POLITECHNIKA

ŚWIĘTOKRZYSKA

Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

ĆWICZENIE 7

BADANIE WYTRZYMAŁOŚCI POWIETRZA

PRZY NAPIĘCIU PIORUNOWYM

I. WIADOMO

ŚCI TEORETYCZNE

1. Wytrzymało

ść udarowa powietrznych układów izolacyjnych

Rozwój wyładowania elektrycznego w powietrzu wymaga obecności elektronów swobodnych (przy-

najmniej jednego) i natężenia pola elektrycznego zdolnego nadać im energię wystarczającą do zapocząt-
kowania jonizacji zderzeniowej. Źródłem elektronów swobodnych jest zwykle promieniowanie kosmicz-
ne lub promieniowanie naturalne Ziemi. Natężenie pola elektrycznego inicjujące wyładowanie w nor-
malnych warunkach atmosferycznych wynosi około 30 kV/cm.

Wytrzymałość udarowa piorunowa jest zwykle większa od wytrzymałości statycznej (50 Hz), ponie-

waż wytrzymałość elektryczna wynika nie tylko z wartości przyłożonego napięcia, ale i czasu jego od-
działywania. Przy napięciach piorunowych czas rozwoju wyładowania jest porównywalny z czasem na-
rastania czoła udaru. Na czas do przeskoku składają się trzy jego składniki (rys. 1)

:

1)

t

j

- czas, po którym napięcie na elektrodach osiągnie wartość równą statycznemu napięciu przesko-

ku,

2)

t

st

- czas statystycznego opóźnienia przeskoku wynikający z oczekiwania na wolny elektron zdolny

do zapoczątkowania jonizacji. Czas ten związany jest z prawdopodobieństwem pojawienia się
elektronu w danej chwili w danym miejscu - elektron ten powinien

się znaleźć możliwie blisko

katody w obszarze największych naprężeń,

3)

t

w

- czas rozwoju wyładowania mający również charakter statystyczny.

U

max

u

U

S

t

st

t

p

t

t

j

t

w

Rys. 1. Udar napięciowy piorunowy ucięty na grzbiecie wskutek wystąpienia przeskoku
elektrycznego: U

s

- statyczne napięcie zapłonu, U

max

- wartość szczytowa udaru, t

j

- czas

do osiągnięcia statycznego napięcia przeskoku, t

st

- opóźnienie przypadkowe, t

w

- czas

rozwoju wyładowania, t

p

- czas do przeskoku

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

2

Czas t

0

(t

0

= t

st

+ t

w

) liczony od momentu doprowadzenia napięcia o wartości odpowiadającej sta-

tycznemu napięciu przeskoku do chwili zwarcia elektrod przez wyładowanie nosi nazwę opóźnienia
przeskoku. Opóźnienie przeskoku jest funkcją napięcia i stromości napięcia.

W przypadku układów o silnie niejednostajnym rozkładzie pola elektrycznego (np. ostrze-płyta), ob-

szar największych naprężeń jest stosunkowo mały. Prawdopodobieństwo znalezienia się elektronu w
danej chwili w danym miejscu jest mniejsze, a opóźnienie przypadkowe (statystyczne) większe. O wiel-
kości tego opóźnienia decyduje przypadek. Z tego względu wytrzymałość udarowa układów powietrz-
nych o silnie niejednostajnym rozkładzie pola bywa dużo wyższa od wytrzymałości statycznej.

Zewnętrzne czynniki jonizujące (promieniowanie kosmiczne, naturalna radioaktywność) wywołują w

każdej sekundzie w 1 cm

3

około 10 aktów jonizacji. Koncentracja nośników elektryczności (par jon–

elektron), będąca wypadkową procesów jonizacji i dejonizacji, wynosi około 1000 cm

–3

.

Drugi składnik opóźnienia przeskoku (t

w

), czyli czas rozwoju wyładowania od chwili zapoczątkowa-

nia lawiny zdolnej do przekształcenia się w strimer, do chwili zwarcia elektrod przez kanał plazmowy,
maleje ze wzrostem wartości szczytowej udaru, rośnie bowiem prędkość lawiny i rozwoju kanału pla-
zmowego.

Ogólnie rzecz biorąc „opóźnienie przeskoku” ma charakter przypadkowy, choć zależny od wielkości

nadwyżki napięcia udarowego nad statycznym napięciem przeskoku i czasu trwania tej nadwyżki. Zwar-
cie elektrod przez kanał plazmowy ucina (zwiera) udar. Czas zwierania nie przekracza zazwyczaj 0,1

µ

s.

Opóźnienie przeskoku powoduje, że moment przeskoku i ucięcie udaru może występować na grzbiecie
udaru, po przeminięciu jego wartości szczytowej. Im niższe napięcie udarowe, tym opóźnienie i tzw. czas
do przeskoku są dłuższe.

