YÜKSEK GERİLİMLER ÜRET LMES - İstanbul Üniversitesiee.istanbul.edu.tr/uploads/dersnotlari/7085-6.Darbe... · 2014-05-20 · 27.05.2012 3 5 DARBE GERİLİMLERİ! Gerilim değerinin

27.05.2012

1

1

YÜKSEK GERİLİMLERİN ÜRETİLMESİ

§  Çeşitli yalıtkan malzemelerin elektriksel açıdan dayanımını belirleyebilmek için yüksek gerilimlere ihtiyaç vardır. Yüksek gerilimler genel olarak 3 sınıfa ayrılırlar.

Ø  Yüksek alternatif (HVAC) gerilimler Ø  Yüksek doğru (HVDC) gerilimler Ø  Yüksek darbe gerilimler

2

DARBE GERİLİMLERİ Darbe gerilimleri tek polariteli olup başlıca 2 gruba ayrılırlar: 1.  Yıldırım Darbesi 2.  İletim hatlarında açma-kapama sonucu oluşan gerilimler Ø  Normal bir darbe gerilimi salınım yapmadan hızla

tepe(maksimum) değerine ulaşmalı ve nispeten daha yavaş bir hızda sıfır değerine düşmelidir.

Ø  Darbe gerilimlerinin uygulanması aşamasında yüksek gerilim devresindeki yalıtkanda istenerek veya istenmeden bir delinme meydana gelirse, bu olay darbe geriliminde ani bir düşmeye sebep olur. Bu tip gerilimlere ‘Kesilmiş Darbe’ adı verilir.

27.05.2012

2

3

DARBE GERİLİMLERİ Ø Gerilimin aniden kesilmesi

cephe , t epe veya s ı r t bölgelerinden herhangi birinde olabilir.

Ø Yıldırım sonucu oluşan aşırı gerilimlerin tepe değere erişme süresi yaklaşık olarak 1µs civarındadır.

Ø  Yüksek gerilim devrelerindeki açma-kapama işlemleri aşamasında oluşabilen iç aşırı gerilimlerin tepe değere erişme süreleri ise yaklaşık 100µs kadardır. Deneyler için istenen farklı tip darbe gerilimleri cephe ve sırt şeklini belirleyen bazı zaman parametreleri yardımıyla elde edilir.

4

DARBE GERİLİMLERİ

Yıldırım darbelerinin cephe kısmının gerçek biçimini ölçmek genelde zor olduğu için, A ve B noktalarından çizilen doğrunun zaman eksenini kestiği ‘0’ noktası ile ‘s’ noktaları arası cephe süresini verir.

Tf: Cephe süresi Th: Sırt yarı süresi

27.05.2012

3

5

DARBE GERİLİMLERİ §  Gerilim değerinin yarı yarıya azaldığı ‘c’ noktası ile ‘0’

noktaları arası ise sırt süresini belirtir.

§  Pratikte genellikle Tf = 1.2µs ±%30 ile Th= 50µs±%20 değerlerine sahip darbe gerilimleri kullanılır.

§  Devrelerin açılıp kapanması esnasında oluşan manevra

tipi darbe gerilimleri ise oldukça yavaş yükseldikleri için bu tip gerilimlerde başlangıç noktası ‘0’ ve tepe değeri ‘s’ noktaları olarak alınabilir. (Tcr = 250µs ± %20, Th = 2500µs ± %60)

6

DARBE GERİLİMLERİ §  Manevra gerilimlerini tanımlamada cephe süresi

yerine gerilimin 0,9*Umax değerinin üzerinde kaldığı süre olan Td zamanı da dikkate alınır.

27.05.2012

4

7

DARBE GERİLİMLERİ

§  Darbe gerilimlerinin üretilmesi aşamasında devrenin endüktansı mümkün olduğunca küçük tutulmalıdır.. Aksi takdirde cephe süresi 1µs’den az olan darbelerde osilosyon oluşur, cephe süresi 1µs’den fazla olan devrelerde ise IEC standardınca izin verilen maksimum %5’ lik genlikli salınımları aşma durumu olabilir!

8

DARBE GERİLİMLERİNİN ÜRETİLMESİ

§  Bu konuda başlıca 2 tip devre geliştirilmiştir. Her iki devrede de yüksek değerli bir yükleme direnci (Re) üzerinden U0 gerilimine yüklenen Cs darbe kapasitörü, anahtar görevini üstlenen F atlama aralığının kısa devre olmasıyla boşalır. İstenen u(t) darbe gerilimi Cb yük kapasitesinin uçlarında elde edilir.

