POLITECHNIKA

ŚWIĘTOKRZYSKA

Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

ĆWICZENIE 8

BADANIE WYSOKONAPIĘCIOWYCH UKŁADÓW IZOLACYJ-

NYCH NAPIĘCIEM PIORUNOWYM

I. WIADOMO

ŚCI TEORETYCZNE

1. Udar napi

ęciowy i jego parametry

Udar napięciowy jest unipolarnym impulsem napięcia imitującym przepięcia impulsowe (piorunowe,

łączeniowe). Izolacja urządzeń elektroenergetycznych narażona na działanie przepięć atmosferycznych
bądź łączeniowych musi być poddawana udarowym próbom wytrzymałościowym. Kształt udarów służą-
cych do tych prób, został znormalizowany (PN-92/E-04060). Udar napięciowy normalny charakteryzują:

−

wartość szczytowa,

−

czas narastania czoła T

1

,

−

czas do półszczytu T

2

,

−

biegunowość.

Inne parametry udarów wynikają ze specyfiki narażeń lub specyfiki badań (np. czas do ucięcia). Spo-

sób określania parametrów udaru piorunowego normalnego na podstawie oscylogramów przedstawia
rysunek 1. Stosowane w technice probierczej udary piorunowe normalne ucięte mają czas do ucięcia 2

÷

5

µ

s.

1,0

0,0

0,3

0,5

0,9

2

T

1

t

max

T

u/U

Rys. 1. Udar napięciowy piorunowy normalny pełny: T

1

- czas trwania czoła (1,2

µ

s

±

30%), T

2

- czas

do półszczytu (50

µ

s

±

20%). Umowny początek udaru jest wyznaczany przez punkt przecięcia

z osią czasu prostej przechodzącej przez punkty 0,3 i 0,9 U

max

Przepięcia łączeniowe, powstające w układzie elektroenergetycznym wskutek manipulacji łączenio-

wych lub awarii, stanowią również duże zagrożenie dla izolacji. W układach o wysokich napięciach zna-
mionowych (400, 750 kV) mogą one stwarzać większe zagrożenia niż przepięcia piorunowe. Znormali-
zowany udar łączeniowy charakteryzuje się dłuższymi czasami narastania czoła i do półszczytu (np.
250/2500

µ

s). Przykład określania parametrów udaru łączeniowego przedstawia rysunek 3.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

2

Udar łączeniowy opisywany jest parametrami T

1

/T

2

lub T

1

/T

90

/T

0

w zależności od obiektu badań i ro-

dzaju prób. Nie pokazany na rysunku czas T

0

jest czasem do pierwszego przejścia napięcia udarowego

przez zero. Przy próbach napięciowych izolacji transformatorów najwyższych napięć używa się udarów
łączeniowych określanych przez T

1

/T

90

/T

0

, przy czym: T

1

> 50

µ

s, T

90

±

200

µ

s, T

0

> 500

µ

s.

-10

40

90

140

190

-0,5

4,5

9,5

14,5

19,5

24,5

29,5

t

p

t

s

a

0,7a

0,1a

1,0

0,9

0,3

0

t

u/U

max

Rys. 2. Wyznaczanie parametrów udaru uciętego: t

p

- czas do ucięcia, t

S

- czas ucięcia

T

1

T

2

T

90

t

u/U

max

1,0

0,9

0,5

0

Rys. 3. Udar łączeniowy normalny pełny: T

1

- czas do szczytu (250

±

20%), T

2

- czas do półsz-

czytu (2500

±

60%), T

90

- czas trwania wartości napięcia 0,9 U

max

W technice probierczej obok omówionych udarów napięciowych stosowane są jeszcze udary ukośne

oraz udary specjalne o innych czasach T

1

/T

2

.