W wyniku istnienia opóźnienia wyładowania nie ma ostrej granicy udarowego napięcia przeskoku.

Istnieje, często dość szeroki, przedział wartości szczytowych udaru w którym odsetek przeskoków wzra-
sta od 0 do 100.

Rozrzut czasów do przeskoku (przypadkowość opóźnienia) sprawia, że przeskok elektryczny w po-

wietrzu może być ujęty statystycznie. Jeżeli przez n oznaczymy liczbę przeskoków, a przez N liczbę do-
prowadzonych udarów, to prawdopodobieństwo przeskoku wyrazić możemy zależnością

N

n

P

=

.

(7.1)

Dla różnych wartości szczytowych udaru wartości P będą różne, a zależność P = f

(U

p

) będzie przed-

stawiać sobą kumulatywną krzywą prawdopodobieństwa (rys. 2). Za wartość napięcia przeskoku uważa
się wartość szczytową udaru, przy przeskoku na jego grzbiecie, lub wartość chwilową napięcia, gdy prze-
skok wystąpi na czole udaru.

Napięcie przesk ok u U

p

P

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

p

rz

e

sk

o

k

u

P

p

,

%

100

50

0

U

pśr

Rys. 2. Krzywa kumulatywna prawdopodobieństwa przeskoku P = f (U

p

)

Ć

wiczenie 7. Badanie wytrzymałości powietrza przy napięciu piorunowym

3

p

U

p2

U

p

S

s

U

p1

Rys. 3. Krzywa rozkładu gęstości prawdopodobieństwa udarowego napięcia przeskoku

Udarowe napięcie przesk oku Up

P

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

p

rz

e

sk

o

k

u

,

%

99,5

99

98

95
90

80
70

60

50

40

30

20

10

5

2

1

0,5

U

pśr

Rys. 4. Przykładowa krzywa kumulatywna wykonana przy użyciu siatki rozkładu normalnego

Wykres pochodnej dP/dU

p

daje nam krzywą rozkładu gęstości prawdopodobieństwa p = f

(U

p

). Dla

większości zjawisk fizycznych krzywa ta daje się opisać równaniem Gaussa (rozkład normalny). Praw-
dopodobieństwo, że przeskok wystąpi przy napięciu zawartym w przedziale (U

p1

, U

p2

), jest równe sto-

sunkowi zakreskowanej powierzchni s do pola powierzchni zawartego pod całą krzywą S (rys. 3).

Przeprowadzając pomiary wytrzymałości udarowej, wyniki pomiarów najlepiej nanosić na siatkę roz-

kładu normalnego. Jeżeli tylko zjawisko podlega prawu Gaussa, otrzymuje się linię zbliżoną do prostej.
Można w ten sposób (w dużym przybliżeniu) uzyskać pełną krzywą rozkładu gęstości prawdopodobień-
stwa z kilku serii pomiarów. Z wykresu można odczytać np. przy jakim napięciu prawdopodobieństwo
przeskoku wynosi 50%.

W praktyce wytrzymałość udarową (piorunową) określa się przez tzw. 50-procentowe napięcie prze-

skoku. Jest to napięcie mierzone wartością szczytową udaru, przy którym średnio co drugi udar powoduje
przeskok.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

4

2. Metody wyznaczania 50-procentowych piorunowych napi

ęć przeskoku

Zgodnie z normą PN-92/E-04060 dla określenia 50% napięcia przeskoku (U

50

) można stosować na-

stępujące metody:

a)

metodę serii o n

≥

4 poziomach napięcia i o m

≥

20 udarów na każdym poziomie,

b)

metodę góra – dół o m = 1 w grupie i o n

≥

20 użytecznych doprowadzeniach napięcia.

2.1. Metoda serii

Dla każdej doprowadzonej serii udarów o liczności m i wartości szczytowej U

i

szacuje się prawdopo-

dobieństwo przeskoku

m

m

p

x

i

=

,

gdzie m

x

- liczba udarów powodujących przeskok.

Otrzymuje się n liczb określających prawdopodobieństwo przeskoku. Wskazane jest, aby poziomy

napięcia były tak dobrane, aby 0,02

≤

p

i

≤

0,98. Otrzymane prawdopodobieństwa należy zaznaczyć w

siatce funkcyjnej rozkładu normalnego (rys. 9). Ograniczona liczba prób sprawia, że punkty te nie będą
układały się na prostej. Prostą należy poprowadzić wykorzystując metodę najmniejszych kwadratów bądź
metodę największej wiarygodności.

