NO814125L - Fremgangsmaate og innretning for beskyttelse av elektrisk utstyr mot hoeye spenningstransienter - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og innretning for beskyttelse av elektrisk utstyr mot høye spenningstransienter.

Ved plutselig svikt eller gradvis trinn for trinn ødeleggelse av elektrisk utstyr på grunn av høye spenningstransienter eller spenningsstøt frembrakt på naturlig måte eller kunstig frembrakt har lenge blitt ansett som et alvorlig problem ved elektrisk industri. Innenfor litteraturen har det blitt beskrevet mange undersøkelser angående transiente spennings-forekomster ved forskjellige kraftfordelingssystemer, både bolig og kommersielle systemer. Disse studiene har vist at spenningstopper på 6 kw eller mer ikke er uvanlig på bolig-linjer med spenningsstøt på 100 kW eller mer ved mange indu-strielle høyeffektssystemer. Verre forhold er beskrevet for fjerntliggende, landlige effektfordelingssystemer av typen vanligvis benyttet for å tilføre elektrisk effekt til olje-felt. Pumpemotorer for anbringelse nede i borehullet og deres tilknyttede tilførselskabler, som ofte er benyttet ved disse fjernliggende pumpestedene, er spesielt følsomme for elekt-■'■ riske brudd. Transientene frembrakt fra slike faktorer som lynnedslag, linjebrytere eller full spenningsoppstarting kan lett ødelegge motoren nede i borehullet og/eller dens svært lange tilførselskabel siden installasjonen vanligvis er kraftig jordet til jorden gjennom enten direkte kontakt med brønnens metallforing eller ledning gjennom saltvann med lav impedans i borehullet. Disse pumpemotprene og tilførsels-kabelsystemene kan dessuten bli ødelagt ikke bare på grunn av høye spenningstransientnivåer, men også på grunn av hurtig spenningsstigning.

Erfaring har vist at ved slike omstendigheter er det svært vanlig at det forekommer motor- og/eller tilførselskabelav-brudd, som fører til en dyr nedkjøringstid og erstatning. Følgelig er en effektiv og økonomisk metode for beskyttelse mot spenningsstøt og transienter svært viktig ved slike in-stallasjoner. Foreliggende oppfinnelse gir en løsning på dette problemet. Det skal bemerkes at anordningen vil imid lertid være effektiv ved mange lignende anvendelser hvor transienter kan svekke eller ødelegge krafttransmisjonen eller annet tilknyttet utstyr.

Spenningsstøt eller transientundertrykkelsesinnretninger er

i og for seg ikke noen ny anordning, siden de er blitt benyt^ tet ved elektrisk industri i mange år. Kommunikasjonsindust-rien har i sær behov for å benytte transientundertrykkelses-utstyr på utstyret fra begynnelsen på grunn av elektronikkens ømfintlighet i alminnelighet. Kraftanlegg, men i en mye mindre grad, har også forskjellige former for lynsperrer i deres fordelingssystemer, spesielt i de nyere anleggene. Mens disse lynsperrene imidlertid har gitt en i alminnelighet tilstrekkelig beskyttelse for kraftselskapenes utstyr har de ofte vært lite effektive ved tilveiebringelse av transientbeskyttelse for abonnentene, spesielt under omstendigheter nevnt tidligere.

Vanlig fremgangsmåte for beskyttelse består vanligvis av en lynsperre anordnet på en stasjon i kombinasjon med en separat spenningsstøtkompensator anordnet i tett umiddelbarhet til motorterminalene (vanligvis ikke mer enn 15 meter borte). Denne metoden, selv om den er effektiv i de fleste industriel-le motorinstallasjonene, gir ikke noen tilstrekkelig beskyttelse for underjordiske oljebrennpumpeinstallasjoner på grunn av den primært lange tilførselskabelen, trange hull og omgivelses-forhold og den kompliserte motorbelastningsimpedansen.

US-patent nr. 3.824.4 31 viser et system anvendbart for spen-.": ningsstøtbeskyttelse ved kommunikasjonsoverføringslinjer. US-patent nr. 4.08.483 angår en lignende spenningsstøtbeskyt-telsesinnretning som foreliggende oppfinnelse. I begge tilfellene er det benyttet noen elementer som er benyttet i foreliggende tilfelle. Forøvrig er patentene typisk for tidligere kjente innretninger.

US-patent nr. 3.795.535 gir en spenningsstøtbeskyttelsesan-ordning for beskyttelse av halvlederanordninger fra transient-spenningsstøt. Anordningen beskrevet i dette patentet har begrenset anvendelse med unntak av halvlederbruk, som den er spesielt rettet mot og er totalt .ubrukelig ved beskyttelse for komplekse variable motstandbelastninger slik som neddyk-kede pumpemotorer.

Foreliggende oppfinnelse adskiller seg betydelig fra disse og andre kjente undertrykningssystemér..

Blant problemene ved tidligere kjente innretninger er at ikke noe system er tilgjengelig som gir en kombinasjon av elementer som vil samvirke for å spre den enorme energien forbundet med f.eks. lynnedslag og som gir en tidsforsinkelse for kommute-ringsperioden ved lynsperrer og gir beskyttelse mot energilek-kasje gjennom de nevnte to elementer. Enheten ifølge foreliggende oppfinnelse frembringer en kombinasjon av elementer som samvirker for å tilveiebringe en beskyttelse over dette aktuelle området og spesielt i tilfelle hvor en komisert variabel impedansebelastning skal bli beskyttet.

