Kursplan för Högspänningsteknik 1

Kursplan fastställd 2021-02-10 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnHigh voltage engineering
  • KurskodMTT035
  • Omfattning7,5 Högskolepoäng
  • ÄgareMPEPO
  • UtbildningsnivåAvancerad nivå
  • HuvudområdeElektroteknik
  • InstitutionELEKTROTEKNIK
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk Engelska
  • Anmälningskod 21113
  • Max antal deltagare70
  • Blockschema
  • Sökbar för utbytesstudenterJa

Poängfördelning

0107 Tentamen 7,5 hp
Betygsskala: TH		 7,5 hp
  • 15 Mar 2023 em J
  • 09 Jun 2023 em J
  • 16 Aug 2023 em J

I program

Examinator

Gå till kurshemsidan (Öppnas i ny flik)

Behörighet

Grundläggande behörighet för avancerad nivå
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Särskild behörighet

Engelska 6
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Kursspecifika förkunskaper

Kursspecifika förkunskapskrav till MPEPO i Antagningsordningen

Syfte

För studenten utgör denna kurs den första kontakten med det mångfacetterade ämnet högspänningsteknik. Kursen syftar huvudsakligen till att: i) introducera grundläggande begrepp och ge en grundläggande förståelse av klassisk experimentell högspänningsteknik; ii) göra studenten förtrogen med elkraftsystemets komponenter, samt; iii) förbereda studenten för fortsättningskursen i högspänningsteknik vilken är nödvändig för den student som önskar erhålla en bredare och djupare förståelse av ämnet. Efter dessa två kurser i högspänningsteknik, som en del av en elkraftteknisk utbildning, är studenten väl rustad för en karriär som utvecklingsingenjör inom högspänningsdesign och experimentellt laboratoriearbete samt som kvalificerad ingenjör i att hantera olika aspekter av elkraftssystemets komponenter. Dessa båda kurser utgör också en god grund för fortsatta doktorandstudier i högspänningsteknik.

Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

  • utföra analytiska beräkningar av den elektriska fältfördelningen i isolationssystem med planparallell, koaxiell och sfärisk geometri.
  • peka ut olämpliga geometrier där fältstyrkan lokalt kommer att bli mycket hög samt föreslå förbättringar av designen.
  • förklara mekanismen för elektriskt sammanbrott i gaser under lågt tryck utifrån en enkel ballistisk kollisionsmodell (Townsends sammanbrottsmekanism).
  • definiera fri medelväglängd, Townsends första och andra jonisationskoefficient samt sammanbrottskriteriet.
  • förklara, utifrån ett ingenjörsperspektiv, och peka ut parametrar viktiga för att erhålla hög elektrisk hållfasthet.
  • tillämpa Paschenkurvan för att uppskatta den elektriska hållfastheten hos korta homogena gap under lågt tryck och varierande atmosfäriska förhållanden.
  • förklara de mekanismer som skapar en fördröjning av det elektriska sammanbrottet och förklara dess konsekvenser för isolationskoordination.
  • visa förtrogenhet med egenskaperna hos laborativ utrustning för generering och mätning av höga spänningar genom att göra välmotiverade val för en specifik situation eller syfte.
  • planera och fysiskt arrangera en experimentell högspänningsuppställning på ett säkert sätt och kunna minimera och uppskatta riskerna med hänsyn till säkerhet för person, utrustning och instrument.
  • använda experimentella metoder för att bestämma sammanbrotts- och hållspänningar.
  • statistiskt utvärdera genomförda provsekvenser och göra nödvändiga atmosfäriska korrektioner.
  • identifiera kraftsystemets komponenter i ett ställverk och förklara deras roll i stationen och deras egenskaper, samt, ge exempel på hur digitala lösningar kan förändra det klassiska ställverket.
  • jämföra och diskutera för- och nackdelar hos komponenter med olika design eller olika arbetsprinciper.
  • identifiera och förklara olika konstruktionsdelar hos luft- och kabelledningar.
  • beräkna det sannolika antalet fel per år hos en luftledning orsakade av direkta blixtnedslag i ledningen baserat på "Rolling sphere"-teorin och beaktande risken för baköverslag.
  • beräkna överspänningar förorsakade av vandringsvågor och reflektioner i kraftsystemet och visa hur ventilavledare kan användas för att begränsa dessa.
  • förklara och schematiskt illustrera uppkomsten av kopplings- och temporära överspänningar och deras egenskaper.
  • visa insikt i, och under ledning av en erfaren ingenjör, kunna koordinera isolationsnivåerna för specifika komponenter med hänsyn till förekommande överspänningar genom val och användande av skyddsåtgärder för att uppnå (och beräkna) en acceptabel teknisk/ekonomisk risk.
  • identifiera och diskutera teknologier som kan ha en negativ påverkan på miljön och människors hälsa. Sådana exempel kan vara valet av isolationsmedium, exponering till elektromagnetiska fält, akustiskt buller och visuellt utseende.
  • reflektera över möjligheter och utmaningar i en internationell arbetsomgivning.