Ć

wiczenie 8. Badanie wysokonapięciowych układów izolacyjnych napięciem piorunowym

3

2. Jednostopniowy generator udarów napi

ęciowych

Najprostszy układ jednostopniowego generatora udarów przedstawia rysunek 4. Pomiędzy

elementami generatora zachodzą następujące relacje

C

g

>> C

c

, R

r

>> R

c

.

(8.1)

Kondensator C

g

ładowany jest ze źródła napięcia stałego przez rezystor R

0

. W miarę wzrostu napięcia

na kondensatorze wzrasta napięcie między kulami iskiernika I

s

. Gdy zostanie osiągnięte napięcie przesko-

ku na iskierniku, nastąpi na nim wyładowanie zupełne zwierające kule. Kondensator C

g

zacznie się rozła-

dowywać dwiema drogami: jedną – ładując kondensator C

c

i pojemność obiektu C

ob

oraz drugą – przez

rezystor R

r

. Pojemność obiektu oraz kondensator C

c

są małe w porównaniu z C

g

, dlatego naładują się one,

przez małą rezystancję R

c

, w bardzo krótkim czasie kształtując czoło udaru. Proces rozładowania pojem-

ności C

g

i C

c

przez rezystor R

r

trwa dłużej – kształtowany jest grzbiet udaru.

C

g

R

c

I

s

u(t)

C

c

R

r

P

0

R

T

r

T

p

U

0

C

ob

Rys. 4. Jednostopniowy generator udarów napięciowych: T

r

, T

p

- transformatory regulacyjny

i probierczy, P - prostownik, R

0

- rezystor ładujący, C

g

- pojemność główna, I

s

- iskiernik kulowy,

R

r

- rezystor rozładowujący, R

c

, C

c

- rezystor i pojemność do kształtowania czoła udaru, C

ob

-

pojemność obiektu

Ze względu na bardzo krótki czas trwania udaru można założyć, że obwód rozładowania jest odcięty

od źródła zasilania przez indukcyjności połączeń i kondensator C

g

nie jest w tym czasie doładowywany.

W związku z tym uproszczony schemat generatora można przedstawić tak jak na rysunku 5.

C

ob

W

u(t)

C

c

R

c

R

r

C

g

0

U

Rys. 5. Uproszczony schemat generatora napięć piorunowych

Po naładowaniu kondensatora C

g

do napięcia U

0

i zamknięciu wyłącznika W przebieg napięcia na

obiekcie badanym określa równanie















−

=

−

−

1

2

t

t

0

0

e

e

U

)

t

(

u

τ

τ

η

,

(8.2)

gdzie

η

0

- współczynnik wykorzystania obwodu generatora.

Biorąc pod uwagę zależności (8.1) można napisać uproszczone wzory na stałe czasowe

(

)

ob

c

c

1

C

C

R

+

≅

τ

,

g

r

2

C

R

⋅

≅

τ

.

(8.3)

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

4

Stała czasowa

τ

1

decyduje o czasie narastania czoła udaru, a stała czasowa

τ

2

o czasie do półszczytu.

Aby wpływ pojemności obiektu nie miał znaczącego wpływu na czas narastania czoła, musi być spełnio-
na zależność

C

ob

<< C

c

.

u

U

0

0

t

U

0

η

0

exp(

−

t/

τ

2

)

u(t)

-U

0

η

0

exp(

−

t/

τ

1

)

Rys. 6. Ilustracja kształtowania udaru w generatorze udarowym

4. Wytwarzanie udarów uci

ętych

Do wytwarzania udarów uciętych na grzbiecie służą dodatkowe układy dołączane do generatorów

udarowych. Rysunek 7 przedstawia jednostopniowy generator z układem ucinającym Johnsona. Układ ten
to iskiernik trójkulowy oraz rezystor R

u

i kondensator C

u

.

W iskierniku trójkulowym na kulę środkową podane jest napięcie U

b

wytworzone w dodatkowym ob-

wodzie R

u

C

u

o znacznie dłuższym czole w porównaniu z udarem piorunowym. Napięcie na przerwie

iskrowej a, pomiędzy górną i środkową kulą, wynika z różnicy napięć U

c

i U

b

U

a

= U

c

– U

b

.