Det er formål med foreliggende oppfinnelse å frembringe en fremgangsmåte og innretning for beskyttelse av elektrisk utstyr mot høye spenningstransienter.

Det er videre et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en beskyttelsesenhet for høy spenningstransient ved pumpemotorer nede i borehull.'.

Det er videre et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for å beskytte pumpemotorer ned i borehull mot høye spenningstransienter.

Oppfinnelsen i dens videste forstand tilveiebringer således

en beskyttelsesenhet mot høy spenningstransienter, som innbefatter i rekkefølge reproduserbart gnistgap, et LC-filter,

en spenningsvarierbar motstand, en første innretning for å forbinde det reproduserbare gnistgapet med første jordingskrets og en andre innretning for å forbinde filteret og en spenningsvariabel motstand med en separat og tidlig jordings-

krets.

Det er videre tilveiebrakt en fremgangsmåte for å beskytte elektrisk utstyr fra å bli ødelagt.på grunn av høye spenningstransienter innbefattende dirigering av en hver transient over et forutbestemt mihimumsspenningsnivå gjennom en reproduserbar gnistgap til en første jordingskrets, forsinkelse av transienten i en tilstrekkelig tid for at gnistgapet tennes og fil-trering gjennom en andre separat jordingskrets av den delen av transienten under det forutbestemte minimumsnivået og over et forutbestemt maksimalt spenningsnivå.

Hovedprinsippet benyttet ved konstruksjon og utvikling av denne nye.spenningstoppundertrykkelsesinnretningen innbefatter et 3-trinns trekk ved transientelimineringen. Mens de enkelte elementene benyttet ved konstruksjonen av undertrykkelsesinnretningen i seg selv ikke er nye, er den egnede benyttelsen og samvirkningen mellom hvert trinn som er primært viktig ved riktig total drift av anordningen.

Tre forskjellige hovedelementer for høy effektstransientfor-deling har blitt benyttet. Disse er:

(1) Reproduserbare gnistgap

(2) LC-filtrer

(3) Spenningsvariable resistorer (varistorer).

Hver av ovenfor nevnte anordninger har en egen karakteristikk som gir de forskjellige ønskelige som også uønskelige opera-sjonsmessige trekk som en transientundertrykker. F.eks. kan den reproduserbare gnistgapinnretningen (etter at den har blitt tent) lettere foirbiføre enorme energimengder tilknyttet lynspenningsstøtet, men i løpet av dens kommutasjonsperiode (tid nødvendig for å ionisere eller "slå på" gnistgapet) blir transienten usvekket over den-ubeskyttede lasten. Også på grunn av den begrensede effektspredningsevne kan ikke reproduksjonsgnistgapet selv adekvat spre de enorme energimengdene i et direkte lynstøt. Et slik direkte spenningsstøt er, ved et lynnedslag svært nær brønnhodet, f.eks. på tilførselslinjen

innenfor en 30 m av brønnen.

På den andre siden kan LC-filteret gi forsinkelse for en hurtig stigende transientspenningsbølgeform, men spreder ikke energien. Energien tilknyttet transienten blir følgelig se-nere ført langs lasten ved den naturlige resonnansefrekvensen til filteret.

Varistorer er hurtig nok og kan således effektivt klippe av toppen av transientspenningens bølgeform. Disse anordningene kan imidlertid kun behandle relativt lave energimengder og følgelig gi de ikke noen beskyttelse mot en stor transient.

På grunn av de enorme strømmene mot jord som følge av gnist-gaptenningen, dersom det er noen motstand i selve jordreturen, vil ekstremt høye spenninger bli utviklet mellom gnistgap-':, jorden og fordelingssystemets jord. Dersom spenningen er parallell med lasten vil høy spenning oppstå over lasteter-minalene og beskyttelsen vil gå tapt selv om gapet har tent. Siden en jordreturmotstand vil være tilstede ved de fleste anvendelsene med en pumpe nede'i borehullet vil det være nødvendig å benytte en første jordingskrets for ekstremt høye strømstøt i gnistgapet og en andre lavstrøms vekselstrøms-jordingskrets for den øvrige anordningen. Hvor dobbeljordings-systemer blir benyttet er det dessuten ønskelig at to jordingskretser er anordnet med avstand fra hverandre og at den andre jordingskretsen ikke blir anordnet mellom den første jordingskretsen og fordelingssystemets jordingskrets slik at spenningen mellom disse to sistnevnte kretsene ikke blir sett på

som last.

Med omtanke på disse trekkene innbefatter foreliggende oppfinnelse alle tre typene med eksisterende spenningstøtsunder-trykkelse i en tretrinnskonstruksjon. Denne konstruksjonen gjør at elementene dekker hverandre og samvirker konstruktivt slik at den totale innretningen tilveiebringer mye mer enn det tilveiebrakt ved elementene enkeltvis.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med foretrukne utførel-sesformer av oppfinnelsen og med -henvisning til medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et blokkdiagram av spenningsstøtundertrykkeren

ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 viser et kretsdiagram av oppfinnelsen.

Fig. 3 viser en ekvivalent krets for en fase til pumpemotoren

nede i borehullet.

Figl 4 viser den ekvivalente kretsen for en fase for systemet innbefattende alle linjer, filter og motorparametere og belastningen fra de andre to faser. Fig. 5 viser en typisk datamaskinfrembrakt reaksjon basert

på analyse av kretsen på fig. 4.

