Omówiono kwestie określenia optymalnej odległosci między warystorami znajdującymi sie w sieci trakcyjnej 3 kV DC. Tłumienie impulsu udarowego w funkcji odleglości ustalono w czasie wstępnych badań terenowych. Poza tym w badaniach laboratoryjnych określono optymalne odległości między warystorami, które zostanaą zainstalowane w przyszłości w sieci trakcyjnej. W badaniu wykorzystano generator przepięć przy maksymalnej amplitudzie impulsu 6900 V i kształcie impulsu 1,2/50 us. Wyniki zweryfikowano w rzeczywistej sieci trakcyjnej w okręgu doświadczalnym w Żmigrodzie przy zastosowaniu generatora udarowego o amplitudzie około 15 kV po włączeniu do sieci trakcyjnej warystorów przystosowanych do pracy w tej sieci.
EN
The article describes method of determination an optimal distance between varistors located on a catenary network 3 kV DC. Railway network attenuation as a function of distance has been determined during preliminary fields tests. The purpose of laboratory research was to determine the optimal distance between varistors, which will be installed in the future on the catenary network. The study used surge generator with a maximum pulse amplitude 6900 V surge and pulse durations of 1.2/50 us. The results allowed to estimate the distance between the varistors. The results were verified on the catenary network in Żmigród ring using a surge generator with an amplitude of about 15 kV and varistors designed to work on the catenary network.
W artykule przedstawiono metody oceny stanu technicznego warystorowych ograniczników przepięć wysokiego napięcia (WN) stosowane w badaniach laboratoryjnych oraz w eksploatacji bez wyłączania ograniczników z sieci. Analiza metod diagnostycznych została uzupełniona wynikami pomiarów laboratoryjnych prądu upływowego ograniczników WN po wieloletniej eksploatacji w energetyce zawodowej.
EN
The paper presents some practical methods of technical state of high voltage ZnO surge arresters evaluation. Several methods of laboratory diagnostics and on–site tests were described. The analysis of commonly applied diagnostic methods was supplied by the results of leakage current measurements for HV surge arresters after outdoor exploitation. In condition of voltage distortion, should be used special corrective procedures in order to obtain the real value of the resistive leakage current component.
Zaproponowano zastosować temperaturę, mierzoną metodą termowizyjną, do indywidualnej oceny jakości warystorów. Badania przeprowadzono dla 20 warystorów niskonapięciowych. Wykonano pomiary parametrów elektrycznych i temperatury warystorów przed testami narażeniowymi i po 2 kolejnych cyklach narażeń. Testy narażeniowe zastosowano w celu pogorszenia jakości warystorów. Zaproponowano zasady klasyfikacji badanych warystorów do grup o wysokiej i niskiej jakości na podstawie pomiarów parametrów elektrycznych przed testami. Na podstawie porównania wyników pomiarów parametrów elektrycznych i temperatury wykonanych, przed i po testach narażeniowych, wytypowano temperaturę T warystora, mierzoną po 5 minutach samo-podgrzania, jako wartość umożliwiającą klasyfikację badanego warystora do grup jakościowych. Wartość temperatury T większa niż 40 0C wskazuje, że badany warystor jest niskiej jakości.
EN
The use of thermography displacement (NDT - non-destructive tests) is proposed to assess the quality of individual varistor. Twenty low-voltage varistors were studied where electrical and thermal performance measurements were taken before the stress-tests (part I) and after two subsequent cycles of two-tier stress tests (part III and V, respectively). Stress-tests were used to obtain degradation of the tested varistors (part II and IV, respectively). The following electrical parameters were measured: electric resistance Rp , quality Q, dissipation factor D and leakage current Iupł. The scope of the thermographic study included measurements of the varistors’ temperature within 5 minutes after turning on the power (self-heating) and 5 minutes after turning off the power (cooling). A comparison study was conducted of the classification rules, where varistors were assigned to groups depending on their quality based on either the electrical parameters measured before the stress tests, or their temperature measurements. Varistor’s temperature T, measured after self-heating it up for 5 minutes, was selected as the borderline value on basis of which the selection to the different quality groups was conducted. The temperature T higher than 40 0C indicates that the test specimen is of average or poor quality and should not be used.
