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.