POLITECHNIKA ŚWI
TOKRZYSKA
Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej
Część III
Wysokonapięciowa
technika
laboratoryjna
Wykład 12
1. Wysokonapięciowe z
ródła
napięć probierczych
1. Wysokonapięciowe z
ródła napięć probierczych
1.1. Wytwarzanie wysokich napięć przemiennych
1.1.1. Zespoły probiercze
Elementami składowymi zespołu probierczego są:
-� człon zasilający (z
ródło napięcia),
-� urządzenie regulacyjne,
-� transformator probierczy,
-� układ pomiarowy (iskierniki, dzielniki, przyrządy pomiarowe).
Człon zasilający - zwykle jest to jednofazowe Transformator probierczy lub zespół
z
ródło niskiego napięcia.
transformatorów probierczych charakteryzuje
Urządzenie regulacyjne służy do zapewnienia się bardzo dużą przekładnią i niewielką mocą
płynnej regulacji napięcia. Skoki napięcia nie (w porównaniu z transformatorami energe-
powinny przekraczać 0,5% napięcia probiercze- tycznymi). Transformator probierczy posiada
go. Przy niewielkich mocach zadanie to speł- mniejszy zapas wytrzymałości elektrycznej
niają autotransformatory lub transformatory izolacji (10 �� 40%) a zatem i mniejsze wymia-
regulacyjne ze szczotką przeskakującą ze zwoju ry. Małe wymiary wynikają również z małej
na zwój. Przy większych mocach stosowane są mocy transformatora i często stosowanej
transformatory z przesuwnym rdzeniem lub kadzi izolacyjnej. W takim przypadku nie
zespoły wirujące (silnik  prądnica synchro-
posiada on izolatorów przepustowych.
niczna z regulacją wzbudzenia).
Parametrami zespołu probierczego
a)
b)
3 1
są:
a) napięcie znamionowe,
1
b) moc znamionowa,
c) moc zwarciowa.
5
4
Napięcie znamionowe jest to naj-
2
wyższe napięcie, które można zas-
tosować do prób. Równa się ono
górnemu napięciu transformatora
4
probierczego U2n.
Moc znamionowa to iloczyn na-
2
pięcia znamionowego i prądu zna-
mionowego ciągłego (Sn = UnIn).
Jest to tzw. moc cieplna ograniczo-
Rys. 1.1. Transformatory probiercze TP 110 (a) i TP 60 (b).
1 - wyjście WN, 2 - wejście nn, 3 - korek - wskaz
nik
na dopuszczalnym przyrostem tem-
poziomu oleju, 4 - kadz
izolacyjna (a) lub metalowa (b),
peratury uzwojeń.
5 - konserwator
Moc, która może być pobierana z zespołu probierczego przy napięciu probierczym niższym od
znamionowego, jest niższa od mocy znamionowej
U
Sdop =� Sn pr gdzie: Sdop - moc pobierana przy napięciu probierczym, Sn - moc znamionowa
Un zespołu probierczego, Upr - napięcie probiercze, Un - napięcie znamionowe
Moc zwarciowa to iloczyn napięcia znamionowego i prądu zwarciowego
Sz = UnIz. = U2n/Xz
Prąd zwarciowy przy danym napięciu probierczym można obliczyć z wzoru
U
pr
Iz =�
X
z
Reaktancja zwarciowa wynosi
Xz = Xr +Xp + Xs ,
gdzie: Xr i Xp - reaktancje zwarciowe transformatora regulacyjnego i probierczego,
Xs - reaktancja sieci zasilającej.
Przy napięciu przeskoku lub przebicia prąd zwarciowy musi być odpowiednio duży, aby
wyładowanie zupełne w badanym obiekcie było wyraz
nie zauważalne. Z tego względu prąd
ten nie powinien być mniejszy niż 0,1 A przy próbach na sucho i 0,5 A przy próbach na mo-
kro w całym zakresie stosowanych napięć probierczych.
Przekładnia transformatorów probierczych nie jest wartością stałą i zależy od obciążenia.
