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.