej, ułożone w ziemi w sposób uniemożliwiający ich doglądanie przekrój nie mniejszy niż 100 mm2, a przy przewodach prostokątnych – grubość nie mniejszą niż 4 mm.

V. Obciążalność prądowa przewodów

Prąd elektryczny płynąc przez przewód wydziela w nim energię w postaci ciepła (I 2*R). Powoduje to wzrastanie temperatury przewodu. Przyrost temperatury przewodów nie może przekraczać wartości dopuszczalnej. Ażeby warunek ten był spełniony, przekrój przewodów musi być odpowiednio duży i to tym większy, im większa jest wartość natężenia prądu przez nie płynącego.

Gdy przewody pracują pod obciążeniem nie dłużej niż 4 minuty, a następnie przerwa w pracy trwa co najmniej 6 minut, wówczas dla danego przekroju można dopuścić prądy podane w rubryce 3 tabelki. Przy tych warunkach pracy temperatura przewodów nie przekracza wartości dopuszczalnej. Dla gołych przewodów mogą być stosowane znacznie większe obciążenia niż dla przewodów izolowanych. Dopuszczalne obciążenie kabli jest na ogół większe niż przewodów w izolacji gumowej. Wartość jego zależy od sposobu ułożenia kabli. Do zabezpieczenia przewodów i kabli od nadmiernego nagrzania się spowodowanego przeciążeniem lub zwarciem stosowane są bezpieczniki topikowe oraz wyłączniki samoczynne. Bezpieczniki powinny być zainstalowane w taki sposób, aby łuk elektryczny powstający podczas działania nie był groźny dla osób przebywających w pobliżu. Zabezpieczenia przewodów należy umieszczać na początku każdej linii oraz każdego odcinka linii wykonanego przewodami o mniejszym przekroju niż odcinek poprzedni (licząc w kierunku przepływu energii). Bezpieczników można nie dawać tylko wtedy, gdy bezpiecznik na początku linii są dostosowane do najmniejszego przekroju. Bezpieczników nie wolno zakładać na przewodach uziemiających oraz przewodach zerujących przyłączonych do obudowy odbiorników.

VI. Przewodnictwo elektryczne gazów

a) teoretyczne rozważania

Jeśli chodzi o ciekawą „zabawę” z HV to dobrze jest zacząć od badania przewodnictwa elektrycznego gazów, które zależy od wielu czynników zewnętrznych. Ogrzanie lub napromieniowanie (promieniami UV, X lub radioaktywnymi) gazu w którym ma nastąpić wyładowanie iskrowe pozwala na uzyskanie dłuższej iskry, co jest związane z osłabieniem zdolności izolacyjnej gazu. zdolność izolacyjna zależy także od ciśnienia gazu. Im niższe jest ciśnienie, tym większy prąd przepływa przez gaz. Przewodzenie prądu elektrycznego przez gazy przebiega podobnie jak w cieczach – nośnikami ładunku są jony dodatnie i ujemne. W normalnych warunkach ilość jonów jest zbyt mała do przeniesienia odpowiedniej ilości ładunku, w związku z tym gazy zaliczane są do słabych przewodników elektryczności. Ilość jonów w gazie może ulec zwiększeniu pod wpływem czynników zewnętrznych, zwanych czynnikami jonizującymi. Pod wpływem czynników jonizujących w gazie powstają jony dodatnie, jony ujemne i elektrony swobodne. Silnie zjonizowany gaz ma właściwości elektryczne inne niż gazy w warunkach normalnych i nazywamy go plazmą. Plazmę o szczególnie dużej koncentracji jonów i elektronów swobodnych otrzymuje się w bardzo wysokich temperaturach, gdzie jonizacja następuje wskutek zderzeń atomów, które w wysokiej temperaturze mają wysoką energię kinetyczną. W silnych polach elektrycznych jony te, a także elektrony, mogą być przyspieszane i podczas zderzenia się ich z obojętnymi cząsteczkami powietrza powstają nowe jony. Przykładem może być wyładowanie iskrowe w maszynie elektrostatycznej. Na istniejące w powietrzu jony działają przyspieszające siły elektryczne, dzięki czemu mogą one uzyskiwać tak duże energie kinetyczne, że podczas zderzeń jonizują cząsteczki powietrza. W ten sposób liczba nośników szybko się powiększa, umożliwiając przepływ prądu elektrycznego w postaci wyładowania iskrowego.

b) praktyka

Można przeprowadzić ciekawe doświadczenia z specjalnymi rurkami Geisslera i Pluckera sa to szklane rurki wypełnione gazem (a samo doświadczenie jest ciekawe szczególnie wizualnie). Oczywiście nie każdy dysponuje rurkami tego typu wypełnionymi gazami. Doświadczenie takie można wykonać w prosty sposób stosując zamiast specjalistycznych rurek palniki ksenonowe od lamp błyskowych. Można także zastosować świetlówkę, ale jej wewnętrzne pokrycie warstwą luminoforu skutecznie uniemożliwi zaobserwowanie ciekawych zjawisk jakie tam zachodzą :(. Można też eksperymentować z kulami szklanymi wypełnionymi gazem. Podczas wykonywania doświadczeń odradzam stosowanie napięcia sieciowego. Posiada ono prąd na tyle duży, że w skrajnych przypadkach może nastąpić eksplozja palnika ksenonowego, a efekty na pewno będą ciekawsze przy napięciu rzędu kilku kV i prądzie zaledwie w granicach mA (czyli trzeba zbudować powielacz napięcia, w domowych warunkach najlepiej użyć do tego trafa może tego z TV, jeszcze raz przypominam o zachowaniu ostrożności !!! związanej z wysokimi napięciami).