Z reguły jest ona większa od przekładni zwojowej, co wynika z pojemnościowego charakte-
ru obciążenia. W związku z tym pomiar napięcia probierczego powinien być dokonywany
po stronie wtórnej transformatora. Rzeczywistą przekładnię zespołu można obliczyć z wzoru
gdzie: J� - przekładnia zwojowa, Sc - moc obciążenia przy pojem-
U2 1
=� J�r =� J� ��
Sc ności obiektu C, Sz - moc zwarciowa.
U1
1-�
2
2
Sz =�U / X
Sz Sc =� w�CU
pr pr z
Transformatory probiercze
pracują w zasadzie na bie-
Xz
i
gu jałowym. W większości
I�Xz
U2
przypadków badane obiek-
ty (izolacja) stanowią dla
U1J�
zespołu probierczego nie-
C
Obiekt
U1
U2
wielkie obciążenie o cha-
badany
rakterze pojemnościowym.
I Po ewentualnym przebiciu
badanej izolacji transfor-
mator przechodzi ze stanu
jałowego w stan zwarcia i
Rys. 1.2. Schemat zastępczy i wykres wskazowy transformatora probiercze-
musi być natychmiast wy-
go. U1J� - napięcie pierwotne pomnożone przez przekładnię zwojo-
łączony.
wą, U2 - napięcie strony wtórnej, Xr - reaktancja rozproszenia,
C - pojemność (obciążenie)
1.1.2. Układy połączeń transformatorów probierczych
Powiększenie napięcia lub obciążalności zespołu probierczego można osiągnąć przez stoso-
wanie różnych układów połączeń transformatorów probierczych.
Jeżeli jeden koniec uzwojenia WN transformatora probierczego jest uziemiony (na zewnątrz
kadzi wyprowadzony jeden zacisk), służy on do badania izolacji doziemnej (głównej) - jest
to tzw. układ niesymetryczny. W przypadku wyprowadzonych dwóch zacisków - uziemiony
jest środek uzwojenia wysokiego napięcia - mamy do czynienia z układem probierczym sy-
metrycznym do prób izolacji międzyfazowej
b) Rys. 1.3. Układy probiercze: a) niesyme-
a)
tryczny, b) symetryczny.
Ro Ro
Tp Tp
Tp - transformator probierczy,
Ro - rezystor ograniczający,
Ob - obiekt badany
Ob
Ob
Ro
a) b) d)
c)
U1
U1
U1
U1
2U2 U1 U2
2U2
4U2
2U2
U1
U2
U1
U1
U1
Sprawność układu kaskadowego wynosi:
Rys. 1.4. Układy połączeń transformatorów
probierczych: a) przeciwsobny,
Su 2
h� =� =�
b) kaskadowy, c) równoległy,
Si n +� 1
d) kaskadowy przeciwsobny
gdzie: Su - moc użyteczna, Si - moc zain-stalowana,
n - liczba transformatorów
1.1.3. Wymagania stawiane zespołom probierczym
A. Sinusoidalność
B. Stabilność.
Na stabilność napięcia probierczego mogą
Normy wymagają aby zawartość wyższych
wpływać:
harmonicznych nie była większa od 5%.
-� zmienny w czasie próby prąd upływu,
Jeżeli sinusoidalność określamy przez po-
-� intensywne wyładowania niezupełne.
miar współczynnika szczytu to musi być
Wpływ prądu upływu staje się nieistotny przy
spełniony warunek
dużym prądzie zwarcia układu probierczego.
Umax
-� 2 Ł� 0,05
Zwykle wystarczy, aby prąd zwarcia wynika-
U
jący z reaktancji zwarciowej zespołu probier-
y
ródłem wyższych harmonicznych w ukła-
czego był nie mniejszy od 0,1 A.
dzie probierczym może być sieć zasilająca
(na ogół w małym stopniu). Wyższe harmo-
C. Dokładność
niczne mogą być generowane zarówno
Dokładność ustawienia napięcia probierczego
przez transformator probierczy, jak i regu-
oraz błąd pomiaru powinny być utrzymywane
lacyjny ze względu na nasyceniową charak-
w granicach ą�3%.
terystykę magnesowania. Zniekształcenie
Dokładność ustawienia napięcia związana jest
napięcia może wystąpić przy zastosowaniu
z różnicą między wymaganą i zmierzoną war-
transformatora regulacyjnego o zbyt małej
tością napięcia probierczego. Błąd pomiaru
mocy oraz przy stosowaniu rezystorów
stanowi różnicę między wartością zmierzoną
ograniczających po stronie niskiego napię-
i rzeczywistą.
cia. Zniekształcenie napięcia wywołują też
Przy badaniu sprzętu ochronnego wystarcza-
wyładowania niezupełne.
jąca jest dokładność ustawienia napięcia ą�5%.
