Metody pomiarów wysokich napięć przemiennych,

stałych i udarowych

Józef Roehrich

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z zagadnieniami związanymi z

pomiarami wysokich napięć w warunkach laboratoryjnych. W ćwiczeniu
przedstawione zostaną podstawowe metody pomiaru napięć przemiennych
stałych i udarowych.

Wprowadzenie

Metoda iskiernikowa

Do najstarszych metod pomiaru napięcia zalicza się metodę iskiernikową.

Metoda ta bazuje na skończonej wytrzymałości elektrycznej powietrza.
Napięcie przeskoku U

p

to chwilowa wartość szczytowa napięcia występująca

pomiędzy kulami iskiernika. Metoda iskiernikowa może być stosowana do
pomiaru:

–

wartości szczytowej napięcia przemiennego (lub dowolnie zmiennego),

–

wartości napięcia stałego,

–

wartości szczytowej napięcia udarowego.

W metodzie iskiernikowej stosuje się kule, których średnice są znormalizowane,
średnice D kul wynoszą: 2; 5; 6,25; 10; 12,5; 25; 50; 75; 100; 150; 200 [cm].
Laboratorium Wysokich Napięć dysponuje kulami o średnicy 12,5 cm
oraz 25 cm. Zakres pomiarowy iskiernika kulowego wynosi [1]:

0,05 D

a



0,75

/1/

Przy czym w zakresie 0,5

D

a



0,75 niepewność pomiaru jest większa. Dla

potrzeb pomiarów wyznaczono charakterystyki U

p

=

f a [1], [2]

przedstawione w tabeli 1 oraz na rysunku 2.

Tabela 1: Charakterystyka

U

p

=

f a

dla iskiernika kulowego DIS 12,5 oraz 25. Układ z

jedna kulą uziemioną w warunkach normalnych [1]. Wartości zaznaczone na czerwono

odpowiadają zakresowi

0,5 D

a



0,75

dla którego niepewność jest większa.

Charakterystyka U

p

=

f a w postaci graficznej przedstawiona jest na

rysunku 2, na rysunku przedstawiono zakres 0,05

D

a



0,5 dla którego

niepewność wynosi ±3%.

a [cm]

Śre dnica kul D [cm]

1 2,5

2 5

0,5

16,8

0,6

19,9

0,7

23,0

0,8

26,0

0,9

28,9

1,0

31,7

31,7

1,2

37,4

37,4

1,4

42,9

42,9

1,5

45,5

45,5

1,6

48,1

48,1

1,8

53,5

53,5

2,0

59,5

59,5

2,2

64,5

64,5

2,4

70,0

70,0

2,6

75,0

75,5

2,8

80,0

81,0

3,0

85,0

86,0

3,5

97,0

99,0

4,0

108

112

4,5

119

125

5,0

129

137

5,5

138

149

6,0

146

161

6,5

154

173

7,0

161

184

7,5

168

195

8,0

174

206

9,0

185

226

10

195

244

11

261

12

275

13

287

14

302

15

314

16

326

17

337

18

347

19

357

Rysunek 1: Charakterystyka

U

p

=

f a

niebieska DIS 25, czerwona DIS 12,5

Pamiętać należy o tym , że charakterystyki

U

p

=

f a

wyznaczono dla

warunków normalnych czyli dla temperatury powietrza 20°C przy ciśnieniu
atmosferycznym wynoszącym 1013 hPa. Podczas pomiarów należy odnotować
aktualnie panujące ciśnienie oraz temperaturę powietrza i uwzględnić
współczynnik k który zależy od względnej gęstości powietrza δ.

U

p

=

kU

pn

/2/

gdzie:

U

pn

̶

napięcie przeskoku w normalnych warunkach
atmosferycznych, odczytane dla danej odległości kul
(patrz tabela 1)

U

p

̶

rzeczywiste napięcie przeskoku w danych
warunkach atmosferycznych k=f  (patrz tabela
2)

Tabela 2: wartość współczynnika poprawkowego k

δ

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

1,15

k

0,72

0,77

0,82

0,86

0,91

0,95

1

1,05

1,09

1,13

=

p

1013⋅10

2

293

T

/3/

gdzie:

p

̶

ciśnienie atmosferyczne [Pa]

T

̶

temperatura powietrza [K]

Woltomierz elektrostatyczny

Woltomierz elektrostatyczny to urządzenie w którym wykorzystano

zjawisko wzajemnego oddziaływania na siebie ładunków elektrostatycznych.
Woltomierz taki składa się z kondensatora, w którym jedna z okładek (a
właściwie tylko jej pewna część) jest ruchoma.