Zapotrzebowanie na warystory do ograniczników przepięć jest bardzo duże, zarówno do ograniczników typu SPD jak i stosowanych na wyższe napięcia znamionowe. Głównym celem jest opracowanie nowej generacji nanostruktur, która zapewni jednorodny rozkład konduktywności na całej płaszczyźnie warystora. To umożliwi zmniejszenie wymiarów warystorów, przy równoczesnej poprawie jakości użytego materiału. Równocześnie możliwe będzie modelowanie charakterystyk prądowo-napięciowych przy większej gęstości prądu przewodzenia.
EN
The required demand of varistors for the arresters, not only for the SPD type, but also for these used at high voltage systems, is very high. The idea of this paper was to develop a new generation of nanostructures of the material which assure a uniform distribution of the conductivity. These enable to reduce the size of the voltage limiting elements and therefore quantity of material used. Also it will be possible to modulate current voltage characteristic with simultaneous great density of current.
The paper describes the results of the impulse characteristics and electric strength measurements of the pile of varistors with modified side surface. Basing on the impulse voltage tests on the surge arresters it was found that one of the reasons of the failures of these devices may be the surface discharge at the varistor - insulating housing phase boundary, through the gas between them. Flashover voltage of power protecting systems can be increase by applying of semi – conducting covers which will carry away the generated surface charge and uniform the distribution of electric field on material surface. Comparing two types of electrodes configuration on varistors, it was found that systems without gap between electrode and side surface of varistor exhibited higher values of withstanding voltage whether their side surfaces were covered or not covered with insulating or semiconducting layer.
PL
W pracy wyznaczono charakterystyki impulsowe oraz wytrzymałość stosów warystorowych o modyfikowanej powierzchni bocznej. Na podstawie wyników pomiarów przy napięciu impulsowym na ogranicznikach przepięć stwierdzono, że przyczyną ich uszkodzeń może być wyładowanie powierzchniowe rozwijające się w szczelinie powietrznej na granicy faz warystor – osłona izolacyjna. Napięcie przeskoku można zwiększyć poprzez zastosowanie warstw półprzewodzących, umożliwiających odprowadzenie ładunku powierzchniowego i wyrównanie rozkładu pola elektrycznego na powierzchni materiału. Na podstawie porównania dwóch konfiguracji elektrod warystorów stwierdzono, że układ bez odstępu pomiędzy elektrodą a powierzchnią boczną warystora posiada wyższą wytrzymałość napięciową niezależnie od modyfikacji powierzchni bocznej.
W referacie przedstawiono wyniki pomiarów prądu upływowego dla tlenkowych ograniczników przepiec niskiego napięcia (ZnO) badanych przy nieodkształconym napięciu sinusoidalnym o częstotliwości 50 Hz ÷ 10 kHz oraz przy napięciu odkształconym o częstotliwości podstawowej 50 Hz. Prąd upływowy, a szczególnie jego składowa rezystancyjna, jest podstawa oceny stanu technicznego ogranicznika. Zastosowane procedury pomiarowe w przypadku napięcia odkształconego umożliwiły przeliczenie prądu upływowego ogranicznika na poziom występujący przy napięciu nieodkształconym. Przedstawiony algorytm korygowania prądu upływowego umożliwia wykonywanie analizy porównawczej ograniczników badanych w różnych warunkach napięciowych.
EN
The measurement of the metal – oxide surge arresters (MOSA) leakage current and the analysis of its components is a key diagnostic criterion according to technical standards. The paper presents leakage current measurements of low voltage ZnO surge arresters tested with deformed voltage (f=50 Hz) and non-deformed sinusoidal voltage in the range of 50 Hz – 10 kHz. The proposed method requires knowledge of the following parameters: temperature of MOSA, RMS voltage, leakage current and voltage waveforms. The method can be used only for arrester supplying by voltage U lower than continuous operating voltage Uc and without occurrence of visible deformation of the leakage current. The relative error obtained by proposed method related to the measurement results at a not deformed voltage, does not exceed 5% in the case of calculation an resistive component.
