POLITECHNIKA LUBELSKA w Lublinie

Wydział Elektryczny

Laboratorium techniki wysokich napięć.

Ćwiczenie nr 1.

Temat: Pomiar wysokich napięć.

Wykonał: Kolibski Marcin

Klaczyński Sebastian

Kukawski Andrzej

LUBLIN 1996.03.21

1. Cel ćwiczenia.

Zadaniem tego ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami oraz sposobami pomiaru wysokich napięć stałych, przemiennych 50 Hz i udarowych. Celem jest również poznanie aparatury pomiarowej wykorzystywanej do pomiarów wysokonapięciowych.

2. Wprowadzenie teoretyczne.

W praktyce występuje bardzo często konieczność pomiaru wysokich napięć. Są to nie tylko napięcia przemienne o częstotliwości przemysłowej, ale również napięcia wielkich częstotliwości, napięcia stałe i napięcia udarowe o różnej biegunowości. Do pomiarów tych napięć stosuje się zarówno metody bezpośrednie jak i pośrednie. Metodę pomiarową dobiera się najczęściej ze względu na wymaganą dokładność pomiaru jak i ze względu na koszt przeprowadzenia pomiarów.

Napięcie stałe mierzy się najczęściej woltomierzami elektrostatycznymi, mikroamperomierzem magnetoelektrycznym z wysokonapięciowym opornikiem szeregowym, lub iskiernikiem kulowym. Wszystkie te metody posiadają szereg wad, dlatego przy zastosowaniu którejś z nich należy rozważyć wszystkie aspekty pomiarów.

Pomiar napięcia przemiennego napotyka dodatkowe przeszkody w postaci konieczności rozróżnienia wartości skutecznej i maksymalnej napięcia. Do pomiaru wartości skutecznej używa się woltomierzy elektrostatycznych, rezystancyjnych, pojemnościowych i mieszanych rezystancyjno-pojemnościowych dzielników napięcia, oraz przekładników napięciowych. Wartość maksymalną mierzy się przy użyciu woltomierzy wartości szczytowej, układem prostownikowym z kondensatorem szeregowym lub z dzielnikiem pojemnościowym, klidonografem i iskiernikiem kulowym. Pomiary te są skomplikowane i wymagają zastosowania specjalistycznej aparatury.

Bodajże najbardziej skomplikowany jest pomiar udarów napięciowych. Stosuje się tu następujące metody: dzielnik napięcia udarowego z oscylografem lub z miernikiem wartości szczytowej, iskiernik kulowy i klidonograf. Ze względu na dużą stromość narastania udaru należy we wszystkich metodach uwzględniać falowy charakter zjawiska. Powstawaniu odbić fali zapobiega się przez włączanie równolegle z miernikiem opornika o rezystancji równej impedancji falowej kabla doprowadzającego udar do przyrządu.

3. Opis układu pomiarowego.

transformator probierczy

Typ : TP 60

Napięcie znamionowe strony NN : U1=220 V

Napięcie znamionowe strony WN : U2=60 kV

Częstotliwość znamionowa : 50 Hz

Przekładnia :

iskiernik kulowy

Typ : DJS 125

Średnica kul : 125 mm

Napięcie probiercze : 185 kV

Częstotliwość znamionowa : 50 Hz

Znamionowe napięcia przebicia dla warunków normalnych:

Odstęp kul	cm	0,5	1	1,5	2	2,5
Up	kV	16,8	31,7	45,5	59,5	72,5

warunki atmosferyczne

Ciśnienie powietrza : p=748 mmHg

Temperatura powietrza : T=24 oC = 297 K

Wilgotność powietrza : 36 %

Względna gęstość powietrza :

Wilgotność bezwzględna powietrza w stanie nasycenia : wn= 21,8

Wilgotność powietrza : w=wn=0,36*21,8=7,848

Współczynnik kw : kw=1,03

4. Skalowanie układu wysokiego napięcia iskiernikiem kulowym.

schemat układu pomiarowego

At - Autotransformator regulacyjny

Tp. - Transformator probierczy

I - Iskiernik kulowy

Rogr - Opornik ograniczający prąd przeskoku oraz stromość fali udarowej

C - Dodatkowy kondensator (opcjonalnie)

