1 
ĆWICZENIE 2
BADANIE WYSOKONAPI
CIOWYCH UKA
ADÓW
IZOLACYJNYCH NAPI
CIEM PRZEMIENNYM
I. WIADOMOÅšCI TEORETYCZNE
1. Zespoły probiercze
Próby napięciowe izolacji napięciem przemiennym o częstotliwości 50 Hz stanowią podstawową for-
mę badań przed dopuszczeniem urządzeń elektroenergetycznych do pracy, jak i w badaniach profilak-
tycznych sprawdzających stan izolacji. Układ izolacyjny jest zwykle najsłabszym elementem urządzeń
wysokonapięciowych, a nara\
enia ze strony napięcia przemiennego 50 Hz stanowią istotną część wszyst-
kich zagro\
eń występujących w czasie eksploatacji.
Wysokie napięcie przemienne wytwarzane jest przy pomocy zespołów probierczych. Elementami
składowymi zespołu probierczego są:
- układ zasilający (z
ródło napięcia),
- urzÄ…dzenie regulacyjne,
- transformator probierczy.
Człon zasilający stanowi zwykle jednofazowe z
ródło niskiego napięcia. Du\
e moce i niesymetryczne
obciÄ…\
enie przy małej sztywności z
ródła stwarzają niekiedy konieczność wykorzystywania specjalnego
transformatora zasilającego poprawiającego rozkład obcią\
eń w poszczególnych fazach.
Urządzenie regulacyjne zapewnia płynną regulację napięcia. Skoki napięcia nie powinny przekraczać
0,5% napięcia probierczego. Przy niewielkich mocach (kilkadziesiąt kVA) zadanie to spełniają autotrans-
formatory lub transformatory regulacyjne ze szczotką przeskakującą ze zwoju na zwój. Przy większych
mocach stosowane są transformatory z przesuwnym rdzeniem lub zespoły wirujące (silnik  prądnica
synchroniczna z regulacjÄ… wzbudzenia).
Najwa\
niejszym urządzeniem zespołu probierczego jest transformator probierczy lub zespół trans-
formatorów probierczych (rys.1).
a)
b)
3 1
1
5
4
2
4
2
Rys. 1. Transformatory probiercze TP 110 (a) i TP 60 (b): 1 - wyjście WN, 2 - wejście nn, 3 -
korek, wskaz
nik poziomu oleju, 4 - kadz
izolacyjna (a) lub metalowa (b), 5 - konser-
wator
 2 
W porównaniu z transformatorem energetycznym, transformator probierczy charakteryzuje się znacz-
nie większą przekładnią i znacznie mniejszą mocą. Ze względu na warunki pracy (np. brak zagro\
eń ze
strony wyładowań atmosferycznych) transformator probierczy posiada mniejszy zapas wytrzymałości
elektrycznej izolacji (10 ÷ 40%), a zatem i mniejsze wymiary. MaÅ‚e wymiary wynikajÄ… równie\
z małej
mocy transformatora i często stosowanej obudowy izolacyjnej z papieru bakelizowanego. W takim przy-
padku nie posiada on izolatorów przepustowych.
Przedstawiony na rysunku 1a transformator probierczy z izolacjÄ… papierowo-olejowÄ… posiada prze-
kładnię 220/110000, moc 10 kVA, znamionowy prąd ciągły 0,091 A (od strony WN), napięcie zwarcia
12%.
Parametrami zespołu probierczego są:
a) napięcie znamionowe,
b) moc znamionowa,
c) moc zwarciowa.
Napięcie znamionowe jest to najwy\
sze napięcie, które mo\
na zastosować do prób. Równa się ono
górnemu napięciu transformatora probierczego U2n.
Moc znamionowa to iloczyn napięcia znamionowego i prądu znamionowego ciągłego (Sn = UnIn). Jest
to tzw. moc cieplna ograniczona dopuszczalnym przyrostem temperatury uzwojeń. Ze względu na krótki
czas trwania prób probierczych określa się równie\
prąd znamionowy 15-minutowy. Jest on większy od
prądu ciągłego i pozwala na lepsze wykorzystanie transformatora probierczego.