U

a

b

a

R

d

C

u

R

u

U

b

U

C

g

Ob

R

r

R

c

C

c

Rys. 7. Generator udarowy z układem ucinającym Johnsona: Ob - badany obiekt, R

u

, C

u

- rezystancja

i pojemność układu ucinającego, R

d

- dodatkowy rezystor tłumiący

Jeżeli wytrzymałość tej przerwy iskrowej U

pa

jest większa od U

amax

przeskok między tymi kulami nie

wystąpi. Natomiast jeśli wystąpi przeskok między środkową i dolną kulą (przerwa iskrowa b), napięcie U

a

podskoczy do wartości U

c

> U

pa

i wystąpi natychmiastowy przeskok ucinający udar. Czas do przeskoku

można regulować odstępem b iskiernika trójkulowego.

Ć

wiczenie 8. Badanie wysokonapięciowych układów izolacyjnych napięciem piorunowym

5

t

p

t

U

c

U

a

U

U

pa

U

p

u

0

Rys. 8. Zasada wytwarzania udaru uciętego: U

c

- przebieg napięcia na kondensato-

rze C

c

(udar piorunowy), U

a

- napięcie na przerwie iskrowej a, U

b

- napięcie

na przerwie iskrowej b, U

pa

, U

pb

- wytrzymałości przerw iskrowych a i b

Do wytwarzania udarów uciętych coraz częściej stosowane są iskierniki sterowane pobudzane ukła-

dami elektronicznymi. Pomijając specjalne konstrukcje iskierników sterowanych, ich zasada działania
sprowadza się do tego, że przeskok na przerwie iskrowej wymuszany jest w odpowiednim czasie przez
elektroniczny układ sterujący.

5. Metody pomiaru napi

ęć udarowych

Pomiar udarów napięciowych polega na możliwie wiernym odtworzeniu wartości szczytowej i kształtu

napięcia panującego na izolacji obiektu w czasie prób. Wymaga się aby błąd pomiaru wartości szczytowej
nie przekraczał 3%, a parametrów czasowych – 10%. Spełnienie tych wymagań jest dość trudne. Przy
pomiarach i rejestracji przebiegów zachodzi zwykle konieczność stosowania i innych elementów (np.
kabli) przesyłających informacje od i do dzielnika. Wymiary obwodu pomiarowego zmuszają do trakto-
wania poszczególnych elementów jako układów o parametrach rozłożonych, czyli w sposób falowy. Po-
nadto błędy wprowadzać również mogą wyładowania niezupełne w układzie probierczym (np. ulot).
Wszystkie te czynniki wymuszają stawianie wysokich wymagań dzielnikom napięcia i urządzeniom reje-
strującym (np. pasmo przenoszenia oscyloskopu rzędu setek MHz). Problemy związane z dokładnością
pomiarów zależą od zastosowanej metody pomiarowej i zostaną szczegółowo omówione w czasie wykła-
dów. Zagadnienie dzielników napięcia stanowi temat odrębnego ćwiczenia.

Metody pomiaru udarów napięciowych można podzielić następująco:

a)

metoda iskiernikowa – bezpośredni pomiar wartości szczytowej,

b)

metoda oscylograficzna – pomiar amplitudy i parametrów czasowych,

c)

metoda miernikowa – mierniki wartości szczytowej z dzielnikiem napięcia,

d)

metoda cyfrowa – zapewnia dużą dokładność i automatyzację pomiarów. Stanowisko pomiarowe
jest przeważnie skomputeryzowane.