V - Woltomierz

tabela pomiarów i obliczeń

					=273 V/V
Lp.			C=0 pF			C=1100 pF
	a [cm]	Uv [V]	Uvś [V]	U [kVm]	Uvc [V]	Uvśrc [V]	Uc [kVm]	Upn [kVm]	Up [kVm]
1	0,5	38	37,67	14,54	46	45.33	17,5	16,8	16,3
2		37			46
3		38			44
1	1,0	74	75	28,96	70	71	27,41	31,7	30,75
2		76			71
3		75			72
1	1,5	108	108,33	41,82	104	103	39,77	45,5	44,14
2		109			102
3		108			103
1	2,0	144	142,67	55,08	134	134,67	51,99	59,5	57,72
2		142			135
3		142			135
1	2,5	168	169,33	65,37	151,5	151,5	58,49	72,5	70,33
2		170			152
3		170			151

- przekładnia transformatora probierczego

a - odległość między elektrodami iskiernika

C - pojemność dodatkowego kondensatora

Uv - napięcie skuteczne wskazane przez woltomierz w chwili przeskoku przy C=0 pF

Uvśr - średnia wartość napięcia Uv

U - napięcie przeskoku w panujących warunkach atmosferycznych przy C=0 pF

Uvc - napięcie skuteczne wskazane przez woltomierz w chwili przeskoku przy C=1100 pF

Uvśrc - średnia wartość napięcia Uv c

Uc - napięcie przeskoku w panujących warunkach atmosferycznych przy C=1100 pF

Upn - napięcie przeskoku w warunkach normalnych (odczytane z norm)

Up - napięcie przeskoku w panujących warunkach atmosferycznych (obliczone na podstawie Upn)

przykład obliczeń

5. Pomiar wysokich napięć metodą prostownikową.

schemat układu pomiarowego

At - Autotransformator regulacyjny

Tp. - Transformator probierczy

R - Opornik ograniczający stromość fali udarowej

C - Kondensator

D - Diody

A - Amperomierz

wyniki pomiarów i obliczeń

C=102,8 pF

Lp.	Pomiar	Uv	I	Iśr	Um	U
		V	mA	mA	kVm	kV
1	1		0,03
	2	38	0,028	0,0293	2,85	2,01
	3		0,03
2	1		0,85
	2	75	0,87	0,863	83,95	59,36
	3		0,87
3	1		23
	2	108	24	23,33	2269	1375
	3		23
4 5	1 2 3 1 2 3	143 169	76 75 76 145 145 147	75,67 145,67	7360 14170	5204 10019

Uv - napięcie wskazywane przez woltomierz po stronie pierwotnej transformatora

I - prąd płynący przez amperomierz

U - napięcie na zaciskach transformatora probierczego po stronie wtórnej

przykład obliczeń

6. Pomiar wysokich napięć dzielnikiem pojemnościowym i woltomierzem.

układ pomiarowy

At - Autotransformator regulacyjny

Tp. - Transformator probierczy

R - Opornik ograniczający stromość fali udarowej

C1,C2 - Kondensatory tworzące dzielnik napięcia

V - Woltomierze

tabela pomiarów i obliczeń

C1=102,8 pF C2=48,5 nF

Lp.	Pomiar	Uv	Uv1	Uv1śr	U	1
		V	V	V	kV	-
1	1		21,5
	2	38	21	21,33	10,08	0,0021
	3		21,5
2	1		41
	2	75	42	41,33	19,54	0,0021
	3		41
3	1		59
	2	108	59	58,67	27,74	0,0021
	3		58
4	1		78
	2	143	78	78,67	37,19	0,0021
	3		79
5	1		93
	2	169	94	93,67	44,29	0,0021
	3		94

C1,C2 - pojemności dzielnika napięć

Uv - napięcie wskazywane przez woltomierz po stronie pierwotnej transformatora

Uv1 - napięcie wskazywane przez woltomierz przyłączony do dzielnika napięć

U - napięcie na zaciskach transformatora probierczego po stronie wtórnej

7. Wnioski.

Przed przystąpieniem do analizy uzyskanych wyników prześledźmy graficzne przedstawienie otrzymanych wyników. Zacznijmy od zobrazowania wyników skalowania układu WN:

U,Uc,Up=f(Uvsr).

