Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki
Mgr inż. Mikołaj Skowron

Technika Wysokich Napięć

Ćwiczenie nr 2

Badanie układów probierczych napięcia przemiennego, udarowego i stałego

1.

ZESPOŁY PROBIERCZE WYSOKIEGO NAPIĘCIA PRZEMIENNEGO

Opracowanie nowych konstrukcji urządzeń elektroenergetycznych wymaga badań ich
elementów i prototypów w celu doboru roboczych naprężeń elektrycznych i oceny
odporności na narażenia eksploatacyjne. Z tego powodu źródła wysokiego napięcia
przemiennego stanowią podstawowe wyposażenie Laboratoriów Wysokich Napięć.
Odrębną grupę badań stanowią tzw. próby napięciowe, których celem jest sprawdzenie
zapasu wytrzymałości elektrycznej wysokonapięciowych układów izolacyjnych przy
wymaganym napięciu probierczym.

Napięcie probiercze przemienne U

pr

, jest stosowane w badaniach laboratoryjnych

oraz do przeprowadzania prób napięciowych izolacji urządzeń elektrycznych.
Napięcie U

pr

powinno być praktycznie sinusoidalne, to znaczy:

-

współczynnik kształtu

%

5

2

k

±

=

-

wartości maksymalne biegunowości dodatniej i ujemnej nie powinny różnić się

więcej niż o

±5%,

-

częstotliwość w zakresie 40

÷ 62Hz.

Napięcie probiercze przemienne w próbach napięciowych dzieli się na:
a)

krótkotrwałe – gdy czas jego działania nie przekracza 1 minuty (w przypadku

kabli 5 minut),
b)

długotrwałe – gdy czas ten jest dłuższy i wynosi np. 4 godziny w badaniach

kabli.

Większość prób napięciowych dotyczy izolacji jednofazowej doziemnej lub między-
fazowej. Z tego powodu napięcie probiercze wytwarzane jest w zespołach probierczych
zawierających transformatory jednofazowe. Źródła trójfazowe otrzymuje się, w razie
potrzeby, za pomocą trzech transformatorów jednofazowych.

Transformatory probiercze w odróżnieniu od transformatorów energetycznych,
charakteryzują się znacznie mniejszą mocą, większą przekładnią oraz są przystosowane
do pracy krótkotrwałej, co stwarza łagodne warunki pod względem ich nagrzewania się.
Są to transformatory w izolacji papierowo-olejowej, zapewniające brak wewnętrznych
wyładowań niezupełnych.
W transformatorach tych, kadź z rdzeniem i uzwojeniami (metalowa lub z materiału
izolacyjnego) jest wypełniona olejem. Wykonanie obudowy transformatora z materiału
izolacyjnego np. odpowiedni rodzaj żywicy, pozwala na znaczne zmniejszenie jego

ciężaru oraz wymiarów, ze względu na wyprowadzenie uzwojeń bez izolatorów
przepustowych oraz brak oleju.
Transformatory olejowe charakteryzuje mała wartość reaktancji rozproszenia i dobre
zabezpieczenie uzwojeń przed wpływami zewnętrznymi.



1.1. Charakterystyka zespołów probierczych

W skład zespołu probierczego, w którym wytwarzane jest wysokie napięcie przemienne,
wchodzą (rys.1.1):

−

źródło napięcia przemiennego (sieć zasilająca lub własny generator),

−

transformator regulacyjny TR,

−

transformator probierczy wysokiego napięcia TP, do którego przyłączony jest badany
obiekt.

Rys.1.1. Zespół probierczy wysokiego napięcia przemiennego:

TR – transformator regulacyjny, TP - transformator probierczy,

Ro – opornik tłumiący, OB - badany obiekt, U

2

= U

pr

Podstawowe rodzaje zespołów probierczych to:

−

pojedynczy transformator,

−

połączenie szeregowe transformatorów,

−

połączenie kaskadowe kilku transformatorów,

−

połączenie równoległo-kaskadowe transformatorów.

Parametry znamionowe zespołu probierczego:
U

n

napięcie znamionowe,

S

n

moc znamionowa,

u

zw

napięcie zwarcia,

P

zw

moc zwarcia

1.2. Zespoły probiercze z pojedynczym transformatorem

1.2.1. Układy połączeń transformatorów

I

2

I

1

TP

TR

U

2

∼

U

1

R

o

OB

Zespoły probiercze z pojedynczym transformatorem są budowane jako symetryczne lub
niesymetryczne.

W układzie symetrycznym - stosowanym do badania izolacji międzyfazowej (IM) - obydwa
bieguny uzwojenia wysokiego napięcia transformatora są wyprowadzone, a środek uzwojenia
uziemiony (rys.1.2a) lub nieuziemiony, lecz połączony z rdzeniem i obudową. Stwarza to
dogodne warunki dla izolacji biegunów uzwojenia wysokiego napięcia transformatorów tj. dla
izolatorów przepustowych, która może być wykonana na napięcie równe połowie napięcia
znamionowego.
Transformatory probiercze w układzie symetrycznym budowane są obecnie na napięcie do
750kV, a w pojedynczych przypadkach nawet do 1000kV.

a)

b)

Rys.1.2. Transformatory probiercze w układzie: a) symetrycznym, b) niesymetrycznym

W układzie niesymetrycznym - stosowanym do badania izolacji fazowej, doziemnej (ID) -
jeden biegun uzwojenia WN jest wyprowadzony, a drugi połączony z rdzeniem, obudową
i uziemiony (rys.1.2b).
Z uwagi na mniej korzystny rozkład napięcia wzdłuż uzwojenia WN i konieczność
stosowania izolacji tego bieguna na pełne napięcie znamionowe, transformatory w układzie
symetrycznym budowane są na napięcie do 500kV.
Poziom napięcia znamionowego pojedynczego transformatora probierczego jest ograniczony
możliwościami konstrukcyjnymi. Dla wytwarzania dostatecznie wysokiego napięcia
przemiennego stosuje się kilka transformatorów odpowiednio połączonych.


