Laboratorium materiałoznawstwa elektrycznego i TWN

Ćwiczenie 1:

Pomiar wysokich napięć

Adam Ligiencki

Jacek Podsiadły

Jarosław Mączka

Lublin 04.04.1995

1. Urządzenia wykorzystywane w ćwiczeniu

1.1 Transformator probierczy

Typ : TP 60

Napięcie znamionowe strony NN : U1=220 V

Napięcie znamionowe strony WN : U2=60 kV

Prąd D 0,25 : 0,34 A

Prąd C : 0,17 A

Moc D 0,25 : 20 kVA

Moc C : 10 kVA

Napięcie zwarciowe C : 14 %

Napięcie probiercze : 72 kV

Częstotliwość znamionowa : 50 Hz

Przekładnia :

1.2 Iskiernik kulowy

Typ : DJS 125

Średnica kul : 125 mm

Napięcie probiercze : 185 kV

Częstotliwość znamionowa : 50 Hz

2. Warunki atmosferyczne

Ciśnienie powietrza : p=757 mmHg

Temperatura powietrza : T=297 K

Wilgotność powietrza : 27 %

Względna gęstość powietrza :

3. Skalowanie iskiernika kulowego

3.1 Schemat układu pomiarowego

At - Autotransformator regulacyjny

Tp. - Transformator probierczy

I - Iskiernik kulowy

R - Opornik ograniczający prąd przeskoku oraz stromość fali udarowej

C - Dodatkowy kondensator (opcjonalnie)

V - Woltomierz

3.2 Wyniki pomiarów i obliczeń

d=12,5 cm				υ=273 V/V				d=0,98
		C=0 pF			C=102.8pF
a [cm]	Uv [V]	Uvs [V]	U [kVm]	Uvc [V]	Uvsc [V]	Uc [kVm]	Upn [kVm]	Up [kVm]
0,5	42	43,33	16,7	42	41	15,8	16,8	16,5
	44			40
	42			41
1,0	76	76,66	29,6	81	77,66	30	31,7	31,1
	80			78
	74			74
1,5	110	108	41,7	108	107,33	41,45	45,5	44,6
	108			108
	112			106
2,0	145	150,7	58,2	143	140,33	54,2	59,5	58,3
	146			140
	143			138
2,5	175	176	68,95	170	170	65,6	72,5	71,1
	176,5			170
	176,5			170

υ - przekładnia transformatora probierczego

Sz - moc zwarciowa transformatora probierczego

δ - względna gęstość powietrza

d - średnica kul iskiernika

a - odległość między elektrodami iskiernika

C - pojemność dodatkowego kondensatora

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

Uvs - średnia napięc Uv

U - napięcie przeskoku w panujących warunkach atmosferycznych (ustalone w czasie próby) przy C=0 pF

Uvc - napięcie skuteczne wskazane przez woltomierz w chwili przeskoku przy C=102.8 pF

Uvs - średnia napięc Uv c

Uc - napięcie przeskoku w panujących warunkach atmosferycznych (ustalone w czasie próby) przy C=102.8 pF

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

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

4. Pomiar napięcia metodą pojemościową

4.1 Schemat układu pomiarowego

At - Autotransformator regulacyjny

Tp. - Transformator probierczy

R - Opornik ograniczający stromość fali udarowej

C1,C2 - Kondensatory tworzące dzielnik napięcia

V - Woltomierze

4.2 Wyniki pomiarów i obliczeń

C1=102,8 pF		C2=48,5 nF
Uv [V]	Uv1 [V]	U [kVm]
43,3	23.8	15.88
76,7	42.05	28.06
108	59	39.4
144,7	79.6	53.1
176	96.2	64.2

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

5. Pomiar napięcia metodą prostownikową

5.1 Schemat układu pomiarowego

At - Autotransformator regulacyjny

Tp. - Transformator probierczy

R - Opornik ograniczający stromość fali udarowej

C - Kondensator

D - Diody

A - Amperomierz

5.2 Wyniki pomiarów i obliczeń

C=102,8 pF
Uv [V]	I [mA]	U [kVm]
43.3	0.2	18.48
76.7	0.34	31.4
108	0.47	43.4
144.7	0.63	58.2
176	0.78	72.1

Uv - napięcie wskazywane przez woltomierz po stronie pierwotnej transformatora

I - prąd płynący przez amperomierz

U - napięcie na zaciskach transformatora probierczego po stronie wtórnej

Wykres napięć przeskoku obliczonego, zmierzinego iskiernikiem kulowym oraz iskiernikiem kulowym zdołączoną pojemnością.

Wykres napięć przeskoku mierzonych iskiernikiem kulowym, dzielnikiem pojemnościowym i układem prostownikowym.

6. Wnioski

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 maszym przypadku) nie powinien być większy od 3% .

Zaletą pomiaru napięć przy użyciu iskierników jest bezpośredni pomiar napięć szczytowach, 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 kΩ 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).

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.

Pytanie dodatkowe:

Omówić zasady pomiarów wysokich napięć metodą:

a. iskiernika kulowego

b. woltomierza elektrostatycznrgo

c. oscylografu

Ad.a. Zasada pomiaru metodą iskiernika kulowego opiera się na dość dokładnej zależności pomiędzy napięciem przeskoku w powietrzu, a odległością między kulami. Przerwę iskrową dostosowuje się do mierzonego napięcia lub napięcie do ustawionej przerwy. Główną wadą jest zwieranie układu wysokiego napięcia po przeskoku w iskierniku. Zaletą jest bezpośredni pomiar wartości szczytowej napięcia, co jest zazwyczaj najważniejsze. Iskiernik kulowy nadaje się do pomiaru napięć przemiennych i stałych, a z pewnymi zastrzeżeniami równierz udarów i napięć szybkozmiennych.

Ad.b. Woltomierz elektrostatyczny służy do pomiaru wartości szczytowej napięcia. Układ woltomierza składa się zazwyczaj z prostownika, kondensatora i ustroju. Kondensator ładowany przez prostownik napięciem jednopołówkowym ładuje się do wartości szczytowej, którą wskauje ustruj. Do pomiaru wysokich napięć stosuje się woltomierz elektrostatyczny współpracujący z dzielnikiem pojemnościowym.

Ad.c. Oscylograf elktronowy jest przyrządem słżącym do pomiaru napięć udarowych. Do tego celu używa się oscylografów szybkopiszących. Są one w stanie rejestrować pojedyncze udary. Oscylografy zwykłe mogą mieć zastosowanie wtechnice potarzanych udarów.

Obraz w oscylografie uzyskuje się za pomocą naświetlania warstwy fotograficznej:

- przez bezpośrednie działanie strumienia elektronów na warstwę fotograficzną umieszczoną wewnątrz rury oscylografu

- przez wytworzenie obrazu na ekranie fluoryzującym umieszczonym wewnątrz rury oscylografu i wykonanie zdjęcia za pomocą kamery fotograficznej umieszczonej na zewnątrz.

---