Exam text content

SVT-4300 Suurjännitetekniikka 1

  

Tentti 28.1.2009 Kirsi Nousiainen
Laskimia saa käyttää!
Eräässä — koejärjestelyssä = tutkittiin Townsend-mekanismilla = tapahtuvaa — läpilyöntiä. — Säädettävän

a

1)

5.

testielektrodivälin sisältävässä kaasusäiliössä oli ilmaa 10 kPa paineessa. Elektrodien välin ollessa 1 cm
tapahtui elektrodivälissä läpilyönti 5 kV jännitteellä. Laske, mikä olisi läpilyöntijännite samalla paineella
samassa elektrodivälissä, kun elektrodien etäisyydeksi säädetään 2 cm.

Bpd
Apd

m N
1(1+7]
yv

Öljypaperieristeisen kaapelin johtimen säde r;=20 mm ja vaipan säde r;= 70 mm. Öljypaperieristeen
suhteellinen permittiviteetti €, on 3.

Kuinka suuri on öljypaperieristeessä esiintyvä suurin kentänvoimakkuus, kun johtimen ja maadoitetun
ulkovaipan välisen jännitteen huippuarvo on 140 kV? (3 p.)

Kun öljypaperieristeessä on 0,1 mm paksuinen litteä ilmaontelo virtajohtimen pinnalla, alkavat ontelossa
osittaispurkaukset elektrodien välisen vaihtojännitteen tehollisarvon arvolla 100 kV. Kuinka suurella
jännitteellä (tehollisarvo) purkaukset olisivat alkaneet, jos vastaava ontelo olisikin ollut öljypaperieristeessä
ulkovaipan sisäpinnalla? (3 p.)

Townsend-tyyppisessä läpilyönnissä läpilyöntijännite noudattaa yhtälöä U, =

ja ilmalle kertoimet A ja B ovat 4=11,3 Pa'm" ja B=275 V-Pa'm". (6p)

a) Mitä ovat eristysrakenteen dielektriset häviöt ja mitkä tekijät vaikuttavat dielektristen häviöiden
suuruuteen? Mitä kuvaa häviökerroin tanö ja miten se voidaan mitata? (3 p.)

b) Eristysrakenne muodostuu kahdesta rinnan kytketystä kondensaattorista, joiden kapasitanssit ovat Cl =
100 nPF ja C2 = 200 nF sekä häviökulmat 8, = 4,6? ja 8, = 5,7". Elektrodien yli vaikuttaa 50 Hz vaihtojännite,
jonka tehollisarvo on 6 kV. Laske koko eristysrakenteen dielektriset häviöt ja kapasitiivinen loisteho. Mikä
on koko eristysrakenteen häviökerroin? (3 p.)

a) Selosta ne fysikaaliset syyt, joiden vuoksi ilmaeristeisen tanko-taso -eristysvälin sähkölujuus riippuu
jännitteen rasitusajasta oheisen kuvan 1. mukaisesti. (3 p.)

b) Selosta miten ja miksi ilmaeristeisen tanko-taso -eristysvälin jännitelujuus on salamasyöksyjännitteellä
erilainen positiivisella ja negatiivisella napaisuudella. (3 p.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

600
d/m
Va N d 15
om | | <>e L 2
a 8 21 i 3971
Kuva 1. Ilmaeristeisen tanko-taso — N S S=:
kipinävälin sähkölujuuden riippuvuus 300 == 4
testauspulssin ajasta huippuarvoon
positiivisella kytkentäsyöksyjännitteellä. [
d
D 5? 5182 > ww ,
19 jjs 10

a) Selosta mihin seikkoihin perustuu SFs-kaasun käyttö eristysaineena. Mitä etuja ja haittoja sillä on? Mitä
pitää ottaa huomioon SFc-eristeisiä rakenteita suunniteltaessa? (3 p.)
b) Selosta mitkä seikat vaikuttavat öljyeristysvälien läpilyöntilujuuteen ja miten? (3 p.)
SVT-4300 Suurjännitetekniikka 1
1. välikoe — 4.10.2006 Kirsi Nousiainen

/ — Anodille tulevan virran on Townsend-tyypisessä purkauksessa todettu noudattavan yhtälöä

D

ed
isi . 1
0 1- 7 ed - 1) ( )
ja kertoimelle a pätee A = Ap e 3PdrU (2)

a) Miten saat johdettua yhtälön läpilyöntijännitteelle Townsend-tyyppisessä läpilyönnissä? (3 p.)

b) Eräässä koejärjestelyssä tutkittiin Townsend-mekanismilla tapahtuvaa läpilyöntiä. Säädettävän
testielektrodivälin sisältävässä kaasusäiliössä oli ilmaa 10 kPa paineessa. Elektrodien välin ollessa
1 cm tapahtui elektrodivälissä läpilyönti 5 kV jännitteellä. Laske, mikä olisi läpilyöntijännite
samalla paineella samassa elektrodivälissä, kun elektrodien etäisyydeksi säädetään 2 cm. Ilmalle
kertoimet A ja B ovat 4=11,3 Pa'm" ja B=275 V: Pa'm".