Dodatkowa skala y ułatwia poprowadzenie prostej regresji. Korzystając z metody najmniejszych kwa-

dratów, prostą można określić z wzoru

y – y

śr

= a(U – U

śr

),

gdzie:

∑

−

⋅

=

n

1

i

i

śr

y

n

1

y

,

∑

−

⋅

=

n

1

i

i

śr

U

n

1

U

,

∑

∑

=

=

−

⋅

−

=

n

1

i

2

śr

i

n

1

i

i

śr

i

)

U

U

(

y

)

U

U

(

a

.

Napięcie przesk oku

P

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

p

rz

e

sk

o

k

u

,

%

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

50

70

30

84

95

2

5

16

98

U

50

U

16

y

Rys. 5. Wyznaczanie 50% napięcia przeskoku w siatce rozkładu normalnego

Ć

wiczenie 7. Badanie wytrzymałości powietrza przy napięciu piorunowym

5

Rysunek 5 pokazuje wyznaczoną z prostej regresji wartość U

50

oraz U

16

pozwalające obliczyć odchy-

lenie standardowe z próby

σ

= U

50

– U

16

.

Zarówno dla U

50

, jak i

σ

, można określić przedział ufności.

2.2. Metoda góra – dół

Metoda góra – dół wymaga mniejszej liczby prób niż metoda serii – jest więc bardziej efektywna.

Polega ona na doprowadzeniu do badanego obiektu n udarów o różnych wartościach szczytowych zgod-
nie z następującymi zasadami:

−

ustala się poziom zerowy napięcia U

0

i krok napięciowy

∆

U. U

0

jest najwyższym napięciem,

przy którym nie wystąpił przeskok, natomiast krok napięciowy nie powinien przekraczać 5%
spodziewanego napięcia przeskoku,

−

przy wystąpieniu przeskoku na obiekcie następna próba dokonywana jest przy obniżonym na-
pięciu o krok napięciowy,

−

brak przeskoku powoduje podwyższenie napięcia o krok napięciowy.

Pięćdziesięcioprocentowe napięcie przeskoku można oszacować korzystając z następującej zależności













±

+

=

5

,

0

N

A

U

U

U

0

50

∆

,

gdzie: N - mniejsza z dwóch liczb, z których jedna określa liczbę przeskoków, a druga liczbę prób, przy

których przeskok nie wystąpił. We wzorze występuje znak „+” w przypadku gdy liczba prze-
skoków była mniejsza – w przeciwnym przypadku występuje znak „–”,

∑

=

⋅

=

m

1

i

i

n

i

A

,

m - liczba poziomów,

n

i

- liczba prób na poziomie i, przy których wystąpiło zdarzenie odpowiadające wyborowi liczby N.

11

17

16

15

14

20

∆

U

n

U

1

U

2

U

3

U

4

1

3

2

7

6

5

8

4

12 13

U

brak przeskoku

przeskok

0

19

18

9 10

U

0

Rys. 6. Przykładowa ilustracja metody góra–dół przy n = 20 liczbie doprowadzeń napięcia (liczonych od
pierwszego przeskoku): U

0

, U

1

, U

2

, U

3

, U

4

- poziom zerowy i poziomy wyższe napięcia,

∆

U - krok napię-

ciowy

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

6

3. Charakterystyki udarowe powietrznych układów izolacyjnych

Przykładając do układu elektrod udary napięciowe o takiej wartości szczytowej, która powoduje prze-

skoki przy każdym zadziałaniu generatora, nie jesteśmy w stanie określić wytrzymałości udarowej. Ze
względu na przypadkowość opóźnienia przeskoku, które może być inne przy każdym udarze, otrzymamy
różne czasy do przeskoku (rys. 7). Rozrzut czasów do przeskoku podlega prawom statystycznym. Krzywa
kumulatywna rozkładu czasów do przeskoku przypomina krzywą z rysunku 2, ale dotyczy czasów do
przeskoku przy udarach jednakowych co do kształtu i amplitudy.

Mając N czasów do przeskoku można obliczyć ich wartość średnią

N

t

t

N

1

i

pi

śr

p

∑

=

=

.

(7.2)

W rozkładzie Gaussa prawie wszystkie możliwe wartości zmiennej losowej (99,72 %) grupują się

wokół wartości średniej w paśmie o szerokości 6

σ

, gdzie

σ

to średnie odchylenie kwadratowe opisane

wzorem

(

)

1

N

t

t

N

1

i

2

śr

p

pi

−

−

=

∑

=

σ

,

(7.3)

a zatem t

pmin

= t

pśr

– 3

σ

,

t

pmax

= t

pśr

+ 3

σ

.

Jeżeli wykonamy kilka serii pomiarów dla różnych wartości szczytowych udaru i dla każdej serii wy-

znaczymy t

pśr

, t

pmin

i t

pmax

, otrzymamy punkty leżące na charakterystykach udarowych.