Moc, która mo\
e być pobierana z układu probierczego, nie jest stała i zale\
y od napięcia probiercze-
go, przy którym jest pobierana. Grzanie się uzwojeń i izolacji zale\
y od prądu. Moc, która mo\
e być po-
bierana z zespołu probierczego przy napięciu probierczym ni\
szym od znamionowego, wypada mniejsza
Upr
Sdop = Sn ,
Un
gdzie: Sdop - moc pobierana przy napięciu probierczym, Sn - moc znamionowa zespołu probierczego, Upr -
napięcie probiercze, Un - napięcie znamionowe.
Poniewa\
badane obiekty pobierają (praktycznie rzecz biorąc) tylko prąd pojemnościowy, zatem po-
bieraną przez nie moc oblicza się na podstawie pojemności obiektu
S = U2ÉC .
n
Moc zwarciowa to iloczyn napięcia znamionowego i prądu zwarciowego (Sz = UnIz. = U2n/Xz). Prąd
zwarciowy zale\
y od reaktancji zwarciowej. Przy napięciu przeskoku lub przebicia prąd zwarciowy musi
być odpowiednio du\
y, aby wyładowanie zupełne w badanym obiekcie było wyraz
nie zauwa\
alne. Z tego
względu prąd ten nie powinien być mniejszy ni\
0,1 A przy próbach na sucho i 0,5 A przy próbach na mo-
kro w całym zakresie stosowanych napięć probierczych.
Prąd zwarciowy przy danym napięciu probierczym mo\
na obliczyć z wzoru
Upr
Iz = .
Xz
Reaktancja zwarciowa wynosi
Xz = Xr +Xp + Xs ,
gdzie: Xr i Xp - reaktancje zwarciowe transformatora regulacyjnego i probierczego,
Xs - reaktancja sieci zasilajÄ…cej.
Przy niewielkich mocach znamionowych zespołu (< 10 kVA) mo\
na pominąć Xr i Xs. W takim przypadku
reaktancjÄ™ zwarciowÄ… mo\
na obliczyć z wzoru
 3 
uz% Un
Xz = Å" ,
100 In
gdzie uz% - procentowe napięcie zwarcia transformatora probierczego.
PrÄ…d zwarciowy mo\
na ograniczyć przez włączenie w obwód wysokiego napięcia rezystora ograni-
czającego. Wzór na prąd zwarcia przyjmie wtedy postać
Upr
Iz = .
2
R0 + X2
z
Wykonując próby napięciowe nale\
y pamiętać, \
e przekładnia transformatorów probierczych nie jest
wartością stałą i zale\
y od obciÄ…\
enia. Z reguły jest ona większa od przekładni zwojowej, co wynika z
pojemnościowego charakteru obcią\
enia. W zwiÄ…zku z powy\
szym pomiar napięcia probierczego powi-
nien być dokonywany po stronie wtórnej transformatora. Niedopuszczalny jest pomiar po stronie pier-
wotnej i mno\
enie wyniku pomiaru przez przekładnię zwojową. Wyskalowanie woltomierza po stronie
niskiego napięcia wartościami napięcia po stronie wtórnej jest mo\
liwe przy przeznaczeniu zespołu pro-
bierczego do badania obiektów tego samego typu (o tej samej pojemności).
Rzeczywistą przekładnię zespołu mo\
na obliczyć z wzoru
U2 1
= Ńr = ŃÅ" ,
Sc
U1
1-
Sz
gdzie: Ń - przekÅ‚adnia zwojowa, Sc = ÉCU2 - moc obciÄ…\
enia przy pojemności obiektu C, Sz = U2 / XZ
pr pr
- moc zwarciowa.
W większości przypadków badane obiekty (izolacja) stanowią dla zespołu probierczego niewielkie
obciÄ…\
enie o charakterze pojemnościowym. Po ewentualnym przebiciu badanej izolacji transformator
przechodzi ze stanu jałowego w stan zwarcia i musi być natychmiast wyłączony. Realizują to zwykle
zabezpieczenia nadprądowe. Przepięcia, jakie mogą powstać w momencie przebicia lub przeskoku mogą
zagra\
ać izolacji transformatora. Wynika stąd konieczność stosowania rezystorów ograniczająco-tłumią-
cych.
Je\
eli ograniczony prąd zwarcia nie przekracza wartości prądu dla pracy dorywczej zespołu pro-
bierczego, nie jest potrzebne instalowanie zabezpieczeń nadprądowych  wyłączenie układu spod napię-
cia mo\
e odbywać się ręcznie.
Część wysokonapięciowa zespołu probierczego (czyli transformator probierczy, wysokonapięciowe
układy pomiarowe, dzielniki napięcia, obiekt badany) musi być ogrodzona (ograniczenie dostępu) two-
rzÄ…c pole probiercze. Zainstalowana blokada drzwi i drÄ…\
ek uziemiający słu\
ą bezpieczeństwu obsługi.
Xz
i
I·Xz
U2
U1Ń
C
Obiekt
U1
U2
badany
I
Rys. 2. Schemat zastępczy i wykres wskazowy transformatora probierczego: U1Ń - napię-
cie pierwotne pomno\
one przez przekładnię zwojową, U2 - napięcie strony wtórnej,
Xz - reaktancja zwarcia, C - pojemność (obcią\
enie)
 4 
2. Układy połączeń transformatorów probierczych
Je\
eli jeden koniec uzwojenia WN transformatora probierczego jest uziemiony (na zewnÄ…trz kadzi wypro-
wadzony jeden zacisk), słu\
y on do badania izolacji doziemnej (głównej)  jest to tzw. układ niesymetryczny.
W przypadku wyprowadzonych dwóch zacisków  uziemiony jest środek uzwojenia wysokiego napięcia 
mamy do czynienia z układem probierczym symetrycznym do prób izolacji międzyfazowej (rys. 4).
Pole probiercze
Ro
Tp
Tr
C1
A
Dr
Ob
Ip
V
V
C2
B
Rys. 3. Uproszczony schemat zespołu probierczego napięcia przemiennego: Tr, Tp - transformato-
ry: regulacyjny i probierczy, B - blokada, Ro - rezystor ograniczająco-tłumiący, C1 i C2
- pojemnościowy dzielnik napięcia, V - woltomierz (elektro-statyczny), Ob - badany
obiekt, Ip - iskiernik pomiarowy, Dr - drÄ…\
ek uziemiajÄ…cy
b)
a)
Ro Ro
Tp Tp
Ob
Ob
Ro
Rys. 4. Układy probiercze: a) niesymetryczny, b) symetryczny: Tp - transformator
probierczy, Ro - rezystor ograniczajÄ…cy, Ob - obiekt badany
a) b) d)
c)
U1
U1
U1
U1
2U2 2U2
U1 U2
4U2
2U2
U1
U2
U1
U1
U1
Rys. 5. Układy połączeń transformatorów probierczych: a) przeciwsobny, b) kaskadowy, c) równoległy, d) kaskadowy prze-
ciwsobny
Powiększenie napięcia lub obcią\
alności zespołu probierczego mo\
na osiągnąć przez stosowanie
rozmaitych połączeń transformatorów probierczych. Uproszczone schematy przykładowych układów po-
łączeń transformatorów przedstawia rysunek 5.
Przy połączeniu kaskadowym transformatorów probierczych zmniejsza się sprawność układu
 5 
Su 2
· = = ,
Si n +1
gdzie: Su - moc u\
yteczna, Si - moc zainstalowana, n - liczba transformatorów.
3. Wymagania stawiane zespołom probierczym
3.1. Sinusoidalność napięcia probierczego
Zgodnie z PN-92/E-04060 wytworzone napięcie probiercze powinno być stabilne i posiadać sinuso-
idalny kształt. Ocena sinusoidalności napięcia mo\
e być przeprowadzona przez pomiar współczynnika
szczytu. Warunek sinusoidalności mo\
na sformułować następująco
Umax
-1 Å"100% d" 5 .
U Å" 2
Współczynnik szczytu będący stosunkiem wartości szczytowej napięcia do jego wartości skutecznej
mo\
e być wyznaczony przez jednoczesny pomiar napięcia iskiernikiem kulowym (wartość szczytowa
Umax) i woltomierzem elektrostatycznym (wartość skuteczna U).
y
ródłem wy\
szych harmonicznych w układzie probierczym mo\
e być sieć zasilająca (na ogół w ma-
Å‚ym stopniu). Wy\
sze harmoniczne mogą być generowane zarówno przez transformator probierczy, jak i
regulacyjny ze względu na nasyceniową charakterystykę magnesowania.
Zniekształcenie napięcia mo\
e wystąpić przy zastosowaniu transformatora regulacyjnego o zbyt małej
mocy (mniejszej ni\
moc transformatora probierczego) oraz przy stosowaniu rezystorów ograniczających
po stronie niskiego napięcia.
Znacznego odkształcenia krzywej napięcia nale\
y się spodziewać w przypadku, gdy pomiędzy siecią
zasilającą a transformatorem probierczym włączymy rezystor R jako rezystancyjny regulator napięcia.
Poniewa\
prąd magnesujący transformatora jest odkształcony, wywoła on zniekształcone napięcie na
rezystorze. Przy sinusoidalnym napięciu zasilającym na zaciskach transformatora probierczego musi
pojawić się odkształcone napięcie zawierające wy\
sze harmoniczne. Odkształcenie to zostanie przetrans-
formowane na stronę górnego napięcia.
Odkształcenia napięcia mo\
na spodziewać się przy małych napięciach probierczych w porównaniu z
napięciem znamionowym. Nale\
y unikać badań przy napięciu probierczym ni\
szym ni\
0,3 Un.
W celu uniknięcia wy\
szych harmonicznych wprowadzanych przez wyładowania niezupełne nale\
y
stosować połączenia nieulotowe i eliminować wszelkie ostrza w torze wysokonapięciowym.
Do czynników pomagających spełnić wymagania dotyczące kształtu napięcia nale\
Ä…:
- dobór transformatora regulacyjnego o mo\
liwie największej mocy (uzasadnionej ekonomicz-
nie),
- zastosowanie dodatkowych urządzeń tłumiących wy\
sze harmoniczne (filtry),
- unikanie pracy zespołu przy małych napięciach probierczych w stosunku do znamionowego.
3.2. Stabilność napięcia probierczego
Na stabilność napięcia probierczego mogą wpływać:
- zmienny w czasie próby prąd upływu,
- intensywne wyładowania niezupełne.
Wpływ prądu upływu staje się nieistotny przy du\
ym prądzie zwarcia układu probierczego. Zwykle
wystarczy, aby prąd zwarcia wynikający z reaktancji zwarciowej zespołu probierczego był nie mniejszy
od 0,1 A.
3.3. Dokładność pomiaru
Dokładność ustawienia napięcia probierczego oraz błąd pomiaru powinny być utrzymywane
w granicach Ä…3%.
 6 
Dokładność ustawienia napięcia związana jest z ró\
nicą między wymaganą i zmierzoną wartością na-
pięcia probierczego. Błąd pomiaru stanowi ró\
nicę między wartością zmierzoną i rzeczywistą.
W niektórych przypadkach normy przedmiotowe podają inne wartości dopuszczalnych błędów. Przy
badaniu sprzętu ochronnego wystarczająca jest dokładność ustawienia napięcia w granicach ą5%.
Nie atestowane urzÄ…dzenie pomiarowe mo\
e być wyskalowane przy pomocy urządzenia znormalizo-
wanego. Znormalizowanym urządzeniem do pomiaru wysokiego napięcia jest iskiernik kulowy.
4. Iskiernik kulowy
Iskiernik kulowy jest najprostszym i jednym z najbardziej rozpowszechnionych przyrządów do po-
miaru wysokiego napięcia. Posiada on dwie jednakowe kule, najczęściej miedziane lub mosię\
ne, osa-
dzone na sworzniach o Å›rednicy 0,1 ÷ 0,2 Å›rednicy kul D w ukÅ‚adzie poziomym (rys. 8) lub (dla D > 250
mm) w układzie pionowym. Odstęp między kulami mo\
e być precyzyjnie regulowany.
-
WN
Izolator
Rys. 6. Pomiarowy iskiernik kulowy z poziomym układem kul
Napięcie przeskoku iskiernika zale\
y od średnicy elektrod, ich odstępu, rodzaju i biegunowości mie-
rzonego napięcia, a tak\
e czasu przyło\
enia napięcia i warunków atmosferycznych. Wartości napięć
przeskoku zostały umieszczone w tablicach dla znormalizowanych średnic kul i normalnych warunków
atmosferycznych (PN-64/E-04050).
Zale\
ność napięcia przeskoku od warunków atmosferycznych wymaga wprowadzenia poprawek. Na-
pięcie przeskoku w danych warunkach wynosi
Up = k Å" Upn , (2.1)
gdzie: k - współczynnik zale\
ny od wzglÄ™dnej gÄ™stoÅ›ci powietrza ´, Upn - napiÄ™cie przeskoku w warun-
kach normalnych.
b 273 + t0 b
´ = Å" = 0,289 , (2.2)
b0 273 + t 273 + t
gdzie: b0 - ciÅ›nienie normalne (1013 hPa), t0 - temperatura normalna (20°C),
b i t - ciÅ›nienie i temperatura w warunkach pomiaru (hPa, °C).
WpÅ‚yw wilgotnoÅ›ci w granicach 4 ÷ 15 g/m3 jest nieistotny.
Iskierniki kulowe mierzą wartość maksymalną napięcia. Napięcia przemienne Up i Upn są zatem wyra-
\
ane przez wartości szczytowe.
Rysunek 7 przedstawia zale\
ność k = f (´), a rysunek 8 zale\
ność Upn = f (a) wykonane na podstawie
tablic z normy PN-64/E-04050. Dokładność pomiaru iskiernikiem kulowym wynosi <" 3% przy odstępie
elektrod spełniających warunek a d" 0,5 D (D - średnica kul). Dokładność ta jest jednak osiągalna, je\
eli:
 7 
- powierzchnia elektrod jest gładka i czysta,
- brak mimoosiowości w ustawieniu kul,
- przestrzeń wokół iskiernika jest pozbawiona obcych elementów uziemionych lub pod napięciem
(obszar o promieniu > 5D o środku w punkcie le\
Ä…cym w przerwie iskrowej na kuli WN).
1,15
1,1
1,05
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2
WzglÄ™dna gÄ™stość powietrza ´
Rys. 7. Zale\
ność współczynnika poprawkowego k od gęstości względnej powietrza
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
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
Rys. 8. Zale\
ność wartości szczytowej napięcia przeskoku (50 Hz) od odległości elektrod Upn = f (a)
dla iskiernika o średnicy kul 12,5 cm w warunkach normalnych
Współczynnik k
Napi
Ä™
cie przeskoku Up, kVmx
 8 
Zalety iskiernika kulowego:
- wyraz
na granica przeskoku bez wyładowań poprzedzających,
- du\
a powtarzalność,
- uniwersalność (mierzy napięcia stałe, przemienne i impulsowe),
- pomiar wartości szczytowej najwa\
niejszej w technice wysokich napięć,
- szeroki zakres pomiarowy (np. przy D = 2 m mierzy napięcia do 2700 kV).
Stosując iskiernik kulowy przy ustawianiu napięć probierczych dla powietrznych układów izolacyj-
nych (np. izolatory wsporcze, iskierniki prętowe) lub pomiarach ich wytrzymałości elektrycznej musimy,
uwzględniając warunki atmosferyczne, wziąć równie\
pod uwagę wpływ wilgotności powietrza na wy-
trzymałość tych układów.
5. Wpływ warunków atmosferycznych na wytrzymałość elektryczną
i wartości napięć probierczych powietrznych układów izolacyjnych
Napięcia probiercze izolacji i tabele napięć przeskoku określane są dla tzw. warunków normalnych.
Za warunki normalne przyjmuje siÄ™:
- temperatura - t0 = 20°C,
- ciśnienie atmosferyczne - b0 = 1013,25 hPa,
- wilgotność bezwzględna - h0 = 11 g/m3.
Zgodnie z PN-92/E-04060 dla określenia napięcia probierczego w danych warunkach atmosferycz-
nych nale\
y wprowadzić współczynnik poprawkowy Kt,
Upr = U0 Kt , (2.3)
gdzie: U0 - napięcie probiercze dla warunków normalnych.
Mierząc to napięcie przy pomocy iskiernika kulowego nale\
y ustawić odległość między kulami od-
powiadającą napięciu przeskoku
2 2U0Kt
Upn = Upr = . (2.4)
k k
Napięcia probiercze podawane są w wartościach skutecznych, a napięcia przeskoku w wartościach mak-
symalnych. Współczynnik k = f (´) nale\
y odczytać z wykresu (rys. 7), a odległość  a z zale\
ności Upn = f
(a)  rysunek 8. Napięcia probiercze są podawane przez normy przedmiotowe dotyczące danych układów
izolacyjnych.
Współczynnik Kt = k1Å" k2 , (2.5)
gdzie: k1 = ´ m - współczynnik zale\
ny od gęstości powietrza, k2 = (kw)w - współczynnik zale\
ny od wil-
gotności powietrza.
Współczynnik kw = f (h/´) odczytujemy z wykresu lub obliczamy wg tabeli 1.
Tabela 1. Wartości współczynnika kw (wg PN-92/E-04060)
Napięcie kw Zakres wilgotności
udarowe
1 + 0,010 (h/´  11) 1 < h/´ < 15
przemienne
1 + 0,012 (h/´  11) 1 < h/´ < 15
stałe
1 + 0,014 (h/´  11) 1 < h/´ < 13
Wilgotność bezwzględna  h w g/m3 mo\
e być określona z wykresu bądz
tabel na podstawie odczytu
wilgotnoÅ›ci wzglÄ™dnej Õ (w %) z higrometru lub psychrometru.
h = hnÅ"Õ/100, (2.6)
gdzie hn - wilgotność bezwzględna w stanie nasycenia w danej temperaturze.
 9 
Tabela 2. Wilgotność bezwzględna hn w funkcji temperatury
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
t °C
g/m3 8,3 8,8 9,4 10,0 10,7 11,4 12,0 12,8 13,6 14,5 15,4 16,3
hn
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 35
t °C
g/m3 17,3 18,3 19,4 20,6 21,8 23,0 24,4 25,8 27,2 28,7 30,3 39,6
hn
Wykładniki potęg  m i  w zale\
ą od występowania wyładowań wstępnych. Ich wartości odczytuje
się z wykresów m = f(g) i w = f(g) zamieszczonych w normie PN-92/E-04060 lub z wzorów aproksyma-
cyjnych. Wartość g oblicza się z wzoru
UB
g = , (2.7)
500 Å" L Å" ´ Å" k
w
gdzie: UB - 50% napięcie wyładowania zupełnego w rzeczywistych warunkach atmosferycznych lub,
przy braku danych, 1,1 Upr [kV], L - minimalna droga przeskoku [m].
Wzory aproksymacyjne do obliczania współczynników m i w są następujące:
m = w = 2,53g3  2,76g2 + 1,55g  0,21 dla g = 0,2 ÷ 1,
m = w = 1 dla g = 1 ÷ 1,2,
m = 1, w =  2,53g3 + 13,94g2  26,14g + 16,77 dla g = 1,2 ÷ 2,
m = 1, w = 0 dla g = 2 ÷ 3.
6. Pytania kontrolne
1. Wytwarzanie wysokich napięć przemiennych  zespoły probiercze
2. Narysować schemat układu probierczego i omówić jego elementy
3. JakÄ… moc mo\
na pobierać z zespołu probierczego przy napięciu ni\
szym od napięcia znamionowe-
go?
4. Jakie są wymagania odnośnie wartości prądu zwarcia w obwodzie probierczym przy napięciu prze-
skoku lub przebicia?
5. Układy połączeń transformatorów probierczych
6. Omówić zale\
ność przekładni transformatora od obcią\
enia
7. Wymagania stawiane zespołom probierczym
8. Sposób pomiaru napięcia przemiennego przy pomocy iskiernika kulowego
Literatura
1. Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. WNT, Warszawa 1988
2. Technika badań wysokonapięciowych - praca zbiorowa. Tom I, WNT, Warszawa 1985
3. Wodziński J.: Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów. PWN, Warszawa 1997
4. Polskie normy PN-64/E-04050, PN-87/E-04053, PN-92/E-04060, PN-81/E- 05001