POLITECHNIKA

ŚWIĘTOKRZYSKA

Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

ĆWICZENIE 2

BADANIE WYSOKONAPIĘCIOWYCH UKŁADÓW

IZOLACYJNYCH NAPIĘCIEM PRZEMIENNYM

I. WIADOMO

ŚCI 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 narażenia ze strony napięcia przemiennego 50 Hz stanowią istotną część wszyst-
kich zagrożeń występujących w czasie eksploatacji.

Wysokie napięcie przemienne wytwarzane jest przy pomocy zespołów probierczych. Elementami

składowymi zespołu probierczego są:

−

układ zasilający (źródło napięcia),

−

urządzenie regulacyjne,

−

transformator probierczy.

Człon zasilający stanowi zwykle jednofazowe źródło niskiego napięcia. Duże moce i niesymetryczne

obciążenie przy małej sztywności źródła stwarzają niekiedy konieczność wykorzystywania specjalnego
transformatora zasilającego poprawiającego rozkład obciążeń 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 regulacją wzbudzenia).

Najważniejszym urządzeniem zespołu probierczego jest transformator probierczy lub zespół trans-

formatorów probierczych (rys.1).

b)

1

5

2

4

4

3

1

a)

2

Rys. 1. Transformatory probiercze TP 110 (a) i TP 60 (b): 1 - wyjście WN, 2 - wej-

ś

cie nn, 3 -korek, wskaźnik poziomu oleju, 4 - kadź izolacyjna (a) lub meta-

lowa (b), 5 - konserwator

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

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 zagrożeń ze
strony wyładowań atmosferycznych) transformator probierczy posiada mniejszy zapas wytrzymałości
elektrycznej izolacji (10

÷

40%), a zatem i mniejsze wymiary. Małe wymiary wynikają również 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 izolacją papierowo-olejową 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 najwyższe napięcie, które można zastosować do prób. Równa się ono

górnemu napięciu transformatora probierczego U

2n

.

Moc znamionowa to iloczyn napięcia znamionowego i prądu znamionowego ciągłego (S

n

= U

n

I

n

). Jest

to tzw. moc cieplna ograniczona dopuszczalnym przyrostem temperatury uzwojeń. Ze względu na krótki
czas trwania prób probierczych określa się również prąd znamionowy 15-minutowy. Jest on większy od
prądu ciągłego i pozwala na lepsze wykorzystanie transformatora probierczego.

Moc, która może być pobierana z układu probierczego, nie jest stała i zależy od napięcia probiercze-

go, przy którym jest pobierana. Grzanie się uzwojeń i izolacji zależy od prądu. Moc, która może być po-
bierana z zespołu probierczego przy napięciu probierczym niższym od znamionowego, wypada mniejsza

n

pr

n

dop

U

U

S

S

=

,

gdzie: S

dop

- moc pobierana przy napięciu probierczym, S

n

- moc znamionowa zespołu probierczego, U

pr

-

napięcie probiercze, U

n

- napięcie znamionowe.

Ponieważ badane obiekty pobierają (praktycznie rzecz biorąc) tylko prąd pojemnościowy, zatem po-

bieraną przez nie moc oblicza się na podstawie pojemności obiektu

C

U

S

2

n

ω

=

.

Moc zwarciowa to iloczyn napięcia znamionowego i prądu zwarciowego (S

z

= U

n

I

z

= U

2

n

/X

z

). Prąd

zwarciowy zależy od reaktancji zwarciowej. Przy napięciu przeskoku lub przebicia prąd zwarciowy musi
być odpowiednio duży, aby wyładowanie zupełne w badanym obiekcie było wyraźnie zauważalne. Z tego
względu prąd ten nie powinien być mniejszy niż 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 można obliczyć z wzoru

z

pr

z

X

U

I

=

.

Reaktancja zwarciowa wynosi

X

z

= X

r

+X

p

+ X

s ,

gdzie: X

r

i X

p

- reaktancje zwarciowe transformatora regulacyjnego i probierczego,

X

s

- reaktancja sieci zasilającej.

Przy niewielkich mocach znamionowych zespołu (< 10 kVA) można pominąć X

r

i X

s

. W takim przypadku

reaktancję zwarciową można obliczyć z wzoru

Ć

wiczenie 2. Badanie wysokonapięciowych układów napięciem przemiennym

3

n

n

I

U

100

%

z

u

z

X

⋅

=

,

gdzie u

z%

- procentowe napięcie zwarcia transformatora probierczego.