27.05.2012

5

9


§  Devreler arasındaki tek fark Rd sönüm direncinin sırasıyla Re yükleme direncinin soluna ve sağına bağlanmış olmasıdır.

§  Cephe süresinin kısa olması Cb kapasitesinin Umax tepe gerilimine hızla yükselmesine; sırt süresinin uzun olması ise Cb’nin yavaş boşalmasına bağlıdır. Bu koşullar Re >> Rd olması ile sağlanabilir.

§  ‘F’ atlama aralığının delinmesinden hemen sonra U0 gerilimi Rd ve Cb’den oluşan seri bağlantının uçlarında belirir.

10


§  Cs kapasitörü üzerinde oluşan yük, ‘F’ aralığındaki delinmeden hemen sonra ‘Cs+Cb’ kapasiteleri üzerine dağılacağı için,Cb kapasitesi üzerinde gözlenen gerilim değeri (Umax), U0 (t=0) geriliminden düşük olacaktır. Bu durumda kullanma faktörü ‘n’ :

bs

s

CCC

Uun

+〈=

∧

0

∧

uUmax( ) geriliminin büyük olabilmesi için Cs >> Cb olmalıdır.

27.05.2012

6

11


§  Boşalma esnasında transfer olan enerji olarak hesaplanır.

§  Genelde 10kj ile 200kj arasında değişen değerlere sahip darbeler üretilir.

§  ‘F’ aralığının arttırılması ile daha yüksek genliğe sahip gerilimler üretilmesi mümkündür. ‘F’ aralığı sabit tutulup ‘Cs’ yükleme direnci (Re) üzerinden daha hızlı yüklenirse, aynı genlik ve biçimli ama sık darbeler üretmek mümkün olur. Darbe gerilim devrelerinin tasarımı için dalga biçimini belirleyen karakteristik değerlerle devre elemanlarının değerleri arasında bağlantılar kurulması gereklidir.

20.2

1 UCW s=

12


§  Şekildeki ‘a’ tipi devrenin Laplace transformu:

sCRR

sCR

sCRR

sv

sv

22

2

11

22

2

111.

)(

+++

+=

edbs RRRRCCCC ==== 2121 ;;;

27.05.2012

7

13


sCRsCRsCRsCRCvRsv

12222211

12

1)1()(

++++=

€

=VR1C2

1

s2 +R1C1 + R2C2 + R2C1

R1R2C1C2

s+1

R1R2C1C2

"

#

$ $ $ $

%

&

' ' ' '

⇒

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

+−

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=

βααβ ssCRV 111

21

14


( ) ≡+++ αββα ss221212121

1222112 1CCRRCCRR

CRCRCRs +++

+

Çıkış geriliminin pozitif değerde olabilmesi için β > α

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++−

++=

2121

2

2121

122211

2121

122211 421

CCRRCCRRCRCRCR

CCRRCRCRCR

α

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +++

++=

2121

2

2121

122211

2121

122211 421

CCRRCCRRCRCRCR

CCRRCRCRCR

β

27.05.2012

8

15


( )( )tt ee

CRVtv βα

αβ−− −

−=

21

)(

( )⇒

−=

αβλ

21

1CR

( )tt eeVtv βαλ −− −=)(

Gerilimin maksimum değere ulaşması için gerekli ‘t1’ süresi:

[ ]11

1

0 tt

tt

eeVtV βα βαλ −−

=

+−==∂

∂

16


( )βαβαβα βα −=−⇒= −−1lnln11 tee tt

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=

βα

βαln1

1t

Generatörün verimi: ( )Vtv 1=η

( )11

)(1

21

tt eeCR

βα

αβη −− −

−= ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=

βα

βαln1

1t

27.05.2012

9

17


⇒⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−= −− 11

)(1

21

tt eeCR

αα

βα

αβη 1

21

1 teCR

α

βη −=

⇒=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−−

βα

βαα

βη

ln

21

1 eCR β

αβα

αβ

η ln1lnln21 −

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

CR

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

−βαα

βα

βη

21

1lnlnCR

βαα

βα

βη

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

21

1CR

18


§  Pratikte R2 >> R1 ve C1 >> C2 olduğu için:

21.1CR

≈β12.1CR

≈α olarak alınabilir. Darbe biçimi

ve Darbe biçimi α ve β katsayıları ile belirlenir. Bu zaman katsayıları ile yıldırım darbe geriliminin karakteristik sabitleri arasında: α.2kTs= β.1kTr =

Ts/Tr 1.2/5 1.2/50 1.2/200

k1 1.44 0.73 0.7

k2 1.49 2.96 3.15

27.05.2012

10

19


Yıldırım darbe gerilimleri için hesapla bulunan teorik sonuçlar gerçek sonuçlardan oldukça farklı olabilir. Bunun sebeb i devredek i e l emanla r ın öz endüktanslarıdır. Eşdeğer devrede R1(Rd) direncine seri bir L endüktansı dikkate alınarak ve boşalma direncinin söndürme etkisi ihmal edilerek ( ), endüktans etkisi yaklaşık incelenir.

∞=eR


§  Tek katlı darbe üreteçleri 100-200kV gerilim üretebilir. §  Yüksek seviyelerde gerilim üretilebilmesi için ‘Marx

jeneratörü’ kullanılır. §  Devrenin çalışma prensibi kapasitesitelerin paralel şarj

edilmelerine karşın seri olarak deşarj edilmesine dayanır.

§  Kullanılan kat sayısında sınırlama yoktur; 10MV’a kadar gerilimler üretilebilir.

§  Üretilen gerilimin şekil ve süresi tek katlı üreteç ile benzerdir.

20

27.05.2012

11


21

İlk katta bulunan elektrod açıklığı; delinmenin öncelikle bu bölgede başlayabilmesi amacıyla diğerlerine oranla biraz daha az olacak şekilde sistem tasarlanır.

Boşalma ardışık bir şekilde gelişmesine rağmen ani bir olay gibi görünür. Yükleme devresindeki dirençler büyük değerli olduğundan açık devre gibi düşünülür!


§  Çok katlı darbe üreteçlerinin ateşleme yöntemleri: §  1.Boşluk delinene kadar gerilim kademeli arttırılır; delinme

sonucunda devre tekrar şarj konumuna geçer. Darbelerin tekrar edilebilirliği düşüktür.

§  2. Metal bir çubuk aralıktan geçirilir; tekrar edilebilme olasılığı fazladır ancak ateşleme zamanı kesin değildir.

§  3. Elektrik alanı bozmak amacıyla yaklaşık 10kV’luk darbe gerilimi elektrodlar arasına uygulanır.

§  Tüm uygulamalarda aralıklar aynı hat üzerinde olmalı ve boşluklar birbirini görmelidir. Boşalma sonucu ortaya çıkan UV ışınım diğer aralıkların tetiklenmesini kolaylaştırır.

22

27.05.2012

12


§  Nominal gerilim: Her bir katın çıkış gerilimi ‘V’ ise, üretecin nominal çıkış gerilimi ‘n*V’ olarak ifade edilir. Direnç ve endüktansın etkisiyle çıkış gerilimi bu değerden düşük olur.

§  Nominal kapasite: Her bir katın kapasitesi ‘C’ ise, nominal kapasite ‘C/n’ olarak ifade edilir. Nominal kapasite, test edilecek ürünün kapasitesinin en az 5 katı değerde olmalıdır.

§  Katların sayısı: Gerilimdeki salınımları sınırlayabilmek için katların sayısı mümkün olduğunca düşük, giriş gerilimi ise yüksek olmalıdır.

23


§  Cephe ve sırt dirençleri: İstenilen darbe şeklini elde edebilmek için kullanılan dirençlerin endüktansları minimum seviyede tutulmalıdır. L/R oranı 0.1us’den az olmalıdır.

§  Elektrodlar: Düzgün elektrik alanın elde edilebilmesi için küresel elektrod kullanılmalı, şarj gerilimi küre çapını aşmamalıdır.

§  Topraklama: Üretecin yakınında, düşük dirençli bir toprak hattına bağlanmalıdır. Kullanılmadığı durumlarda üretecin kapasitelerinin topraklanması güvenlik açısından önemlidir.

24

Documents

YÜKSEK GERİLİMLER ÜRET LMES - İstanbul Üniversitesiee.istanbul.edu.tr/uploads/dersnotlari/7085-6.Darbe... · 2014-05-20 · 27.05.2012 3 5 DARBE GERİLİMLERİ! Gerilim değerinin