5.1. Iskiernik pomiarowy

Metoda pomiaru iskiernikiem kulowym polega na wykorzystaniu praktycznie jednoznacznej zależno-

ś

ci pomiędzy napięciem przeskoku a odstępem między kulami iskiernika. Przy pomocy iskiernika kulo-

wego można pomierzyć w sposób bezpośredni wartość szczytową udaru. Wykonanie pomiaru wymaga
dopasowania przerwy iskrowej i napięcia. Czynność ta zabiera sporo czasu. Iskiernikiem nie można zmie-
rzyć pojedynczego udaru. Potrzebna jest stosunkowo długa seria udarów (np. 20). Dokonuje się zwykle
pomiaru 50-procentowego napięcia przeskoku – w danej serii średnio co drugi udar powoduje przeskok.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

6

Wymaganą dokładność pomiaru (3%) iskiernik zapewnia przy spełnieniu warunku

5

,

0

D

a

025

,

0

≤

≤

,

gdzie: a - odstęp między kulami iskiernika, D - średnica kul.

Dolna granica wynika z dokładności pomiaru odstępu międzyelektrodowego, górna – z jednostajności

rozkładu pola elektrycznego.

Stosowanie iskierników kulowych wymaga uwzględniania warunków atmosferycznych – ciśnienia,

temperatury i wilgotności.

Napięcie przeskoku w danych warunkach można obliczyć z wzoru

U

p

= δ

⋅

k

⋅

U

pn

,

gdzie: k = f (h/δ) –współczynnik zależny od wilgotności powietrza,

k =1 + (0,002

⋅

(h/δ– 8,5)), h = h

n

⋅ϕ

/100 – wilgotność bezwzględna [g/m

3

],

U

pn

– pięćdziesięcioprocentowe napięcie przeskoku w warunkach normalnych (1013 hPa, 293K).

δ

– względna gęstość powietrza.

Gęstość względną powietrza można obliczyć z wzoru

T

b

289

,

0

T

293

1013

b

=

⋅

=

δ

,

gdzie: b - ciśnienie w hPa (1 hPa = 0,75 mmHg), T - temperatura w Kelwinach.

Rysunek 9 przedstawia zależność k = f

(h/

δ

) a rysunek 10 zależność U

pn

= f

(a) dla iskiernika o średni-

cy kul 12,5 cm (wg tabel z PN-EN 60052:2003).

Rys. 9. Zależność współczynnika poprawkowego k od stosunku h/

δ

dla iskiernika kulowego

Ć

wiczenie 8. Badanie wysokonapięciowych układów izolacyjnych napięciem piorunowym

7

Rys. 10. Zależność napięcia przeskoku od odstępu międzyelektrodowego dla iskiernika kulowego o średnicy kul

∅

= 12,5 cm w warunkach normalnych

Wykonując pomiar napięcia iskiernikiem kulowym należy, dla danego odstępu a, odczytać z tablicy

(wykresu) napięcie U

pn

i pomnożyć przez współczynniki poprawkowe.

W przypadku potrzeby ustawienia zadanego napięcia probierczego musimy odczytać z tablicy odle-

głość a odpowiadającą napięciu U

pn

= U

p

/(k

⋅δ

).

Istnieją również wzory aproksymacyjne pozwalające obliczyć napięcie przeskoku przy spełnionym

warunku a/D

≤

0,3:

U

p

= 31,37 a

0,878

δ

0,890

dla a < 2,35 cm,

U

p

= 29,65 a

0,941

δ

0,890

dla a > 2,35 cm.

Dla ograniczenia opóźnienia zapłonu iskiernika pomiarowego zalecane jest naświetlanie kuli stano-

wiącej elektrodę ujemną. Używa się lamp kwarcowych, pierwiastków promieniotwórczych (kobalt 60)
bądź naświetlania wyładowaniami w pomocniczych iskiernikach. Naświetlanie jest wymagane przy po-
miarach udarów napięciowych o wartościach szczytowych poniżej 50 kV.

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

8

5.2. Mierniki warto

ści szczytowej

Rysunek 11 pokazuje zasadę działania mierników wartości szczytowej udarów napięciowych. Z części

niskonapięciowej dzielnika (rys. 11a) ładowana jest pojemność C przez prostownik P. Elementy układu
muszą zapewnić ładowanie tej pojemności do wartości możliwie bliskiej wartości szczytowej udaru. Stała
czasowa ładowania powinna być możliwie niska, rezystancja woltomierza i rezystancja wsteczna pro-
stownika – jak najwyższe. Wyłącznik W służy do rozładowania kondensatora po dokonaniu odczytu. Za-
pewnienie wymaganej dokładności pomiaru przy pomocy tego układu i diody krzemowej jest w zasadzie
niemożliwe. Wymóg „nadążania” ładowania się C za szybkim narastaniem czoła udaru ogranicza wartość
pojemności do kilkudziesięciu pF, co z kolei powoduje szybkie jego rozładowywanie się po przejściu
udaru przez wartość szczytową.

Inny układ (rys. 11b – dwukondensatorowy układ Rabusa) z dodatkową pojemnością pomiarową ogra-

nicza rozładowywanie się pojemności w czasie pomiaru. Najpierw ładuje się pojemność C do wartości
bliskiej U

max

. Duża stała czasowa RC

p

powoduje, że w tym czasie kondensator C

p

nie jest ładowany. Do-

piero po pewnym czasie napięcia na obu pojemnościach wyrównują się osiągając wartość

p

max

p

C

C

C

U

U

+

=

.

(8.4)

C

p

V

C

a )

1

R

b )

1

R

2

R

C

W

V

R

2

P

R

P

W

Rys. 11. Schematy układów mierników wartości szczytowej udarów napięciowych

Stała czasowa RC

p

>

T

1

(T

1

– czas narastania czoła udaru). W przypadku stosowania woltomierza

elektrostatycznego należy uwzględniać jego pojemność. Uwzględnia się też pojemność prostownika.
Wtedy zamiast C we wzorze (8.4) występuje C + C

d

(C

d

– pojemność diody). C

p

reprezentuje równoległe

połączenie kondensatora pomiarowego i pojemności woltomierza. Często między pojemnościami C i C

p

umieszcza się dodatkowy prostownik utrudniający rozładowywanie się pojemności C

p

.

5.3 Oscylografy szybkopisz

ące

Oscylograf służący do rejestracji udarów charakteryzuje duża szybkość zapisu jednorazowych prze-

biegów sięgająca kilku cm/ns. Przebieg taki musi być sfotografowany aby można było odczytać parametry
udaru. Zastosowanie oscyloskopu z „pamięcią” skraca analizowanie przebiegu.

Os

1

R

R

Z

2

Rys. 12. Sposób połączenia oscyloskopu z dzielnikiem
napięcia

Badany sygnał z dzielnika napięcia przesyłany

jest do oscyloskopu koncentrycznym kablem po-
miarowym o impedancji falowej Z. Dla uniknięcia
odbić kabel ten jest zwarty na końcu rezystancją
R=Z (rys. 12). Podstawa czasu oscyloskopu powin-
na zostać uruchomiona przed przyjściem mierzo-
nego sygnału i zwykle jest wyzwalana z anteny
umieszczonej w pobliżu źródła napięcia udarowego.

Ć

wiczenie 8. Badanie wysokonapięciowych układów izolacyjnych napięciem piorunowym

9

Sygnał mierzony można opóźnić względem sygnału wyzwalającego przez zastosowanie odpowiednio

długiego kabla pomiarowego.

5.4. Cyfrowa rejestracja udarów

Rejestracja cyfrowa polega na przetworzeniu przebiegu czasowego badanego zjawiska w zbiór dyskret-

nych próbek odpowiadających kolejnym wartościom chwilowym w równych odstępach czasu. O jakości
przetwarzania cyfrowego decydują:

a)

minimalny czas przetwarzania (lub graniczna częstotliwość przetwarzania) – odstęp czasu mię-
dzy dwoma próbkami,

b)

długość słowa – liczba bitów przedstawiająca wartość próbki wyznacza możliwą do uzyskania
dokładność przetwarzania (błąd kwantyzacji),

c)

liczba próbek – decyduje o wierności odtworzenia szczegółów badanego sygnału.

Rejestracja cyfrowa może być dokonywana metodą przetwarzania bezpośredniego (szybkie przetwor-

niki analogowo-cyfrowe) lub pośredniego (przetwarzanie w postać cyfrową przebiegu przechowanego przez
pewien czas w pamięci analogowej).

Najprostszy cyfrowy system pomiarowy składa się z następujących elementów:

−

układu przetwornika analogowo-cyfrowego,

−

układu pamięci,

−

przetwornika cyfrowo-analogowego,

−

oscyloskopu pomocniczego (monitora),

−

układu sterowania.

Sam system cyfrowej obróbki sygnału zapewnia dużą dokładność pomiaru (błąd rzędu ułamka procen-

ta), jednakże dokładność rejestracji generowanych udarów w układzie wysokonapięciowym zależy w dużym
stopniu od dokładności dzielnika napięcia i toru przesyłowego oraz skuteczności ochrony przeciwzakłócenio-
wej.

Obecnie są produkowane w pełni skomputeryzowane systemy rejestracji jednorazowych przebiegów

elektrycznych. Przykładowo system HIAS 740 firmy ASEA Haefely – długość słowa 10 bitów, czas
przetwarzania 150 ps. Automatyczna obróbka przebiegów umożliwia otrzymywanie prawie natychmia-
stowo żądanych informacji.

Również w Polsce w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie zbudowano cyfrowy dwukanałowy sys-

tem rejestracji CSR 40 o długości słowa 8 bitów i częstotliwości przetwarzania 40 MS/s i pamięci 128
KB w obu kanałach.

6. Pytania kontrolne

1.

Sposób określania czasów charakterystycznych udarów napięciowych

2.

Zasada działania jednostopniowego generatora udarów

3.

Zasada działania układu ucinającego Johnsona

4.

Metody pomiaru napięć udarowych

5.

Iskiernik kulowy jako przyrząd do pomiaru wartości szczytowej udarów

6.

Zasada działania mierników wartości szczytowej

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.

PN-EN 60052:2003 Pomiar napięcia metodą iskierników znormalizowanych

5.

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

6.

PN-92/E-04060 Wysokonapięciowa technika probiercza (norma zastąpiona przez PN-EN 60060-1)

7.

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

8.

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

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

10

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. Wielostopniowy generator udarowy napi

ęciowy

Generator udarów napięciowych jest najważniejszym elementem układu probierczego. Znajdujący się

w laboratorium czterostopniowy generator służy do wytwarzania napięć piorunowych o kształcie 1,2/50.
Prawidłowy jego dobór umożliwia realizację prób napięciowych.

Dane techniczne:

−

największa wartość szczytowa wytwarzanego udaru

300 kV,

−

największe obciążenie pojemnościowe

600 pF,

−

napięcie ładowania

< 75 kV=,

−

zalecana częstość wytwarzania udarów

< 2 udary/min,

−

energia generatora

1,7 kJ.

Dopuszczalne obciążenie pojemnościowe wynika z wpływu pojemności badanego obiektu na kształt

impulsu piorunowego

.

1.2. Pomiar pojemno

ści badanego obiektu

Badany obiekt stanowi układ izolatora wsporczego. Należy pomierzyć pojemność izolatora przy po-

mocy mostka

C = .......... pF.

Pojemność badanego obiektu powinna być mniejsza od 600 pF.