Prąd zwarciowy można ograniczyć przez włączenie w obwód wysokiego napięcia rezystora ograni-

czającego. Wzór na prąd zwarcia przyjmie wtedy postać

2

z

2

0

pr

X

R

U

z

I

+

=

.

Wykonując próby napięciowe należy pamiętać, że przekładnia transformatorów probierczych nie jest

wartością stałą i zależy od obciążenia. Z reguły jest ona większa od przekładni zwojowej, co wynika z
pojemnościowego charakteru obciążenia. W związku z powyższym pomiar napięcia probierczego powi-
nien być dokonywany po stronie wtórnej transformatora. Niedopuszczalny jest pomiar po stronie pier-
wotnej i mnożenie wyniku pomiaru przez przekładnię zwojową. Wyskalowanie woltomierza po stronie
niskiego napięcia wartościami napięcia po stronie wtórnej jest możliwe przy przeznaczeniu zespołu pro-
bierczego do badania obiektów tego samego typu (o tej samej pojemności).

Rzeczywistą przekładnię zespołu można obliczyć z wzoru

z

c

r

1

2

S

S

1

1

U

U

−

⋅

=

=

ϑ

ϑ

,

gdzie:

ϑ

- przekładnia zwojowa,

2
pr

c

CU

S

ω

=

- moc obciążenia przy pojemności obiektu C,

2
pr

z

U

S

=

/X

Z

- moc zwarciowa.

W większości przypadków badane obiekty (izolacja) stanowią dla zespołu probierczego niewielkie

obciążenie 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
zagrażać izolacji transformatora. Wynika stąd konieczność stosowania rezystorów ograniczająco-tłumią-
cych.

Jeżeli ograniczony prąd zwarcia nie przekracza wartości prądu dla pracy dorywczej zespołu pro-

bierczego, nie jest potrzebne instalowanie zabezpieczeń nadprądowych – wyłączenie układu spod napię-
cia może odbywać się ręcznie

.

Część wysokonapięciowa zespołu probierczego (czyli transformator probierczy, wysokonapięciowe

układy pomiarowe, dzielniki napięcia, obiekt badany) musi być ogrodzona (ograniczenie dostępu) two-
rząc pole probiercze. Zainstalowana blokada drzwi i drążek uziemiający służą bezpieczeństwu obsługi.

I·X

z

U

1

ϑ

i

I

U

2

C

Obiekt
badany

U

2

X

z

U

1

Rys. 2. Schemat zastępczy i wykres wskazowy transformatora probierczego: U

1

ϑ

- na-

pięcie pierwotne pomnożone przez przekładnię zwojową, U

2

- napięcie strony

wtórnej, Xz - reaktancja zwarcia, C - pojemność (obciążenie)

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

4

2. Układy poł

ączeń transformatorów probierczych

Jeżeli jeden koniec uzwojenia WN transformatora probierczego jest uziemiony (na zewnątrz kadzi wypro-

wadzony jeden zacisk), służy 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

Ip

Ob

V

C

1

Tp

Dr

Ro

C

2

V

A

Tr

B

Rys. 3. Uproszczony schemat zespołu probierczego napięcia przemiennego: Tr, Tp - transformatory: regulacyjny

i probierczy, B - blokada, Ro - rezystor ograniczająco-tłumiący, C

1

i C

2

- pojemnościowy dzielnik na-

pięcia, V - woltomierz (elektrostatyczny), Ob - badany obiekt, Ip - iskiernik pomiarowy, Dr - drążek
uziemiający

Ob

Ro

Tp

b)

Ro

Tp

a)

Ro

Ob

Rys. 4. Układy probiercze: a) niesymetryczny, b) symetryczny: Tp - transformator pro-

bierczy, Ro - rezystor ograniczający, Ob - obiekt badany

d)

U

1

2U

2

U

1

4U

2

c)

U

2

2U

2

U

1

b)

a)

U

1

U

1

U

1

U

2

U

1

U

1

U

1

2U

2

Rys. 5. Układy połączeń transformatorów probierczych: a) przeciwsobny, b) kaskadowy, c) równoległy, d) kaskadowy prze-

ciwsobny

Ć

wiczenie 2. Badanie wysokonapięciowych układów napięciem przemiennym

5

Powiększenie napięcia lub obciążalności zespołu probierczego można 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

1

n

2

S

S

i

u

+

=

=

η

,

gdzie: S

u

- moc użyteczna, S

i

- moc zainstalowana, n - liczba transformatorów.