1.2. Wytwarzanie wysokich napięć stałych
1.2.1. Prostowniki wysokiego napięcia
Za pomocą generatorów elektrostatycznych można wytwarzać napięcia stałe do 12 MV.
Wykorzystywane są one głównie w badaniach z zakresu fizyki jądrowej. Najbardziej znany
elektrostatyczny generator Van de Graafa działa na zasadzie przenoszenia ładunku, za po-
mocą izolacyjnego pasa, do wnętrza metalowej kuli.
Powszechniej stosowanym i łatwiejszym sposobem wytwarzania wysokiego napięcia stałe-
go jest prostowanie wysokiego napięcia przemiennego. Stosowane są następujące prosto-
wniki wysokiego napięcia:
a) kenotrony,
b) gazotrony,
c) prostowniki półprzewodnikowe.
Kenotrony to dwuelektrodowe wysokopróżniowe lampy. Ich niezaprzeczalną zaletą są dobre włas-
ności izolacyjne w kierunku zaporowym. Największą wadą  konieczność stosowania żarzenia katody.
Napięcia zwrotne prostowników próżniowych dochodzą do 500 kV, a prądy nasycenia do 300 mA.
Spadek napięcia w kierunku przewodzenia sięga kilku kV.
Gazotrony są to prostownicze lampy gazowane wypełnione parami rtęci lub rozrzedzonymi gazami
szlachetnymi (argon, krypton, przy 10 3 mmHg). W gazotronach elektrony emitowane z katody służą
do zapoczątkowania jonizacji w gazie, a nie przewodzenia prądu jak w kenotronie. Pomiędzy elektro-
dami dochodzi do wyładowania łukowego i gazotron zaczyna przewodzić prąd.
Właściwości: - zdolność prostowania dużych prądów (kilka A),
- mały międzyelektrodowy spadek napięcia.
- małe napięcie zwrotne (do 40 kV),
- bardzo długi czas samorozgrzewania (2 �� 30 minut).
Prostowniki półprzewodnikowe wysokiego napięcia, początkowo selenowe, póz
niej krzemowe, wypiera-
ją skutecznie inne rodzaje prostowników.
Ze względu na niskie napięcie zwrotne pojedyncze diody prostownicze łączy się w szereg. Dla wyrówna-
nia rozkładu napięcia wzdłuż łańcucha prostowników bocznikuje się je rezystorami. Rezystancje rezysto-
rów muszą być mniejsze od rezystancji prostowników w kierunku zaporowym (ok. 2 MW�). Poprawę roz-
kładu napięcia szybkozmiennego uzyskuje się bocznikując grupy prostowników kondensatorami.
Bloki prostowników
zalewa się żywicą
P R
bądz
olejem dla po-
prawy ich własności
P R
izolacyjnych.
P
R
Zalety:
C
-� zdolność prostowa-
nia dużych prądów,
-� brak żarzenia,
-� prosta konstrukcja,
-� brak szkodliwego
promieniowania.
Rys. 1.5. Schemat prostownika półprzewodnikowego: P - prostownik (pojedyncza
dioda), R - rezystor, C  kondensator
Wady: zbyt małe napięcie zwrotne,
- wrażliwość na przeciążenia,
- zbyt mała rezystancja w kierunku zaporowym,
- duża rozbieżność tej rezystancji dla poszczególnych egzemplarzy.
1.2.2. Pulsacja napięcia stałego
Napięcie wyprostowane ma charakter pulsujący. W związku z tym wprowadzono wymagania
dotyczące tzw. współczynnika pulsacji określanego jako stosunek amplitudy pulsacji do war-
tości średniej napięcia. Amplituda pulsacji (lub krócej  pulsacja) jest zdefiniowana jako poło-
wa różnicy między wartością najwyższą i najniższą napięcia (rys. 1.6).