Fig. 6 viser resultater av virkelig felttesting på reaksjonen av motorsysternet. Fig. 7 viser dobbeljordingsystemet ifølge foreliggende opp finnelse. Fig. 8 viser et snitt av den fysikalske oppbygningen av

undertrykkelsesinnretningen ifølge oppfinnelsen.

Fig. 9 viser et planriss av innretningen vist på. fig. 8. Fig. 10 viser en prøvekrets og vurdering av oppfinnelsen. Fig. 11 til 22 viser resultater av laboratorieprøver av

oppfinnelsen som benytter kretsen på fig. 10.

Mens spenningsstøtundertrykkelsesinnretningen ifølge foreliggende oppfinnelse er anvendbar ved flere forskjellige situasjoner hvor beskyttelse mot høye spenningstransienter er nødvendig er følgende detaljerte beskrivelse spesielt anvendbar ved beskyttelsen av landlige oljebrønnpumpestasjoner spesielt underjordiske pumper ved disse stasjonene. En under-jordisk pumpeenhet kan være enn 30 meter lang og kun 10 cm i diameter. Ved en drift på opptil 2430 meter under jordens overflate ved en temperatur i størrelsesorden av 93°C og trykk på 246 kg/cm 2. Slike enheter gir følgelig spesielle problemer ved spenningsstøtundertrykkelse som ikke kan bli møtt med vanlig tilgjengelig kommersielt utstyr. Spennings-støtundertrykkelsen ifølge foreliggende oppfinnelse gir transient beskyttelse for slike enheter.

Fig. 1 viser et blokkdiagram over elementene til det angjel-dende systemet. Elementet 1 er et kraftfordelingssystem fra hvilke høyspenningstransientene strømmer ut fra tid til annen. Elementet 7 er det elektriske utstyret som blir tilført systemet 1. Anbrakt mellom fordelingssystemet 1 og utstyret 7, som vist innenfor de avbrutte linjene på fig. 1, er spennings-toppundertrykkelsesinnretningen i foreliggende tilfelle innbefattende det reproduserbare gnistgapet 2, LC-filter 4 og den spenningsvariable motstanden 6.

På fig. 2 er elementet 2 et reproduserbart gnistgap fortrinnsvis i form av et hermetisk omhyllet gnistgap med en rekke ikke-lineære restans. Slike enheter er tilgjengelig i handelen som standard lynsperre, f.eks. "Joselyn J9200". Lynsperrene ved den foreliggende utførelsesformen skulle ha omkring 1000 RMS-verdi, idet den nødvendige verdien ved en bestemt anvendelse blir bestemt av operasjonsspenningen til enheten som skal bli beskyttet. Operasjonstenspenningen til sperren etablerer minimumsspenningen for hvilken sperren vil gi beskyttelse. Under den spenningen kan der fremdeles være fare for utstyret og andre elementer i systemet må over-ta for å gi den ytterligere beskyttelse.

Det reproduserbare gnistgapet og dens jordingskrets 3 spreder største delen av energien forbundet med høyspenhingstransien-ten. Nytten ved foreliggende situasjon avhenger imidlertid kritisk av utførelsen til de to andre elementene i enheten. Beskyttelsen må bli tilveiebrakt for utstyret ved spennings-nivåer generelt mellom operasjonmessig tennspenning for sperren beskrevet ovenfor og den maksimale starttransienten på utstyret. Den maksimale starttransienten etablerer således det maksimale spenningsnivået som er ønskelig ved utstyret. Det er ønskelig at transientene over det nivået blir glattet ut ved hjelp av spenningsstøtbeskyttelsesenheten.

Det andre elementet i enheten, element 4 på fig. 2, er et LC-filter. Mens mange kjente LC-filteranordninger vil gi tilfredsstillende ytelse er det nødvendig utfra et praktisk virkningen av filterkomponentvalget ved systemutkuttings-frekvens og resonansforsterkningsfenomen. Virkelig feltprøve-resultat er vist på fig. 6. Den utmerkede korrelasjonen mellom de to figurene underbygger den benyttede datamaskinmodellfor-søk og konstruksjonstilnærmingen. En lignende analyse vil være nødvendig for forskjellige belastningsparametere basert på

en egnet ekvivalentkrets.

For å tilveiebringe tilstrekkelig høy Q med minimal shuntkapasitans ble induktoren konstruert med en luftkjerne og viklet på en gjenget kjerne for å opprettholde en konstant klaring mellom viklingene.

Som et eksempel er en egnet induktor for den foretrukne ut-førelsesformen en enkellags lmH luftkjerneenhet for høy strøm fremstilt ved vikling av omkring 200 viklinger med MHV-tråd på en 6" indre diameter x 1/4 x 38" gjenget elektrisk form med en viklingslengde på omkring 33 cm. Tråd-størrelsen blir valgt for å passe den ønskede stabile til-standsvekselstrømskraftbehandlingskapasiteten med akseptabel H^R-tap. Den foretrukne trådstørrelsen er således nr. 6

MHV for 50 ARMS og nr. 4 MHV for 9 0 ARMS. Viklingen blir holdt på plass ved hjelp av glyptol eller lignende materiale. 01jesirkulasjonshull er fordelt ved toppen og bunnen av for- ■ men. Induktoren burde ha en verdi på minst 0,5 mH og fortrinnsvis 1 mH.

Andre induktorsammenstillinger vil være egnet for oppfinnelsen og ovenfor nevnte detaljerte beskrivelse refererer til en enhet som kun er et eksempel på en slik sammenstilling.

En egnet kondensator for den foretrukne utførelsesformen er

en med svært lav induktans og som kan kontinuerlig behandle reaktiv vekselstrøm.