3. Wymagania stawiane zespołom probierczym

3.1. Sinusoidalno

ść napięcia probierczego

Zgodnie z PN-92/E-04060 wytworzone napięcie probiercze powinno być stabilne i posiadać sinuso-

idalny kształt. Ocena sinusoidalności napięcia może być przeprowadzona przez pomiar współczynnika
szczytu. Warunek sinusoidalności można sformułować następująco

5

%

100

1

2

U

U

max

≤

⋅

−

⋅

.

Współczynnik szczytu będący stosunkiem wartości szczytowej napięcia do jego wartości skutecznej

może być wyznaczony przez jednoczesny pomiar napięcia iskiernikiem kulowym (wartość szczytowa
U

max

) i woltomierzem elektrostatycznym (wartość skuteczna U).

Ź

ródłem wyższych harmonicznych w układzie probierczym może być sieć zasilająca (na ogół w ma-

łym stopniu). Wyższe harmoniczne mogą być generowane zarówno przez transformator probierczy, jak i
regulacyjny ze względu na nasyceniową charakterystykę magnesowania.

Zniekształcenie napięcia może wystąpić przy zastosowaniu transformatora regulacyjnego o zbyt małej

mocy (mniejszej niż moc transformatora probierczego) oraz przy stosowaniu rezystorów ograniczających
po stronie niskiego napięcia.

Znacznego odkształcenia krzywej napięcia należy się spodziewać w przypadku, gdy pomiędzy siecią

zasilającą a transformatorem probierczym włączymy rezystor R jako rezystancyjny regulator napięcia.
Ponieważ 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 wyższe harmoniczne. Odkształcenie to zostanie przetrans-
formowane na stronę górnego napięcia.

Odkształcenia napięcia można spodziewać się przy małych napięciach probierczych w porównaniu z

napięciem znamionowym. Należy unikać badań przy napięciu probierczym niższym niż 0,3 U

n

.

W celu uniknięcia wyższych harmonicznych wprowadzanych przez wyładowania niezupełne należy

stosować połączenia nieulotowe i eliminować wszelkie ostrza w torze wysokonapięciowym.

Do czynników pomagających spełnić wymagania dotyczące kształtu napięcia należą:

−

dobór transformatora regulacyjnego o możliwie największej mocy (uzasadnionej ekonomicz-
nie),

−

zastosowanie dodatkowych urządzeń tłumiących wyższe harmoniczne (filtry),

−

unikanie pracy zespołu przy małych napięciach probierczych w stosunku do znamionowego.

3.2. Stabilno

ść napięcia probierczego

Na stabilność napięcia probierczego mogą wpływać:

−

zmienny w czasie próby prąd upływu,

−

intensywne wyładowania niezupełne.

Wpływ prądu upływu staje się nieistotny przy dużym prądzie zwarcia układu probierczego. Zwykle

wystarczy, aby prąd zwarcia wynikający z reaktancji zwarciowej zespołu probierczego był nie mniejszy
od 0,1 A.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

6

3.3. Dokładno

ść pomiaru

Dokładność ustawienia napięcia probierczego oraz błąd pomiaru powinny być utrzymywane

w granicach

±

3%.

Dokładność ustawienia napięcia związana jest z różnicą między wymaganą i zmierzoną wartością na-

pięcia probierczego. Błąd pomiaru stanowi różnicę 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

±

5%.

Nie atestowane urządzenie pomiarowe może 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 mosiężne, osa-
dzone na sworzniach o średnicy 0,1

÷

0,2 średnicy kul D w układzie poziomym (rys. 8) lub (dla D > 250

mm) w układzie pionowym. Odstęp między kulami może być precyzyjnie regulowany.

WN

Izolator

Rys. 6. Pomiarowy iskiernik kulowy z poziomym układem kul

Napięcie przeskoku iskiernika zależy od średnicy elektrod, ich odstępu, rodzaju i biegunowości mie-

rzonego napięcia, a także czasu przyłożenia napięcia i warunków atmosferycznych. Wartości napięć
przeskoku zostały umieszczone w tablicach dla znormalizowanych średnic kul i normalnych warunków
atmosferycznych (PN-EN 60052:2003).

