TECHNIKA WYSOKICH NAPIĘĆ

LABORATORIUM

ĆWICZENIE NR 1

LABORATORIA WYSOKICH NAPIĘĆ

WYPOSAŻENIE, ORGANIZACJA, ZASADY BEZPIECZNEJ PRACY

I. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i wyposażeniem laboratorium wysokich napięć, jak

również z zakresem prac, które są w nim prowadzone. Studenci dowiedzą się również, jakie warunki bezpiecznej
pracy obowiązują w pobliżu urządzeń wysokiego napięcia.



II. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE

1. Podział laboratoriów

Laboratoria Wysokich Napięć (LWN) są ośrodkami prac badawczych nad układami izolacyjnymi

wysokonapięciowych urządzeń elektroenergetycznych.
Dostosowanie materiałów izolacyjnych do aktualnych potrzeb energetyki wymaga zarówno opracowań nowych
technologii w dziedzinie dielektryków jak i rozpoznania zjawisk w nich zachodzących pod działaniem silnych
pól elektrycznych. Ma to bezpośredni związek z możliwościami badawczymi laboratoriów, w tym głównie
z wyposażeniem ich w odpowiednie zespoły probiercze wysokiego napięcia oraz specjalną aparaturę pomiarową.
W zależności od rodzaju przeprowadzanych prac, Laboratoria Wysokich Napięć można podzielić na:
– naukowo – badawcze,
– naukowo – dydaktyczne,
– przemysłowe laboratoria badawcze,
– stacje prób.

Laboratoria naukowo – badawcze dysponujące źródłami napięć o najwyższych parametrach, specjalną

aparaturą pomiarową, możliwością przeprowadzania badań w układach modelowych na gotowych obiektach w
celu optymalizacji procesów technologicznych.

Laboratoria naukowo – dydaktyczne dysponujące źródłami napięcia o niższych parametrach, posiadają

natomiast liczne stanowiska pomiarowe dla badań eksperymentalnych, pokazów i ćwiczeń laboratoryjnych.

Przemysłowe laboratoria badawcze wyposażone w stanowiska do badań międzyoperacyjnych oraz badań

dla oceny produkcji.

Stacje prób t.j. placówki, w których przeprowadza się badania w ramach prób wyrobu i prób typu

obiektów.

2. Zakres prac badawczych w laboratorium WN

Problematyka badawcza Laboratoriów Wysokich Napięć obejmuje:
– zagadnienia wytrzymałości elektrycznej dielektryków stałych, ciekłych i gazowych z uwzględnieniem
napięć stałych, przemiennych i udarowych oraz napięć złożonych,
– badania różnych form wyładowań elektrycznych, w tym: wyładowań niezupełnych, pełznych, ślizgowych,
ulotu elektrycznego, łuku elektrycznego, występujących w układach izolacyjnych w warunkach
eksploatacyjnych,

– prace nad doborem maksymalnego napięcia roboczego w różnych układach izolacyjnych,
– badania wpływu narażeń eksploatacyjnych w układach modelowych i na prototypach,
– zagadnienia koordynacji izolacji i ochrony przeciwprzepięciowej,
– pomiary przepięć piorunowych, łączeniowych i dorywczych w układach modelowych,
– prace w dziedzinie uziemień wysokonapięciowych,
– miernictwo wysokonapięciowe,
– badania pola elektrycznego w układach izolacyjnych, w tym metody wyznaczania rozkładu pola
elektrycznego w celu doboru naprężeń roboczych, odpowiednio do wytrzymałości elektrycznej,
– zagadnienia oddziaływania pola elektromagnetycznego na środowisko,
– opracowanie metod badań profilaktycznych układów izolacyjnych wysokiego napięcia z uwzględnieniem
charakterystycznych warunków pracy różnych grup urządzeń elektrycznych,
– badania na pograniczu innych dziedzin, w tym głównie fizyki, chemii i techniki.