Charakterystyka udarowa jest to zależność wiążąca napięcie przeskoku na badanym obiekcie

z czasem do przeskoku U

p

= f(t

p

). Charakterystykę otrzymuje się doprowadzając do obiektu udary o stałym

kształcie, lecz o różnej wartości szczytowej.

Czas do przeskoku t

p

P

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

c

za

su

d

o

p

rz

es

ko

ku

P

t

,

%

u

U

p

t

pśr

t

100

50

0

t

pśr

a)

b)

Rys. 7. Rozrzut czasów do przeskoku (a) i krzywa prawdopodobieństwa rozkładu czasów do przeskoku (b)

Charakterystykę udarową 0-procentową tworzą punkty, których współrzędnymi są U

p

i t

pmin

, charakte-

rystykę 50-procentową punkty o współrzędnych U

p

i t

pśr

, a charakterystykę 100-procentową wyznaczają

współrzędne U

p

i t

pmax

.

Jeżeli przeskoki elektryczne występują na grzbiecie udaru (rys. 7), jako napięcie przeskoku przyjmuje

się wartość szczytową udaru. Przy przeskokach występujących na czole udaru napięciem przeskoku jest
wartość chwilowa napięcia w momencie przeskoku. Ta wartość chwilowa nie ma stałej wartości. Rozrzut
tego napięcia i rozrzut czasów do przeskoku podlegają prawom statystycznym, zatem zarówno dla U

p

, jak

i t

p

określa się pasmo rozrzutu o szerokości 6

σ

(rys. 9). Dla charakterystyki udarowej 50% współrzędne

punktu to U

pśr

i t

pśr

.

Ć

wiczenie 7. Badanie wytrzymałości powietrza przy napięciu piorunowym

7

Jak widać na rysunkach 8 i 10 charakterystyka udarowa przypomina hiperbolę. Stromość charaktery-

styki udarowej zależy od rozkładu pola elektrycznego. Im rozkład pola jest bardziej równomierny, tym
charakterystyka udarowa jest bardziej płaska. Poziome asymptoty charakterystyk noszą nazwę poziomów
udarowych. Dla charakterystyki 50% jest to 50-procentowy poziom udarowy. Zauważmy, że przy obni-
ż

aniu wartości szczytowej napięcia udarowego, czasy do przeskoku mogą stać się porównywalne z cza-

sem trwania udaru. Nie każdy udar spowoduje przeskok. Poziom, do którego dąży charakterystyka 50%
jest również 50-procentowym napięciem przeskoku lub prościej 50-procentową wytrzymałością elek-
tryczną (często zwaną po prostu wytrzymałością udarową).

50% napięcie przeskoku można wyznaczyć przykładając serie udarów o różnych amplitudach nano-

sząc otrzymane prawdopodobieństwa przeskoku na siatkę funkcyjną rozkładu normalnego (metoda serii –
rozdział 2). Przy pomocy tejże siatki (rys. 4) można wyznaczyć poziomy 0% i 100% (teoretycznie są to
poziomy 0,3% i 99,7%).

U

p100

U

p50

U

p0

U

p

t

p

100%

50%

0%

Rys. 8. Charakterystyki udarowe 0, 50 i 100-procentowa: U

p100

, U

p50

, U

p0

- poziomy cha-

rakterystyk udarowych

Wytrzymałość układu izolacyjnego charakteryzuje się często przez tzw. współczynnik udaru będący

stosunkiem pięćdziesięcioprocentowego udarowego napięcia przeskoku i wartości szczytowej napięcia
przeskoku przy częstotliwości 50 Hz

p

50

u

U

2

U

k

⋅

=

.

Współczynnik ten określa ile razy wytrzymałość udarowa jest większa od wytrzymałości statycznej.

W układach o polu jednostajnym (np. iskiernik płaski) k

u

= 1, dla układu o polu niejednostajnym k

u

> 1

(dla iskiernika ostrzowego k

u

> 1,5).

Wyznaczenie pełnych charakterystyk udarowych (sposób wyznaczania pokazuje rysunek 10) wymaga

pomiarów czasów do przeskoku dla wielu serii udarów o różnych wartościach szczytowych i znormali-
zowanym kształcie (np. udary 1,2/50

µ

s). Można to wykonać przez fotografowanie przebiegów oscylo-

graficznych i odczyt U

p

i t

p

z oscylogramów lub wykorzystanie szybkopiszącego oscyloskopu z pamięcią

i bezpośredni odczyt z ekranu. Największe laboratoria badawcze wyposażone są w skomputeryzowany
system analizy napięć impulsowych umożliwiający zdejmowanie charakterystyk udarowych w sposób
automatyczny.

Pokazane na rysunku 8 poziomy wytrzymałości udarowej 0% i 100% nie są obecnie wykorzystywane

praktycznie. Rozkład normalny nie nadaje się do określania napięć przeskoku z prawdopodobieństwem
poniżej 2% i powyżej 98%. Z rozkładu tego wynika np. że istnieje pewne prawdopodobieństwo przesko-
ku przy napięciu bliskim zeru. Dla oceny tzw. napięcia wytrzymywanego wykorzystuje się rozkład We-
ibulla będący rozkładem ograniczonym od dołu.

Uwagi powyższe dotyczą również charakterystyk udarowych. Charakterystykę obiektu tworzy pasmo

o szerokości określonej przyjętym poziomem ufności.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

8

∆

U

p

u

U

max

{

∆

U

p

= 6

σ

∆

t

p

= 6

σ

∆

t

p

t

Rys. 9. Rozrzut czasów do przeskoku i napięcia przeskoku przy przeskokach elektrycznych na czole udaru

u

U

1

U

5

U

4

U

3

U

2

t

1

t

2

t

3

t

4

t

5

t

Rys. 10. Sposób wyznaczania charakterystyki udarowej 50-procentowej: t

1

÷

t

5

- średnie czasy do

przeskoku, U

1

÷

U

4

- wartości szczytowe udarów, U

5

- średnia wartość chwilowa napięcia przeskoku

4. Koordynacja izolacji

Przez porównanie charakterystyk udarowych różnych współpracujących układów izolacyjnych można

określić, który układ będzie mniej wytrzymały. Taki układ będzie pełnił funkcję ochronnika dla układu
bardziej wytrzymałego grającego rolę obiektu chronionego. Dla zapewnienia pełnej ochrony obiektu,
ochronnik powinien być tak dobrany, aby jego charakterystyka udarowa 100-procentowa leżała poniżej 0-
procentowej charakterystyki udarowej obiektu chronionego w całym zakresie czasów do przeskoku lub
inaczej pasma charakterystyk udarowych wyznaczonych przy pewnym poziomie ufności nie powinny się w
ż

adnym punkcie pokrywać. W ten sposób realizowana jest konwencjonalna procedura koordynacji izo-

lacji.

Rysunek 11 przedstawia pasma charakterystyk udarowych dla iskiernika płaskiego i iskiernika

ostrzowego o tak dobranych odległościach między elektrodami, że charakterystyka dla układu płaskiego
leży poniżej charakterystyki dla układu ostrzowego. Przy połączeniu równoległym obu układów iskiernik

Ć

wiczenie 7. Badanie wytrzymałości powietrza przy napięciu piorunowym

9

płaski przejmuje wyładowania i tym samym chroni iskiernik ostrzowy w całym zakresie możliwych na-
pięć udarowych.

Trudniej zrealizować ochronę układu o płaskiej charakterystyce udarowej przez układ o charaktery-

styce stromej. Takie trudności występują przy próbie realizacji ochrony izolacji transformatora przez
iskiernik ostrzowy (lub prętowy). W takim przypadku często koordynacja izolacji nie jest skuteczna.
Przypadek przecinania się charakterystyk udarowych przedstawia rysunek 12. Dla dużych wartości
szczytowych udarów ochrona nie jest zrealizowana, np. dla napięcia U

1

czasy do przeskoku dla obiektu

są krótsze niż dla ochronnika. Należy pamiętać, że przy tej wartości napięcia wyładowanie zupełne
(przeskok lub przebicie), przy braku ochrony, występuje zawsze – przekroczone jest stuprocentowe na-
pięcie wyładowania zupełnego. Ochrona jednego obiektu przez drugi polega więc na tym, że dla napięcia
U

1

w jednym układzie prawie wszystkie przeskoki występują w czasie krótszym od t

p1

, a dla drugiego

układu prawie wszystkie przeskoki wystąpiłyby w czasie do przeskoku dłuższym od t

p2

. Dla układu o

charakterystyce udarowej leżącej wyżej wyładowanie zupełne nie zdąży się rozwinąć.

50%

U

pi

U

po

U

p

t

p

50%

margines
bezpieczeństwa

obiekt

ochronnik

U

pi

- udarowy poziom izolacji

U

po

- udarowy poziom ochrony

Rys. 11. Koordynacja izolacji ochronnika i obiektu chronionego: U

pi

- poziom

izolacji, U

po

- poziom ochrony

obiekt

ochronnik

U

s

U

1

U

t

p

t

p1

t

p2

t

ps

Rys. 12. Przecinanie się charakterystyk udarowych obiektu i ochronnika. W punkcie
przecięcia charakterystyk udarowych 50-procentowych (przy napięciu U

s

) średni czas

do przeskoku dla obu układów jest jednakowy

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

10

Koordynacja izolacji jest to odpowiednie stopniowanie wytrzymałości izolacji urządzeń zapewniające

optymalną pewność ruchu. Jej zadaniem jest zmniejszenie (do poziomu uzasadnionego technicznie i eko-
nomicznie) prawdopodobieństwa uszkodzenia lub zakłócenia ciągłości pracy.