Zależność napięcia przeskoku od warunków atmosferycznych wymaga wprowadzenia poprawek. Na-

pięcie przeskoku w danych warunkach wynosi

U

p

= k

⋅

U

pn

,

(2.1)

gdzie: k - współczynnik zależny od względnej gęstości powietrza

δ

, U

pn

- napięcie przeskoku w warun-

kach normalnych.

t

+

273

b

0,289

=

t

273

t

273

b

b

=

0

0

+

+

⋅

δ

,

(2.2)

gdzie: b

0

- ciśnienie normalne (1013 hPa), t

0

- temperatura normalna (20

°

C),

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

°

C).

Ć

wiczenie 2. Badanie wysokonapięciowych układów napięciem przemiennym

7

Wpływ wilgotności w granicach 4

÷

15 g/m

3

jest nieistotny.

Iskierniki kulowe mierzą wartość maksymalną napięcia. Napięcia przemienne U

p

i U

pn

są zatem wyra-

ż

ane przez wartości szczytowe.

Rysunek 7 przedstawia zależność k = f

(

δ

), a rysunek 8 zależność U

pn

= f

(a) wykonane na podstawie

tablic z normy PN-64/E-04050. Dokładność pomiaru iskiernikiem kulowym wynosi

∼

3% przy odstępie

elektrod spełniających warunek a

≤

0,5 D (D - średnica kul). Dokładność ta jest jednak osiągalna, jeżeli:

−

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 leżącym w przerwie iskrowej na kuli WN).

Zalety iskiernika kulowego:

−

wyraźna granica przeskoku bez wyładowań poprzedzających,

−

duża powtarzalność,

−

uniwersalność (mierzy napięcia stałe, przemienne i impulsowe),

−

pomiar wartości szczytowej najważniejszej 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 również pod uwagę wpływ wilgotności powietrza na wy-
trzymałość tych układów.

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 d

W

sp

ó

łc

zy

n

n

ik

k

Rys. 7. Zależność współczynnika poprawkowego k od gęstości względnej powietrza

5. Wpływ warunków atmosferycznych na wytrzymało

ść 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 się:

−

temperatura - t

0

= 20

°

C,

−

ciśnienie atmosferyczne - b

0

= 1013,25 hPa,

−

wilgotność bezwzględna - h

0

= 11 g/m

3

.

Zgodnie z PN-92/E-04060 dla określenia napięcia probierczego w danych warunkach atmosferycz-

nych należy wprowadzić współczynnik poprawkowy K

t

,

U

pr

= U

0

K

t

,

(2.3)

gdzie: U

0

- napięcie probiercze dla warunków normalnych.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

8

Mierząc to napięcie przy pomocy iskiernika kulowego należy ustawić odległość między kulami od-

powiadającą napięciu przeskoku

k

K

U

2

U

k

2

=

U

t

0

pr

pn

=

.

(2.4)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10

Odległość elektrod a, cm

N

a

p

ię

ci

e

p

rz

es

ko

ku

U

p

,

kV

.

50 Hz, udar ujemny

udar dodatni

Rys. 8. Zależność wartości szczytowej napięcia przeskoku (50 Hz) od odległości elektrod U

pn

= f

(a)

dla iskiernika o średnicy kul 12,5 cm w warunkach normalnych

Napięcia probiercze podawane są w wartościach skutecznych, a napięcia przeskoku w wartościach mak-

symalnych. Współczynnik k = f

(

δ

) należy odczytać z wykresu (rys. 7), a odległość a z zależności

U

pn

= f

(a) – rysunek 8. Napięcia probiercze są podawane przez normy przedmiotowe dotyczące danych

układów izolacyjnych.

Współczynnik

K

t

= k

1

⋅

k

2

,

(2.5)

gdzie: k

1

=

δ

m

- współczynnik zależny od gęstości powietrza, k

2

= (k

w

)

w

- współczynnik zależny od wil-

gotności powietrza.

Współczynnik k

w

= f

(h/

δ

) odczytujemy z wykresu lub obliczamy wg tabeli 1.