1.2.2. Moc znamionowa zespołu

Moc znamionowa S

n

jest to iloczyn napięcia i prądu po stronie wysokiego napięcia

transformatora:

n

n

2

2

n

U

J

U

J

S

⋅

=

⋅

=

(1.1)

Dla celów prób napięciowych wymagana jest odpowiednia moc znamionowa zespołu
probierczego. Jest to moc ograniczona dopuszczalnym przyrostem temperatury izolacji
urządzeń zespołu.
Charakter obciążenia transformatora probierczego zależy od rodzaju obiektu poddawanego
próbie.
Obciążenie zespołu probierczego ma na ogół charakter pojemnościowy, za wyjątkiem badań:
−

w obecności ulotu elektrycznego,

TP

U

2

+1/2U

2

-1/2U

2

U

1

TP

U

2

U

1

−

prób pod deszczem izolatorów,

−

prób zabrudzeniowych izolatorów,

−

kiedy należy uwzględnić obciążenie pojemnościowo-rezystancyjne.

Wartości pojemności doziemnych obiektów zawierają się w zakresie od kilkudziesięciu pF do
kilku

μF (tabela 1.1).

Tabela 1.1. Pojemności doziemne urządzeń

Urządzenie Pojemność [pF]

Izolatory wiszące

Izolatory przepustowe transformatorów i wyłączników

Przekładniki napięciowe i prądowe

Transformatory energetyczne

Maszyny wirujące

Kable

do kilkudziesięciu

50

÷ 800

100

÷1000

500

÷20000

10

5

÷3 ⋅10

5

250

÷300 pF/m

Stosowane konstrukcje transformatorów probierczych o prądzie znamionowym równym 1A,
tzn. posiadające moc znamionową równą 1kVA na 1kV napięcia probierczego, umożliwiają
przeprowadzenie większości prób napięciowych i badań układów izolacyjnych wysokiego
napięcia.

Powinien być wówczas spełniony warunek:

C

U

S

pr

n

⋅

ω

⋅

≥

2

(1.2)

gdzie: U

pr

- napięcie probiercze,

C - pojemność badanego obiektu

Np. dla C = 1000pF wartości mocy znamionowej S

n

zespołu probierczego przedstawia tabela 1.2.

Tabela 1.2. Moce zespołu probierczego

U [kV]

50

100

500

1000

S

n

[kVA]

0,785

3,14

78,5

314

Niespełnienie powyższego warunku (1.2) prowadzi ze wzrostem obciążenia do obniżenia
napięcia probierczego i zniekształcenia jego przebiegu.
Moc znamionowa transformatora, ze względu na czas trwania próby równy najczęściej
1 minutę oraz przerwy między pomiarami i przygotowanie, jest mocą pracy 15-minutowej.

1.2.3. Moc zwarciowa zespołu

Odpowiednia wartość mocy zwarciowej transformatora jest niezbędna do podtrzymania prądu
wyładowania w przypadku przeskoku lub przebicia badanej izolacji. Wartość mocy
zwarciowej zależy od napięcia probierczego U

pr

i impedancji zastępczej zespołu probierczego

z

pr

zw

X

U

S

2

=

(1.3)

gdzie: X

z

– reaktancja zastępcza zespołu

Reaktancję zastępczą X

z

stanowią (rys.1.3):

X

s

- reaktancja sieci zasilającej,

X

r

- reaktancja elementu regulacyjnego,

X

TP

- reaktancja transformatora probierczego

Reaktancja zastępcza zespołu probierczego wynosi:

TP

r

s

z

X

X

X

X

+

+

=

(1.4)

i powinna być mała aby zapewnić wymaganą wartość prądu zwarciowego.

Rys.1.3. Schemat zastępczy zespołu probierczego: C - pojemność badanego obiektu

Wartość prądu zwarciowego I

zw

oblicza się z pomiaru napięcia zwarcia u

zw

transformatora

%

zw

n

n

pr

zw

zw

u

J

U

U

[%]

u

I

I

100

100

2

⋅

⋅

=

⋅

=

(1.5)

gdzie:

I

n

- prąd znamionowy w uzwojeniu wysokiego napięcia,

U

n

– napięcie znamionowe transformatora,

U

pr

– napięcie probiercze

1.2.4. Napięcie zwarcia transformatora probierczego

Napięcie zwarcia zespołu u

zw

jest to napięcie na zaciskach uzwojenia niskiego napięcia

transformatora przy zwartych zaciskach uzwojenia wysokiego napięcia i płynącym w nim
prądzie znamionowym I

n

[PN-81/E-040040.09].

Napięcie zwarcia transformatora wynosi:

100

U

U

[%]

u

n

zw

zw

=

(1.6)

X

r

X

s

X

TP

U

pr

C

~

gdzie:

U

zw

– napięcie zwarcia [V],

U

n

– napięcie znamionowe transformatora [V]

Wartość napięcia zwarcia transformatorów probierczych wynosi kilka procent.


1.2.5. Zabezpieczenia

Zespół probierczy wysokiego napięcia jest wyposażony w:
a)

zabezpieczenie nadmiarowo-prądowe, zapewniające szybkie wyłączenie zwarcia w

obwodzie w wyniku przebicia badanego obiektu. Stanowią je wyzwalacze nadprądowe
bezzwłoczne lub wyłączniki termiczne,
b)

zabezpieczenie przed wystąpieniem drgań własnych obwodu, szczególnie podczas

wyładowań elektrycznych po stronie wtórnej transformatora oraz ograniczające prąd
zwarciowy I

zw

Wartość wymaganego rezystora R

o

wynosi (rys.1.1)

n

2

n

R

o

S

U

k

R

⋅

=

(1.7)

zakładając że: I

zw

≥

I

n

oraz u

zw

≅

0, k

R

= 1, wartość rezystora R

o

przyjmuje się zwykle równą

5

Ω/1kV napięcia probierczego

1.3. Połączenie szeregowe transformatorów

Łącząc szeregowo uzwojenia wysokiego napięcia dwu jednakowych transformatorów, przy
uziemionym punkcie środkowym tego połączenia, otrzymuje się między izolowanymi
biegunami napięcie równe dwukrotnej wartości napięcia znamionowego jednego
transformatora (rys.1.4). W większości prób napięciowych izolacji wymagane jest jednak
napięcie probiercze względem ziemi.