W przypadku obiektów, których charakterystyki udarowej nie da się wyznaczyć (np. transformator –

przebicie niszczy izolację), za poziom izolacji U

pi

uważa się udarowe napięcie probiercze zapewniając

jednocześnie odpowiednio szeroki margines bezpieczeństwa (25

÷

30% U

po

). Margines ten uwzględnia

rozrzuty pomiarowe, starzenie się izolacji, zmiany parametrów ochronników i wpływ warunków atmosfe-
rycznych. Zatem napięcie zapłonu ochronnika lub, w przypadku odgromnika zaworowego również tzw.
napięcie obniżone, U

po

< U

pi

/1,25.

W praktyce układy izolacyjne są koordynowane z wykorzystaniem tzw. zreformowanych procedur probier-

czych. Dobierane są poziomy izolacji i ochrony, a nie całe charakterystyki udarowe. Ponieważ wyznaczane
wartości napięć przeskoku lub przebicia z prawdopodobieństwem 0% i 100% obarczone są znacznym błędem
– prowadzi to do przewymiarowywania izolacji i wzrostu kosztów ochrony – określa się poziomy 10% i 90%.
Zreformowane poziomy: izolacji (10%) i ochrony (90%), umożliwiają wystarczające i ekonomicznie uzasad-
nione koordynowanie urządzeń.

Ze względu na ważność chronionych obiektów stosowane są dwie procedury koordynacyjne:

−

konwencjonalna,

−

statystyczna.

Procedura statystyczna, żmudna i pracochłonna, wykorzystywana jest przy ochronie obiektów o na-

pięciu znamionowym > 300 kV i ogranicza się dotychczas do izolacji zewnętrznej regenerującej się (naj-
słabsze odstępy powietrzne). Przy obydwu procedurach skuteczność ochrony zapewnia współczynnik bezpie-
czeństwa

k = U

w

/U

max

,

gdzie: U

w

- oznacza tzw. znamionowe napięcie wytrzymywane określone przez 10% wytrzymałość uda-

rową w warunkach probierczych lub (przy procedurze konwencjonalnej) piorunowe napięcie
probiercze izolacji.

Znaczenie U

max

zależy również od stosowanej procedury. Przy procedurze statystycznej U

max

oznacza

wartość szczytową przepięcia, którego prawdopodobieństwo pojawienia się w sieci wynosi 2%. Przy proce-
durze konwencjonalnej U

max

odpowiada poziomowi ochrony wyznaczającemu pułap przepięć przedostających

się do obiektu.

Według procedury konwencjonalnej U

w

, czyli znamionowe piorunowe napięcie probiercze odpowia-

dające chronionemu obiektowi i wybrane ze znormalizowanego szeregu (PN-EN 60071-1), powinno być
co najmniej o 25% wyższe od poziomu ochrony piorunowej (np. 90% wytrzymałości udarowej ochronni-
ka). Konwencjonalny współczynnik bezpieczeństwa k = 1,25.

4. Pytania kontrolne

1.

Przyczyny występowania opóźnienia przeskoku

2.

Omówić metodę serii

3.

Omówić metodę góra-dół

4.

Omówić sposób wyznaczania charakterystyk udarowych

5.

Konwencjonalna zasada koordynacji izolacji

Literatura

1.

Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. Wyd. III. WNT, Warszawa 1995

2.

Wodziński J.: Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów. PWN, Warszawa 1997

3.

Jaczewski M.: Koordynacja izolacji. PWN, Warszawa 1966

4.

PN-EN 60071-1:2008 Koordynacja izolacji – Część 1: Definicje, zasady i reguły

5.

PN-92/E-04060 Wysokonapięciowa technika probiercza (norma zastąpiona przez PN-EN 60060-1)

6.

PN-EN 60060-1:2011 Wysokonapięciowa technika probiercza. Część 1: Ogólne definicje i wymaga-
nia probiercze (oryg.)

7.

PN-EN 60052:2003 Pomiar napięcia metodą iskierników znormalizowanych

Ć

wiczenie 7. Badanie wytrzymałości powietrza przy napięciu piorunowym

11

II. POMIARY

1.