Kondensatoren skulle fortrinnsvis ha en kapasitans på minst

1 uF og fortrinnsvis minst 10 uF og en induktans på omkring

10 nH eller mindre. Den mest foretrukne kapasitansen er om- økonomisk synspunkt å forsøke å optimalisere systemet med å ta med i betraktningen kostnadene så vel som utførelsen.

Komponentvalget for L€-filteret blir et svært vanskelig problem ved underjordiske pumpetilfeller på grunn av samvirkningen mellom et høyt Q-filter og den kompliserte variable impedansbelastningen. Den ekvivalente kretsen for en fase av disse spesielle induksjonsmotorene nede i borehullet er vist på fig. 3. I serie med denne frekvensavhengige belastningen er en lang (i alminnelighet 1820-2430 m) spesial blybelagte trefasetilførselskabel, som har en shuntkapasitans på omkring 90 pF pr. 30 cm. For en normal kabellengde er C, .. - 0,8 jjF og R., . ^ 4,2 Q. Den fulle vekselstrøms-lmje 3 linje '

ekvivalentkretsen for en fase, innbefattende alle filter, motor og linjeparametere såvel som belastning av de andre to fasene, er vist på fig. 4.

Samvirkningen av Q-filteret med denne komplekse belastningen medfører en resonnanseeffekt' over et frekvensområde. Denne virkningen er uunngåelig ved pumpesituasjoner nede i borehullet og medfører en resonnanseforsterkning av en hver forstyrrelse som har frekvenskomponenter innenfor området. Denne forsterkningen kan være i størrelsesorden av 2 0 db . eller høyere.

I tillegg til normale kostnader og operasjonsproblemer er det nødvendig ved komponentvalget å ta med i beregningen og å forsøke og gjøre denne resonnanseeffekten til et mini-mum. Utstrakt datamaskinmodellforsøk og analyse er blitt foretatt for å utføre dette valget. Det blé uventet opp-daget at optimale utførelse og kostnadseffektivitet vil skrive seg fra kombinasjonen i et halvseksjon LC-filter av en høystrømsinduktor og en stor lavtappskondensator. For optimal drift må induktoren ha svært lav shuntkapasitans og kondensatoren må være ultra hurtig.

Typiske resultater for denne datamaskinanalysen basert på ekvivalentkretsen på fig. 4 er vist på fig. 5. Denne viser kring 20 juF. Effektspredningen burde være svært lav slik at det kan ventes f.eks. en 20 års kontinuerlig levetid. Kondensatoren skulle ha en RMS-spenningsverdi på 1,5 kV og kunne bli drevet ved temperaturer i området fra omkring 4 0°C til omkring 6 5°C.

Denne beskrivelsen er kun en foretrukket utførelsesform for et bestemt sett med betingelser og variasjoner er mulig og godtagbare avhengig av de bestemte anvendelser. Datamaskinanalysen for tilfelle hvor pumpene er anbrakt nede i borehullet antyder imidlertid at bruken av en 20 p. F enhet er svært ønskelig (fig. 5).

Virkningen av filteret er tilveiebringelsen av en forsinkel-sestid ved en høyspenningstransient for å tilveiebringe tid for gnistgapets ionisering og tenning. Forsinkelsen skulle i alminnelighet være minst omkring 10 juS EK. Filteret frembringer også noe dempning for lavere spenningsstøt som er tilstrekkelig for å tenne gnistgapet. For bestemte lynsperrer og filter beskrevet ovenfor er f.eks. en dempning på omkring 20 dB tilveiebrakt for spenningsstøt under omkring 9 kV.

Filteret skulle ha en lavfrekvensutkutting på mindre enn omkring 2 kHz.

Elementet 6 på fig. 2 er en høyspenningsmetalloksydvariabel-spenningsmotstand (varistor) forbundet i shunt over filter-utgangen, som fortrinnsvis har minst en avledningsmotstahd parallelt med den spenningsvariable motstanden. Funksjonene til disse elementene er dobbel. Først vil de "klippe" bort transienten som er i stand til å komme gjennom gnistgapet og LC-filteret. Dette kan forekomme for hurtig stigende lavspente transienter som, som nevnt ovenfor, er i alminnelighet for små til å tenne gnistgapet, men som dersom de ikke er glattet ut vil kunne ødelegge lasten. En slik klippe-virkning vil forekomme f.eks. ved spenningsstøt under omkring kV som beskrevet ovenfor. Siden starttransientnivået til utstyret, som blir beskyttet, i alminnelighet er høyere enn driftsspehningen er det starttransienten som blir benyttet for å bestemme nivået over hvilket varistorklippevirkningen må forekomme.

For det andre må varistorenheten tjene til å fjerne topper bevirket av resonansevirkningen nevnt ovenfor.

Varistoren må igjen ha en 1000V RMS-verdi ved den foretrukne utførelsesformen for tilfeller hvor pumpen er i dype>brønner. Det er tilfredsstillende å benytte enheter med lavere verdi

i serie. Den mest foretrukne kombinasjonen er å benytte to 4 80 volts enheter i serie. Disse har et tilstrekkelig lavt tennpunkt for å unngå ødeleggelse på belastningen på grunn av for tidlig tenning.

En separat jordforbindelse for filteret og varistoren er vist med henvisningstallet 5.