Innehåll

Kursen börjar med grundläggande elektriska fältberäkningar (Laplacefält) i isolationssystem med enkla geometrier följt av en introduktion till urladdningsfysik, Townsends teori för elektriskt sammanbrott i luft samt Paschens lag och dess konsekvenser för hållfastheten hos gasisolerade system. Ett centralt område i kursen utgörs av experimentella tekniker vilka tillämpas och omsätts till praktik i laborationer. Begreppet isolations koordination knyter på ett naturligt sätt samman kursens olika delar och utgör den röda tråden i kursen. Kunskap om elkraftsystemets komponenter och deras egenskaper är också av avgörande betydelse för en yrkesverksam ingenjör och behandlas därför också i kursen.

Under föreläsningar och övningar behandlas:
  • elektriska fält: randvillkor; innebörden av Gauss lag; analytisk lösning av fältfördelning i planparallell, koaxiell och koncentrisk geometri vid AC; fältstyrning
  • elektriskt sammanbrott av gaser under lågt tryck: gaskinetik; stötjonisation; elektronlavinen; Townsends sammanbrottsmekanism; Paschens lag; tidsfördröjning; spänning-tidkurvor; inverkan och korrektion av atmosfäriska förhållanden.
  • överspänningar: blixten; "Rolling sphere"-teorin för uppskattning av exponering för direkt träff i luftledning; baköverslag; sannolika antalet årliga fel pga blixtnedslag i luftledning; vågimpedanser; vandringsvågor; skydd av ledningar och stationer; atmosfäriska överspänningars egenskaper; ursprung och egenskaper hos kopplings- och atmosfäriska överspänningar.
  • dimensionerande elektriska påkänningar
  • högspänningslaborativa tekniker: generering och mätning av höga spänningar, dvs transformator-, resonans och likriktarkretsar; stötgeneratorer (t.ex Marxgeneratorn); spänningsmätning medelst kulgap, spänningsdelare; strömmätning medelst shunt och Rogowskispole.
  • provningsmetoder: "multilevel", "up-and-down" och "extended up-and-down".
  • statistisk utvärdering av provserier: normalfördelningspappret, U50%, standardavvikelse; sammanbrottssannolikhet för system bestående av parallellkopplade komponenter
  • isolationskoordination: begränsning av överspänningar; vandringsvågor; reflektioner; ventilavledaren (SiC och ZnO); skyddsräckvidd för ventilavledaren; deterministisk, statistisk och semistatistisk isolationskoordination; felrisk; statistisk överspänning, statistisk hållspänning, statistisk säkerhetsmarginal.
  • elkraftsystemets komponenter: luftledningar, kablar, kabeltillbehör (avslutningar och skarvar), krafttransformatorer, genomföringar, mättransformatorer inklusive omsättnings- och vinkelfel, brytare, frånskiljare, säkringar, kondensatorer, reaktorer, ställverk, gasisolerade system (GIS). Utveckling och lösningar mot digitaliserade ställverk.
Kursen innehåller två obligatoriska laborationer vilka behandlar:
  1. Stötprovning: Marxgeneratorn, korrektioner av atmosfäriska förhållanden, utvärdering av stötprov, spänning-tidkurvor. Resistiv spänningsdelare: vikten av fältstyrning för reduktion av strökapacitansers inverkan på svarstiden och därmed amplitudfelet vid mätning av frontstympade stötar.
  2. Överspänningar i kablar: vågimpedanser, reflektioner, ventilavledare, mätning av stötspänning och stötström.
I anslutning till varje laboration skall en rapport lämnas in.

En obligatorisk föreläsning behandlar arbete i en internationell arbretsomgivning. Den därpå följande obligatoriska workshopen behandlar strategier för att arbeta i en internationell miljö, med fokus på grupparbete.

Organisation

Kursen omfattar ca 20 föreläsningar, 18 övningar, två laborationer (4 h). En obligatorisk föreläsning och obligatorisk en workshop (3 h) behandlar arbete i en internationell omgivning.

Relativt tidigt i kursen erbjuds en frivillig dugga vilken kan ge bonuspoäng på den avslutande skriftliga tentamen.

Litteratur

1. Andreas Küchler, High Voltage Engineering, Fundamentals - Technology - Applications. ISBN 978-3-642-11992-7 or ISBN 978-3-642-11993-4 (e-book)
2. E. Kuffel, W. S. Zaengl, J. Kuffel, High Voltage Engineering Fundamentals, Newnes 2000, 2nd ed, ISBN 0 7506 3634 3

Examination inklusive obligatoriska moment

Skriftlig tentamen. Betygsskala: U, 3, 4 or 5. Godkända laborationer med tillhörande rapporter. Skriftlig reflektion om att arbeta i en internationell omgivning.

Kursens examinator får examinera enstaka studenter på annat sätt än vad som anges ovan om särskilda skäl föreligger, till exempel om en student har ett beslut från Chalmers om pedagogiskt stöd på grund av funktionsnedsättning.