W referacie przedstawiono wyniki pomiarów prądu upływowego dla tlenkowych ograniczników przepięć niskiego napięcia (ZnO) badanych przy wymuszeniach napięciem sinusoidalnym w zakresie 50 Hz ÷ 10 kHz. Zastosowane procedury pomiarowe umożliwiły dodatkowo wydzielenie składowych: rezystancyjnej i pojemnościowej z prądu upływowego oraz określenie wpływu częstotliwości na parametry elementów odwzorowujących zaproponowany model ogranicznika przepięć. Wiedza w zakresie wpływu częstotliwości na prądy upływowe ogranicznika jest konieczna w zastosowaniach praktycznych do prawidłowej interpretacji wyników pomiarów otrzymywanych w energetyce zawodowej, kiedy należy uwzględniać wpływ wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym.
EN
The measurement of the metal – oxide surge arresters (MOSA) leakage current and the analysis of its components is a key diagnostic criterion according to technical standards. The paper presents leakage current measurements of low voltage ZnO surge arresters tested with non-deformed sinusoidal voltage in the range of 50 Hz – 10 kHz. The proposed measurements methods allow to select resistive and capacitive leakage current components. In addition, the effect of frequency on the parameters of the proposed model of MOSA was evaluated. Knowledge of the influence of frequency on leakage current is required in practical applications for the correct interpretation of the results of measurements obtained in the power industry, especially in the environment of higher harmonic voltage.
8
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Pomiar prądu upływu ograniczników przepięć i analiza jego składowych jest podstawowym kryterium diagnostycznym stosowanym obecnie w energetyce zawodowej. W badaniu ograniczników przepięć wykorzystuje się różne algorytmy określania składowej rezystancyjnej w oparciu o zarejestrowane przebiegi prądu upływu i napięcia zasilającego lub tylko prądu upływu. W pracy wykorzystano typowe dla rejestratorów jakości energii elektrycznej dwa algorytmy wyznaczania mocy czynnej odbiornika, która może być podstawą wyliczenia składowej stałej. Otrzymane wyniki dla różnych poziomów napięć wskazują przy znacznych poziomach składowych harmonicznych prądu upływu na duże różnice w stosunku do metody opóźnienia czasowego. Dokładne wyznaczanie mocy strat wydzielanej w ograniczniku przepięć pracującym w sieciach o dużej zawartości składowych harmonicznych i stanów nieustalonych napięcia zasilającego (elektroenergetyczne sieci inteligentne SMART GRID) jest jednym z podstawowych kryteriów ich doboru.
EN
The measurement of the surge arresters leakage current and the analysis of its components is a key diagnostic criterion currently used In the power industry. Different algorithms for determining the leakage current resistive component are used in a study of surge arresters. These algorithms are based on the recorded waveforms of leakage current and supply voltage or only leakage current. Two algorithms for calculating the load active power typically used in power quality recorders can be also used for calculation of the resistive component. The results obtained in the paper for different voltage levels indicate differences of the results of two discussed methods and the time delay method. These differences are significant particularly for higher levels of harmonic components of leakage current. Accurate determination of power losses dissipated in the surze arrester operating in power networks characterizing high harmonic content from power converters and numerous voltage transients (micro grids, intelligent smart grids) is one of the main criteria for their selection.
The electro-ultrasonic spectroscopy as a new nondestructive method for varistor quality evaluation have been proposed. It is focused on non-homogeneities and defects detection in tested structures. Specially prepared samples having different structure of grains were preliminary measured by means of an Atomic Force Microscope. The system for electro-ultrasonic spectroscopy of high-voltage varistors has been described. The experimental results confirmed a possibility of heterogeneous structures detection directly after production or during exploitation.
PL
W artykule zaproponowano nową metodę nieniszczącego badania jakości warystorów za pomocą spektroskopii elektro-ultradźwiękowej. Metoda ta umożliwia detekcję defektów i niejednorodności struktury badanych warystorów. Specjalnie przygotowane próbki struktur warystorowych posiadających różną strukturę ziaren zostały wstępnie przebadane przyz użyciu mikroskopu sił atomowych. Przedstawiono system do spektroskopii elektro-ultradźwiękowej oraz rezultaty badań wybranych egzemplarzy warystorów wysokonapięciowych. Potwierdziły one możliwość detekcji różnej struktury ziaren bezpośrednio w trakcie produkcji warystorów oraz stopnia ich degradacji podczas eksploatacji.