3. Wyposażenie Laboratoriów Wysokich Napięć

Podstawowe wyposażenie Laboratoriów Wysokich Napięć stanowią:
zespoły probiercze wytwarzające:



napięcia przemienne: transformatory, układy kaskadowe,



napięcia udarowe: generatory napięć udarowych piorunowych i łączeniowych,



prądy udarowe: generatory prądów udarowych,



napięcie wyprostowane: jedno- i wielostopniowe układy prostownikowe;

układy pomiarowe wysokich napięć, w tym:



iskierniki kulowe zapewniające pomiar napięć przemiennych, stałych i udarowych,



dzielniki oporowe i pojemnościowe,



woltomierze elektrostatyczne,



metody prostownikowe,



metody specjalne;

aparatura pomiarowa, w tym między innymi:



mostki wysokonapięciowe do pomiaru strat dielektrycznych,



oscyloskopy,



urządzenia do pomiaru wyładowań niezupełnych,



mierniki natężenia pola elektrycznego;

4. Dobór odstępów bezpiecznych

W

laboratoriach

wyposażonych

w

zespoły

probiercze

o

napięciu

większym

od

2 MV – a są to głównie zespoły probiercze napięcia udarowego piorunowego i udarowego łączeniowego – o
wytrzymałości elektrycznej odstępów powietrznych decyduje napięcie udarowe łączeniowe. Wówczas

minimalny odstęp bezpieczny

b

a

[m] określa się z zależności:

2

4 U

a

b





(1)

gdzie: U – wartość szczytowa udaru łączeniowego 250 µs /2500 µs biegunowości dodatniej [MV],
lub z innej zależności proponowanej w wyniku eksperymentów w laboratorium w Les Renardies: [1]

1

)

3

1

(

3400

8

%

50











U

s

k

k

a

p

z

b

(2)

gdzie:

z

k

– współczynnik zwiększający zapas bezpieczeństwa,

z

k

≈ 1,2

p

k

– współczynnik przerwy iskrowej,

p

k

= 1,0÷1,45, wynikający z mechanizmu iskry

długiej w dużych odstępach izolacyjnych,

%

50

U

– pięćdziesięcioprocentowe napięcie przeskoku [kV],

s – wartość względna odchylenia standardowego napięć przeskoku przy krytycznych udarach

łączeniowych, odniesiona do

%

50

U

W laboratoriach o najwyższym napięciu probierczym do 2 MV – minimalny odstęp bezpieczny dla

napięcia przemiennego i udarowego łączeniowego, dodatniej biegunowości określa się ze wzoru:

m

U

U

U

a

b

57

,

1

27

,

8

57

,

4

23

,

2

2

3









gdzie: U – napięcie probiercze [MV] w zakresie od 750 kV do 2000 kV.

W powyższych dwóch grupach laboratoriów odstępy bezpieczne w powietrzu wynoszą nawet kilkadziesiąt
metrów.

Laboratoria wyposażone w zespoły probiercze o napięciu przemiennym do 400 kV, są przeważnie

podzielone na tzw. pola probiercze, czyli ogrodzone powierzchnie, na których znajdują się źródła wysokich
napięć, badane obiekty i inne urządzenia, które podczas pracy będą pod wysokim napięciem.
Obiekty w polu probierczym są tak rozmieszczone, aby zapewnione były odpowiednie odstępy między
elementami pod napięciem a elementami uziemionymi, co wynika z:
– warunku bezpiecznej pracy, ograniczonego możliwością przeskoku w powietrzu,
– oddziaływania pól elektromagnetycznych na sąsiednie obwody.

Wartość odstępu bezpiecznego

b

a

[cm] oblicza się zazwyczaj ze wzorów empirycznych na napięcie przeskoku

w układzie: ostrze – płaszczyzna uziemiona, a mianowicie:

16

,

3

14





p

z

b

U

k

a

napięcie przemienne 50Hz

(3)

47

,

4

8

,

19





p

z

b

U

k

a

napięcie stałe

(4)

36

,

5

8

,

23





p

z

b

U

k

a

napięcie udarowe

(5)

gdzie U

p

– wartość skuteczna przy napięciu przemiennym; szczytowa przy udarowym [kV].

Powyższe wzory obowiązują w zakresie napięć:
– 350 kV przy napięciu przemiennym
– 500 kV przy napięciu stałym i udarowym

w warunkach normalnych tj:
– dla temperatury T

o

= 293 K (20

o

C),

– ciśnienia b

n

= 1013,23 hPA,

– odstępów większych od 6 cm.

Dla innych warunków atmosferycznych (ciśnienie b, temperatura T) w miejsce U

p

należy wstawić wartość

U

p

(b,T), gdzie:



p

p

U

T

b

U



)

,

(

(6)



– gęstość względna powietrza.

5. Ekrany i uziemienia

Laboratoria Wysokich Napięć charakteryzuje występowanie bardzo wysokich napięć i udarów o

przebiegach sinusoidalnych, odkształconych, impulsowych, a także niskich napięć, lecz dużych prądów w
sieciach zasilających.