Rys.1.4. Połączenie szeregowe dwu transformatorów probierczych TP1 i TP2

1.4. Połączenia kaskadowe transformatorów

2U

TP1

TP2

U

U

~

W połączeniu kaskadowym transformatorów uzwojenia wysokonapięciowe są połączone
szeregowo, dzięki czemu na zacisku ostatniego transformatora otrzymuje się bez obciążenia
n-krotnie większą wartość napięcia (n = 2, 3, 4, rzadko więcej). Sposób zasilania tych
transformatorów prowadzi do trzech zasadniczych konstrukcji.



1.4.1. Układ kaskadowy z dodatkowymi transformatorami izolującymi

W schemacie połączeń przedstawionym na rysunku 1.5 uzwojenia wysokonapięciowe (1)
czterech transformatorów (I - IV) połączone są szeregowo, przy czym jeden z biegunów
transformatora pierwszego stopnia (I) jest uziemiony. W transformatorach następnych stopni
jeden biegun uzwojenia WN jest połączony z obudową i z końcem uzwojenia poprzedniego
stopnia, wyprowadzonym poprzez izolator przepustowy. W ten sposób, za wyjątkiem trans-
formatora I, pozostałe muszą być odizolowane od ziemi, przy czym izolacja kolejnych stopni
wzrasta. Zatem obudowa transformatora II znajduje się na izolacyjnej podstawie na napięcie
U, transformatora III - 2U, transformatora IV - 3U. Zasilanie transformatorów następuje z
sieci lub ze specjalnego generatora za pośrednictwem dodatkowych transformatorów
izolujących T

i

o przekładni 1:1, odizolowanych od ziemi w sposób pokazany na rysunku 1.5.

W przedstawionym układzie kaskadowym, zawierającym cztery transformatory pro-biercze,
konieczne jest zastosowanie sześciu transformatorów izolujących, co stanowi podstawową
wadę tego układu.

Rys.1.5. Układ kaskadowy z transformatorami izolującymi T

i

, IW - izolatory wsporcze

U

1

Ti

Ti

Ti

4U

IW

U

1

Ti

U

1

IW

~

U

1

Ti

Ti

1.4.2. Układ kaskadowy z uzwojeniami wiążącymi

Zastosowane w tym układzie transformatory muszą posiadać po stronie wysokiego napięcia
dodatkowe uzwojenia tzw. uzwojenia wiążące W dla zasilania następnego stopnia kaskady
(rys.1.6). Uzwojenie to spełnia również funkcję uzwojenia izolującego w miejsce
dodatkowych transformatorów.
Zasada powyższa stosowana jest w większości konstrukcji układów kaskadowych
transformatorów probierczych.

Rys.1.6. Układ kaskadowy z uzwojeniami wiążącymi W, IW - izolatory wsporcze

1.4.3. Układ kaskadowy ze sprzężeniem autotransformatorowym

W układzie tym tylko transformator pierwszego stopnia posiada oddzielne uzwojenie niskiego
i wysokiego napięcia, natomiast pozostałe posiadają uzwojenia autotransformatorowe,
zawierające uzwojenie zasilające (Z), wysokonapięciowe (WN) i wiążące (W) (rys.1.7).

Rys.1.7. Układ kaskadowy ze sprzężeniami autotransformatorowymi

4U

~

W

I

IV

W

II

III

IW

W

4U

~

I

4U

II

W

WN

Z

III

W

WN

Z

IV

WN

Z

1.4.4. Moc układu kaskadowego

Moc znamionowa kaskady

S

nk

jest równa iloczynowi napięcia na wyjściu kaskady

2

k

U

n

U

⋅

=

i prądu znamionowego I

2

, gdzie: n – liczba stopni kaskady.

Przyjmując oznaczenia jak na rysunku 1.8, moc znamionowa po stronie wysokiego napięcia
S

nk

na wyjściu kaskady n-stopniowej wynosi:

2

k

2

2

1

1

nk

I

U

I

nU

U

I

S

⋅

=

⋅

=

⋅

=

(1.8)

lub

n

nk

S

n

S

⋅

=

(1.9)

Uzwojenie pierwotne transformatora I, zasilające całą kaskadę, jest obliczone na całkowitą
moc kaskady.
W konstrukcjach zespołów probierczych naogół jest przyjęte, że prąd znamionowy na wyjściu
kaskady wynosi 1A.

Rys.1.8. Rozpływ prądów i podział napięć w układzie kaskadowym

Całkowita moc kaskady Sc jest równa sumie mocy poszczególnych stopni

∑

∑

=

=

⋅

=

⋅

=

n

1

i

n

n

1

i

2

2

c

S

n

I

nU

S

(1.10)

lub

n

c

S

2

)

1

n

(

n

S

⋅

+

=

(1.11)

Współczynnik wykorzystania mocy zainstalowanej

kaskady wynosi:

c

nk

w

S

S

k

=

(1.12)

Gdy kaskada zawiera np. trzy człony (n = 3), wówczas:

III

2U

2

3U

2

U

2

I

2

I

2

I

1

I

II

~

I

2

U

1

n

c

n

nk

S

6

S

S

3

S

=

=

a współczynnik wykorzystania mocy kaskady k

w

= 0,5

1.5. Dane techniczne transformatorów probierczych i układów kaskadowych

1.5.1. Parametry znamionowe

Podstawowe napięcia znamionowe transformatorów probierczych wynoszą: 30, 60, 110, 300,
400, 800 i 1000kV o prądzie obciążenia od 0,3 do 1A. Transformatory na napięcie 800
i 1000kV budowane są przeważnie jako kaskady dwuczłonowe.
Dane techniczne transformatorów probierczych typu TP przedstawia tabela 1.3.