U
Wartość średnia
Umax +�Umin
Uśr =�
2
Umax
d�U
Uśr
d�U
Pulsacja
Umin
Umax -�Umin
d�U =�
2
Współczynnik pulsacji
t
d�U Umax -�Umin
d�U% =� ��100% =� ��100%
U Umax +�Umin
śr
Rys. 1.6. Interpretacja współczynnika pulsacji napięcia stałego
Współczynnik pulsacji nie powinien przekraczać 3%.
1.2.3. Układy probiercze napięcia stałego
Prostowanie jednopołówkowe
u, i
uc
r2 Iśr
r1
i
p
Tp
P e
ip
t
R U0
E
0
C
Rys. 1.7. Schemat jednopołówkowego wysokonapięciowego
Rys. 1.8. Przebiegi napięć i prądu przy prostowaniu
układu probierczego: Tp - transformator probierczy,
jednopołówkowym (w stanie ustalonym)
P - prostownik, r1, r2 - rezystory ochronne, C - kon-
densator wygładzający, R0 - rezystancja obiektu ba-
danego, E - wartość skuteczna SEM transformatora,
W przerwach pomiędzy kolejnymi okresami
ip - prąd ładowania, Iśr - prąd obciążenia
ładowania pojemność C rozładowuje się przez
rezystory r2 i R0. W tym czasie na prostowni-
2 �� E
ku występuje napięcie zwrotne równe sumie
Im - dopuszczalna wartość impulsu
r1 ł�
napięć uc i e. Prostownik zatem powinien być
prądowego prostownika.
Im
dobrany na napięcie zwrotne równe podwój-
nej wartości napięcia wyprostowanego.
Rezystor r2 ogranicza prąd rozładowania kondensatora
przy ewentualnym przebiciu izolacji obiektu.
Współczynnik pulsacji dla prostownika jednopołówkowego
Umax
T
d�U Iśr
1 dU Umax -�Umin
gdzie
=�
Iśr =� dU =� 2 f C =� 2 f Cd�U
��C dt =� Cf ��
Uśr 2UśrCf
T dt 2
0 Umin
Prostowanie dwupołówkowe
Prostowanie dwupołówkowe prowadzi do obniżenia pulsacji napięcia wyjściowego.
Częstotliwość pulsacji wzrasta dwukrotnie.
a) c)
b)
Rys. 1.9. Układy prostownikowe pełnookresowe: a) niesymetryczny,
b) symetryczny, c) mostkowy
Układy kaskadowe
Układy kaskadowe (zwane też powielaczami napięcia), czyli wielostopniowe układy prostowników,
pozwalają teoretycznie na uzyskanie napięć stałych o dowolnej wysokości. Rysunek 1.10 przedstawia
dwustopniowy generator kaskadowy napięcia stałego zwany układem Greinachera. Pojemność C1 nosi
nazwę pojemności powielającej, a C2  pojemności głównej.
u/Em
3 1 2
1,5
C 1 P 1
e
1,0
u2
u1
P 2 0,5
C 2
� t
0
-0,5
-1,0
Rys. 1.10. Dwustopniowy generator kaskadowy oraz przebieg zmian napięcia w punktach 1 i 2
przy C1 = C2
A
adowanie pojemności C2 odbywa się cyklami:
a) przy wzroście napięcia w punkcie 3 od 0 do + 2 �� E przewodzi tylko prostownik P1, a
pojemności C1 i C2 ładują się szeregowo do napięć
C2 C1
UC =� 2 �� E , UC =� 2 �� E
, (1.1))
1 2
C1 +� C2 C1 +� C2
b) przy ujemnej połówce sinusoidy P1 nie przewodzi. Prostownik P2 zaczyna przewodzić,
gdy potencjał punktu 3 stanie się niższy od  UC1 i przewodzi do chwili naładowania C1
do napięcia 2 �� E ,
c) prostownik P1 zacznie przewodzić gdy potencjał punktu 1 stanie się wyższy od poten-
cjału punktu 2, tzn. gdy w punkcie 3 napięcie będzie się zmieniać w przedziale
[ -� 2 �� E ��C2/(C1 + C2), 2 �� E ]. Część ładunku z C1 przejdzie na C2. Napięcie na po-
jemności C2 będzie wynikać ze zrównania się potencjałów w punkcie 1 i 2. Kondensato-
ry C1 i C2 łączą się równolegle
C1C2
U2 (C1 +� C2 ) =� 2 �� E �� C1 +� 2 �� E
,
C1 +� C2
C1(C1 +� 2C2 )
U2 =� 2 �� E , (1.2))
(C1 +� C2 )2
d) siła elektromotoryczna doładowuje szeregowo C1 i C2 napięciami wg wzorów (1.1). Na-
pięcie na C2 osiągnie wartość
2C1 +� 3C2
U2 =� 2 �� E �� C1 . (1.3))
(C1 +� C2 )2
2 2 �� E
Dalsze cykle powtarzają się. W efekcie C2 ładuje się do napięcia .