Ć

wiczenie 2. Badanie wysokonapięciowych układów napięciem przemiennym

9

Tabela 1. Wartości współczynnika k

w

(wg PN-92/E-04060)

Napięcie

k

w

Zakres wilgotności

udarowe

1 + 0,010 (h/

δ

– 11)

1 < h/

δ

< 15

przemienne

1 + 0,012 (h/

δ

– 11)

1 < h/

δ

< 15

stałe

1 + 0,014 (h/

δ

– 11)

1 < h/

δ

< 13

Wilgotność bezwzględna „h” w g/m

3

może być określona z wykresu bądź tabel na podstawie odczytu

wilgotności względnej

ϕ

(w %) z higrometru lub psychrometru.

h = h

n

⋅ϕ

/100

,

(2.6)

gdzie h

n

- wilgotność bezwzględna w stanie nasycenia w danej temperaturze.

Tabela 2. Wilgotność bezwzględna h

n

w funkcji temperatury

t

°

C

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

h

n

g/m

3

8,3

8,8

9,4

10,0 10,7 11,4 12,0 12,8 13,6 14,5 15,4 16,3

t

°

C

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

35

h

n

g/m

3

17,3 18,3 19,4 20,6 21,8 23,0 24,4 25,8 27,2 28,7 30,3 39,6

Wykładniki potęg „m” i „w” zależą 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 aproksymacyj-
nych. Wartość g oblicza się z wzoru

w

B

k

l

500

U

=

g

⋅

⋅

⋅

δ

,

(2.7)

gdzie: U

B

- 50% napięcie wyładowania zupełnego w rzeczywistych warunkach atmosferycznych lub, przy

braku danych, 1,1 U

pr

[kV], l - minimalna droga przeskoku [m].

Wzory aproksymacyjne do obliczania współczynników m i w są następujące:

m = w = 2,53g

3

– 2,76g

2

+ 1,55g – 0,21

dla g = 0,2

÷

1,

m = w = 1

dla g = 1

÷

1,2

,

m = 1, w = – 2,53g

3

+ 13,94g

2

– 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.

Jaką moc można pobierać z zespołu probierczego przy napięciu niższym 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 zależność przekładni transformatora od obciążenia

7.

Wymagania stawiane zespołom probierczym

8.

Sposób pomiaru napięcia przemiennego przy pomocy iskiernika kulowego

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

1
0

Literatura

1.

Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. Wyd. V, WNT, Warszawa 2005

2.

Technika badań wysokonapięciowych - praca zbiorowa. Tom I, WNT, Warszawa 1985

3.

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

4.

PN-EN 60383-1:2005 Izolatory do linii napowietrznych o znamionowym napięciu powyżej 1000V – Izolato-
ry ceramiczne lub szklane do sieci prądu przemiennego – Definicje, metody badań i kryteria oceny wyników

5.

PN-E-04060:1992 Wysokonapięciowa technika probiercza. Ogólne określenia i wymagania probiercze
(norma wycofana zastąpiona przez PN-EN 60060-1)

6.

PN-EN 60060-1:2011 Wysokonapięciowa technika probiercza – Część 1: Ogólne definicje i wyma-
gania probiercze (oryg.)

7.

PN-EN 60060-2:2000/Ap1:2002 Wysokonapięciowa technika probiercza – Układy pomiarowe

8.

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

9.

PN-EN 60052:2003 Pomiar napięcia metodą iskierników znormalizowanych

II.

POMIARY

Ć

wiczenie składa się z dwóch części:

a)

przygotowania stanowiska do wysokonapięciowych prób probierczych.

b)

wykonania prób probierczych: próby napięciowej i próby wytrzymałościowej wysokonapięcio-
wych układów izolacyjnych.

1. Przygotowanie stanowiska do wysokonapi

ęciowych

prób probierczych

1.1. Transformator probierczy

Transformator probierczy jest najważniejszym elementem układu probierczego. Prawidłowy jego do-

bór umożliwia realizację wszelkich prób elektrycznych:

−

moc transformatora regulacyjnego powinna wynosić nie mniej niż 0,8 mocy znamionowej trans-
formatora probierczego (ze względu na odkształcenie krzywej napięcia),

−

nie zaleca się przeprowadzania prób przy napięciach mniejszych od 1/5 napięcia znamionowego
transformatora probierczego (przyczyna jak wyżej).