Tabela 1.3. Dane techniczne transformatorów probierczych typu TP

Lp

Dane
transformatora

Jedno

-stka TP30 TP60 TP110 TP300 TP400 TP800 TP1000

1.
2.
3.

4.

5.

6.

7.
8.
9.

10

Napięcie pierwotne
Napięcie wtórne
Moc znamionowa
15-minutowa
Moc znamionowa
ciągła
Prąd znamionowy
wtórny 15-minut.
Prąd znamionowy
wtórny ciągły
Częstotliwość
Ilość członów
Wysokość
Masa

kV
kV

kVA

kVA

A

A

Hz

szt.

m

tona

0,22

30
10

5

1,66

0,16

50

1

1,26

0,3

0,22

60
20

10

0,33

0,16

50

1

0,3

0,22

110

40

10

0,364

0,091

50

1

1,46

0,6

6,0

300

90

-

0,3

-

50

1

3,14

6,5

6,0

400
120

-

0,3

-

50

1

3,44

7,0

6,0

800
240

-

0,3

-

50

2

6,79
14,0

3,6

1000
1000

-

1,0

-

50

2

7,7

30,0

1.5.2. Przykłady połączeń układów kaskadowych

Schemat kaskady zbudowanej z dwu jednostek 400kV przedstawia rysunek 1.9.

Rys.1.9. Kaskada dwuczłonowa na napięcie 800kV; uzwojenia: 1 - zasilające,

2 - wysokiego napięcia, 3 - wyrównawcze, 4 – wiążące

W każdym członie środek uzwojenia wysokiego napięcia tj. koniec uzwojenia cewki dolnej
wysokiego napięcia (2a) i początek uzwojenia cewki górnej wysokiego napięcia (2b)
połączone są z rdzeniem, co powoduje, że posiada on potencjał równy połowie wysokiego
napięcia jednego członu.
Uzwojeniami zasilającymi są: dla pierwszego członu - uzwojenie (1), dla drugiego członu
uzwojenie (4). Uzwojenia wiążące (3) i (3') służą do przenoszenia mocy z dolnego słupa
rdzenia na górny w każdym członie kaskady.
Schemat trójczłonowej kaskady z uzwojeniami wiążącymi na napięcie 2250kV o mocy
krótkotrwałej 2250kVA przedstawia rysunek 1.10.
Schemat trójczłonowej kaskady z transformatorami izolującymi T

i

na napięcie 2250kV

o mocy krótkotrwałej 5000kVA przedstawia rysunek 1.11.

Rys.1.10. Kaskada trójczłonowa na napięcie 2250kV o mocy krótkotrwałej 2250kVA

z uzwojeniami wiążącymi

400kV

800kV

2a

2b

2d

2c

2

1

4

3

2

2

3

4

2

1125kV

1500kV

1875kV

2250kV

3U

123

324

750k

375k

~

Rys.1.11. Kaskada trójczłonowa na napięcie 2250kV z transformatorami izolującymi T

i

1.6. Laboratoryjne zespoły probiercze

Dane znamionowe transformatorów probierczych:

1) Transformator probierczy TP60

(rys.1.12)

Napięcie pierwotne

220 V lub 380V, 50Hz

Przy szeregowym połączeniu cewek uzwojenia pierwotnego:
napięcie wtórne

30 kV,

moc znamionowa 8 godz.

5 kVA, 15 min. - 10 kVA

Przy równoległym połączeniu cewek uzwojenia pierwotnego:
napięcie wtórne

60 kV

moc znamionowa 8 godz.

10 kVA, 15 min. - 20 kVA

dokładność przekładni przy biegu jałowym

±5%

napięcie probiercze

78 kV

masa

200

kg

Uzwojenie pierwotne (zasilające) składa się z dwóch cewek, które można łączyć szeregowo
lub równolegle w celu uzyskania po stronie wtórnej napięcia o wartości 30 lub 60kV.
a)

b)

375kV 750kV

750kV

375kV

375kV

1125kV

1125kV

2250kV

1500kV

1875kV

TrWN

TrWN

TrWN

T

i

Ti

T

i

123 324

43

31 13

3U

~

U

1

U

2

=30kV

U

1

U

2

= 60kV

Rys.1.12. Transformator probierczy TP60. Schemat połączeń uzwojenia zasilającego:

a) połączenie szeregowe, b) połączenie równoległe

Izolację główną stanowią płyty i rury z papieru bakelizowanego oraz olej transformatorowy.

2) Transformator probierczy TP110
napięcie pierwotne

220V, 50Hz

napięcie wtórne

110 kV

moc znamionowa ciągła

10

kVA

moc znamionowa dorywcza (15 min.)

40 kVA

prąd znamionowy wtórny ciągły

0,09/A

prąd znamionowy wtórny dorywczy (15 min) 0,36/A
napięcie probiercze przy 50Hz w ciągu 5min. 143 kV
dokładność przekładni bez obciążenia

± 5%

masa

400

kg

Uzwojenia pierwotne i wtórne cylindryczne, osadzone są na kolumnie rdzenia i umieszczone
w zbiorniku z olejem transformatorowym. Zbiornik ten stanowi rura z papieru
bakelizowanego, która spełnia jednocześnie rolę izolatora bieguna wysokiego napięcia w
stosunku do ziemi.

3) 2-stopniowa kaskada transformatorów

Przedstawiona na rysunku 1.13 dwustopniowa kaskada transformatorów została

zbudowana w Laboratorium Wysokich Napięć Katedry Elektroenergetyki Akademii
Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

R

t

~ 220 V

TP 110/2

TP 110/1

W

R

o

I

2

I

2

I

1

I’

1

TR

U

2

2U

2

izolatory
wsporcze

U

1

Rys.1.13. Schemat 2-stopniowej kaskady transformatorów.