W pracy przedstawiono metody oceny stanu technicznego warystorowych ograniczników przepięć średniego napięcia stosowane w badaniach laboratoryjnych oraz w eksploatacji - wykonywane bez wyłączania ograniczników z sieci. Analiza metod diagnostycznych została uzupełniona wynikami pomiarów prądu upływu ograniczników średniego napięcia (SN) bezpośrednio z produkcji nowych oraz eksploatowanych w energetyce zawodowej.
EN
The paper presents some practical methods of technical state of middle voltage ZnO surge arresters evaluation. Several methods of laboratory diagnostics and on – site checks were described. The analysis of commonly applied diagnostic me-thods was supplied by the results of leakage current measurements for new and degradated in exploitation middle voltage arresters.
Ba jako dodatek modyfikujący Bi2O3 w ceramice z tlenku cynku umożliwia równomierne rozmieszczenie Bi w całym warystorze i hamuje tworzenie się aglomeratów Bi2O3 podczas spiekania warystora. Dzięki temu warystor osiąga doskonałe właściwości elektryczne a poziom domieszkowania ceramiki ZnO tlenkami innych metali może być znacznie obniżony. W najbardziej obiecującym przypadku, ilość Bi dodawanego do masy warystorowej była siedem razy mniejsza a całkowita ilość domieszek - trzy razy niższa w porównaniu do powszechnie stosowanego poziomu domieszkowania warystorów.
EN
Doping ZnO varistor ceramics with Ba modified Bi2O3, instead of pure Bi2O3, enables the uniform distribution of Bi in varistor body and restrains formation of the Bi2O3 agglomerates during varistor processing. As the result the varistor attains the excellent electrical properties at lower rate of metal oxide additives. In the most promising varistor composition the amount of Bi was seven times lower and the total of other dopants three times lower, than in varistors made by commonly used technology.
12
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Zinc oxide is a well-known material, used especially as varistors. The electrical properties of the zinc oxide varistor are strongly correlated to the final microstructure. The breakdown voltage is particularly grains size dependent. In this paper, a wet chemical route was used to get nano-sized ZnO based powder, with a very narrow granulometric distribution centred at roughly 20 nm. The used synthesis method is based on the direct precipitation of the zinc oxalate solution. The conventional sintering of this nano-sized powder leads to a slight decrease of the grain size (around 2 µm), compared to the grain size observed in a material originated from the powder conventionally synthesized and sintered (> 4 µm). Despite this slight grain size modification, a strong increase of the breakdown voltage is evidenced in the samples obtained through the liquid route. When the microwave sintering process is used to sinter nano-sized ZnO powder, nano-sized grains bulk ceramics are obtained owing to the very short thermal cycle (less than 5 minutes). It is undoubtedly clear that the microwave sintering allows both maintaining the grain size at the nanometric scale and achieving very high density. In that case, a high resistivity increasing below the breakdown voltage is observed and the breakdown voltage is becoming too high (> value) to be measured. Otherwise, it is clearly indicated that the very short time of the heating process induces a modification of the secondary phases composition, which are mainly localized at the grain boundaries.