2. Wykonanie prób probierczych izolatora wsporczego

Aby wykonać próbę napięciową izolatora należy:

a)

odczytać wartość napięcia probierczego piorunowego (U

0

) dla danego izolatora z polskiej normy

PN-EN 60071-1:2008 (napięcie to odnosi się do warunków normalnych),

b)

obliczyć napięcie probiercze w danych warunkach atmosferycznych jakie panują w laborato-
rium: U

pr

= U

0

⋅

K

t

= U

0

⋅

δ

m

⋅

(k

w

)

w

,

c)

ustawić obliczoną wartość napięcia na wyjściu generatora udarowego za pomocą iskiernika ku-
lowego. Dla iskiernika kulowego wartości napięć przeskoku odnoszą się do warunków normalnych.
W związku z tym należy:

−

z wykresu (rys. 9) odczytać współczynnik k,

−

obliczyć napięcie przeskoku dla iskiernika dla warunków normalnych

δ

⋅

=

k

U

U

pr

pn

,

gdzie U

pr

napięcie probiercze dla izolatora obliczone wyżej,

−

z wykresu (rys. 10), dla obliczonej powyżej wartości U

pn

, odczytujemy odległość a którą na-

leży ustawić między kulami iskiernika

.

Ć

wiczenie 8. Badanie wysokonapięciowych układów izolacyjnych napięciem piorunowym

11

2.1.

Okre

ślenie wartości napięcia probierczego dla warunków normalnych

Aby określić wartość napięcia probierczego dla danego izolatora należy skorzystać z normy PN-EN

60071-1:2008. Np. dla izolatora o napięciu znamionowym U

n

= 20 kV piorunowe napięcie probiercze wy-

nosi U

0

= 75 kV.

2.2. Obliczenie napi

ęcia probierczego 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,

c) obliczenie współczynnika k

w

..

..........

h

=

δ

g/m

3

,

k

w

= 1 + 0,01

⋅

(h/

δ

– 11) = ............,

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 napięcia probierczego izolatora wsporczego w danych warunkach atmosferycznych

U

pr

= U

0

⋅

δ

m

⋅

(k

w

)

w

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

Obliczenia napięcia probierczego można dokonać przy pomocy programu komputerowego Izolator.exe

wprowadzając następujące dane:

−

typ izolatora,

−

temperaturę,

−

wilgotność względną w %,

−

ciśnienie w hPa lub mmHg

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

12

2.3. Próba napi

ęciowa piorunowa izolatora wsporczego

Schemat układu pomiarowego przedstawia rysunek 13.
Przy przeprowadzaniu pomiarów z wykorzystaniem generatora udarów napięciowych piorunowych

należy bezwzględnie przestrzegać zaleceń BHP. Wejście do pola probierczego musi być połączone z
uziemieniem kondensatora do kształtowania czoła udaru i kondensatorów głównych. Podczas przebywa-
nia w polu probierczym biegun wysokiego napięcia (kondensatory główne) musi być uziemiony przy po-
mocy drążka uziemiającego.

R

t

C

R

t

R'

m

R

t

C

R

t

C

R

t

R

c

C

c

I

p

C

0

R

r

R

t

R

t

R'

m

C

P

R

o

A

V

T

p

T

r

R'

m

S

R"

m

R"

m

R"

m

Rys. 13. Schemat układu pomiarowego z generatorem czterostopniowym napięciowych udarów piorunowych:
T

r

, T

p

- transformatory: regulacyjny i probierczy, R

0

- rezystor ładujący, P - prostownik, C - pojemności główne,

R'

m

, R"

m

- rezystory międzystopniowe, R

t

- rezystory tłumiące, R

c

- rezystor do kształtowania czoła, R

r

- rezystor

rozładowujący, C

c

- pojemność do kształtowania czoła, I

p

- iskiernik pomiarowy, S - silnik elektryczny

Kolejność czynności przy wykonywaniu pomiarów:

a)