VII. Promienie katodowe

Plucker stwierdził, że w rurkach do wyładowań przy ciśnieniach około miliona razy mniejszych od ciśnienia atmosferycznego, przepływowi prądu elektrycznego przez gaz towarzyszy zielonkawe świecenie rury szklanej, w miejscach naprzeciw ujemnej elektrody – katody. Wyglądało to tak, jakby katoda wysyłała jakieś nieznane promieniowanie, nazwane promieniowaniem katodowym.

Wiązka promieni katodowych przebiega przez rozrzedzony gaz wypełniający rurę do wyładowań i padając na przeciwległą ściankę rury powoduje jej zielonkawe świecenie. Promienie katodowe powodują również świecenie różnych minerałów umieszczanych na ich drodze we wnętrzu rury katodowej.

właściwości promieni katodowych: Pobudzają do świecenia niektóre substancje, maja pęd i energię kinetyczną, rozchodzą się po liniach prostych i nie przenikają przez przegrody metalowe.

• promienie katodowe powodują świecenie niektórych substancji,
• prom. X moga obracać wiatraczkiem (mają pęd i energię kinetyczną),
• przegrody uniemożliwiają przenikanie promieni X.

VIII. Cewka tesli

Urządzenie to nazywane bywa również Transformatorem rezonansowym Tesli. Składa się z dwóch obwodów: pierwotnego, w skład którego wchodzi transformator podwyższający napięcie sieciowe do ok. 8 – 15 kV, kondensatora, iskrownika oraz uzwojenia pierwotnego cewki. Duże wymagania stawiane są tu kondensatorom, które muszą posiadać odpowiednio mały upływ, wysokie napięcie przebicia oraz umożliwiać pracę przy dosyć dużych częstotliwościach. Obwód pierwotny może być wyposażony w dławiki zapobiegające przedostawaniu się zakłóceń do sieci energetycznej oraz iskrowniki chroniące „pierwotny” transformator przed przepięciami. W skład obwodu wtórnego wchodzi natomiast uzwojenie wtórne cewki oraz pojemności między toroidem a ziemią. Toroid połączony jest z końcem uzwojenia wtórnego cewki. Ze względu na efekt krawędziowy toroid powinien być możliwie najbardziej gładki, dlatego też rolę tą najlepiej sprawują metalowe kule, lub gładkie, metalowe rury odpowiednio wygięte, połączone i zeszlifowane. Zasada działania cewki Tesli polega na naprzemiennym ładowaniu kondensatora połówkami sinusoidy do napięcia równego napięciu przebicia iskrownika. W chwili przebicia iskrownika energia zmagazynowana w kondensatorze zostaje przekazana do uzwojenia. Powstaje równoległy obwód rezonansowy, w którym przepływ prądu możliwy jest dzięki łukowi elektrycznemu w iskrowniku. Energia przekazywana jest następnie przez pole elektromagnetyczne do obwodu wtórnego o częstotliwości rezonansowej możliwie zbliżonej do obwodu pierwotnego. Wynikiem działania cewki Tesli oprócz niesamowitych efektów wizualnych są również efekty akustyczne a także chemiczne manifestujące się powstawaniem dużej ilości ozonu. Gaz ten w większych stężeniach może działać bardzo niekorzystnie na człowieka, dlatego wszelkie próby z urządzeniem należy przeprowadzać na otwartej przestrzeni.

IX. Lampa plazmowa

Należy również wspomnieć kilka słów o innym, widowiskowym urządzeniu jakim jest lampa plazmowa. Działanie lampy plazmowej polega na przepływie prądu przez gaz o obniżonym ciśnieniu (w rozwiązaniach komercyjnych prawdopodobnie hel, zaś w warunkach amatorskich jest to najczęściej próżnia wewnątrz żarówki). Konstrukcja lampy plazmowej jest dosyć prosta: składa się z przetwornicy podnoszącej napięcie do wartości kilowoltów. Amatorzy najczęściej wykonują proste przetwornice na timerze 555, lub multiwibrator astabilny. Rolę transformatora WN pełni transformator odchylania poziomego od TV kluczowany MOSFETem (rzadziej tranzystorem bipolarnym). Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie aby zamiast prostej przetwornicy, do zasilania lampy plazmowej, wykorzystać cewkę Tesli. Efekt będzie zdecydowanie lepszy. Materiał ten miał jedynie rozjaśnić działanie cewki Tesli i lampy plazmowej. Zainteresowanych budową tych urządzeń odsyłam do licznych, polskich, stron poświęconych tej tematyce.

X. Autor tekstu

Autor tekstu jest Krystian Kozicki  Tekst dla www.tranzystor.pl

teksty źródłowe:

Jerzy Dreszer – „Zarys Elektrotechniki” PWSZ 1973;
Stanisław Gręda – „Urządzenia Elektryczne” PWSZ 1973;
Jan Sawicki – „Podstawy Elektrotechniki” PWSZ 1972;

Jeśli uważasz że mógłbyś dopisać coś ciekawego do tego tekstu lub lub stworzyć podobny tekst o innej tematyce napisz do nas