Som nevnt ovenfor oppstår et ytterligere problem når resis-tansen til jordreturbanen ikke er null. Man har funnet i praksis at jordrestansen i virkeligheten alltid har en annen verdi enn null og i alminnelighet i området fra 8 til 10 ohm. Ved tilfelle hvor pumpen er neddykket kunne brønnforingen sammen med saltvannet som er uforandrelig tilstede i brønnen gi en utmerket jording som dersom benyttet i alminnelighet medfører en unngåelse av dette jordresistanseproblemet. Uheldigvis kan ikke spenningsstøtbeskyttelsen i alminnelighet bli jordet gjennom brønnforingen på grunn av virkningen på korrosjonsbeskyttelsessystemet. Det er derfor vanlig at enheten må bli jordet gjennom en målbar jordrestans ofte i størrelsesorden av 8 til 10 ohm.

Siden spenningsstøtstrømmen til jord fra lynsperren kan være

i størrelsesorden av 100.000 A eller mer, blir et spennings-fall tilveiebrakt over denne jordrestansen som momentant be-virker at jordingssystemet stiger til en i hovedsaken full stendig impulsspenning. Før spredningen av spenningsstøtener-gien tilsynekommer spenningen over returlinjen. Som følge av

dette blir motorviklingene og de indre lederne til tilførsels-kabelen momentant underlagt nesten hele transientspenningen, men det brønnjordede moto-rhuset og kabelblyomhyllingen forblir fast ved jordpotensialet ved hjelp av boringsforingen og saltvannet i hullet. Denne situasjonen medfører en svært høy spenningsbelastning på motorviklingen og kanbelisolasjonen og følgelig medfører dette feil ved en av eller begge disse komponentene.

En godtagbar løsning på denne vanskeligheten har blitt utviklet og innbefatter benyttelsen av to separate jordingskretser,

den første en høy spenningsstøtsstrømjording og den andre en lav vekselsstrømjording. Denne konstruksjonen er vist for 3 faser på fig. 7.

Ved installasjonen av denne utførelsesformen av anordningen

er det nødvendig at to jordingsforbindelser, i alminnelighet to jordingsstenger, er adskilt med en avstand i størrelses-orden av flere desimeter. Lav-vekselstrømsjordingen må dessuten ikke være anordnet innenfor jordreturstrømbanen til høyspenningsstøtsjordingen. Dette betyr i alminnelighet at lavstrømsjordingen ikke bør være anordnet mellom høyspennings-støts jordingen og krafttilførselslinjens jording. En potensial ledervirkning kan ellers forekomme og beskyttelsen vil gå tapt.

En foretrukket utførelsesform for dobbeljordingssystemet er vist på fig. 7. De tre terminalene 80 utgjør inngangene til undertrykkelsesinnretningen og de tre terminalene 82 utgangene. Sperrene 84, filtrene 86 og varistorene 88 er vist for tre faser. Figuren viser dessuten motortilførelskabelen 90, motoren 92 og brønnforingen 94. Dobbeljordingssystemet er vist med en høyspenningsjording 98 fra sperrene og en lav veksel-strøms jording 100 fra filtrene og varistoren. Kraftforsynings-ledningens jord er vist med henvisningtallet 96. Som nevnt ovenfor er jordingene 98 og 100 adskilt medden avstand som følge av optimal utførelse er i størrelsesorden av flere desimeter. Som vist bør dessuten jordingen 100 ikke være anordnet mellom jordingene 96 og 98.

En svært fordelaktig sideeffekt av bruken av separate jordings-systemer er at jordrestansen kan .bli benyttet for å spre en stor del av spenningsstøtenergien. Energispredningskravet til lynsperrene til det første trinnet kan da bli i høy grad redusert. Enkle sperrer på 1 kilojoule som er vanlig i handelen kan bli benyttet.

Jordresistansen mellom jordingene 96, 98 er nesten alltid

en målbar størrelse og i alminnelighet i størrelsesorden av 8 til 10 ohm. Nevnt ovenfor nødvendiggjør denne faktoren kombinert med den høye strømmen til jord når gnistgapet tennes separat jordingssystem.

En foretrukket utførelse av komponentene til hele spennings-støtundersøkelsesinnretningen er vist på fig. 8 og 9.

Enheten er anordnet i en metallsylinder 100 fastgjort til

en sokkel 102 og som har et vanntett deksel 104. Forbindelses-bokser 106 og 108 er festet til sylinderens 100 sider og forsynt med vanntette deksler 110 og 112.

De tre faseinngangene 114 går inn i enheten via forbindelsesboksen 106. De tre faselynsperrene 116 med en innebygt serieresistans er anordnet i forbindelsesboksen 106. Høyspennings-støtjordingen 118 går gjennom forbindelsesboksen 106 via høy-spenningsisolerte tilførselsgjennomganger 120. Trefase effekten tilføres sylinderen 100 gjennom høyspenningsisolerte tilførselsgjennomganger 122.

I sylinderen 100 er induktorer 124 anordnet på<:>dielektriske braketter 126. Induktoren 124 innbefatter former 128 og viklinger 130. Formene 128 er fortrinnsvis gjenget og viklingene 130 er festet i gjengesporene for å sikre at et mellomrom blir opprettholdt mellom viklingene.

Kondensatorene 132 er anordnet på braketter 134 og er anordnet innenfor korresponderende viklinger 130. Siden den fysikalske størrelsen på enheten i materiell henseende påvirker i sterk grad produksjonskostnaden er det fordelaktig å opprettholde konstruksjonen så kompakt som mulig underlagt utførelseskra-vene.

Trefaseeffekt går ut fra filterkomponenten og sylinderen 100 gjennom høyspenningsisolerte tilførselsgjennomganger 136 til forbindelsesboksen 108.