TP110/1 - transformator z uzwojeniem wiążącym W, TP110/2 - transformator

izolowany od ziemi, TR - transformator regulacyjny, R

o

- rezystor

ograniczający prąd zwarciowy, R

t

- rezystor tłumiący

2.

WYTWARZANIE NAPIĘĆ UDAROWYCH

Napięcie udarowe piorunowe jest napięciem probierczym we wszystkich
grupach urządzeń elektrycznych według klasyfikacji IEC, a więc urządzeń o napięciu
znamionowym od 1kV do napięć najwyższych, w Polsce do napięcia 400 kV.
Napięcie udarowe jest stosowane do sprawdzania odporności układów izolacyjnych
na przepięcia atmosferyczne, występujące w eksploatacji .
Przepięcia atmosferyczne o czasie trwania rzędu 10

-4

s i przebiegu czasowym

przedstawionym na rysunku 2.1a, są w laboratoriach modelowane udarami
napięciowymi znormalizowanymi, przedstawionymi na rysunku 2.1b.

Rys.2.1. Przebiegi czasowe: a) przepięcia atmosferycznego, b) napięcia udarowego

piorunowego

Przepięcia atmosferyczne w sieciach elektroenergetycznych występujące po
uderzeniu pioruna bezpośrednio w linię napowietrzną lub w jej pobliżu, osiągają
bardzo wysokie wartości, rzędu MV. Inny kierunek prac z zastosowaniem napięć
udarowych stanowią badania mechanizmów wyładowań elektrycznych w tzw.
wielkich odstępach izolacyjnych. Wyładowania te decydują bowiem o ich
wytrzymałości elektrycznej.
Napięcia udarowe piorunowe wytwarzane są w Laboratoriach Wysokich Napięć
wyposażonych w generatory napięć udarowych, wytwarzających udary napięciowe o
znormalizowanym przebiegu czasowym. Wytwarzanie takich nie zniekształconych
przebiegów napięciowych, a następnie ich rejestracja, należą do specjalnych
zagadnień w wysokonapięciowej technice probierczej. Obecnie w praktyce labora-
toryjnej stosowane są metody cyfrowej rejestracji napięć udarowych, a związane z
nimi wymagania i procedury są szczegółowo sformułowane przez Międzynarodowy
Komitet Elektrotechniki [IEC-1083-1, IEC-1083-2].

2.1. Napięcia udarowe

2.1.1.

Napięcie udarowe piorunowe

Napięcie udarowe jest to krótkotrwały przebieg napięcia jednokierunkowego, które wzrasta
bez znacznych oscylacji od zera do wartości szczytowej, a następnie maleje do zera.
Wielkościami charakteryzującymi udary napięciowe są:
− wartość szczytowa, to jest największa wartość chwilowa napięcia udaru U

m

,

− biegunowość,
− kształt.
Napięcie udarowe piorunowe o przebiegu znormalizowanym otrzymuje się z generatorów
udarów napięciowych. Na rysunku 2.2 przedstawiono udar piorunowy normalny, pełny.

Rys.2.2. Udar piorunowy normalny, pełny:

T1 - czas trwania czoła, T2 - czas do półszczytu

Czoło udaru

jest to część krzywej, odpowiadająca wzrostowi napięcia od 0 do U

m

.

Czas trwania czoła

T

1

jest to czas pomiędzy umownym początkiem udaru (punkt 01)

i punktem C1.

Grzbiet udaru

jest to część krzywej odpowiadająca zmniejszaniu się napięcia od U

m

do

zera.

Czas do półszczytu

T

2

(między 01D1) jest to czas od umownego początku udaru do chwili,

gdy wartość chwilowa udaru osiągnie 0,5 wartości szczytowej na grzbiecie.

Kształt napięcia udarowego piorunowego do badań wytrzymałości udarowej jest

znormalizowany [PN-92/E-04060]:

T

1

= 1,2

μ

s T

2

= 50

μ

s

i oznacza się go jako udar 1,2/50.

Stromość napięcia

na czole jest to stosunek U

m

/T

1

.

0,5

U

A

0,9

0,3

1,0

0

B

T

2

T

1

0

1

t

C

D

C

1

D

1

Um

W przypadku wyładowania zupełnego na obiekcie badanym (występują przeskoki lub

przebicia), następuje ucięcie udaru, tzn. nagły spadek napięcia do wartości praktycznie równej
zero. Ucięcie udaru może nastąpić na czole lub na grzbiecie (rys.2.3). Czas do ucięcia Tc jest
to czas między umownym początkiem udaru 01 a chwilą ucięcia.

Rys.2.3. a) Udar piorunowy ucięty na grzbiecie; b) udar piorunowy ucięty na czole Tc - czas do

ucięcia

2.1.2.

Napięcie udarowe łączeniowe

Przepięcia łączeniowe, występujące podczas przełączeń w sieci elektroenergetycznej, mają

charakter tłumionych oscylacji o częstotliwości od 10

3

do 10

4

Hz.

Udar łączeniowy normalny (rys.2.4) jest charakteryzowany przez czas do szczytu Tp i czas do
półszczytu T2, przy czym:

Tp = 250

μ

s T

2

= 2500

μ

s

i oznacza się go jako udar 250/2500

1,0
0,9

0,3

0

0

1

0,7

U

A

B

C

D

T

c

U

m

U

1

0,1

t

a)

B

1,0

0,9

0,3

0

0

1

U

t

T

c

A

C

D

0,7

0,1

b)

Rys.2.4. Udar łączeniowy normalny, pełny

Tp – czas do szczytu, T2 – czas do półszczytu

2.2. Generator napięć udarowych

Napięcia udarowe: piorunowe i łączeniowe wytwarzane są przez generatory napięć

udarowych.