Rysunek 2: Zasada działania kilowoltomierza elektrostatycznego.

E

1

, E

2

– elektrody kondensatora (E

2

elektroda ruchoma) [1]

Zmiana energii kondensatora płaskiego przy zmianie odstępu pomiędzy
elektrodami wyraża się wzorem:

dW =−1

2

U

2



0

s 1

a

2

da

/4/

gdzie:

s

̶

powierzchnia elektrody,

a

̶

odstęp między elektrodami,

Praca jaką wykona siła elektrostatyczna oddziaływania pomiędzy okładkami
kondensatora (czyli siła F) wynosi:

F=dW

da

/5/

Czyli stąd wynika że:

U=a



2F



0

s

/6/

Siły oddziaływania pomiędzy elektrodami są bardzo małe, w celu

uwydatnienia tego ruchu stosuje się w kilowoltomierzach tzw wskazówki
świetlne, których długość wynosi niekiedy i kilkadziesiąt centymetrów.

Dzielnik napięcia

Do pomiaru napięć stałych, przemiennych oraz do rejestracji napięć

udarowych stosuje się dzielniki rezystancyjne, dodatkowo w technice
pomiarowej maja zastosowanie dzielniki napięciowe pojemnościowe stosowane
do pomiaru napięć przemiennych. Dzielnik składa się z połączonych szeregowo
dwóch impedancji dużej oraz małej, ten sam prąd płynący przez obie
impedancje powoduje spadki napięć na nich. Sygnał pomiarowy pobierany jest
z impedancji o mniejszej wartości. Przekładnia dzielnika wyraża się wzorem:

=

U

U

2

=

C

1

C

2

C

1

/7/

Rysunek 3: Dzielniki napięciowe stosowane w technice pomiarowej [1]

Metoda prostownikowa z kondensatorem szeregowym

Metoda prostownikowa polega na zastosowaniu wysokonapięciowego

kondensatora, prostowników w postaci diod oraz amperomierza
magnetoelektrycznego. Schemat układu przedstawiono na rysunku 4. Metoda
prostownikowa nadaje się do pomiaru napięć przemiennych (ich wartości
szczytowej), należy sprawdzić wcześniej przebieg napięcia gdyż pomiar
napięcia odkształconego obarczony jest błędem, błąd wynika z istnienia w
każdym półokresie większej ilości ekstremów [1].

U

m

=

I

2fC

=

kI

/8/

gdzie:

C

̶

pojemność kondensatora wysokonapięciowego,

f

̶

częstotliwość

Rysunek 4: Metoda prostownikowa z kondensatorem szeregowym

C – kondensator wysokonapięciowy, E – ekran, P

1

P

2

- prostowniki [1]

Pomiar napięcia po stronie pierwotnej transformatora
probierczego

Transformator probierczy jest bardzo specyficznym urządzeniem do jego

głównych cech zaliczyć można dużą precyzję wykonania, duża przekładnię
która jest ściśle określona na tabliczce znamionowej. Można go traktować jak
przekładnik napięciowy zasilony od strony niskiego napięcia. Transformatory
probiercze TP 110 maja przekładnię 220V/110kV, czyli napięcie strony
pierwotnej pomnożone przez 500 daje napięcie występujące na zaciskach po
stronie wtórnej. Pulpity sterownicze w Laboratorium Wysokich Napięć mają
wyprowadzone zaciski służące do pomiaru napięcia zasilającego transformator
WN, zastosowanie w tym miejscu odpowiedniego przyrządu pozwala na
pośredni pomiar napięcia po stronie wysokiego napięcia.

Przebieg ćwiczenia

Środki ostrożności

Każdy student ma obowiązek zlokalizować wyłącznik bezpieczeństwa

służący do natychmiastowego wyłączenia napięcia (żółty grzybek). Załączenie
obwodów wysokiego napięcia może odbyć się tylko po uprzedniej zgodzie i na
wyraźny znak prowadzącego zajęcia.

Warunki pomiarów

Pomiary laboratoryjne rozpoczynają się zawsze od odnotowania

warunków atmosferycznych jakie panują w laboratorium (temperatura
powietrza, wilgotność względna powietrza oraz ciśnienie atmosferyczne).