PL
Tlenek cynku jest dobrze znanym materiałem, wykorzystywanym szczególnie do wytwarzania warystorów. Właściwości elektryczne warystora z tlenku cynku związane są mocno z końcową mikrostrukturą tworzywa. Napięcie przebicia jest w sposób szczególny zależne od wielkości ziarna. W niniejszym artykule, wykorzystano mokrą metodę chemiczną do uzyskania nanometrycznego proszku opartego na ZnO, mającego bardzo wąski skład granulometryczny z centrum umiejscowionym mniej więcej przy 20 nm. Wykorzystana metoda syntezy opiera się na wytrącaniu szczawianu cynku bezpośrednio z roztworu. Konwencjonalne spiekanie tego nanoproszku prowadzi do nieznacznego zmniejszenia rozmiaru ziarna (około 2 µm), w porównaniu z rozmiarem ziarna w materiale otrzymanym z proszku syntezowanego i spiekanego konwencjonalnie (> 4 µm). Pomimo tej małej modyfikacji rozmiaru ziarna, udokumentowano mocny wzrost napięcia przebicia w próbkach otrzymanych metodą mokrą. Wtedy gdy wykorzystuje się proces spiekania mikrofalowego do spieczenia nanometrycznego proszku ZnO uzyskuje się masywną ceramikę o nanometrycznym ziarnie, dzięki bardzo krótkiemu cyklowi termicznemu (poniżej 5 min). Jest niewątpliwie oczywiste, że spiekanie mikrofalowe umożliwia zarówno utrzymanie rozmiaru ziarna w skali nanometrycznej, jak i osiągnięcie bardzo dużej gęstości. W takim przypadku, obserwuje się wysokie zwiększenie rezystywności poniżej napięcia przebicia, a napięcie przebicia staje się zbyt duże, aby mogło być zmierzone. Poza tym jasno wykazano, że bardzo krótki czas procesu ogrzewania wywołuje modyfikację składu faz drugorzędnych, które zlokalizowane są głównie w granicach międzyziarnowych.
W pracy przedstawiono wyniki badań spektrofotometrycznych plazmy magnetronowej. Wykazano, że względne intensywności badanych widm emisyjnych są różne od wzorców. Stosunek tych intensywności zależy od parametrów procesu rozpylania: gęstość mocy P wydzielonej na targecie, odległość d targ et-podłoże, Określono minimalną gęstość mocy dla której target rozpylany jest stechiometrycznie.
EN
In this paper was shown results of investigation spectrophometric magnetronic plasma. It's been proved, that arbitrary intensity of researchable emission lines are different from standards. The proportion those intensity depends on parameters of process magnetron sputtering, density power, distance d target-substrate. It' been defined minimal density power, for- which target is sputtering stoichiometry.
Typowe warystory ZnO produkuje się prasując mieszaninę ZnO z matą ilością (poniżej 3wt%) innych tlenków metali. Podczas procesu spiekania ziarna ZnO są otaczane izolującą warstwą międzyziarnową a na granicy ziaren tworzy się bariera potencjału odpowiedzialna za własności warystorowe. Warstwa międzyziarnową, której głównym składnikiem jest Bi2O3 ma tendencję do aglomeracji. Poprawę dystrybucji fazy międzyziarnowej, a tym samym własności warystorowych ceramiki ZnO otrzymano modyfikują Bi2O3 tlenkami innych metali. Biorąc jako kryterium wartość współczynnika nieliniowości w zakresie prądów 10-6 A - 10-2 A uszeregowanie stosowanych modyfikatorów Bi2Oi, od najgorszego do najlepszego, wyglądałoby następująco: Sb2O3-MnO-PbO-SrO- Co2O3.
EN
Varistor ceramics based on ZnO its non-linear current-voltage characteristics possesses due to small amount of other metal oxide and micro structure developed during sintering. Bi2O3 segregating at the ZnO grain boundaries relates directly to the value of the non-linearity coefficient a. Modifying Bi2O3 with other metal oxides appeared effective for imposing the better varistors property into the ZnO ceramics.
W pracy przedstawiono wyniki badań mikroskopowych i rentgenograficznych cienkich warstw warystorowych otrzymanych metodą, rozpylania magnetronowego. Wykazano, że stosowanie gęstości mocy powyżej 5 Wcm -2 podczas rozpylania metalicznych targetów Zn-Bi-0 powoduje powstawanie kulistych skupisk metalicznego bizmutu. Efekt ten występuje również gdy gazem roboczym jest czysty tlen. Wykazano, że proces rozpylania targetów metalicznych i tlenkowych jest stechiometryczny dla mocy większych od 7 W-2..
EN
In this work the microscopic and X-ray investigations of thin film ZnO varistors are presented. Processing of the thin film varistors proved effective when the power dissipated into the Zn-Bi metallic or ZnO-Bi2O3 oxide target is lower than 5 Wcm-2 . Otherwise in case of Zn-Bi metallic targets the clusters of metallic bismuth occur, even when the sputtering is carried out in atmosphere of pure oxygen. To get stoichiometric ratio Zn:O and Bi:O in the deposited material, the power dissipated into the target shall be higher than 7 Wcm-2.
16
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW