9 – 1

Ćwiczenie 9 

„Badanie przepięć łączeniowych w układach 

elektroenergetycznych” 

 

 

opracował Mariusz Benesz 

 

1.  Cel i zakres ćwiczenia 

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z jednym z rodzajów przepięć, jakim są przepięcia 

wewnętrzne powstające podczas czynności łączeniowych urządzeń elektroenergetycznych.  

Zakres  ćwiczenia obejmuje obserwację kształtu przebiegów prądów i napięć przy 

czynnościach  łączeniowych elementów o charakterze indukcyjnym oraz pojemnościowym  
i porównanie krzywych doświadczalnych z przebiegami teoretycznymi.  

2. Wprowadzenie 

Przez  przepięcie należy rozumieć każdy wzrost napięcia w urządzeniu elektro-

energetycznym przekraczający wartość najwyższego dopuszczalnego napięcia urządzenia U

m

. 

Zgodnie z [4] wartość U

m

 stanowi od 105% do 120% napięcia znamionowego urządzenia U

n

, 

czyli napięcia, na które urządzenie zostało zbudowane. 

Przepięcia mogą być skutkiem czynników zewnętrznych nie związanych z eksploatacja 

danego urządzenia elektroenergetycznego – tego typu przepięcia noszą nazwę przepięć 
zewnętrznych, jak i czynników wewnętrznych powiązanych z czynnościami eksploatacyjnymi 
– przepięcia wewnętrzne. Do czynników zewnętrznych zaliczyć można wyładowania 
atmosferyczne, zaś do czynników wewnętrznych – m.in. czynności łączeniowe.  

Przyczyny powstawania przepięć mają odzwierciedlenie w kształcie przebiegów 

czasowych, czasach trwania, jak i spodziewanych wartościach przepięć. 

2.1. Przepięcia wewnętrzne 
Przepięcia wewnętrzne należą do narażeń izolacji urządzeń elektroenergetycznych  

w czasie ich eksploatacji. Związane są ze zmianą konfiguracji połączeń elementów 
rozpatrywanej sieci, a wynikającej z czynności  łączeniowych (włączeń i wyłączeń różnych 
elementów wchodzących w skład danej sieci).  

Ze względu na czas oddziaływania na układ izolacyjny danego urządzenia przepięcia 

wewnętrzne można podzielić na długotrwałe i krótkotrwałe, przy czym do przepięć 
długotrwałych zaliczyć można przepięcia związane z trwałym zwarciem z ziemią, nagłym 
odciążeniem układu zasilającego czy zjawiskiem rezonansu, zaś do przepięć krótkotrwałych – 
przepięcia związane z czynnościami manewrowo – awaryjnymi.   

W tabeli 9.1 przedstawiono charakterystykę przepięć wewnętrznych uwzględniającą 

przyczynę powstania, przykładowy przebieg czasowy oraz spodziewane wartości przepięć. 

 

 

9 – 2

Tabela 9.1.   Charakterystyka przepięć wewnętrznych [1] 

Rodzaj Dorywcze 

(wolnozmienne)  Łączeniowe (szybkozmienne) 

Przyczyna 

Trwałe zwarcie z ziemią, ferro-
rezonans, nagłe odciążenie linii 

Czynności manewrowe (łączeniowe) i 

awaryjne (przerwanie zwarcia z ziemią) 

Przebieg 
czasowy 

 

k

p

 [-] 

1,1 – 1,5 

2 – 4 

U

m

 – maksymalnie napięcie na urządzeniu (w sieci), U

mp

 – amplituda przepięcia,  

k

p

 – współczynnik przepięcia (iloczyn U

mp

 i U

m

) 

2.1.1. Przepięcia łączeniowe w obwodach zawierających elementy o charak- 

 terze pojemnościowym 

Przykładem tego typu przepięć  są przepięcia towarzyszące czynnościom manewrowym 

przy  łączeniu np. pojemności skupionych (baterii kondensatorów) lub nieobciążonych linii 
kablowych i napowietrznych. Przepięcia te charakteryzują się tym, że na napięcie robocze 
nakładają się  tłumione przebiegi oscylacyjne o częstotliwości drgań  własnych znacznie 
wyższej niż częstotliwość robocza. 

Analizy mechanizmu powstawania przepięć  łączeniowych elementów o charakterze 

pojemnościowym dokonano przy załączeniu skupionej pojemności  C

x

. Schemat zastępczy 

rozpatrywanego obwodu przedstawiono na rys. 9.1.  

 

R

s

, L

s

, C

s

 – parametry sieci zasilającej, C

x

 – pojemność zastępcza rozpatrywanego elementu (C

x

 << C

s

). 

Rys. 9.1. Schemat układu do analizy przepięć z pojemnością zastępczą C

X

  

Na rys. 9.2 przedstawiono jeden z możliwych przebiegów napięcia i prądu przy 

wyłączaniu pojemności zastępczej  C

x

. W przypadku tym do przerwania prądu 

pojemnościowego dochodzi w chwili przejścia prądu przez zero (punkt 1). Pojemnościowy 
prąd w układzie płynie do czasu, gdy pali się  łuk elektryczny pomiędzy rozchodzącymi się 
stykami wyłącznika. Napięcie na pojemności zastępczej  C

x

 osiąga w tej chwili wartość 

maksymalną napięcia zasilającego (U

max

) i ze względu na brak możliwości szybkiego 

rozładowania (przerwany układ) pozostaje na tym poziomie do chwili ponownego zapłonu 
łuku elektrycznego pomiędzy stykami wyłącznika (punkt 2). W punkcie 2 (po upływie 

 

9 – 3

półokresu) napięcie pomiędzy stykami wyłącznika (u

cx

 – u

0

) osiąga wartość równą prawie 

2U

max

. Wartość tego napięcia jest na tyle duża,  że może wywołać ponowne zapalenie łuku 

elektrycznego pomiędzy stykami. Przy ponownym zapaleniu łuku kształt napięcia na 
pojemności zastępczej C

x

 zmienia się do przebiegu napięcia zasilającego. Towarzyszące temu 

procesowi oscylacje napięcia (związane z drganiami własnymi obwodu L

s

C

x

) mogą osiągnąć 

wartość 3U

max

. Oscylacjom napięcia towarzyszą oscylacje prądu, który przechodzi przez zero 

w czasie, gdy napięcie  u

c

 osiąga wartości maksymalne. Do ponownego przerwania łuku 

pomiędzy stykami wyłącznika dochodzi, gdy sinusoida składowej podstawowej prądu 
przechodzi przez zero. Opisane zjawisko może powtórzyć się przy ponownym przejściu prądu 
przez zero. Należy tutaj podkreślić, że do ponownego zapłonu łuku elektrycznego może dojść 
w chwilach przed punktem 2, ale jest to wówczas przypadek mniej niebezpieczny pod 
względem powstawania przepięć. 

 

Rys. 9.2. Teoretyczne przebiegi napięcia i prądu przy czynnościach łączeniowych skupionej pojemności  

– przypadek z ponownym zapłonem luku elektrycznego [5]

 

2.1.2. Przepięcia łączeniowe przy szeregowej indukcyjności L 

Przykładem tego typu przepięć  są przepięcia towarzyszące czynnościom manewrowym 

przy  łączeniu nieobciążonych np. silników elektrycznych, dławików, przekładników lub 
transformatorów. Podobnie, jak to miało miejsce przy przepięciach  łączeniowych na 
elementach o charakterze pojemnościowym tutaj również na przebiegi napięć i prądów 
nakładają się  tłumione przebiegi oscylacyjne o częstotliwościach drgań  własnych znacznie 
wyższych niż częstotliwość robocza. 

Analizy mechanizmu powstawania przepięć  łączeniowych elementów o charakterze 

indukcyjnym dokonano przy wyłączaniu nieobciążonego transformatora, którego schemat 
zastępczy przedstawiono na rys. 9.3.  

 

9 – 4

 

R

s

, L

s

, C

s

 – parametry sieci zasilającej, C

x

, L

x

, R

x

 – parametry zastępcze nieobciążonego transformatora 

Rys. 9.3. Schemat układu do analizy przepięć z indukcyjnością zastępczą L

X

  

Na rys. 9.4 przedstawiono jeden z możliwych przebiegów napięcia i prądu przy 

wyłączaniu pojemności zastępczej L

x

.

 

W przypadku tym, do przerwania prądu indukcyjnego 

nie dochodzi w chwili naturalnego przejścia prądu przez zero (punkt 1), lecz gdy i(t) = I

0

. 

Całkowita energia układu zostaje, w miarę upływu czasu, zgromadzana w pojemności 
zastępczej transformatora, która jest doładowywana do coraz wyższego napięcia kosztem 
energii magnetycznej (energii zgromadzonej w indukcyjności zastępczej transformatora). 
Pojawiające się przepięcia mogą osiągać duże wartości, ze względów małych wartości 
pojemności rozpływanego układu. Szybkie sprowadzenie prądu do zera daje znaczne 
stromości di/dt. 

 

Rys. 9.4. Teoretyczne przebiegi napięcia i prądu przy czynnościach łączeniowych nieobciążonego 

transformatora – przypadek bez ponownych zapłonów łuku elektrycznego [2]

 

Przedstawione powyżej mechanizmy powstawania przepięć łączeniowych mają charakter 

czysto teoretyczny. W rzeczywistych przypadkach pojawiające się przepięcia nie osiągają tak 
dużych wartości ze względów m.in. na straty rezystancyjne czy przesunięcie chwili 
wystąpienia przeskoku (zapłonu  łuku) w stosunku do maksymalnej wartości napięcia oraz 
wartości I

0

, L

x

, C

x

. 

 

 

9 – 5

3. Program ćwiczenia 

Badania przeprowadza się w układzie pomiarowym, którego schemat został 

przedstawiony na rysunku 9.7. 

 

Rys. 9.7. Schemat układu pomiarowego 

R

 

– rezystor dekadowy, W

 

– wyłącznik, ATR – autotransformator, TS – transformator separacyjny. 

Obserwacji przebiegów i(t) i u(t) badanego układu dokonać przy pomocy oscyloskopu, 

przy czym obserwacji przebiegów i(t) dokonać w sposób pośredni poprzez obserwację 
przebiegu napięcia na dołączonym szeregowo rezystorze dekadowym R o znanej rezystancji.  

3.1. Badanie  przepięć  łączeniowych na elemencie o charakterze 

indukcyjnym 

Przykładem elementu w układzie elektroenergetycznym posiadającym charakter 

indukcyjny jest przekładnik napięciowy. Przy wykonywaniu ćwiczenia ustawić na 
autotransformatorze napięcie 20 – 30 V, zaś generacji przepięć  łączeniowych na badanym 
elemencie dokonać poprzez zamykanie/otwieranie wyłącznika W – w zależności od kształtu 
otrzymanych przebiegów. Do obserwacji przebiegów prądowych ustawić na rezystorze 
dekadowym wartość R ≈ 1k

Ω. 

W ramach ćwiczenia dokonać obserwacji dwóch przebiegów napięciowych i dwóch 

przebiegów prądowych, a po zaakceptowaniu przez prowadzącego  ćwiczenia wydrukować 
otrzymane przebiegi. Dodatkowo przy pomocy funkcji, które posiada oscyloskop odczytać  
z otrzymanych przebiegów wartości maksymalne przed i po wystąpieniu czynności 
łączeniowych. Na podstawie wyznaczonych wartości wyznaczyć wartości współczynników 
przepięcia k

u

 i przeciążenia k

i

.   

3.2. Badanie  przepięć  łączeniowych na elemencie o charakterze 

pojemnościowym 

Przykładem elementu w układzie elektroenergetycznym posiadającym charakter 

pojemnościowy jest bateria kondensatorów. Przy wykonywaniu ćwiczenia ustawić na 
autotransformatorze napięcie 20 – 30 V, zaś generacji przepięć  łączeniowych na badanym 
elemencie dokonać poprzez zamykanie/otwieranie łącznika  W – w zależności od kształtu 
otrzymanych przebiegów. Do obserwacji przebiegów prądowych ustawić na rezystorze 
dekadowym wartość R ≈ kilku 

Ω.  

 

9 – 6

W ramach ćwiczenia dokonać obserwacji dwóch przebiegów napięciowych i dwóch 

przebiegów prądowych, a po zaakceptowaniu przez prowadzącego  ćwiczenia wydrukować 
otrzymane przebiegi. Dodatkowo przy pomocy funkcji, które posiada oscyloskop odczytać  
z otrzymanych przebiegów wartości maksymalne przed i po wystąpieniu czynności 
łączeniowych. Na podstawie wyznaczonych wartości wyznaczyć wartości współczynników 
przepięcia k

u

 i przeciążenia k

i

. 

Uwaga: przy wszelkich zmianach w układzie rozładować baterię kondensatorów!!! 

4. Sprawozdanie 

Sprawozdanie powinno zawierać: 

- krótki 

wstęp teoretyczny obejmujący najważniejsze zagadnienia związane z wyko-

nywanym ćwiczeniem, 

- schemat 

układu pomiarowego, 

-  warunki otoczenia przeprowadzanych pomiarów, 
- charakterystykę badanych obiektów (krótki opis, staranne rysunki), 
-  wyniki pomiarów przepięć  łączeniowych elementów o charakterze pojemno-

ściowym i indukcyjnym w postaci wykresów u

c

(t), i

c

(t), u

L

(t) i i

L

(t), 

-  wyznaczenie amplitudy napięcia (U

0max

 i U

Pmax

) i prądu (U

0max

 i U

Pmax

) przed  

i po wystąpieniu przepięcia/przeciążenia oraz współczynników k

u

 i k

i

, 

-  wnioski (zebrane w kilku spójnych zdaniach, ewentualnie wypunktowanych). 

5.  Zagadnienia do samodzielnego opracowania 

5.1.  Podział i charakterystyka podstawowych rodzajów przepięć występujących  

w układzie elektroenergetycznym. 

5.2.  Charakterystyczne wielkości opisujące dany rodzaj przepięcia. 
5.3.  Teoretyczne przebiegi napięć i prądów podczas przepięć  łączeniowych na 

elementach o charakterze pojemnościowym lub indukcyjnym. 

5.4.  Porównanie rzeczywistych przebiegów napięć i prądów podczas przepięć 

łączeniowych na elementach układu elektroenergetycznego o charakterze 
pojemnościowym i indukcyjnym z przebiegami teoretycznymi.  

6. Literatura 

1.  Flisowski Z. „Technika Wysokich Napięć”, Wydawnictwo Naukowo – Techniczne, 

Warszawa 1996. 

2.  Furgał J. „Przepięcia i ochrona przepięciowa”, Wydawnictwo AGH, Kraków 1992. 
3.  Kosztaluk R. „Technika badań wysokonapięciowych T1 i T2”, Wydawnictwo 

Naukowo – Techniczne, Warszawa 1985. 

4.  Norma PN-IEC 60038:1999 „Napięcie znamionowe IEC”. 
5.  Szpor St., Dzierżek H., Winiarski W. „Technika wysokich napięć”, Wydawnictwo 

Naukowo – Techniczne, Warszawa 1978. 

6.  Wodziński J. „Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów”, Wydawnictwo 

Naukowe PWN, Warszawa 1997.