Pomiar napięcia po stronie pierwotnej transformatora
probierczego

Zadaniem studenta jest zapoznanie się z metodą pomiaru, zlokalizowanie

zacisków, identyfikacja przyrządu. Pomiar powinien odbywać się przy pomocy
odpowiedniego zakresu woltomierza, pamiętać należy również, że na początku
skali przyrząd nie posiada deklarowanej przez producenta klasy dokładności
pomiaru. Pomiar przeprowadza się przy wychyleniu wskazówki min. 2/3 skali.

Metoda iskiernikowa

W metodzie iskiernikowej w laboratorium stosowane są dwa rodzaje kul

o średnicach 12,5 cm oraz 25 cm. Zadaniem studenta jest zidentyfikowanie kul
oraz zestawienie układu służącego do pomiaru wytrzymałości elektrycznej
powietrza, układ ten przedstawiono na rysunku 5.

Rysunek 5: metoda iskiernikowa – układ pomiarowy [1]

Zadaniem studenta jest wyznaczenie napięcia przeskoku pomiędzy

kulami iskiernika dla odległości w zakresie od 1 cm do 5 cm. Należy odczytać
wartość napięcia przeskoku na woltomierzu po stronie pierwotnej
transformatora a następnie po uwzględnieniu wpływu warunków
atmosferycznych (wzór 2) porównanie z wartościami tablicowymi.

Woltomierz elektrostatyczny

Zadaniem studenta jest zapoznanie się z budową i zasadą działania

woltomierza elektrostatycznego. Należy do układu iskiernikowego dołączyć
dodatkowo woltomierz elektrostatyczny i przeprowadzić pomiar wytrzymałości
przerwy iskiernikowej dla 3 wybranych odległości pomiędzy kulami. Bardzo
ważnym aspektem pracy z woltomierzem elektrostatycznym jest poprawne
uziemienie woltomierza oraz umiejętność zmiany zakresu woltomierza.
Pamiętać trzeba o tym, że zmiana zakresu woltomierza odbywa się poprzez
zmianę odległości pomiędzy okładkami kondensatora jaki tworzą elektrody, jak
również zmiana skali samego ustroju wskazującego napięcie. Zadaniem
studentów jest porównanie wskazań woltomierza elektrostatycznego oraz
woltomierza wskazującego napięcie po stronie pierwotnej transformatora WN.

Dzielnik napięcia

Zadaniem studenta jest zapoznanie się z zasadą działania dzielników

napięcia. Pomiar napięcia odbywać się będzie za pomocą dzielnika Phoenix
Technologies KVM 200. Dzielnik KVM 200 jest dzielnikiem rezystancyjnym o
maksymalnym napięciu roboczym 200 kV, należy o tym pamiętać gdyż
kaskada transformatorowa wytwarza napięcie przemienne na poziomie 250
kV. Pamiętać należy o bezwzględnym uziemieniu dzielnika, nieuziemienie
może spowodować zagrożenie porażeniowe! Dzielnik KVM 200 służ do
pomiaru napięć przemiennych jak i stałych. Zadaniem studentów jest
porównanie wskazań dzielnika z woltomierzem elektrostatycznym oraz z
woltomierzem zainstalowanym po stronie pierwotnej transformatora WN.

Dzielniki napięciowe rezystancyjne stosowane są również do rejestracji

napięć udarowych, zadaniem studentów jest zapoznanie się z dzielnikiem
napięcia zastosowanym w generatorze napięć udarowych GU 400.

Metoda prostownikowa z kondensatorem szeregowym

Zadaniem studenta jest zestawienie układu przedstawionego na

rysunku 4. Pomiar metodą prostownikową należy porównać z pomiarem
przeprowadzonym za pomocą kilowoltomierza KVM 200 oraz woltomierza po
stronie pierwotnej transformatora WN. Napięcie w metodzie prostownikowej
wyznacza się z zależności 8. Należy pamiętać, że wytrzymałość elektryczna
kondensatora stosowanego w tej metodzie (kondensator wysokonapięciowy
Micafil) wynosi 200 kV (300 po zwiększeniu ciśnienia powietrza stanowiącego
dielektryk).

Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno zawierać:

•

charakterystykę warunków w jakich prowadzono pomiary

•

zestawienie danych pomiarowych poszczególnych układów
pomiarowych

•

wyznaczoną charakterystykę U

p

=

f a dla iskiernika kulowego

•

Wnioski

Literatura

[1]

B. Florkowska: Wytrzymałość elektryczna gazowych układów
izolacyjnych wysokiego napięcia AGH Uczelniane Wydawnictwa
Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2003.