Wykorzystywany w ćwiczeniu transformator probierczy ma parametry:

−

moc znamionowa

S

n

= 10 kVA (dla transf. regulacyjnego 10 kVA),

−

napięcie znamionowe

U

n

= 110 kV,

−

prąd znamionowy ciągły I

n

= 0,095 A,

−

napięcie zwarcia

u

z

= 11%.

1.2. Sprawdzenie warto

ści prądu pobieranego przez obiekt

Badany obiekt stanowi układ izolatora wsporczego. Należy określić znamionowe napięcie wytrzymy-

wane krótkotrwałe częstotliwości sieciowej wg normy PN-EN 60071-1:2008 Koordynacja izolacji – Część 1
– Definicje, zasady i reguły. Przykładowo, dla najwyższego napięcia roboczego izolatora U

m

= 24 kV,

znormalizowane znamionowe napięcie wytrzymywane izolacji (50 Hz, wartość skuteczna) wynosi U

pr

=

50 kV.

Prąd pobierany przez obiekt wynosi

I = U

pr

ω

C

,

gdzie: U

pr

- napięcie probiercze, C - pojemność badanego izolatora (pojemność należy pomierzyć),

I - wartość prądu pobieranego przez obiekt.

Ć

wiczenie 2. Badanie wysokonapięciowych układów napięciem przemiennym

11

Wartość prądu pobieranego przez obiekt nie może przekraczać wartości prądu znamionowego trans-

formatora probierczego

I[A] = 314

⋅

10

–9

⋅

U

pr

[kV]

⋅

C[pF]

≤

I

n

.

.

1.3. Sprawdzenie pr

ądu zwarciowego w przypadku przeskoku lub przebicia

Prąd zwarciowy w obwodzie wtórnym transformatora probierczego wynosi

z

n

z

X

U

I

=

.

Wartość reaktancji zwarciowej indukcyjnej X

z

możemy obliczyć z wzoru

n

n

z

z

I

U

100

u

X

⋅

=

,

gdzie: u

z

- procentowe napięcie zwarcia transformatora probierczego,

U

n

, I

n

- napięcie i prąd znamionowy transformatora.

Obliczamy wartość impedancji zwarcia potrzebnej do ograniczenia prądu zwarcia do wartości I

z

= 0,3 A

z

pr

z

I

U

Z

=

Jeżeli Z

z

> X

z

, obliczamy wartość rezystancji ograniczającej potrzebnej do ograniczenia prądu zwarcia

do wartości I

z

= 0,3 A

2

z

2

z

0

X

Z

R

−

=

,

1.4. Sprawdzenie kształtu krzywej napi

ęcia

Jednym ze sposobów sprawdzenia kształtu krzywej napięcia jest pomiar współczynnika szczytu. Po-

miaru tego możemy dokonać przez jednoczesny pomiar napięcia woltomierzem elektrostatycznym (war-
tość skuteczna) i iskiernikiem kulowym (wartość maksymalna) w układzie jak na rysunku 9. Zamiast
iskiernika kulowego można wykorzystać prostownikowy miernik wartości szczytowej – unika się wtedy
uwzględniania wpływu warunków atmosferycznych.

W przypadku użycia iskiernika kulowego pomiary należy przeprowadzić następująco:

−

na iskierniku kulowym należy ustawić odstęp a między kulami (według tabeli 3). Napięcie prze-
skoku odczytane z wykresu (rys. 8) odpowiada normalnym warunkom atmosferycznym,

−

przy pomocy transformatora regulacyjnego należy podnosić napięcie aż do wystąpienia prze-
skoku na iskierniku kulowym,

−

w momencie przeskoku odczytujemy wskazanie woltomierza elektrostatycznego.

Pomiaru dla każdej odległości należy dokonać trzykrotnie.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

1
2

C

1

C

2

Ve

Tp

R

t

Is

V

A

Tr

Rys. 9. Schemat układu do sprawdzenia krzywej napięcia: Tr - transformator re-

gulacyjny, Tp - transformator probierczy, Rt - rezystor tłumiący, Ve -
woltomierz elektrostatyczny, C

1

, C

2

- pojemnościowy dzielnik napięcia, Is

- iskiernik

Tabela 3. Kształt krzywej napięcia – wyniki pomiarów i obliczeń.

b = .............. hPa (760 mmHg = 1013,25 hPa), t = ............

°

C,

ϑ

= 30.

