background image

– 1 –

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA

Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

ĆWICZENIE  7

BADANIE  WYTRZYMAŁOŚCI  POWIETRZA

PRZY  NAPIĘCIU  PIORUNOWYM

I. WIADOMOŚCI  TEORETYCZNE

1. Wytrzymałość 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 elek-

trycznego: 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

background image

– 2 –

 

Czas t

0

 (t

0

 = t

st

 + t

w

) liczony od momentu doprowadzenia napięcia o wartości odpowiadającej statycz-

nemu napięciu przeskoku do chwili zwarcia elektrod przez wyładowanie nosi nazwę opóźnienia przesko-
ku. 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 przeskoku  U

p

P

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

 p

rz

es

k

o

k

u

 P

p

%

100

50

0

U

pśr

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

p

)

background image

– 3 –

p

U

p2

U

p

S

s

U

p1

Rys. 3. Krzywa rozkładu gęstości prawdopodobieństwa udarowego napięcia przeskoku

Udarowe napięcie przeskoku  U

p

P

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

 p

rz

es

k

o

k

u

 %

99,5

99

98

95
90

80
70

60

50

40

30

20

10

5

2

1

0,5

U

50

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.

background image

– 4 –

2. Metody wyznaczania 50-procentowych piorunowych napięć 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

kwadratów, prostą można określić z wzoru

y – y

ś

r

 = a(U – U

ś

r

),

gdzie:  

=

n

1

i

i

ś

r

y

n

1

y

,

    

=

n

1

i

i

ś

r

U

n

1

U

,

 

  

=

=

=

n

1

i

2

ś

r

i

n

1

i

i

ś

r

i

)

U

U

(

y

)

U

U

(

a

.

Napięcie przeskoku

P

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

 p

rz

es

k

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

background image

– 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.

4

20

14 15 16 17 18 19

n

U

przeskok

10 11

8 9

5 6

7

brak przeskoku

2

3

1

13

12

0

U

1

U

2

U

4

U

3

U

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 napięciowy

background image

– 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

púr

=

=

.

(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

ś

r

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

k

o

k

u

 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

.

background image

– 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 charakterystyk 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.

background image

– 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

background image

– 9 –

leży poniżej charakterystyki dla układu ostrzowego. Przy połączeniu równoległym obu układów iskiernik
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

p

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

background image

– 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

background image

– 11 –

II. POMIARY

1.

 

Pomiar udarowego napięcia przeskoku w układzie ostrze-płyta

R

c

R

t

C

C

C

R

t

R

t

S

P

C

I

p

C

c

T

p

Ro

R

t

R'

m

R

t

R

t

R'

m

R

t

R"

m

R"

m

R

r

R"

m

R'

m

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 międzystopnio-

we, R

t

 - rezystory tłumiące, R

 - 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).

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

background image

– 12 –

1.2. Wyniki pomiarów i obliczeń

Wartość szczytowa napięcia przeskoku na iskierniku kulowym w warunkach pomiaru wynosi

U

p

 = k

U

pn

 ,

gdzie: k = f(

δ

) - odczytane z wykresu (rys. 14), 

δ

 = 0,289

p/T - względna gęstość powietrza (ciśnienie p

w hPa, temperatura bezwzględna T w Kelwinach).
U

pn

 - wartość szczytowa napięcia przeskoku odczytana z tablic (PN-64/E-04050) dla średnicy kul

12,5 cm i otrzymanego odstępu

 

między

 

kulami lub z wykresu wykonanego na podstawie tych ta-

blic (rys. 15).

Wpływ wilgotności dla iskiernika pomiarowego jest pomijalny.
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-92/E-04060.

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.

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

k = f(

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. Określenie 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.

background image

– 13 –

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 (

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 (

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

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

1,15

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

1,15

1,2

Względna gęstość powietrza  

W

sp

ó

łc

zy

n

n

ik

 p

o

p

ra

w

k

o

w

y

 k

Rys. 14. Zależność współczynnika poprawkowego k od gęstości względnej powietrza dla iskierni-

ka kulowego

background image

– 14 –

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

ap

ci

p

rz

e

sk

o

k

u

  

U

p

k

V

m

x

 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

3. Wyznaczenie punktu przecięcia 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)

background image

– 15 –

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.