(3 p.) (Huom! Pisteet tulevat laskutoimituksesta, ei pelkästä tuloksesta, vaikka se olisi oikeinkin.)

a) Selosta lyhyesti fysikaaliset ilmiöt, joiden voimakkuutta edellä olevassa yhtälössä (1) esiintyvät
kertoimet & ja y kuvaavat. (2 p.)

b) Selosta, missä olosuhteissa ilmaeristysvälin läpilyönti voi tapahtua puhtaalla Townsend-
mekanismilla? Milloin läpilyöntimekanismi eroaa Townsend-läpilyönnistä ja miksi? (3 p.)

puhtaassa Töwnsend-tyyppisessä läpilyönnissä? (1 p.)

a) Lieriösymmetrinen läpivientieristysrakenne on toteutettu kääntöpuolella olevan kuvan 1.
mukaisesti muodostamalla kahdesta eri eristemateriaalista sisäkkäiset lieriöt. Miten eristemateriaalit
kannattaa sijoittaa eristysväliin, jos niiden suhteelliset permittiviteetit ovat 2,25 ja 4? Miksi? (2 p.)

b) Tarkastellaan kohdan a-mukaista eristysrakennetta, jossa sisäelektrodin säde r; on 10 mm ja
ulkosäde 7, on 32 mm. Eristekerrosten paksuudet on valittu siten, että koko eristysvälin yli
vaikuttava jännite jakautuu näiden kahden eri kerroksen yli suunnilleen tasan. Tällöin
eristemateriaali vaihtuu toiseen säteen arvolla r=21 mm. Fristysrakenteen valmistusvaiheessa
eristekerrosten rajalle on johonkin kohtaan jäänyt pieni litteä ilmarako. Oletetaan ilmaraon
paksuudeksi n. 0,1 mm ja ilmaraon sisältävän ilmaa normaalipaineessa. Arvioi, millä koko
eristysrakenteen yli olevan vaihtojännitteen tehollisarvolla alkavat jännitettä nostettaessa
osittaispurkaukset tässä ilmaraossa? (4 p.)

Kääntöpuolella olevan kuvan 2. mukaisen lierionmuotoisen cristekoekappaleen sisällä oletetaan
olevan litteä kenttää vastaan kohtisuorassa oleva kaasuontelo, jonka paksuutta c ei tunneta. Koko
lieriön paksuus a on 6 mm. Kaasuontelossa oletetaan olevan ilmaa normaalipaineessa. Kun koko
koekappaleen yli olevaa vaihtojännitettä U hitaasti nostetaan, alkavat osittaispurkaukset ontelossa,
kun U ylittää 8 kV. Purkaustaajuus on tällöin 200Hz. Arvioi, mitä suuruusluokkaa ontelon paksuus
on, jos ontelossa mahdollisesti esiintyviä jäännösvarauksia ei tarvitse ottaa huomioon.
Fristemateriaalin suhteellinen permittiviteetti on 4. (6 p.)

Tehtäviin liittyvät kuvat 1 ja 2 ovat tehtäväpaperin kääntöpuolella. Sieltä löydät myös Paschenin
käyrän ilmalle (kuva 3).
 

Kuva 1. Kahdesta eri eristemateriaalista valmistettu lieriöeristerakenne

eristeen:
halkaisija D= 30 mm :
paksuus a=6mm =
ontelon:

korkeus c=?
halkaisija d selvästi suurempi kuin korkeus

 

Kuva 2. Osittaispurkausontelon sisältävä iasoeristysrakenne.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1032 51022 51012 5102 51082 516 10? barmm

101! 10 10! 18 G 10* 105 Pam
Kuva 3. Paschenin käyrä ilmalle.