W podobny sposób działają kaskady wielostopniowe pozwalając teoretycznie uzyskać napięcie
2 2 �� E
2n 2 �� E przy użyciu 2n prostowników na napięcie zwrotne .
Rys. 1.11. Wielostopniowy generator
kaskadowy napięcia stałego
C' C' -� C' -�
n n 1 n 2 C'
1
T p
W przypadku jednakowych
pojemności zastosowanych
w kaskadzie pulsację napięcia
można obliczyć z wzoru
Iśrn( n +�1) Iśrk
C C -� C -� C
n n 1 n 2 1
d�U =� =�
4 fC C
R
0
I
śr
gdzie: n - liczba stopni,
k = n(n + 1)/4f .
Napięcie na wyjściu generatora wynosi wtedy
Umax = 2n2 2 �� E  D�U,
ć� ��
Iśr 2n3 n
�� ��
D�U =� -�
gdzie napięcie na rezystancjach obwodu probierczego:
�� ��
f ��C 3 6
Ł� ł�
Optymalną liczbę stopni, przy której uzyskuje się największe średnie napięcie wyjściowe, oblicza
się z warunku dUśr/dn = 0
f ��C
nopt =� 2 �� E
Uśr = 2n2 2 �� E  d�U  D�U,
Iśr
Zastosowanie pojemności zwiększających się proporcjonalnie do swoich numerów porządkowych,
czyli Cn = nC1 oraz Cn' = nC1', pozwala uzyskać mniejszą pulsację i niższy spadek napięcia
Iśrn Iśr( 2n2 +� 3 ) n
d�U =� , D�U =� , k =�
2 f ��C 2 f ��C 2 f
1.3. Wytwarzanie wysokich napięć piorunowych i łączeniowych
1.3.1. Parametry udarów napięciowych
Udary napięciowe są unipolarnymi impulsami
u/Umax
napięcia imitującymi przepięcia impulsowe:
1,0
piorunowe i łączeniowe. Izolacja urządzeń elek-
0,9
troenergetycznych narażona na działanie przepięć
atmosferycznych bądz
łączeniowych musi być
poddawana udarowym próbom wytrzymałościo- 0,5
0,3
wym. Kształt udarów został znormalizowany.
Udar napięciowy normalny charakteryzują:
t
- wartość szczytowa
0
T1
- czas trwania czoła T1
T2
- czas do półszczytu T2
- biegunowość
Rys. 1.12. Udar napięciowy piorunowy normalny pełny.
T1 - czas trwania czoła (1,2 m�s ą� 30%), T2 - czas do pół-
u/Umax
szczytu (50 m�s ą� 20%). Umowny początek udaru jest
1,0
wyznaczany przez punkt przecięcia z osią czasu prostej
0,9
przechodzącej przez punkty 0,3 i 0,9 Umax.
T90
Rys. 1.14. Udar łączeniowy normalny pełny. T1 -
0,5
czas do szczytu (250 ą� 20%), T2 - czas do pół-
szczytu (2500 ą� 60%), T90 - czas trwania wartoś-
ci napięcia 0,9 Umax.
t
W technice probierczej stosowane są jeszcze
0
T1
udary ucięte, udary ukośne oraz udary specjalne
T2
o innych czasach T1/T2.
W układach o wysokich napięciach znamionowych (400, 750 kV), przepięcia łączeniowe
stwarzają większe zagrożenia niż przepięcia piorunowe. Udar łączeniowy opisywany jest
parametrami T1/T2 lub T1/T90/T0 w zależności od obiektu badań i rodzaju prób. Nie
pokazany na rysunku czas T0 jest czasem do pierwszego przejścia napięcia udarowego
przez zero. Przy próbach napięciowych izolacji transformatorów najwyższych napięć
używa się udarów łączeniowych określanych przez T1/T90/T0, przy czym: T1 > 50 m�s, T90
ą� 200m�s, T0 > 500m�s.
u/Umax
1,0
190
udary piorunowe norma-
0,9
a
lne ucięte mają czas do
140
ucięcia 2 �� 5 m�s.
0,7a
90
0,3
40
0,1a
t
0
-10
tp ts
-0,5 4,5 9,5 14,5 19,5 24,5 29,5
Rys. 1.13. Wyznaczanie parametrów udaru uciętego. tp - czas do
ucięcia, tS - czas ucięcia
1.3.2. Jednostopniowy generator udarowy
Rys. 1.15. Jednostopniowy generator
udarów napięciowych. Tr, Tp - trans-
Is
R
P
Rc
0
Tp
Tr
formatory regulacyjny i probierczy, P
i1
i2
- prostownik, R0 - rezystor ładujący,
Cg - pojemność główna, Is - iskiernik
U0
Cc
Cg u(t)
Rr
kulowy, Rr - rezystor rozładowujący,
RC, CC - rezystor i pojemność do
kształtowania czoła udaru
Kondensator Cg naładowany do napięcia U0, po zapłonie iskiernika Is, rozładowuje się w obwodzie RcCc
Rr. Wartości elementów Rc i Cc decydują o czasie narastania napięcia na pojemności Cc czyli o czasie
trwania czoła udaru. Rezystancja Rr i pojemność Cg kształtują grzbiet udaru. Wynika to z relacji:
Cg >> Cc , Rr >> Rc (1.5)
U0 1
=� I1Rr +�( I1 +� I2 )
s sCg Równania te powstały przy założe-
Układ równań w pos-
niu, że w czasie rozładowywania się
taci operatorowej dla
ć� ��
1
pojemności Cg (po zapłonie iskierni-
�� ��
I1Rr =� I2�� RC +�
schematu z rys. 1.15.
sCC ��
Ł� ł� ka), układ odcięty jest od z
ródła za-
silania.
I2
U( s ) =�
sCC
Po eliminacji I1 i I2 otrzymuje się:
U0
1
U(s) =� ��
RCCC
s2 +� bs +� c
gdzie
1 1 1 1
b =� +� +� , c =�
RCCC Rr Cg RCCg RCRr CCCg
Oznaczając
2 2
t�1 =� , t�2 =�
b +� b2 -� 4c b -� b2 -� 4c
otrzymuje się:
U0
1
U(s) =� ��
RCCC
ć� ��ć� ��
1 1
s +� s +�
�� ���� ��
t�1 t�
Ł� ł�Ł� ł�
2
Przebieg napięcia w funkcji czasu będzie funkcją dwuwykładniczą
t t t t
�� ć� ��
-� -� -�
U0 t� t�1 ć� -�
2 t�2 t�1 t�2 t�1
�� �� ��
u(t) =� �� e -� e =� U0h�0 �� e -� e
�� �� ��
RCCC t� -� t�1 ��
2
Ł� ł� Ł� ł�
gdzie h�o jest sprawnością generatora.
u
U0
U0h�0exp(-�t/t�2)
u(t)
t
0
-U0h�0exp(-�t/t�1)
Rys. 1.16. Kształtowania udaru w generatorze udarowym
Przyrównując do zera pochodną funkcji
Wzory na stałe czasowe można uprościć do
u(t) względem czasu możemy obliczyć czas
postaci:
po którym udar osiąga wartość szczytową
CgCC
t�2t�1 t�2
t�1 @� RC
t�2 @� Rr(Cg + CC),
tmax =� ln
Cg +� CC
t�2 -�t�1 t�1
1.3.3. Wytwarzanie udarów uciętych
Rys. 1.17. Generator udarowy
z układem ucinającym John-
Rc
sona: Ob - badany obiekt, Ru,
Cu - rezystancja i pojemność
Ru
Ua
a
Rd
układu ucinającego, Rd - do-
U Cg Rr
Cc
Ob
datkowy rezystor tłumiący
b
Ub
Cu
Jeżeli wytrzymałość przer-
wy iskrowej  a jest większa
od Uamax przeskok między
tymi kulami nie wystąpi. Jeśli wystąpi
u
przeskok między środkową i dolną kulą
Uc
(przerwa iskrowa 'b'), napięcie Ua podsko-
czy do wartości Uc > Upa i wystąpi natych-
Upa
miastowy przeskok ucinający udar. Czas do
Ua
przeskoku można regulować odstępem 'b'
iskiernika trójkulowego.
Upb
Ub
Rys. 1.18. Zasada wytwarzania udaru ucięte-
go: Uc - przebieg napięcia na kondensatorze
Cc (udar piorunowy), Ua - napięcie na przer-
wie iskrowej 'a', Ub - napięcie na przerwie
t
iskrowej 'b', Upa, Upb - wytrzymałości przerw
0
tp
iskrowych 'a' i 'b'
1.3.4. Wielostopniowe generatory napięć piorunowych
Isn
P R'm1 R'm(n-1)
R'm
R Rt
0 2 n
Is(n-1)
Is2
Is1
C1
C3 Cn Rr
C2
Cc
Rt(n-1)
Rt1
Rt2
R"m
R"m1 R"m
(n-1)
2
Rys. 1.19. Wielostopniowy generator udarów napięciowych w układzie Marxa. Ci - pojemności główne,
Rmi - rezystory międzystopniowe, Isi - iskierniki, Rti - rezystory tłumiące, Rr - rezystor rozłado-
wujący,CC - pojemność do kształtowania czoła udaru
Cechą układów wielostopniowych jest to, że pojemności poszczególnych stopni są ładowane
w układzie równoległym a rozładowywane w układzie szeregowym. Szeregowe łączenie się
pojemności występuje w momentach przeskoków elektrycznych na iskiernikach międzystop-
niowych i umożliwia uzyskanie zwielokrotnionej wartości szczytowej udaru. Rezystancja ła-
dująca Ro > R m + R m aby w procesie ładowania pojemności, napięcia na nich były jednako-
we. Układ wielostopniowy jest odpowiednikiem układu jednostopniowego o elementach
Cg = C/n, RC = nRt, Rr = Rr
1.4. Wytwarzanie udarów prądowych
1.4.1. Wytwarzanie udarów prądowych normalnych
Udary prądowe znajdują zastoso-
i/I
max
wanie zarówno w technice pro-
1,0
bierczej (badania ograniczników
0,9
przepięć) jak i w innych dziedzi-
nach techniki. Przykładowo:
a) wytwarzanie fal uderzeniowych -
0,5
kruszenie twardych minerałów,
kształtowanie plastyczne metali,
0,1
t b) impulsowe pola magnetyczne o
0
dużym natężeniu - akceleratory
T
1
T
2
cząstek),
c) błyski świetlne o dużej mocy -
Rys. 1.20. Udar prądowy normalny: T1 - czas narastania czoła (8 m�s),
lasery),
T2 - czas do półszczytu (20 m�s)
d) wytwarzanie gorącej plazmy.
W technice probierczej stosowane są tzw. udary prądowe normalne scharakteryzowane dwoma
czasami: czasem trwania czoła T1 i czasem do półszczytu T2 w m�s, oraz wartością szczytową Imax.
Zapisywane są jako udar T1/T2 (rys. 1.20).
Stosowane są cztery udary prądowe normalne (PN-92/E-04060): 1/20, 4/10, 8/20 i 30/80 (m�s/m�s)
przy dopuszczalnych odchyłkach czasów i wartości szczytowej < 10 %.
Udary prądowe wytwarzane są głównie w szeregowych obwodach RLC. Impuls prądu wy-
twarzany jest w czasie rozładowywania się pojemności stanowiącej zasobnik energii. Zasob-
nikiem energii może być również cewka o dużej liczbie zwojów.
Rys. 1.21. Schemat jedno-
L
Tp P
Rł
i
R
I stopniowego generatora
A
udarów prądowych: Tr, Tp -
Tr
transformatory regulacyjny
i probierczy, P - prostownik,
C Obiekt
V
U
Rł - rezystor ładujący, I - is-
kiernik, R, L - wypadkowa
rezystancja i indukcyjność
obwodu rozładowania
Bateria kondensatorów C ładowana jest ze z
ródła napięcia stałego do wartości napięcia określo-
nej wytrzymałością elektryczną iskiernika I. Przeskok elektryczny między elektrodami iskierni-
ka zapoczątkowuje zjawisko rozładowywania się pojemności C.
di 1
Rozładowanie pojemności C można opisać równaniem
L +�
��idt +� iR =�U
dt C
Rozwiązując to równanie należy rozpatrzyć trzy przypadki:
L
L
R =� 2 ��
a)  przebieg aperiodyczny krytyczny,
R >� 2 ��
a)  przebieg prądu aperiodyczny,
C
C
L
R <� 2 ��
a)  przebieg oscylacyjny.
C
Tabela 1. Zestawienie wzorów dla szeregowego obwodu RLC dla przypadku rozła-
R 1
dowania kondensatora naładowanego do napięcia U
2
a� =� , w�0 =
2L LC
L L L
R >� 2 �� R =� 2 �� R <� 2 ��
C C C
2 2
b� =� a� -�w�0
U
U U
e-�a�t sinh b�t
prąd i
�� t �� e-�a�t e-�a�t sin w�t
b�L
L w�L
U �� 2a� �� t �� e-�a�t
2a�
2a�
Z =� L / C .
UR U e-�a�t sinh b�t
U �� e-�a�t sin w�t
b�
w�
1 a� +� b�
1 1 w�
2 2
tekstr 2b� ln a� -� b�
ar ctg
w� =� w�0 -�a�
a� w� a�
a� b�
-� arcth
a� w�
2U 1
-� ar ctg
U
imax U �� e b� a�
��
w� a�
�� e
Z R e
Z
Obliczeń elementów generatora dla zakładanych czasów T1 i T2 oraz wartości szczytowej
udaru dokonuje się najczęściej korzystając z wykresów funkcji pomocniczych wyko-
rzystujących zależność tych parametrów od np. współczynnika tłumienia a�.
Osiągnięcie wysokich wartości szczytowych prądu, zwłaszcza przy dużych rezystancjach
badanego obiektu, wymaga wysokich wartości napięcia. Realizowane jest to, podobnie jak
przy generatorach udarów napięciowych, poprzez budowanie generatorów wielostopnio-
wych.
1.4.2. Wytwarzanie udarów prostokątnych
Udary prądowe prostokątne wykorzystywane przy badaniu odgromników zaworowych służą do imito-
wania prądu następczego (prąd płynący pod wpływem napięcia sieci po zaniku prądu wyładowczego
związanego z przepięciem). Kształt udaru prostokątnego przedstawia rysunek 1.22. Stosuje się czasy
Tt = 500 �� 2000 m�s, przy czym udar uznaje się za prostokątny jeżeli Tt > 0,8 Tc. Generatory udarów
prostokątnych działają na zasadzie rozładowania linii długiej lub rozładowywania dużej baterii konden-
satorów przez określony czas.
Rys. 1.23. Generator udarów prosto-
R P L L L L
L
kątnych: L, C indukcyjność i pojem-
ność jednego ogniwa, R0 - rezystan-
cja obiektu
R0
C C C
C C
Tt
Tt =� 1,8n LC
Tc =�
3,3
1-�
n
i/Imax
ć� ��
1,0
�� ��
0,9
U
��1,3 -� 0,4 R ��
Imax =�
�� ��
L L
2 �� ��
0,5
C C
Ł� ł�
t
0,1
Rys. 1.22. Udar prądowy prostokątny: Tt - czas
0
Tt
trwania udaru, Tc - całkowity czas trwania
TC
udaru
KONIEC