Course detail

High voltages technology

FEKT-LTVNAcad. year: 2014/2015

Maxwell´s equations. Examination of the electric field. Dielectric properties of substances. Electrical discharges. Testing power sources. Measurement of high voltages and heavy currents. Overvoltages and insulation coordination in power system.

Language of instruction

Czech

Number of ECTS credits

6

Mode of study

Not applicable.

Guarantor

Ing. Michal Krbal, Ph.D.

Department

Department of Electrical Power Engineering (UEEN)

Learning outcomes of the course unit

The students will become acquainted with the essential problems of the high voltage technology.

Prerequisites

The subject knowledge on the Bachelor´s degree level is requested.

Co-requisites

Not applicable.

Planned learning activities and teaching methods

Teaching methods depend on the type of course unit as specified in the article 7 of VUT Rules for Studies and Examinations.

Assesment methods and criteria linked to learning outcomes

Coursework: max. 40 points (Numerical exercises 15 points, Laboratories 25 points).
Requirement for the credit: min. 21 points.
Final Examination: max.60 points.

Course curriculum

1) Introduction. The basic concepts in technology of high voltage. Scalar and vector fields. Operations scalar function gradient, divergence and rotation vector function. Hamilton and Laplace operator.
2) The classification of fields and their properties. Divergence of field. Orthogonal coordinate system. The Maxwell's equations in integral and differential form. The effects of electromagnetic fields on humans.
3) The electrostatic field and his solution. The interaction of electrostatic field and dielectric. Stationary electric and magnetic fields and their solutions. The quasistationary and time-varying electromagnetic fields and their solutions.
4) The dielectric properties of materials. The division and properties of insulators. Gaseous insulators. The independent and dependent discharge. Townsend theory of impact ionization in a homogeneous field. The flashover voltage in homogeneous and inhomogeneous electric field. Paschen law. The cluster discharge and sparkle. Spark discharge. Lightning discharge and his mechanics. Channel discharge. The corona. The initial (critical) voltage corona and the corona loses on overhead lines. The ultracorona. Absorption of overvoltage waves by the corona.
5) The influence of atmospheric conditions and other circumstances on the flashover voltage. The correction of the measured values of flashover voltage on the reference standard laboratory atmosphere. Solid insulators. Electrical and thermal breakdown. Surface discharge (discharge along the surface of solid insulators). The partial discharge (discharges in insulation cavities). Determination of partial discharge current.
6) Insulators and their types. Insulator string and the voltage distribution along his axis. Uneven loading of sub-strings of insulators and technical problems with the protective armour. The rod insulators. The suspensory insulators. The bushings and the cables.
7) The testing source of high voltage (HV), their importance and distribution. The testing sources AC 50 Hz. The testing transformers. Transformer cascade. The sources of high frequency high voltage . The sources of DC high voltage.
8) The impulse testing sources. Common and standard form of the impulse voltage and current wave . The impulse voltage and current generators. The equivalent circuit and pulse wave equation. The multistage impulse voltage generator. The combined impulse voltage and current generators.
9) The measurement of high currents. The ideal and real voltage resistive, capacitive and combination divider. The resistive divider for impulse measurements the unequal distribution of voltage along the axis. The technical fix the problems "driven by field". The shunts.
10) The overvoltages in the electric power systems . The switching operations and the internal overvoltages in the electric power system. The external overvoltages caused by lightning and by the protection of grounding cable line. The grounding of towers overhead lines. The insulation coordination in the electric power systems.
11) The examples of numerical solution of electrostatic field.
12) The examples of numerical solution of stationary field.
13) The design of impulse current generator. The determination of impulse and current wave form with given constants. The determination of constants for the impulse current generator for the required shape of the impulse wave.

Work placements

Not applicable.

Aims

The students will become acquainted with the essential problems of the high voltage technology.

Specification of controlled education, way of implementation and compensation for absences

The content and forms of instruction in the evaluated course are specified by a regulation issued by the lecturer responsible for the course and updated for every academic year.

Recommended optional programme components

Not applicable.

Prerequisites and corequisites

Not applicable.

Basic literature

Blažek,V.,Skala,P.: Vysoké napětí a elektrické přístroje, Část I:Vysoké napětí,elektronický text, FEKT VUT v Brně, 2003.
Blažek,V.,Skala,P.: Vysoké napětí a elektrické přístroje, Laboratorní cvičení, Část I:Vysoké napětí, elektronický text, FEKT VUT v Brně,2003
Kuffel, E., Zaengl, W.S., Kuffel, J.: High Voltage Engineering: Fundamentals, Newnes, 2000, ISBN 0 7506 3634 3 Kuffel, E., Zaengl, W.S., Kuffel, J.: High Voltage Engineering: Fundamentals, Newnes, 2000, ISBN 0 7506 3634 3 Kuffel, E., Zaengl, W.S., Kuffel, J.: High Voltage Engineering: Fundamentals, Newnes, 2000, ISBN 0 7506 3634 3 Kuffel, E., Zaengl, W.S., Kuffel, J.: High Voltage Engineering: Fundamentals, Newnes, 2000, ISBN 0 7506 3634 3
Veverka,A.: Technika vysokých napětí, SNTL, 1978.

Recommended reading

Not applicable.

Classification of course in study plans

  • Programme EEKR-ML Master's

    branch ML-EEN , 2 year of study, summer semester, elective specialised

  • Programme EEKR-CZV lifelong learning

    branch EE-FLE , 1 year of study, summer semester, elective specialised

Type of course unit

 

Lecture

39 hod., optionally

Teacher / Lecturer

Ing. Michal Krbal, Ph.D.