Można zauważyć, że wyniki pomiarów są bardzo zbliżone do spodziewanych. Drobne rozbieżności wynikają najprawdopodobniej z niedokładnego uchwycenia momentu przeskoku, trudności dokładnego odczytu wskazań woltomierza, ograniczonej dokładności miernika (klasa miernika) oraz błędów metody zastosowanej do numerycznego rozwiązywania równań. W obliczeniach nie uwzględnia się wpływu wilgotności powietrza na wyniki pomiarów, ponieważ wpływ ten jest zwykle pomijalnie mały. Błąd przy pomiarze napięć powyższą metodą dla a/d < 0,5 (jak to miało miejsce w naszym przypadku) nie powinien być większy od 3% . Zaletą pomiaru napięć przy użyciu iskierników jest bezpośredni pomiar napięć szczytowych, wadą natomiast jest zwarcie układu w chwili pomiaru oraz konieczność naświetlania iskierników przy pomiarze napięć udarowych.

Opornik ograniczający prąd przeskoku (dla kul o średnicy d < 25 cm) dobiera się tak, by nie przekraczał wartości 25/d k na 1 kVm. Można zauważyć, że dołączenie dodatkowego kondensatora C spowodowało wzrost napięć probierczych, przy czym wzrost ten jest tym większy im wyższe napięcie przyłożymy po stronie pierwotnej transformatora probierczego. Dodatkowy kondensator stosuje się, by zapewnić sinusoidalny przebieg napięcia probierczego. Przy jego doborze dąży się do zapewnienia warunków rezonansu napięć dla częstotliwości podstawowej (tzn. 50 Hz).

Zobaczmy teraz jak wygląda zależność mierzonego napięcia U od wskazań mierników: U=f(Uvśr)

Można zauważyć, że wyniki otrzymane przy pomiarze napięć różnymi metodami są zbliżone do siebie (jak należało oczekiwać). Zaistniałe różnice mogą wynikać z trudności dokładnego odczytania wskazań mierników (metoda prostownikowa wskazania amperomierza wahały się w dość szerokim zakresie), niedokładności wykonania elementów dzielnika pojemnościowego (tolerancja kondensatorów) oraz ograniczonej dokładności mierników. Zaletą metody pojemnościowej jest mały pobór mocy przez elementy dzielnika napięcia i możliwość bieżącej obserwacji zmian napięcia, wadą niebezpieczeństwo powstawania wyładowań niezupełnych w kondensatorach (grożące dużymi błędami pomiarów) oraz wpływ pojemności kabla łączącego miernik z dzielnikiem na wyniki pomiarów (zwłaszcza przy pomiarze napięć udarowych). Zaletą metody prostownikowej jest możliwość bezpośredniej obserwacji zmian napięcia, wadą zależność prądu wyprostowanego od częstotliwości i kształtu napięcia.

Z niewiadomych powodów wyniki uzyskane przy metodzie prostownikowej są błędne. Np. napięcie obliczone jest rzędu 10 mln.V. Jest to moim zdaniem wynik niewłaściwego odczytania prądu z miliamperomierza. Było to z pewnością spowodowane pomyłką przy interpretacji wskazania przełącznika zakresów, gdyż oznaczenia były starte i zupełnie niewidotrzne. Poniżej zostanie zamieszczony wykres dla metody prostownikowej, ale ze względu na błędny pomiar nie należy z niego czerpać informacji.

3

---