 

 
SVT-4300 Suurjännitetekniikka 1
Toinen välikoe 23.11.2005 Cd olen

| ARDEN
Jav Wi Nasun puutteen

hem kuoin)

a) Selosta öljypaperieristeisen tehomuuntajan vanhenemismekanismit sekä yleisimmät
kunnonvalvontaan käytettävät menetelmät.

b) Selosta millaisella laitteistolla mitataan tanö. Mitä ko. suure kuvaa ja miten sen mittausta
voidaan käyttää kunnonvalvontaan?

Vastaa lyhyesti mihin jännitelujuutta parantaviin seikkoihin perustuu seuraavien eristys-
rakenneratkaisujen käyttö?

4) tehomuuntajan ölj yeristysvälin jakaminen osiin prespaanilevyillä

b) hermeettisesti suljettu koteloitu ilmaeristys

6) kondensaattorin polypropyleenieristyksen impregnoiminen mono/dibentsyyli-tolueenilla

Ovatko seuraavat väitteet totta vai ei? Jos ne ovat totta, niin kerro mikä selittää ilmiön. Jos
ne taas eivät pidä paikkaansa, niin kerro mikä niissä on väärin.

a) SFs-kaasulla on suurempi jännitekestoisuus kuin samanpaineisella ilmalla.

b) Suojakipinävälillä on suurempi läpilyöntijännite jyrkkyydellä 2000 kV/us nousevalla
syöksyjännitteellä kuin 1000 kV/us nousevalla syöksyjännitteellä.

€) Epähomogeenisilla epäsymmetrisillä ilmaväleillä on aina suurempi läpilyöntijännite
salamasyöksyjännitteellä kuin vaihtojännitteellä.

d) Tyhjöeristysvälin läpilyöntijännite ei riipu elektrodien materiaalista.

     
  

a) Kuinka suuri on nosturi - johto - välin 50 % vm kyts.
kentäjänniteaallolla ?

b) Kuinka suuri on ko. johdolla 1% läpilyöntitodennäköisyyttä vasi
kytkentäjännitteellä voidaan olettaa läpilyöntijännitteen hajonnan ol .
c) Johdolla esiintyvän suurimman kytkentäylijännitteen maan ja vaiheen välillä oletetaan
olevan luokkaa 3 p.u. (n. 1030 kV) ? Onko kyseisen nosturin käyttö em. tapauksessa
turvallista? Perustele.

3400
1+3

KV

 

Vihje: Pitkille ilmaväleille kytkentäjännitteellä pätee Us k"
AN

> 4

SVT-4300 —Suurjännitetekniikka 1
1. välikoe — 5.10.2005 Kirsi Nousiainen

25 mm pituisen tasoelektrodivälin kumpaankin elektrodiin (pinta-ala 10 cm?) on kiinnitetty 10
mm paksuinen eristekerros (kummassakin elektrodissa samasta materiaalista). Eristeiden
väliin jäävässä tilassa on ilmaa normaalipaineessa. Elektrodien välistä vaihtojännitettä ( 50
Hz) nostettaessa alkavat ilmavälissä osittaispurkaukset jännitteen tehollisarvolla 25 kV.

a) Mikä on eristemateriaalin suhteellinen permittiviteetti? (3 p.) 4) 5 21
b) Mikä on koko eristerakenteen kapasitanssi? (2 p.) 0,52.” '
,=8,85-10 2 As/Vm
2/1
Townsendin purkauksessa anodille tulevan virran on todettu noudattavan yhtälöä
e ad
isi,
%-ylett-1)

a) Selosta fysikaaliset ilmiöt, joiden voimakkuutta yhtälössä esiintyvät kertoimet a jay
kuvaavat. (2 p.)

b) Kuvaile koejärjestely, jolla voit saada ko. kertoimet määritettyä. (3 p.)

c) Miten saat määritettyä arvon kriittiselle kentänvoimakkuudelle, jota suuremmalla arvolla

Ti

läpilyönti voi tapahtua, jos tiedät, että kertoimeile o pätee a= Ape PC, (2 p)

Gb
J Ea x

Ach
Lieriösymmetrinen ainen (normaalipaine) läpivienti on alun perin suunniteltu siten,
että sisäsäde r on 10 mm ja ulkosäde R on 35 mm.
a) Rakennetta ei ole suunniteltu aivan optimaalisesti ja rakenteen läpilyöntijännitettä
halutaankin parantaa kasvattamalla sisälieriön sädettä ulkosäteen ja ilman paineen pysyessä
ennallaan. Mihin sisäsäteen arvoon asti purkausten syttymisjännite on suurempi kuin säteen
arvolla 10 mm? (3 p.) :
b) Millä sisäsäteen arvolla lieriö olisi optimimitoitettu jännitelujuuden suhteen. (1p.)
<) Jos sisälieriön säde pidetään ennallaan arvossa 10 mm ja sen pinnalle lisätään 5 mm
paksuinen kiinteä eriste (e,=3), niin kasvaako vai pieneneekö jännite, jolla purkaukset
kaasussa syttyvät? Perustele. (2 p. )
Huom: pisteet tulevat perusteluista, ei oikeaankaan osuneista arvauksista!