Uproszczony schemat n-stopniowego generatora udarów napięciowych przedstawia

rysunek 2.5.

Rys.2.5. Schemat n-stopniowego generatora napięć udarowych

Poszczególne części generatora to:

1)

źródło napięcia,

zawierające:

TrWN – transformator wysokiego napięcia,

P – prostownik,

R

o

– rezystor wstępny ograniczający prąd ładowania

R

1

C

1

C

2

R

2

J

2

U(t)

n’

n

R

τ

C

1

C

d

R

t

R

τ

J

1

2

R

τ

C

1

R

t

R

τ

J

1

3

2’

3’

C

d

C

d

R

o

C

1

R

o

1

1’

P

U

o

V

3

2

1

TrWN

U

T

2

1,0

0,55

0

t

U

m

T

p

2) stopnie generatora,

w których:

R

τ

– rezystory ładujące,

R

t

– rezystory tłumiące,

C

1

– kondensatory międzystopniowe,

J

1

– iskierniki międzystopniowe o określonej wartości napięcia zapłonu,

n – liczba stopni generatora,
Cd – pojemności doziemne generatora,

3) obwód zewnętrzny:

J

2

– iskiernik zewnętrzny,

R

1

– rezystor tłumiący zewnętrzny,

R

2

– rezystor rozładowczy,

C

2

– pojemność badanego obiektu.

Praca generatora polega na ładowaniu kondensatorów C

1

w połączeniu równoległym za

pośrednictwem oporników R

τ

, a następnie ich rozładowaniu, w wyniku czego w obwodzie

zewnętrznym powstaje krótkotrwały udar napięciowy.

Rozładowanie odbywa się w połączeniu szeregowym, przy czym przełączenie

kondensatorów z połączenia równoległego w szeregowe odbywa się za pomocą iskierników
międzystopniowych J

1

. Stałe czasowe ładowania kondensatorów C

1

są prawie jednakowe,

gdyż R

o

>> R

τ

. Po zakończeniu ładowania potencjały punktów 1, 2, 3 ... n są równe wartości

szczytowej napięcia przemiennego Uo, zaś punktów 1’, 2’, 3’ ....n’ - zeru.

W procesie ładowania nie powinien nastąpić zapłon na iskiernikach międzystopniowych, a

więc ich napięcie zapłonu powinno być większe niż U

o

.

Zapłon na iskierniku J

1

pierwszego stopnia rozpoczyna rozładowanie generatora

zapoczątkowane przez:

− zmniejszenie odstępu między kulami tego iskiernika,

− zastosowanie na pierwszym stopniu iskiernika 3-elektrodowego, tzw. trygatronu

(rys.2.6), odpowiedniego w symetrycznych układach zasilających. W wyniku przeskoku
między elektrodami np. E

2

i E

3

, następuje przeniesienie wysokiego potencjału na

elektrodę E

3

, co w rezultacie ułatwia wyładowanie między głównymi elektrodami

iskiernika E

1

i E

2

.

− zastosowanie iskiernika sterowanego (rys.2.7), zawierającego w jednej z elektrod

głównych elektrodę pomocniczą E

3

, odpowiedniego w niesymetrycznych układach

zasilających. Impuls sterujący na elektrodzie E

3

wywołuje przeskok między elektrodami

E

1

-E

3

, co powoduje obniżenie wytrzymałości głównej przerwy międzyelektrodowej i

rozwój wyładowania w niej.

Rys.2.6. Iskiernik 3-elektrodowy

Rys.2.7. Iskiernik sterowany

Po zapłonie na iskierniku J

1

pierwszego stopnia potencjał p.2’ wzrasta do wartości Uo

a potencjał p.2 względem ziemi staje się równy 2U

o

. Podobnie p.3 - 3U

o

, punktu n - nU

o

, co

powoduje wyładowanie na iskierniku zewnętrznym J

2

. Oporniki R

t

w obwodzie generatora

służą do wytłumienia drgań powstających wskutek obecności (nie pokazanych na schemacie)
indukcyjności obwodu wyładowania oraz szkodliwych pojemności względem ziemi C

d

i między stopniami. Przeskok na iskierniku J

2

rozpoczyna ładowanie pojemności obiektu

badanego C

2

lub innej równoległej. Z powodu spadków napięć na opornikach R

t

i R

1

pojemność C

2

jest ładowana do napięcia nieco niższego niż n

⋅U

o

.

Parametrami charakterystycznymi generatora udarów napięciowych piorunowych są:
− napięcie znamionowe generatora równe n⋅U

o

,

− wartość szczytowa napięcia udarowego U

m

,

− kształt udaru opisany wartościami czasu trwania czoła T

1

i czasu do półszczytu T

2

,

− energia generatora,

W

C

n

U

kWs

m

=

1
2

1

2

[

] (2.1)

− sprawność generatora

2

1

1

C

C

C

U

U

z

z

o

m

+

≤

=

η

(2.2)

gdzie:

C

1z

– pojemność zastępcza generatora,

C

C

n

z

1

1

=

.

Pojemność zastępcza generatora wynosi zwykle 1000 – 10000pF.

Jeżeli

C

1z

= 1000 pF, U

m

= 10

6

V, wówczas W = 0,5 kJ

2.3. Wpływ elementów obwodu generatora na kształt udaru

Dla wyznaczenia przebiegu napięcia udarowego U(t) można posłużyć się uproszczonym,

jednostopniowym schematem zastępczym generatora (rys.2.8.)

E1

E2

E3

E1

E2

E3

Rys.2.8. Schemat zastępczy, jednostopniowy, generatora napięć udarowych

Generator zostaje naładowany poprzez rezystor szeregowy ochronny R

o

i rezystory

ładujące R

τ

do napięcia U

o

. Gdy osiągnie ono wartość napięcia przeskoku

iskiernika

J

2

,

następuje rozładowanie C

1

poprzez R

1

i R

2

i powstaje napięcie U(t) na pojemności C

2

.

wartość napięcia przeskoku na iskierniku J

2

zależy od odległości jego elektrod, natomiast

kształt napięcia udarowego zależy od wartości elementów RC w obwodzie przy czym:
C

1

> C

2

, R

1

< R

2

.