Pomiar udarowego napi

ęcia przeskoku w układzie ostrze-płyta

I

p

R

c

C

c

R

r

R

t

C

R"

m

R

t

R

t

C

C

R

t

R

t

R

t

C

R"

m

R"

m

T

p

Ro

S

R'

m

R'

m

R'

m

R

t

P

Rys. 13. Schemat układu do prób wytrzymałości udarowej powietrza: Tp - transformator probierczy, Ro - rezystor ładujący,
P - prostownik, C - pojemności główne, R’

m

, R"

m

- rezystory międzystopniowe, R

t

- rezystory tłumiące, R

c

- rezystor do

kształtowania czoła, R

r

- rezystor rozładowujący, C

c

- pojemność do kształtowania czoła, I

p

- iskiernik pomiarowy, S - silnik

elektryczny

1.1. Przebieg pomiarów

Przy przeprowadzaniu pomiarów należy bezwzględnie przestrzegać zaleceń BHP. Wejście do pola

probierczego musi być połączone z uziemieniem kondensatora do kształtowania czoła udaru i kondensa-
torów głównych. Podczas przebywania w polu probierczym biegun wysokiego napięcia (kondensatory
główne) musi być uziemiony przy pomocy drążka uziemiającego.

Kolejność czynności:

a)

ustawiamy odstęp między ostrzem i płytą zgodnie ze wskazówkami prowadzącego ćwiczenia,

b)

po usunięciu uziemienia przenośnego i zamknięciu drzwi załączamy układ probierczy,

c)

za pomocą pokrętła transformatora regulacyjnego podnosimy stopniowo napięcie przyłożone do
elektrod (z prędkością ok. 1 kV/s) aż do wystąpienia przeskoku,

d)

regulujemy odległość między kulami iskierników generatora w ten sposób, aby uzyskać 50%
napięcie przeskoku na układzie badanym (na serię udarów połowa wywołuje przeskok w ukła-
dzie ostrze-płyta).

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

12

Pomiaru napięcia udarowego dokonujemy iskiernikiem kulowym. W tym celu, po odłączeniu układu

ostrze-płyta, przyłączamy iskiernik pomiarowy do wyjścia generatora udarowego i ustawiamy między
jego kulami taką odległość, aby otrzymać 50% napięcie przeskoku. W czasie pomiaru odstępy między
elektrodami iskierników włączających generatora muszą pozostać bez zmian.

Przebieg pomiarów dla drugiej biegunowości jest analogiczny. Biegunowość udaru zmieniamy prze-

stawiając prostownik przy transformatorze probierczym

1.2. Wyniki pomiarów i oblicze

ń

Wartość szczytowa napięcia przeskoku na iskierniku kulowym w warunkach pomiaru wynosi

U

p

=

δ⋅

k

⋅

U

pn

,

gdzie:

δ

- względna gęstość powietrza

t

t

+

+

⋅

273

273

b

b

=

0

0

δ

;

b

0

- ciśnienie normalne (1013 hPa), t

0

- temperatura normalna (20

°

C),

b i t - ciśnienie i temperatura w warunkach pomiaru (hPa,

°

C).

k - współczynnik zależny od wilgotności powietrza obliczany ze wzoru

k =

1 + 0,002

⋅

(h/

δ

– 8,5),

h – wilgotność bezwzględna w warunkach pomiaru; h = h

n

⋅ϕ

/100 [g/m

3

],

h

n

– wilgotność bezwzględna w stanie nasycenia (tabela ),

ϕ

– wilgotność względna [%],

U

pn

- napięcie przeskoku w warunkach normalnych.

Iskierniki kulowe mierzą wartość maksymalną napięcia. Napięcia przemienne U

p

i U

pn

są zatem wyra-

ż

ane przez wartości szczytowe.

Wartość szczytowa napięcia przeskoku dla układu ostrze-płyta po przeliczeniu na warunki normalne

wynosi

t

p

pn

K

U

U

=

,

gdzie: U

p

- napięcie pomierzone przez iskiernik kulowy, K

t

- współczynnik zależny od gęstości względnej

powietrza, wilgotności oraz badanego układu elektrod. Współczynnik ten należy wyznaczyć zgod-
nie ze wskazówkami zawartymi w ćwiczeniu 2 i PN-EN 60060-1.

Obliczenia współczynnika K

t

można dokonać korzystając z programu komputerowego wprowadzając

następujące dane:

−

temperatura powietrza t [

°

C],

−

wilgotność względna

ϕ

[%],

−

ciśnienie p [hPa],

−

odległość między elektrodami l [m],

−

50% napięcie przeskoku w rzeczywistych warunkach atmosferycznych U

p

[kV

max

].

Wyniki pomiarów i obliczeń przedstawić w tabeli 1.

Ć

wiczenie 7. Badanie wytrzymałości powietrza przy napięciu piorunowym

13

Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń dla układu ostrze-płyta.

k = f(h/

δ

) = ..........., t = ..........

°

C, T = 273 + t = ............ K,

p = .......... hPa,

ϕ

(wilgotność względna) = .......... %, K

t

= ............