Wartość szczytowa

Wartość

skuteczna

a

U

pn

U

p

=

k

⋅

U

pn

U

ei

=

ϑ⋅

U

V

3

U

U

3

1

i

ei

r

eś

∑

=

=

r

eś

p

sz

U

U

k

=

100

1

2

k

sz

⋅













−

cm

kV

kV

kV

kV

–

%

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Oznaczenia w tabeli 3:

U

pn

- napięcie przeskoku w warunkach normalnych dla iskiernika pomiarowego o danym

odstępie elektrod „a” odczytane z PN-EN 60052 lub z wykresu (rys. 8),

U

p

= k

⋅

U

pn

-

napięcie przeskoku w warunkach pomiaru

,

k = f(

δ

) - rysunek 7 lub PN-EN 60052

t

273

b

289

,

0

+

=

δ

;

b - ciśnienie w hPa ,

(1000 hPa = 750 mmHg)
U

ei

=

ϑ⋅

U

V

- napięcie wskazane przez woltomierz elektrostatyczny w chwili przeskoku pomnożo-

ne przez przekładnię dzielnika,

U

eśr

- średnia arytmetyczna z trzech pomiarów,

k

sz

= U

p

/U

eśr

- współczynnik szczytu.

Współczynnik szczytu nie powinien różnić się od

2

więcej niż

±

5%.

Wykreślić zależność k

sz

= f(a) z zaznaczeniem dopuszczalnych wartości (0,95

÷

1,05)

⋅

2

Ć

wiczenie 2. Badanie wysokonapięciowych układów napięciem przemiennym

13

2. Sprawdzenie napi

ęcia wytrzymywanego i napięcia przeskoku izolatora wsporczego

Próby napięciowe i wytrzymałościowe wykonujemy w układzie jak na rysunku 10. Aby dokonać spraw-

dzenia napięcia wytrzymywanego izolatora, należy:

a)

odczytać wartość znormalizowanego znamionowego napięcia wytrzymywanego 50 Hz (U

0

) dla

danego izolatora z polskiej normy PN-EN 60071-1:2008 (napięcie to odnosi się do warunków
normalnych),

Najwyższe napięcie robocze U

m

= ........... kV, U

0

= ........... kV

b)

obliczyć napięcie probiercze wytrzymywane w danych warunkach atmosferycznych, jakie pa-
nują w laboratorium – wg punktu 2.1:

U

pr

= U

0

⋅

K

t

= U

0

⋅

δ

m

⋅

(k

w

)

w

,

c)

ustawić obliczoną wartość napięcia probierczego na transformatorze za pomocą miernika na-
pięcia, np:

−

woltomierza elektrostatycznego,

−

iskiernika kulowego.

W przypadku korzystania z iskiernika kulowego dla którego wartości napięć przeskoku odnoszą się do

warunków normalnych, ustawienie napięcia probierczego jest następujące:

−

z wykresu (rys. 7) odczytujemy współczynnik k,

−

obliczamy napięcie przeskoku dla iskiernika dla warunków normalnych

k

U

2

U

pr

pn

⋅

=

,

gdzie: U

pr

- napięcie probiercze dla izolatora wsporczego obliczone wyżej,

−

z wykresu (rys. 11), dla obliczonej powyżej wartości U

pn

, odczytujemy odległość a, którą

należy ustawić między kulami iskiernika.

2.1. Obliczenie napi

ęcia probierczego wytrzymywanego dla danych warunków atmosferycznych

Zgodnie z PN-92/E-04060 napięcie probiercze w danych warunkach atmosferycznych wynosi

U

pr

= U

0

⋅

K

t

,

gdzie: U

0

- napięcie probiercze izolatora dla warunków normalnych,

K

t

=

δ

m

⋅

(k

w

)

w

- współczynnik poprawkowy.

Procedura obliczania współczynnika poprawkowego K

t

a)

określenie warunków atmosferycznych

t = ............

°

C,

b = ............ hPa,

ϕ

= ............. %,

b)

obliczenie względnej gęstości powietrza „

δ

” i wilgotności bezwzględnej „h”. Wilgotność względną

ϕ

[%] należy odczytać z psychrometru

..

..........