Varistorene 138 (en for hver fase) er anordnet i forbindelses boksen 108 og fører til lav-vekselstrømsjordingen 140.

Trefaseeffekt går ut fra forbindelsesboksen 108 ved 142 og blir så ført til den beskyttede lasten.

For å frembringe kjøling av induktoren 124 så vel som å gi høyspenningsisolasjon er sylinderen 100 fylt opptil brakette-nes 134 nivå med høyspenningstransformatorolje. Ytre finner 144 er med fordel anordnet for oljekjølingen.

Prøvekrets og prosedyre

En prøvekrets for vurdering av spenningsstøtundertrykkerinn-retningen ble sett opp som vist på fig. 10. Symbolene på figuren er som følgende:

Testpunkter

Prøvekretsen ble gjentagende pulset ved hjelp av det triggede gnistgapet. Bølgeformene ble observert ved prøvepunktene nevnt ovenfor. Forskjellige oscilloskope bilder ble fotografert ved spesielle ladningsspenningsbetingelser for således å bestemme virkningen av spenningsstøtundertrykkelsen som en funksjon av transientamplituden og energien. Et tektronix-oscilloskopkammer ble benyttet for å opptegne bølgeformen på ASA 32 00 Polaroid<K->film.

Prøvene ble utført med forskjellige kombinasjoner av krets-elementer for å vurdere de enkelte elementers bidrag såvel som utførelsen for enheten som et hele.

Eksempel 1

Først ble kretsen testet med ikke noe undertrykkelseselementer i kretsen med en likestrømsladningsspenning på 12 kW. Oscil-loskopsbildet ble fotografert ved prøvepunktet P_ over belastningen R^. Bildet er vist på fig. 11.

Bildet viser at uten spenningsstøtundertrykning i kretsen tilsynekommer hele impulsladningen over lasten R (som er benyttet her for å simulere motoren nede i borehullet).

En ekstremt hurtig stigetid ble funnet for transienten.

Eksempel- 2

Kretsen ble så prøvet med filteret innbefattet, men uten sperrer og varistorer. Følgende prøveparametre ble benyttet:

Bildet er vist på fig. 12. Som det fremgår av dette bildet forekommer det fremdeles en svært stor impulstopp over lasten når kun filterdelen til undertrykkelsesinnretningen blir benyttet. Spissens amlitude har imidlertid blitt betraktelig redusert (^1/2) og den har også en mye langsommere stigetid. Amplituden til spenningsstøtspissen på belastningen er til-nærmet A, 5 kW når den fulle spenningsstøtladespenningen V

er 12 kW.

Eksempel 3

Kretsen ble så prøvd'med filterer innbefattet, men uten sper-er og varistorer. Følgende prøveparametere ble benyttet:

Bildet på denne prøven er vist på fig. 13 og med en utvidet vertikal målestokk på fig. 14. Ut fra disse figurene fremgår det at sperren har en dy<p>tgående innvikrning på transienten koblet gjennom lasten. Denne virkningen er spesielt bemerk-bar ved sammenligning av fig.13 med fig. 12, som klart viser at filteret har gitt tilstrekkelig tidsforsinkelse og isola-sjon for sperren for å bli "slått på" og spre mesteparten av energien i transienten. Den utvidede målestokken på fig. 14 viser at spenningsstøtspissen som når belastningen har blitt redusert hva amplitude angår til omkring 550 volt,

selv om inngangsspenningsstøtamplituden til undertrykkelsesinnretningen er 12 kW.

Eksempel- 4

Eksempelet viser virkningen av den fullstendige undertrykkel-sesenheten innbefattende filter, sperre og varistor. Følgende prøveparametere ble benyttet:

Forløpet for denne prøven er vist på fig. 15. Bildet viser at varistoren har fått spenningsspissen over belastningen R til omkring 350 volt. ' (Bemerk den utvidede målestokken og sammenlign med fig. 14). Dette er så på grunn av at den benyttede varistoren er 120 volts variasjon som blir fullstendig slått på ved omkring 350 volt.

Eksempel 5

Dette eksempelet innbefatter to prøver for ytterligere å vise virkningen av varistoren. I det første tilfellet innbefatter kretsen filteret og varistoren og i andre tilfellet kun filteret. I begge tilfellene var sperren utelukket. Parametrene på begge prøvene var som følgende:

Bildene for prøven er vist henholdsvis på fig. 16 og 17. En sammenligning av bildene viser at varistoren er svært effektiv ved å klippe av toppamplitudene til transient-toppene som går gjennom filteret.

Eksempel' 6

Ved dette eksempelet ble den fullstendige undertrykkelsesinnretningen med alle tre elementene prøvd ved en høyere spenning. Parametrene var som følgende:

Bildene fra denne prøven er vist på fig. 18. Sammenligning med fig. 18 og fig. 15 viser at en betraktelig mindre tran-'sientspiss forekommer over belastningen når amplituden til inngangstransienten har blitt øket. Dette er på grunn av at lynsperren "slåes bedre på" ved høyere inngangsspenninger.

■ Eksempel" 7

Dette eksempelet innbefatter hele undertrykkelsesénheten, men med benyttelse av en ennå høyere inngangsspenning. Parametrene var som,følgende:

Bildet for dette eksempel er vist på fig. 19. Undersøkelsen

av fig. 19 og andre lignende oscilloskopbilder tatt over spenningsområdet fra 12 til 4 0 kW viser klart at undertryk-ningsinnretningen arbeider også bedre ved høyere impulsspenning. Dette er på grunn av det faktum at sperren "tenner bedre" ved høyere spenninger. Det ble også funnet at sperrene tenner uregelmessig ved spenningsimpulser under omkring 9kW. Følge-lig er det nødvendig å anbringe varistorer over belastningen som ytterligere beskyttelse mot lave spenningstransienter.