Odstęp

Biegunowość dodatnia

Biegunowość ujemna

a

U

p

U

pn

U

p

U

pn

cm

kV

max

kV

max

kV

max

kV

max

2. Okre

ślenie współczynnika udarowego dla układu ostrze-ostrze i płyta-płyta

Schemat układu i przebieg pomiarów jest analogiczny jak w punkcie 1. Pomiarów udarowego napię-

cia przeskoku dokonujemy dla odległości między elektrodami podanych przez prowadzącego ćwiczenia.

Współczynniki udarowe obliczamy korzystając z następującej zależności

Hz

50

p

%

50

u

u

U

2

U

k

⋅

=

,

gdzie: U

u50%

- pięćdziesięcioprocentowe udarowe napięcie przeskoku w badanym układzie przeliczone na

warunki normalne, U

p50Hz

- statyczne napięcie przeskoku dla tych samych odległości między elek-

trodami przeliczone na warunki normalne.

Do obliczenia współczynników udarowych należy wykorzystać wyniki pomiarów statycznego napię-

cia przeskoku z ćwiczenia 1.

Tabela 2. Współczynniki udarowe dla układu ostrze-ostrze.
k = f (h/

δ

) = ..........., t = ..........

°

C, T = 273 + t = .......... K,

p = ........ hPa,

ϕ

(wilgotność względna) = ......... %, K

t

= .........

Odstęp

U

p50Hz

Biegunowość dodatnia

Biegunowość ujemna

a

U

u50%

k

u

U

u50%

k

u

cm

kV

kV

max

–

kV

max

–

Tabela 3. Współczynniki udarowe dla układu płyta-płyta.

k = f (h/

δ

) = .........., t = .......

°

C, T = 273 + t = ........... K,

p = ......... hPa,

ϕ

(wilgotność względna) = ........ %, K

t

= .........

Odstęp

U

p50Hz

Biegunowość dodatnia

Biegunowość ujemna

a

U

u50%

k

u

U

u50%

k

u

cm

kV

kV

max

–

kV

max

–

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

14

0,985

0,990

0,995

1,000

1,005

1,010

1,015

1,020

1,025

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

h/

δ

, g/m

3

w

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

k

Rys. 14. Zależność współczynnika poprawkowego k od stosunku h/

δ

dla iskiernika kulowego

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

0

0,5 1

1,5

2

2,5 3

3,5 4

4,5

5

5,5 6

6,5 7

7,5 8

8,5 9

9,5 10

Odległość elektrod a, cm

N

a

p

ię

c

ie

p

rz

e

sk

o

k

u

U

p

,

k

V

50 Hz, udar ujemny

udar dodatni

Rys. 15. Wartości napięć przeskoku dla iskiernika kulowego o średnicy kul 12,5 cm przy t = 20

°

C

(293 K) i b = 1013 hPa

Ć

wiczenie 7. Badanie wytrzymałości powietrza przy napięciu piorunowym

15

3. Wyznaczenie punktu przeci

ęcia się 50% charakterystyk udarowych iskiernika kulowego

(obiekt) i iskiernika ostrzowego (ochronnik)

3.1.

Schemat układu

GUN

Obiekt

Ochronnik

Rys. 14. Sposób przyłączenia iskierników do generatora udarów napięciowych (GUN)

Kolejność czynności:

a.

Przyłączyć do generatora udarów iskiernik kulowy i ostrzowy (odstęp kul 3 cm, odstęp między
ostrzami > 10 cm). Załączyć generator udarowy.

b.

Ustawić 100% napięcie przeskoku dla iskiernika kulowego (przy odstępie kul 3 cm przeskok elek-
tryczny przy każdym udarze).

c.

Zmniejszać odległość między ostrzami dotąd, dopóki nie zostanie zapewniona ochrona obiektu.
Wszystkie przeskoki powinny występować na iskierniku ostrzowym.

d.

Podwyższać wartość szczytową udarów i obserwować zachowanie się iskierników. Taka wartość
szczytowa udarów, przy której średnio połowa z nich wywołuje przeskok na ochronniku i połowa
na obiekcie, wyznacza nam punkt przecięcia się charakterystyk udarowych 50%. Wyłączyć gene-
rator.

e.

Odłączyć iskiernik ostrzowy. Przy pomocy iskiernika kulowego pomierzyć wartość napięcia uda-
rowego odpowiadającą punktowi przecięcia charakterystyk udarowych (ustawienie odległości mię-
dzy kulami odpowiadającej 50% napięciu przeskoku, odczytanie napięcia z wykresu, uwzględnie-
nie warunków atmosferycznych).

4.

Wnioski

Wnioski powinny zawierać własne spostrzeżenia i uwagi dotyczące przebiegu ćwiczenia i otrzyma-

nych wyników badań.