Aby przy danym napięciu ładowania U

o

uzyskać największą wartość

szczytową napięcia U

m

, należy zastosować C

1

>> C

2

. Ekspotencjalny przebieg napięcia

udarowego jest uwarunkowany przede wszystkim stałą czasową C

1

R

2

.

Przebieg czasowy U(t) napięcia udarowego można otrzymać z równań:

2

1

0

2

1

1

1

i

i

i

R

i

idt

C

U

t

o

+

=

=

−

∫

(2.3)

i R

i R

C

i dt

i R

C

i dt

i R

t

t

2

1

1

2

2

2

0

2

1

2

2

0

1

2

1

0

1

−

=

=

−

=

∫

∫

(2.4)

0

U

dla

dt

)

t

(

dU

C

i

)

0

t

(

2

2

=

=

=

(2.5)

Rozwiązanie przy założeniu:

R

1

C

2

<<R

2

C

1

ma postać:

)

e

(e

τ

τ

τ

τ

C

R

U

U(t)

2

1

t/τ

t/τ

2

1

2

1

2

1

o

−

−

−

−

⋅

=

(2.6)

Stałe czasowe

τ

1

i

τ

2

– eksponent zależą od wartości elementów RC:

C

1

C

2

R

o

R

2

J

2

U(t)

U

o

R

1

i

2

i

1

i

τ

1

2

1

2

=

+

R C

C

(

)

(2.7)

τ

2

1

1

2

1

2

=

⋅

+

R

C C

C

C

(2.8)

Napięcie udarowe U(t) jest zatem sumą dwu funkcji ekspotencjalnych o stałych czasowych

τ

1

i

τ

2,

przy czym

τ

1

>>

τ

2

(rys.2.9).

Związek pomiędzy stałymi czasowymi funkcji ekspotencjalnych

τ

1

i

τ

2

a

czasem

trwania

czoła T

1

i czasem do półszczytu T

2

napięcia udarowego, można zapisać wprowadzając

współczynniki:

T

k

T

k

1

2 2

2

1 1

=

=

τ
τ

(2.9)

Wartości współczynników k

1

i k

2

wg Kinda [24] dla udarów o kształcie 1,2/5; 1,2/50;

1,2/200 przedstawiono w tabeli 2.1.

W ten przybliżony sposób można dobrać elementy RC generatora dla danego kształtu

udaru napięciowego.

1

τ

−

⋅

/

t

e

o

U

U

o

U

m

U

o

U(t)

U(t)

2

τ

−

⋅

/

t

e

o

U

t

τ

1

τ

2

Rys. 2.9. Przebieg napięcia udarowego U(t)

Tabela 2.1. Wartości współczynników k

1

i k

2

T

1

/T

2

1,2/5 1,2/50 1,2/200

k

1

1,44 0,73 0,70

k

2

1,49 2,96 3,15

Parametry udaru napięciowego: czas trwania czoła T

1

i czas do półszczytu T

2

zależą

zatem od elementów RC generatora.
Wykreślając zależności:

)

,

(

f

T

)

,

(

f

T

2

1

1

2

1

1

τ

τ

=

τ

τ

=

można określić przedziały w jakich mogą zmieniać się stałe czasowe

τ

1

,

τ

2

aby spełnione były

określone w normie tolerancje dla czasów T

1

,T

2

.

3.

WYTWARZANIE WYSOKICH NAPIĘĆ STAŁYCH

Wysokie napięcie stałe jest stosowane w niektórych badaniach układów izolacyjnych, na
przykład:
a) urządzenia przeznaczone do pracy przy napięciu stałym powinny być badane również

napięciem stałym, dla odtworzenia warunków roboczych,

b) urządzenia pracujące przy napięciu przemiennym poddane zostają próbom napięciem

stałym, gdy znaczna ich pojemność, np. kabli elektroenergetycznych, kondensatorów,
uniemożliwia przeprowadzenie próby napięciem przemiennym,

c) próby napięciem stałym stwarzają mniejsze zagrożenie dla izolacji, gdy występują w niej

wyładowania niezupełne, niż próby napięciem przemiennym,

d) próby napięciem stałym umożliwiają dogodny pomiar prądu upływnościowego lub

rezystancji, dla oceny stanu izolacji.

Źródła wysokiego napięcia stałego stosowane są ponadto w różnych układach zasilających
np. generatorów udarów napięciowych, elektrofiltrów urządzeń rentgenowskich,
akceleratorów cząstek elementarnych, w fizyce oraz w technologii itp.

W źródłach wysokiego napięcia stałego, w których napięcie to uzyskuje się przez

prostowanie napięcia przemiennego, stosowane są obecnie prostowniki półprzewodnikowe.
Wysokonapięciowe diody krzemowe mogą występować w łańcuchu diod połączonych
szeregowo lub jako pojedyncze elementy. Charakteryzują je małe wymiary, wysokie napięcie
wsteczne i duży prąd przewodzenia.

Prostowniki lampowe (coraz rzadziej stosowane) to najczęściej kenotrony (lampy

próżniowe), których działanie polega na zjawisku termoemisji. Graniczne wartości ich
napięcia pracy oraz prądu nasycenia zależą głównie od dopuszczalnej temperatury pracy
katody. Kenotrony budowano na napięcie zwrotne do 400 kV i prąd nasycenia do 500 mA.
Podstawową ich wadą jest konieczność stosowania żarzenia katody.

3.1. Układy prostownicze

Układy prostownicze umożliwiają prostowanie jedno- i dwupołówkowe do wartości
szczytowej napięcia przemiennego. Przebieg napięcia na wyjściu układu zależy od rodzaju
obciążenia i w przypadku znacznej upływności w obiekcie badanym, napięcie wyprostowane
ma przebieg pulsujący. Schematy układów prostowania jedno- i dwupołówkowego
przedstawiono na rysunku 3.3.

TrWN TrWN

Rys. 3.1. Schematy układów prostowania: a) jednopołówkowego, b) dwupołówkowego


3.2. Układy powielające

Układy powielające zawierają transformator wysokiego napięcia oraz odpowiednie układy

prostowników i kondensatorów.

Schemat symetrycznego powielacza napięcia, w którym źródło napięcia przemiennego

zasila, przez dwa prostowniki P

1

i P

2

, obwód złożony z dwóch szeregowo połączonych

kondensatorów C

1

i C

2

przedstawiono na rysunku 3.4.

Schemat niesymetrycznego powielacza napięcia stałego przedstawiono na rysunku 3.5. W
obwodzie P

1

, C

1

powstają przebiegi kolejnego ładowania kondensatora C

1

przez prostownik

P

1

prądem I

p1

do dodatniej wartości maksymalnej napięcia oraz jego rozładowanie.

Rys. 3.2. Symetryczny powielacz napięcia stałego

TrWN

Rys. 3.3. Niesymetryczny powielacz napięcia stałego

Podobnie kondensator C

2

ładuje się prądem I

p2

przez prostownik P

2

. Obydwa obwody pracują

w takich samych warunkach, a wiec prądy I

p1

i I

p2

mają jednakowe wartości. Napięcie

wyjściowe jest sumą napięć na kondensatorach C

1

i C

2

. Powielenie n-krotne można uzyskać

przez dodanie następnych kondensatorów ładowanych przez oddzielne prostowniki.

Program ćwiczenia

Napięcie przemienne
Program ćwiczenia obejmuje zapoznanie się z urządzeniami wchodzącymi w skład zespołów
probierczych wysokiego napięcia przemiennego oraz przygotowanie i przeprowadzenie prób
napięciowych.

1. zapoznać się z organizacja pola probierczego, układem połączeń, regulacją napięcia

zespołów probierczych 60 kV, 110 kV, 220 kV,

2. określić zakres zastosowania zespołu do badań rzeczywistych układów izolacyjnych

ze względu na pobór mocy,

3. zapoznać się z zastosowanymi w zespołach probierczych zabezpieczeniami

nadmiarowoprądowymi i przeciwprzepięciowymi,

4. wyznaczyć przekładnie

ϑ transformatora ϑ = U

2

/U

1

,

5. wyznaczyć napięcie zwarcia transformatora probierczego U

zw

, tj. wartość napięcia

po stronie pierwotnej, przy której w zwartym przez amperomierz uzwojeniu
wtórnym popłynie prąd znamionowy. Zmierzyć zależność U

1

= f(I

2

) w tych

warunkach,

6. sprawdzić czy transformator probierczy zapewnia wymagany prąd zwarciowy.

Napięcie udarowe
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową generatorów napięć udarowych, ich
schematami zastępczymi, zasilaniem, regulacją, warunkami bezpiecznej pracy oraz
przeprowadzenie badań i pomiarów z ich zastosowaniem.

1. określić kształt udaru metodą oscyloskopową,

Napięcie stałe
Program ćwiczenia obejmuje poznanie metod wytwarzania wysokich napięć stałych oraz
rodzajów badań tym napięciem przeprowadzonych.
W badaniach zastosowano:

1. aparat do prób napięciowych napięciem stałym,
2. układ prostowania jednopołówkowego z zastosowaniem prostownika

wysokonapięciowego.

Sprawozdanie

Napięcie przemienne

1. przedstawić schematy i opisy zespołów probierczych,
2. wyniki pomiarów przekładni i napięcia zwarcia transformatora,
3. obliczenia prądu zwarciowego transformatora probierczego i całego zespołu,
4. opis zastosowanych zabezpieczeń.

Napięcie udarowe

1. przedstawić uproszczony schematy zastępczy stosowanego generatora napięć

udarowych,

2. przedstawić parametry napięć udarowych: kształt, największa wartość szczytowa,
3. obliczyć energię generatora,
4. opisać sposób przeprowadzenia prób wytrzymałości udarowej.

Napięcie stałe

1. opisać działanie i narysować schemat aparatu typu ABK,

2. przedstawić wyznaczone charakterystyki układu prostowania U

3

= f (U

2

),

3. dla układu prostowania obliczyć zależność U

3

= f (U

2

) i porównać z wynikami

pomiarów.

LITERATURA



[1]. Florkowska B.:

Wytrzymałość elektryczna gazowych układów izolacyjnych

wysokiego napięcia. Wyd. AGH Kraków 2003

[2]. Florkowska B.:

Podstawy metod badań układów izolacyjnych wysokiego napięcia,

Wyd. AGH, Skrypt nr 1245, 1991.

[3]. Florkowska B:

Technika wysokich napięć, Wyd. AGH, Skrypt nr 1294, 1991.

[4]. Flisowski Z.:

Technika wysokich napięć, WNT, Warszawa, 1992.

[5]. Kosztaluk R. (red.):

Technika badań wysokonapięciowych, WNT, Warszawa, 1985,

t.I i t.II.

[6]. Gacek Z.:

Wysokonapięciowa technika izolacyjna, Wyd. Politechniki Śląskiej,

Gliwice, 1996.

[7]. PN-75/E-04061 Pomiary wysokonapięciowe. Próby napięciem udarowym

piorunowym.

[8]. PN-87/E-04053 Pomiary wysokonapięciowe. Układy pomiarowe i wskazówki ich

stosowania.

[9]. PN-75/E-04060 Pomiary wysokonapięciowe. Próby napięciem przemiennym.
[10]. PN-81/E-05001 Urządzenia elektroenergetyczne wysokiego napięcia. Znamionowe

napięcie probiercze izolacji.

[11]. PN-88/E-02000 Napięcia znamionowe