C]

[

t

+

273

[hPa]

b

0,289

=

o

=

δ

,

=

⋅

=

n

h

100

h

ϕ

............ g/m

3

,

gdzie h

n

- wilgotność bezwzględna w stanie nasycenia odczytana z tabeli 2,

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

1
4

c)

obliczenie współczynnika k

w

,

k

w

= 1 + 0,012 (h/

δ

– 11) = ............,

..

..........

h

=

δ

g/m

3

,

d)

obliczenie współczynnika g

w

B

k

l

500

U

=

g

⋅

⋅

⋅

δ

=

............,

gdzie: U

B

= 1,1

⋅

U

0

[kV], l - minimalna droga przeskoku [m] (pomierzyć najmniejszą odległość

między elektrodami izolatora),

e)

odczytanie z wykresu m = f(g) i w = f(g) (PN-92/E-04060) wykładników potęg „m” i „w”

m = ............,

w = .............,

f)

obliczenie wytrzymywanego napięcia probierczego izolatora wsporczego w danych warunkach at-
mosferycznych

U

pr

= U

0

⋅δ

m

⋅

k

w

w

= .............. kV

.

Obliczenia wytrzymywanego napięcia probierczego można dokonać również przy pomocy programu

komputerowego Izolator.exe wprowadzając następujące dane:

−

typ izolatora,

−

temperaturę,

−

wilgotność względną w %,

−

ciśnienie w hPa lub mmHg.

2.2. Wykonanie sprawdzenia napi

ęcia wytrzymywanego izolatora wsporczego

R

0

Tp

Ob

Ve

Tr

C

2

V

C

1

A

Rys. 10. Schemat układu probierczego: Ve - woltomierz elektrostatyczny, Ob - ba-

dany obiekt

Za pomocą transformatora regulacyjnego podwyższamy napięcie na układzie z prędkością pozwalają-

cą na odczyt mierników. Podnoszenie napięcia odbywa się ze stałą prędkością za pomocą silnika po
przyciśnięciu przycisku podwyższania U

↑

. Po osiągnięciu wymaganego napięcia probierczego – wartość

tę wskazuje woltomierz elektrostatyczny – należy je utrzymać w ciągu jednej minuty. Następnie należy
obniżyć napięcie do zera (trzymając przycisk obniżania U

↓

aż do samoczynnego wyłączenia silnika)

i wyłączyć układ.

W czasie próby napięciowej należy obserwować badany obiekt i kontrolować prąd zasilania transfor-

matora probierczego.

Wynik próby napięciowej – sprawdzenia napięcia wytrzymywanego - należy uznać za dodatni, jeżeli

w czasie próby nie nastąpi przeskok ani przebicie izolacji badanego izolatora. Mogą wystąpić natomiast
wyładowania niezupełne.

Ć

wiczenie 2. Badanie wysokonapięciowych układów napięciem przemiennym

15

2.3. Badanie napi

ęcia wyładowania zupełnego

Schemat układu probierczego jest taki sam jak w próbie napięciowej. Napięcie należy podnosić

w sposób ciągły aż do wystąpienia wyładowania zupełnego na badanym obiekcie (czyli przeskoku lub
przebicia). Należy w tym momencie odczytać wartość napięcia. Wyniki pomiarów należy przedstawić w
tabeli 4.

Tabela 4. Wyniki pomiarów napięcia przeskoku izolatora wsporczego (na sucho)

Nr pomiaru

U

p

U

pśr

U

pn

–

kV

kV

kV

1

2

3

4

5

Oznaczenia:

U

p

=

ϑ⋅

U

V

,

U

V

- wartość napięcia przeskoku w danych warunkach laboratoryjnych odczytana w momencie

przeskoku na woltomierzu elektrostatycznym,

ϑ

- przekładnia dzielnika napięcia,

U

pśr

- średnia arytmetyczna z pięciu pomiarów,

U

pn

- wartość napięcia przeskoku w warunkach normalnych obliczona ze wzoru

t

r

pś

pn

K

U

U

=

,

K

t

=

δ

m

⋅

(k

w

)

w

- współczynnik poprawkowy obliczony w punkcie 2.2.

Wytrzymałość elektryczna izolatora nie może być mniejsza od wartości napięcia probierczego stoso-

wanego w próbie napięciowej.

3.

Wnioski

Wnioski powinny zawierać uwagi i własne spostrzeżenia dotyczące zarówno przebiegu ćwiczenia, jak

i otrzymanych wyników badań i pomiarów.