Alle eksemplene ovenfor ble utført på en enfasetransient-undertrykkelsesinnretning i laboratoriet. Ytterligere prøver ble utført ved å benytte en prototype 3 faseenhet konstruert som vist på fig. 7 og beskrevet ovenfor. Prøvekretsen var den samme som den benyttet ved laboratorieprøvene beskrevet ovenfor.

Véd hvert av de tre prøvene vist nedenfor ble fullstendig undertrykkelsesinnretning benyttet og i dette tilfelle i en oljefylt beholder. Spesifikkasjonene for prototype-elementene var som følgende: Prøvepunkt

Eksempel 8

En prøve ble utført med en spenning V på 12 kW ladning.

Det resulterende bildet.er vist på fig. 20 hvor:

1) det nedre bildet 10 kW/Del. 5 Jasek./Del.) utgjør P - spenningen, inngangen til undertrykkelsesinnretnigen,

og

2) det øvre bildet (20 V/Del., 200 usek./Del.) viser P - spenningen, utgangen fra undertrykkelsesinnretningen.

Eksempel 9 og- 10

Prøven i eksempel 8 ble gjentatt ved eksempel 9 og 10, men inngangsspenningen ved henholdvis 18 kW og 4 0 kW. Resulta-tene er vist på fig. 21 og 22, henholdsvis, idet den nedre delen av bildet viser inngangen til undertrykkelsesinnretningen og den øvre delen utgangen.

I hvért tilfelle ble impulsene tilført til en fase av gangen med sammenlignbare resultater hver gang. En sammenligning med grenmodellprøvene til eksemplene 4, 6 og 7 viser at pro-totypen ga forbedrede resultater over grenmodellen. Dette ble ventet i betraktning av det store LS-produktet benyttet her, som beskrevet ovenfor.

Disse prøveresultatene viser at enheten vil virke svært effektivt i en situasjon hvor jordingen ikke utgjør noen vanskelig-het. En slik situasjon kunne blitt tilveiebrakt dersom brønn-hodet og boreforingen kunne bli benyttet som en jordforbindelse. Siden korrosjonsbeskyttelsesutstyret dikterer at denne jordingsmåten ikke må bli benyttet var det nødvendig å utvikle det nye dobbeljordingssystemet ifølge foreliggende oppfinnelse.

Som antydet ovenfor ble det klart i løpet av denne ytterligere forskningen at det nye jordingssystemet kunne blitt benyttet for å spre en stor del av energien forbundet med store spen-ningsstøt slik som de som oppstår ved lynnedslag. Verdien på overspenningsavlederen kunne derfor bli skåret ned til en enkel 1000 volts avleder som ville være tilstrekkelig for den separate høye jordstrømmen.

De totale prøveresultatene viser at en svært effektiv spen-ningsstøtbeskyttelsesenhet for dette formålet har blitt tilveiebrakt.

Mens oppfinnelsen har blitt beskrevet i detaljer med hensyn til den foretrukne utførelsesformen er det klart at det ikke er ment å begrense oppfinnelsen til disse utførelsesformene. Tvertimot er det meningen å dekke alle alternativer, modifi-kasjoner og ekvivalenter som kan bli innbefattet innenfor

formålet og rammen av foreliggende oppfinnelse.

Claims (41)

1. Høy spenningstransientbeskyttelsesenhet for forbindelse mellom en strømforsyningskilde og en last, karakterisert ved at den innbefatter: (a) et reproduserbart gnistgap, et LC-filter, og en spenningsvariabel motstand og (b) i tillegg; en første innretning for å forbinde det reproduserbare gnistgapet med en første jordingskrets og en andre innretning for å forbinde filteret og den spenningsvariable motstanden med en separat og klart jordende krets.

2. Enhet ifølge krav 1, karakterisert ved at det reproduserbare gnistgapet innbefatter i det minste et hermetisk innelukket gnistgap med en ikke-lineær serieresis-stans.

3. Enhet ifølge krav 2, karakterisert ved at i det minste et hermetisk lukket gnistgap er en overspen- . ningsavleder.

4. Enhet ifølge krav 1, karakterisert ved at spenningsverdien til gnistgapet blir bestemt ved drifts-spenningen til installasjonen som skal bli beskyttet.

5. Enhet ifølge krav 1, karakterisert ved at den totale verdien for reproduksjonsgnistgapet er omkring 1000 V RMS.

6. Enhet ifølge krav 1, karakterisert ved at LC-filteret innbefatter et LC-halvdelsfilter, som har en høystrømsinduktor og en stor lavtappskondensator.

7. Enhet ifølge krav 6, karakterisert ved at induktoren har en verdi på minst 0,5 mH.

8. Enhet ifølge krav 6, karakterisert ved at induktoren har en verdi på minst 1 mH.

9. Enhet ifølge krav 6, karakterisert ved at induktoren har en verdi på 1 mH.

10. Enhet ifølge krav 6, karakterisert ved at kondensatoren har en verdi på minst 1 pF.

11. Enhet ifølge krav 6, karakterisert ved at kondensatoren har en verdi på minst 10 pF.-

12. Enhet ifølge krav 6, karakterisert ved at kondensatoren har en verdi på 20 pF.

13. Enhet ifølge krav 6, karakterisert ved at induktoren har en svært lav shuntkapasitans.

14. Enhet ifølge krav 6, karakterisert v e :.d at kondensatoren er ultrahurtig.

15. Enhet ifølge krav 6, karakterisert ved at induktoren har en verdi på 1 mH og at kondensatoren har en verdi på 20 pF.

16. Enhet ifølge krav 6, karakterisert ved at lavfrekvensutkuttingen til filteret er mindre enn omkring 2 kHz.

17. Enhet ifølge krav 6, karakterisert ved at filteret gir i det minste omkring 2 0 dB dempning for lavere spenningstransienter under omkring 9 kW.