Syllabus

1) Úvod. Základní pojmy v technice vysokých napětí (TVN). Skalární a vektorové pole. Operace gradient skalární funkce, divergence a rotace vektorové funkce. Hamiltonův a Laplaceův operátor.
2) Klasifikace polí a jejich vlastnosti. Pole zřídlové - nevírové, vírové - nezřídlové, nezřídlové - nevírové. Ortogonální souřadnicové soustavy. Maxwellovy rovnice v integrálním a diferenciálním tvaru. Účinky elektromagnetického pole na člověka.
3) Elektrostatické pole a jeho řešení. Vzájemné působení elektrostatického pole a dielektrika. Stacionární pole elektrické a magnetické a jejich řešení. Kvazistacionární a časově proměnné elektromagnetické pole a jejich řešení.
4) Dielektrické vlastnosti látek. Rozdělení a vlastnosti izolantů. Plynné izolanty. Samostatný a nesamostatný výboj. Townsendova teorie nárazové ionizace v homogenním poli. Přeskokové napětí v homogenním a nehomogenním elektrickém poli. Paschenův zákon. Trsový výboj a sršení. Jiskrový výboj. Bleskový výboj a jeho mechanika. Kanálový výboj. Koróna. Počáteční (kritické) napětí koróny a ztráty korónou na venkovních vedeních. Ultrakoróna. Tlumení přepěťových vln korónou.
5) Vliv atmosférických podmínek a jiných okolností na přeskokové napětí. Korekce naměřených hodnot přeskokového napětí v laboratoři na referenční standardní atmosféru. Pevné izolanty. Elektrický a tepelný průraz. Povrchové výboje (výboje podél povrchu pevných izolantů). Částečné výboje (výboje v dutinách izolace). Určení proudu částečného výboje.
6) Izolátory a jejich typy. Izolátorový řetězec a rozložení napětí podél jeho osy. Nerovnoměrné namáhání dílčích izolátorů řetězce a technické řešení problému pomocí ochranných armatur. Tyčové izolátory. Podpěrné izolátory. Průchodky. Kabely.
7) Zkušební zdroje (ZZ) vysokého napětí (vn), význam a rozdělení. ZZ střídavého vn 50 Hz. Zkušební transformátory. Transformátorové kaskády. ZZ střídavého vn vysokých kmitočtů. ZZ stejnosměrného (ss) vn.
8) Impulsní ZZ. Obecné a normalizované tvary impulsní vlny napětí u(t) a proudu i(t). Impulsní generátor napětí (IGN) a proudu (IGP). Náhradní schéma a rovnice impulsních vln u(t) a i(t). Vícestupňový IGN. Kombinovaný IGN a IGP.
9) Měření vn a velkých proudů. Ideální a skutečný dělič napětí odporový, kapacitní a smíšený. Odporový dělič pro měření impulsního napětí a nerovnoměrné rozložení napětí podél osy děliče vlivem parazitních kapacit, technické odstranění problému "řízeným polem". Bočníky.
10) Přepětí v elektrizační soustavě (ES). Spínací operace a vnitřní přepětí v ES. Vnější přepětí v ES způsobené úderem blesku a
ochrana vedení zemnícím lanem. Uzemnění stožárů venkovních vedení. Koordinace izolace v ES.
11) Příklady numerického řešení elektrostatického pole.
12) Příklady numerického řešení stacionárních polí.
13) Návrh IGN. Určení tvaru impulsní vlny u(t) při zadaných konstantách IGN. Určení konstant IGN pro požadovaný tvar impulsní vlny u(t).

Fundamentals seminar

12 hod., optionally

Teacher / Lecturer

Ing. Michal Krbal, Ph.D.

Syllabus

1) Gaussova věta elektrostatiky a její užití. Výpočet kapacity deskového, válcového a kulového kondenzátoru s jedním a s vrstveným dielektrikem.
2) Výpočet rozložení napětí na izolátorovém řetězci tvořeném n talířovými závěsnými izolátory, kterými jsou vybavená distribuční vedení 110 kV.
3) Výpočet optimálního průměru paličky talířového závěsného izolátoru, které tvoří izolátorové řetězce, používané pro vedení
110 kV.
4) Výpočet děliče napětí odporového, kapacitního a smíšeného. Výpočet bočníku.
5) Výpočet počátečního napětí koróny a kritického poloměru vodiče pro zadané vedení 220 kV a atmosférické podmínky. Ztráty výkonu a energie korónou a jejich snížení použitím svazkových vodičů. Výpočet krokového napětí pro různé tvary zemničů stožárů.
6) Zápočtový test.


Laboratory exercise

14 hod., compulsory

Teacher / Lecturer

Ing. Michal Krbal, Ph.D.

Syllabus

1) Seznámení studentů s laboratoří a zkouška z bezpečnostních předpisů. Korekce naměřených hodnot na referenční standardní atmosféru
2) Měření vysokého střídavého napětí
3) Měření vysokého ss. napětí
4) Měření impulsního napětí
5)Měření přeskokového napětí ve vzduchu a zjištění vlivu druhu napětí, tvaru pole, zkreslení sinusového napětí a tlaku vzduchu.
6) Měření rozložení napětí na izolátorovém řetězci
7) Měření voltsekundové charakteristiky daného izolátoru.