Charakterystyczne dla pracy LWN są wyładowania elektryczne – zupełne i niezupełne – powstające

podczas badań np. wytrzymałości elektrycznej, które powodują zakłócenia przenoszone galwanicznie lub na
drodze elektromagnetycznej.

Do sposobów ochrony przed ich skutkami należą:
– uziemienia,
– ekranowanie,
– filtracja zakłóceń.

System uziemień w postaci płyt i taśm powinien zapewnić potencjał ziemi w laboratorium. Duże znaczenie

dla ochrony przed przepięciami posiada prawidłowe uziemienie przyrządów pomiarowych – równoległe, do
wspólnego punktu uziemienia.

Ekranowanie laboratoriów ma na celu eliminowanie przenikania do niego promieniowania

elektromagnetycznego z zewnątrz. Wykonany w tym celu ekran powinien charakteryzować się dużą
przenikalnością magnetyczną i posiadać jak najbardziej jednolitą strukturę, szczególnie w przypadku
oddziaływania pól przemiennych o wysokiej częstotliwości lub przebiegów impulsowych o dużej stromości.
Inny cel ekranowania w laboratoriach wysokonapięciowych to ochrona obiektów sąsiednich od zakłóceń
generowanych w samych polach probierczych.

6. Bezpieczeństwo pracy w Laboratorium Wysokich Napięć

Warunkiem bezpiecznej pracy w Laboratorium Wysokich Napięć jest przestrzeganie następujących zasad,
wynikających z organizacji pracy w Laboratorium i prawidłowej eksploatacji urządzeń wysokiego napięcia:

1. Wszelkie źródła wysokiego napięcia i poddanego jego działaniu obiekty mogą być eksploatowane i

badane tylko wówczas, gdy znajdują się w ogrodzonym i zamkniętym polu probierczym. Przy otwartych
drzwiach do pola probierczego załączenie napięcia jest niemożliwe.

2. Drzwi wejściowe do każdego pola probierczego wyposażone są w blokadę. Otwarcie drzwi powoduje

zatem wyłączenie napięcia, a zamknięcie ich nie może spowodować załączenia napięcia.

3. Wyłącznik krańcowy na autotransformatorze wymaga każdorazowo, przed załączeniem napięcia,

sprowadzenia regulatora do położenia zerowego.

4. Wszystkie metalowe części wewnątrz pola probierczego wraz z ogrodzeniem powinny być przyłączone

do instalacji uziemiającej.

5. Załączanie i wyłączanie wysokiego napięcia musi odbywać się przy zastosowaniu co najmniej dwóch

wyłączników, z których przynajmniej jeden musi posiadać widoczną przerwę między stykami.

6. W przypadku wyprowadzenia z pola probierczego na zewnątrz dowolnego przewodu, który mógłby

znaleźć się pod wysokim napięciem np. wskutek przeskoku, konieczne jest zastosowanie równoległe, między
tym przewodem, a przewodem uziemiającym, ochronnika przepięciowego i iskiernika powietrznego.

7. Każdorazowo, po wejściu do pola probierczego, należy na biegun wysokiego napięcia nałożyć przenośne

uziemienie i tylko wówczas dokonywać wszelkich przełączeń i prac w polu.

8. Obecność wysokiego napięcia w polu probierczym jest sygnalizowana lampkami czerwonymi na pulpicie

sterowniczym i na ogrodzeniu w kilku miejscach, szczególnie gdy pole probiercze jest duże.

9. W pewnych przypadkach, gdy konieczne jest zwrócenie uwagi innych osób na rozpoczęcie prac w polu

probierczym przy wysokim napięciu, należy na krótki okres włączyć sygnalizację akustyczną.

10. Każde pole probiercze jest wyposażone w izolacyjny sprzęt ochronny, którym należy posługiwać się w

pracy przy urządzeniach wysokiego napięcia.



III. SPRAWOZDANIE.

Sprawozdanie należy wykonać według zaleceń prowadzącego ćwiczenie.

IV. LITERATURA.

1. Kosztaluk R.: Technika badań wysokonapięciowych T. 1,2. Warszawa, WNT 1985
2. Florkowska B.: Wytrzymałość elektryczna gazowych układów izolacyjnych wysokiego napięcia.

Kraków 2003

3. Praca zbiorowa pod redakcją Strojny J.: VADEMECUM ELEKTRYKA. Wydanie I, Warszawa 2004