18. Enhet ifølge krav 1, karakterisert ved at den spenningsvariable motstanden innbefatter i det minste en høyspenningsmetalloksydvariabel spenningsmotstand.

19. Enhet ifølge krav 18, karakterisert ved at den variable spenningsmotstanden er forbundet parallelt over filterets utgang.

20. Enhet ifølge krav 18, karakterisert ved at enheten innbefatter i det minste en avledningsmotstand forbundet parallelt med dens spenningsvariable motstand.

21. Enhet ifølge krav 18, karakterisert ved at den spenningsvariable motstanden innbefatter to hø yspennings-metalloksydvaristorer forbundet i serie.

22. Enhet ifølge krav 21, karakterisert ved at hver varistor har en verdi på omkring 48 0 volt.

23. Enhet ifølge krav 21, karakterisert ved at avledningsmotstanden er forbundet parallelt med varistorene.

24. Enhet ifølge krav 1, karakterisert ved et felles jordingsplan for LC-filtrene og varistorene i enheten .

25. Høyspenningstransientbeskyttelsesenhet for forbindelse mellom en strømforsyningskilde og en last, karakterisert ved at den innbefatter: a) et reproduserbart gnistga <p> innbefattende i det minste et hermetisk inneholdt gnistgap med en ikke-lineær serieresistans, en LC-filter som innbefatter et LG-halvseksjonsfilter som har en høystrømsinduktor og en stor lavtappskondensator, og en variabel spenningsresistor som har i det minste en høyspenningsmetalloksydvariabel spenningsmotstand, og b) i tillegg, en første innretning for å forbinde gnistgapet med den første jordingskrets, og en andre innretning for å forbinde den spenningsvariable motstanden med en separat og adskilt jordingskrets.

26. Enhet ifølge krav 25, karakterisert ved at gnistgapet har en verdi på omkring 1000 volt RMS, idet induktoren har en verdi på omkring 1 mH, kondensatoren en verdi på omkring 2 0 pF, og den spenningsvariable motstanden har en verdi på omkring 1000 volt RMS.

27. Fremgangsmåte for å beskytte elektrisk utstyr fra ødeleggelse som følge av høye spenningstransienter på en strøm-forsyningslinje, karakterisert ved : a) . dirigering av en hver transient over et forutbestemt minimumsspenningsnivå gjennom et reproduserbart gnistgap til en første jordingskrets, b) forsinkelse av transienten i en tilstrekkelig tid for å tillate at gnistgapet tenner, og c) utfiltrering gjennom en andre separat jordingskrets av den delen av transienten under det forutbestemte minimum-nivået over et forutbestemt maksimumsspenningsnivå.

28. Fremgangsmåte ifølge krav 27, karakterisert ved at jordingskretsen innbefatter i det minste en jordingsstang.

29. Fremgangsmåte ifølge krav 28, karakterisert ved at i det minste en jordingsstang til den første kretsen er anordnet med avstand fra i det minste en jordingsstang til den andre kretsen.

30. Fremgangsmåte ifølge krav 29, karakterisert ved at stengene er adskilte med en avstand på minst 1,2 m.

31. Fremgangsmåte ifølge krav 30, karakterisert ved at stengene er adskilt med en avstand på minst 1,8 m.

32. Fremgangsmåte ifølge krav 28, karakterisert ved at i det minste en jordingsstang til den andre kretsen ligger utenfor jordreturbanen til den første jordingskretsen.

33. Fremgangsmåte ifølge krav 27, karakterisert ved at gnistgapet har i det minste et hermetisk innelukket gnistgap med en ikke-lineær serieresistans.

34. Fremgangsmåte ifølge krav 27, karakterisert ved at minimumsnivået er omkring 9 kW.

35. Fremgangsmåte ifølge krav 27, karakterisert ved at minimumsnivået er minimumsnivået ved hvilke gnistgapet vil tenne.

36. Fremgangsmåte ifølge krav 27, karakterisert ved at forsinkelsen ble utført ved hjelp av et LC-filter.

37. Fremgangsmåte ifølge krav 27, karakterisert ved at filtreringen blir utført ved hjelp av et LC-filter og en spenningsvariabel motstand.

38. Fremgangsmåte ifølge krav 27, karakterisert ved at det forutbestemte maksimumsnivået er under spenningsnivået hvor en ødeleggelse av det elektriske utstyret ville være resultatet.

39. Fremgangsmåte ifølge krav 27, karakterisert ved at det forutbestemte minimumsspenningsnivået blir tilveiebrakt ved operasjonsmessig tenningsspenning av gnistgapet.

40. Fremgangsmåte ifølge krav 27, karakterisert ved at det forutbestemte maksimumsspenningsnivået ble eta-blert ved starttransientnivået til utstyret.

41. Fremgangsmåte ifølge krav 27, karakterisert ved at forsinkelsen er for en periode på minst omkring 10 uS EK.