do wyjścia generatora przyłączamy iskiernik pomiarowy I

p

. Za pomocą liniału umieszczonego na

jednej z elektrod iskiernika pomiarowego ustawiamy odczytaną (rys. 10) odległość w „mm”,

b)

za pomocą transformatora regulacyjnego stopniowo podnosimy napięcie na generatorze aż do
wystąpienia przeskoku na iskiernikach generatora. Odległość między kulami iskierników gene-
ratora dobieramy tak (przyciski sterujące rozstawem iskierników znajdują się na pulpicie), aby z
jednej serii udarów (co najmniej 10) połowa wywołała przeskok na iskierniku pomiarowym. Jest
to 50%-owe napięcie przeskoku. W takim przypadku iskiernik pomiarowy wskazuje wartość
szczytową napięcia probierczego piorunowego, którą należy przyłożyć do badanego izolatora w
danych warunkach pomiaru,

c)

wyłączamy generator i uziemiamy kondensatory generatora,

Ć

wiczenie 8. Badanie wysokonapięciowych układów izolacyjnych napięciem piorunowym

13

d)

do wyjścia generatora przyłączamy badany izolator (C

0

).

Próbę napięciową przeprowadzamy przez doprowadzenie serii 15 udarów o biegunowości dodatniej

i ujemnej. Biegunowość udarów zmieniamy przez przełączenie biegunów prostownika znajdującego się
za transformatorem probierczym.

Wynik próby probierczej napięciem udarowym piorunowym należy uznać za dodatni, jeżeli wystąpią

nie więcej niż dwa wyładowania zupełne w regenerującej się części izolacji (przeskoki w powietrzu)
i brak będzie oznak uszkodzenia izolacji stałej.

2.4. Próba wytrzymało

ści elektrycznej piorunowej izolatora wsporczego

Schemat układu probierczego jest taki sam jak w próbie napięciem udarowym piorunowym wytrzy-

mywanym.

Kolejność czynności przy wykonywaniu pomiarów:

a)

do wyjścia generatora przyłączamy badany izolator,

b)

za pomocą transformatora regulacyjnego stopniowo podnosimy napięcie na generatorze aż do
wystąpienia przeskoku na iskiernikach generatora. Odległość między kulami iskierników gene-
ratora dobieramy tak (przyciski sterujące rozstawem iskierników znajdują się na pulpicie), aby z
jednej serii udarów (co najmniej 10) połowa wywołała przeskok na izolatorze. Jest to 50%-owe
napięcie przeskoku,

c)

wyłączamy generator,

d)

w celu dokonania pomiaru tego napięcia przyłączamy iskiernik kulowy pomiarowy (po uprzed-
nim odłączeniu izolatora),

e)

stopniowo podnosimy napięcie aż do zadziałania generatora,

f)

regulujemy odległość między kulami iskiernika pomiarowego aż do uzyskania 50%-ego napięcia
przeskoku,

g)

wyłączamy generator i odczytujemy odległość a między kulami iskiernika pomiarowego. Wy-
znaczamy udarowe piorunowe napięcie przeskoku.

Dla zmierzonej odległości a odczytujemy z wykresu (rys. 10) wartość udarowego napięcia przeskoku –

jest to wartość U

pn

. Obliczamy U

p

w danych warunkach atmosferycznych

U

p

= U

pn

⋅

k

⋅

δ

= ......... kV

.

Wartość udarowego napięcia przeskoku dla izolatora odniesiona do normalnych warunków atmosfe-

rycznych wynosi

U

p0

= U

p

/K

t

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

,

gdzie K

t

- wspólczynnik poprawkowy obliczony w punkcie 2.2.

Szczegółowe metody określania udarowego napięcia przeskoku są prezentowane w normie PN-EN

60060-1 (metoda serii, metoda „góra – dół”).

3.

Wnioski

Wnioski powinny zawierać uwagi dotyczące przebiegu ćwiczenia oraz własne spostrzeżenia związane

z otrzymanymi wynikami badań.