mlbnm = k)& = 106718 G) jännilekesoissus paranee
To €

Tarkastellaan tanko-taso (tangon säde << tangon etäisyys tasosta) ilmaväliä (normaalipaine).
a) Kuvaile millaisia purkausilmiöitä tapahtuu tangon ollessa positiivinen tai negatiivinen (taso
on vastaavasti negatiivinen tai positiivinen), jos kummassakin tapauksessa elektrodien välistä
tasajännitettä aletaan hitaasti nostaa. Kummalla polariteetilla on alhaisempi läpilyöntijännite
ja miksi? (4 p)

b) Edellisen kohdan mukaiseen tanko-taso väliin kytketään tasajännitteen sijasta 50 Hz
vaihtojännite. Jännitettä nostaessa jossakin vaiheessa syttyvät ensimmäiset osittaispurkaukset.
Missä vaihtojännitteen jakson kohdassa ne esiintyvät? Miksi? (2 p.) 177, 1/2.

a) Kun tanto = on posikiviv n

0) 1%

 

Huom! Tehtäväpaperin kääntöpuolella on Paschenin käyrä ilmalle.
 

7705031 Suurjännitetekniikka
1. välikoe ; 18.2.2004 Kirsi Nousiainen

a) Selosta fysikaalinen ilmiö, jonka voimakkuutta kuvaa Townsendin o-kerroin, Mistä
tekijöistä Townsendin &-kerroin riippuu?

b) Townsendin a-kertoimen määrittämiseksi tehtiin seuraava koe. Katodille synnytettiin
elohopelampun avulla jatkuva 4-10? A suuruinen virta. Elektrodien välissä oli ilmaa 1,32
kPa paineessa. Anodille tuleva virta* mitattiin muutamalla elektrodivälin arvolla siten, että
sekä paine että sähkökentän voimakkuus elektrodien välillä pidettiin vakiona. Tuloksena
saatiin seuraavan taulukon mukaiset arvot. Miten voit kokeen perusteella laskea Townsendin
0r-kertoimen? Perustele miksi? Kuinka suuri on a?

d, mm 1 2 3 4 5
i, 410”? 5,9 8,7 129 19,1 28,2

ad

*Anodille tuleva virta noudattaa yhtälöä i= 61) Teo

Vastaa lyhyesti mihin jännitelujuutta parantaviin seikkoihin perustuu seuraavien eristys-
rakenneratkaisujen käyttö?

a) tehomuuntajan öljyeristysvälin jakaminen osiin prespaanilevyillä

b) puolijohtavien kalvojen käyttö öljypaperieristeisessä läpiviennissä

c) kondensaattorin polypropyleenieristyksen impregnoiminen mono/dibentsyyli-tolueenilla

Öljypaperieristeisen kaapelin johtimen säde r;=20 mm ja vaipan säde r= 70 mm.
Öljypaperieristeen suhteellinen permittiviteetti &, on 3.

a) Kuinka suuri on öljypaperieristeessä esiintyvä suurin kentänvoimakkuus, kun johtimen ja
maadoitetun ulkovaipan välisen jännitteen huippuarvo on 140 kV?

b) Kun öljypaperieristeessä on 0,1 mm paksuinen litteä ilmaontelo virtajohtimen pinnalla,
alkavat ontelossa osittaispurkaukset elektrodien välisen vaihtojännitteen tehollisarvon
arvolla 100 kV. Kuinka suurella jännitteellä (tehollisarvo) purkaukset olisivat alkaneet, jos
vastaava ontelo olisikin ollut öljypaperieristeessä ulkovaipan sisäpinnalla?

a) Selosta miten jännitteen napaisuus vaikuttaa epähomogeenisen tanko-taso -ilmaeristys-
välin jännitelujuuteen syöksyjännitteellä ja miksi?

b) Selosta miten jännitteen kestoaika vaikuttaa epähomogeenisen tanko-taso -ilmaeristys-
välin jännitelujuuteen ja miksi?