ĆWICZENIE 4
BADANIE OGRANICZNIKA PRZEPI
Ć
1. WPROWADZENIE
1.1. PrÄ…dy udarowe
Krótkotrwałe przebiegi prądu o dużej wartości szczytowej (do setek kA), nazywane
prÄ…dami udarowymi, znajdujÄ… zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki, np. w
badaniach termicznego i elektrodynamicznego oddziaływania prądu na urządzenia
elektryczne, w badaniach ograniczników przepięć, w badaniach fizyki plazmy, do
generowania impulsów świetlnych niezbędnych w fotolizie chemicznej, przy tłoczeniu
udarowym metali i innych.
Badania urządzeń energetycznych, przede wszystkim odgromników, wymagają
określonych kształtów udarów prądowych: Przepisy normalizacyjne [9] rozróżniają trzy
rodzaje udarów prądowych; pełny, prostokątny i zespołowy. Rys. 4.1 przedstawia najczęściej
stosowany udar prądowy pełny oraz sposób określania jego czasu czoła T1 i czasu do
półszczytu T2. Cytowana norma przewiduje udary prądowe pełne w dwu wersjach czasowych
T1/T2 wyrażonych w µ s: 1/20, 4/10 i 8/20. Udary o takich parametrach czasowych sÄ…
nazywane normalnymi. Dopuszcza się 10-procentowe odchyłki czasu czoła i czasu do
półszczytu.
2.2. Wytwarzanie udarów prądowych
y
ródłem udarów prądowych jest generator, którego zasadę działania przedstawiono na
rys. 4.2. Kondensatory C1 w liczbie n (połączone równolegle) są ładowane do napięcia U.
Połączone szeregowo z poszczególnymi kondensatorami rezystory Rz służą do ograniczenia
prądu zwarcia w przypadku przebicia jednego z kondensatorów. Regulację kształtu udaru
umożliwiają włączone dodatkowo do obwodu rezystor Rd oraz indukcyjność Ld. Po zapłonie
iskiernika I następuje rozładowanie baterii kondensatorów w obwodzie o schemacie
zastępczym pokazanym na rys. 4.2 b, na którym C oznacza pojemność wypadkową
kondensatorów C = nC1: Indukcyjność L jest sumą indukcyjności elementów obwodu
rozładowania generatora i może być obliczona jako:
L = Ld + Lp + LI + Lo + Lk/n (1)
gdzie Lp oznacza indukcyjność połączeń, LI  iskiernika włączającego, Lo - badanego obiektu,
Lk - pojedynczego kondensatora C1.
Rys. 4.1. Udar prądowy pełny i sposób wyznaczania czasu czoła T1 oraz czasu do półszczytu
T2 udaru
Rezystancja wypadkowa
R = Rd + Rb + Ro + Rz/n (2)
wynika z, szeregowego połączenia rezystancji, bocznika Rb, rezystancji obiektu badanego Ro,
równolegle połączonych rezystancji zabezpieczających Rz oraz rezystancji Rd. Przebieg prądu
ma charakter drgań tłumionych, jeżeli R < 2 L / C .
Rys. 4.2. Schemat generatora udarów prądowych (a) oraz uproszczony obwód rozładowania
baterii kondensatorów(b)
Dla przytoczonego schematu generatora można przeprowadzić następujące przybliżone
obliczenia parametrów czasowych T1 i T2 oraz wartości szczytowej Im prądu udarowego [10]:
T1 = k1 * 1/ ² (3)
T2 = k2 * 1/ ² (4)
Im = k3 * U/R (5)
gdzie
² = 1/(LC) - R (6)
Rys. 4.3. Zależność współczynników k1, k2 i k3 od parametrów obwodu generatora
Wykresy współczynników k1, k2 i k3 w funkcji wielkości k oznaczającej .
R
k = (7)
2L²
podano na rys. 4.3.
1.3. Metody pomiaru prądów udarowych
1.3.2. Boczniki
Boczniki wielkoprądowe są elementami o określonej malej rezystancji Rb i możliwie jak
najmniejszej indukcyjności Lb. Spadek napięcia na boczniku pod wpływem prądu i(t) wynosi
di(t)
ub = Rb i(t) + Lb (8)
dt
i może być rejestrowany oscyloskopem lub woltomierzem wartości szczytowej w układzie
pomiarowym pokazanym na rys. 4.4. Jeżeli spadek napięcia na indukcyjności bocznika Lb jest
pomijalny w stosunku do napięcia przypadającego na Rb, wtedy napięcie mierzone u(t) jest
proporcjonalne do prądu i(t). Poza indukcyjnością w konstrukcjach boczników należy
uwzględnić zjawisko naskórkowości [11].
Rys. 4.4. Bocznik RbLb połączony kablem K o impedancji falowej Z z oscyloskopem OE i
miernikiem wartości szczytowej napięcia
Boczniki wielkoprądowe wykonuje się najczęściej w postaci dwóch współosiowych rur
połączonych na jednym końcu. Prąd udarowy płynie przez obie rury w przeciwnych
kierunkach, co zmniejsza strumień magnetyczny determinujący indukcyjność bocznika.
Grubość ścianek rur jest tak dobrana, aby gęstość prądu była w miarę stała, dzięki czemu
impedancja przy prądzie udarowym jest podobna jak przy prądzie stałym. Parametrem
określającym zdolność bocznika do przenoszenia prądu udarowego bez zniekształceń jest
odpowiedz
na impuls prostokątny. Czas odpowiedzi bocznika nie może być dłuższy niż 20%
czasu czoła mierzonego udaru. Rezystancje boczników wynoszą na ogól kilkadziesiąt
miliomów.
1.3.2. Cewka Rogowskiego
Pomiar prądów udarowych o bardzo dużych wartościach szczytowych (powyżej 100
kA) za pomocą boczników jest utrudniony. Dalsze obniżenie rezystancji bocznika komplikuje
jego konstrukcję - trudno utrzymać krótkie czasy odpowiedzi bocznika wobec wzrostu
znaczenia jego indukcyjności. Dlatego do pomiaru bardzo dużych prądów udarowych stosuje
się powietrzny transformator prądowy, nazywany często cewką Rogowskiego [11].
Obwód pierwotny takiego transformatora stanowi pojedyncza szyna wiodąca prąd
udarowy i1(t), a uzwojeniem wtórnym jest toroid o znacznej liczbie zwojów obejmujący szynę
di1(t)
- rys. 4.5. W cewce toroidalnej indukuje się napięcie u(t) = M .
dt
Pomiary prądu i1(t) za pomocą cewki Rogowskiego są przeprowadzane w układach
przedstawionych na rys. 4.6, w których zarejestrowane na ekranie oscyloskopu napięcie u2(t)
jest proporcjonalne do i1(t).
W układzie przedstawionym na rys. 4.6a cewka o indukcyjności Lc i rezystancji Rc jest
zwarta rezystorem Rc o wartości znacznie mniejszej od impedancji falowej Z kabla K.
Jeżeli
di2(t)
Lc >> i2(t)*(R + Rc) (9)
dt
Wtedy
di1(t)
M = Lc di2(t) (10)
dt
dt
Napięcie na rezystorze R, które zostaje zarejestrowane przez oscyloskop, wynosi
u2(t) = i2(t)*R = i1(t) (MR)/Lc (11)
Rys. 4.5. Zasada dziabania cewki Rogowskiego do pomiaru prÄ…du udarowego
Rys. 4.6. Podstawowe układy współpracy cewki Rogowskiego z oscyloskopem: a - cewka
zwarta rezystorem R, b - całkowanie sygnału wyjściowego w obwodzie R-C
Układ pokazany na rys. 4.6 b umożliwia całkowanie sygnału w obwodzie R-C, jeżeli
speÅ‚nione sÄ… nastÄ™pujÄ…ce warunki: R >> 1/É C oraz Z >> É LC, gdzie É oznacza pulsacjÄ™
równoważną prądu udarowego. Wówczas napięcie mierzone u2( t) wynosi
1 M
u2(t) = (12)
+"u(t)dt = RC i1(t)
RC
Cewka Rogowskiego ma, w porównaniu z bocznikiem, tę zaletę, że nie jest sprzężona
galwanicznie z obwodem głównym generatora udarów, co ułatwia pomiary. Cewka taka musi
być jednak starannie ekranowana od sprzężeń pojemnościowych z elementami generatora.
1.3.3. Pręciki magnetyczne
Bardzo często amplitudę prądu udarowego mierzy się za pomocą pręcików
magnetycznych. Metoda ta polega na określeniu maksymalnej wartości prądu na podstawie
magnetyzmu szczątkowego materiału magnetycznego umieszczonego w polu wywołanym
przez badany prÄ…d.
Stosuje się pręciki ferrytowe,  drucikowe" lub "blaszkowe". Pręciki drucikowe składają
się z wiązki drutów stalowych o średnicy ok. 0,2 mm zamkniętej w rurce szklanej, Pręciki
blaszkowe, znacznie tańsze, są wykonane z wycinków żyletek zalanych w polistyrenie.
Podział pręcika na druciki lub blaszki pozwala uniknąć wpływu prądów wirowych na wyniki
rejestracji krótkotrwałych impulsów.
Pomiar magnetyzmu szczątkowego pręcika odbywa się najczęściej za pomocą cewki i
fluksometru. Wychylenie fluksometru (liczba działek) odzwierciedla ładunek, jaki
zaindukował się w cewce wskutek wprowadzenia do niej (lub wyjęcia) pręcika.
Przed pomiarami prądu udarowego pręcik należy wyskalować. Skalowanie odbywa się w
cewce cylindrycznej zasilanej prądem stałym. Dla cewki o długości l, średnicy d i liczbie
zwojów z natężanie pola magnesującego H, które działa na pręcik umieszczony w jej środku,
można wyrazić jako
zi
H = (13)
2 2
l + d
Wyrażenie (13) jest słuszne pod warunkiem, że średnica cewki , jest przynajmniej 10-
krotnie większa od średnicy pręcika. Rys. 4.7 przedstawia przykładową charakterystykę
magnetyzmu szczątkowego x pręcika w funkcji natężenia pola magnesującego H.
W pomiarach prądów udarowych za pomocą pręcików wykorzystuje się najczęściej pole
magnetyczne dookoła przewodu wiodącego prąd. Pręcik magnetyczny umieszcza się w
kierunku linii pola magnetycznego w sposób przedstawiony na rys. 4.8. Jeżeli przewód ma
przekrój kołowy i długość znacznie większą w porównaniu z odległością pręcika, wtedy prąd
i można wyznaczyć jako
i = 2Ä„ rH (14)
przy oznaczeniach zgodnych z rys. 4.8.
Rys. 4.7. Przykład charakterystyki magnetyzmu szczątkowego x w funkcji natężenia H pola
magnesujÄ…cego
Rys. 4.8. Ustawienie pręcika magnetycznego 1 przy rejestracji prądu udarowego płynącego w
przewodzie 2
Największy dokładność pomiarów pręcikami uzyskuje się poza obszarem nasycenia
charakterystyki, np. dla pręcika o charakterystyce pokazanej na rys. 4.7. są to pola o natężeniu
H = 30 + 70 A/cm. Wynika stąd, że odległość r pręcika od przewodu wiodącego prąd
powinna być dostosowana do spodziewanej wartości szczytowej prądu. Wzór (14} wskazuje,
iż dla pręcików o charakterystyce zbliżonej do zaprezentowanej na rys. 4.7 największą
dokładność rejestracji można osiągnąć w następujących warunkach:
odległość r [m] 0,5 1 2 4
zakres prÄ…du i [kA] 5 - 30 10 - 60 20 - 120 40 - 240
Tak duże wartości prądów udarowych spotyka się w prądach piorunowych i metody
pręcikowe są stosowane przede wszystkim w badaniach wyładowań atmosferycznych. Kilka
pręcików umieszcza się w różnych odległościach od zwodu odgromowego, aby pokryć cały
zakres spodziewanych wartości prądów. Prąd piorunowy określa się na podstawie odczytu
magnetyzmu szczątkowego wszystkich pręcików, które znajdowały się w pobliżu zwodu.
Do pomiaru mniejszych prądów udarowych, gównie w pracach laboratoryjnych, pręcik
modna umieszczać w cewce cylindrycznej, przez którą płynie prąd udarowy. W takim
przypadku wartość natężenia pola magnetycznego oddziaływującego na pręcik należy
obliczyć ze wzoru (13).
Metody pręcikowe pomiaru wartości szczytowej prądu udarowego zostały w znacznej
mierze udoskonalone w wyniku licznych prac związanych z rejestrację prądów piorunowych
[2, 3, 5, 8].
1.3.4. Klidonografy
Zasadę działania klidonografu przedstawiono na rys. 4.9. Pod wpływem napięcia
udarowego z krawędzi mniejszej elektrody rozwijają się wyładowania powierzchniowe. Ślady
tych wyładowań są utrwalane na materiale światłoczułym w postaci figur Lichtenberga.
Kształt i długość tych figur zależy od wartości szczytowej, stromości oraz znaku napięcia
przyłożonego do elektrod.
Rys. 4.9. Zasada budowy klidonografu; 1,2  elektrody, 3  płytka izolacyjna, 4  film
światłoczuły
Rys. 4.10. Układ cewki prostokątnej i klidonografu rurkowego do rejestracji maksymalnej
stromości czoła udaru prądowego
W latach 50-ych zostały opracowane klidonagrafy rurkowe, w których wykorzystano
wyładowania ślizgowe w układzie typu przepustowego. Najczęściej stosuje się tutaj rurkę
szklaną metalizowaną po obu stronach, którą po owinięciu paskiem filmu światłoczułego
umieszcza się w ebonitowej osłonie izolacyjnej. Dla tego typu klidonografów opracowano
katalog średnich klidonogramów charakterystycznych dla różnych wartości napieć obu
znaków [6,8].
Klidonografy są najczęściej stosowane do pomiaru maksymaknej stromości gradu
udarowego. Przykład takiego układu przedstawiono na rys. 4.10. W odległości b od przewodu
wiodącego prąd i instaluje się prostokątną cewkę zawierającą z zwojów o wymiarach a, 1.
Napięcie U zarejestrowane przez klidonograf wynosi:
di a + b di
ëÅ‚ öÅ‚
U = M ëÅ‚ öÅ‚ max = 0.2 * z ln max (15)
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
dt b dt
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
gdzie M oznacza indukcyjność wzajemnÄ… miÄ™dzy cewkÄ… a przewodem wyrażonÄ… w µ H,
jeżeli l jest w m. Dla uniknięcia wpływu oscylacji na pomierzoną stromość narastania prądu
szeregowo z klidonografem dodaje się rezystor R = 2 L / C , gdzie L oznacza indukcyjność
wlasną cewki, a C pojemność klidonografu.
Umieszczenie w pobliżu przewodu wiodącego prąd udarowy pręcików magnetycznych
oraz cewki z klidonografem pozwala na określenie wartości maksymalnej udaru prądowego
oraz największej stromości narastania prądu. Równoczesne wykorzystanie metody pręcikowej
i klidonograficznej było przez szereg lat stosowane w badaniach piorunowych prowadzonych
przez Zakład Wysokich Napięć Politechniki Gdańskiej w wielu rejonach Polski [4,7].
2. PRZEBIEG ĆWICZENIA
2.1. Dobór parametrów generatora udarów prądowych
Dla zadanego kształtu udaru prądowego dobrać parametry generatora udarów o
schemacie przedstawionym na rys. 4.11.
2.2. Pomiar wartości szczytowej i parametrów czasowych prądu udarowego
W układzie przedstawionym na rys. 4.11 pomierzyć wartość szczytową i czasy czoła oraz
do półszczytu otrzymanego udaru prądowego za pomocą następujących metod:
- bocznika
- sondy prÄ…dowej CT-4
- cewki Rogowskiego .
Rys. 15.11. Schemat układu do pomiaru prądu udarowego i(t) otrzymanego z generatora
zÅ‚ożonego z 10 kondensatorów C1 o pojemnoÅ›ci 0,2 µ F każdy; I - iskiernik zapalajÄ…cy, Rd,
Ld - rezystancja i indukcyjność dodatkowa, CR - cewka Rogowskiego, Rb - bocznik, 0E - os-
cyloskop dwustrumieniowy, K - kabel, SQST1 i SQ2 - urzÄ…dzenia sterujÄ…ce pracÄ… generatora.
2.3. Wyznaczenie charakterystyk u = f(i) ogranicznika przepięć
Dla wskazanych typów ograniczników włączonych w obwód probierczy według rys. 4.11
zarejestrować prąd oraz spadek napięcia wywołany tym prądem na ograniczniku. Wyniki
zestawić w postaci wykresu.
3. OMÓWIENIE WYNIKÓW I WNIOSKI
Omówić otrzymane charakterystyki i wyznaczyć napięcie obniżone ogranicznika [12].
4. PYTANIA KONTROLNE
1. Rodzaje i parametry udarów prądowych oraz zastosowanie takich udarów do prób.
2. Budowa generatora udarów prądowych.
3. Metody pomiarów wartości szczytowej prądu udarowego.
4. Metody pomiaru maksymalnej stromości narastania prądu.
5. Zasady budowy boczników wielkoprądowych.
6. Sposób pomiaru parametrów udaru prądowego za pomocą cewki Rogowskiego.
7. Zastosowanie pręcików magnetycznych w pomiarach prądów.
8. Możliwości stosowania klidonografów w badaniach prądów udarowych.
9. Stosowanie metody badań prądów piorunowych.
10 .Budowa i działanie ograniczników przepięć?
5. LITERATURA
1. B a b i k o w M.A. i inni: Technika wysokich napięć. WNT, Warszawa 196?.
2. M a t u s z e w s k i T.: Udoskonalenie rejestracji prądów udarowych pręcikami
magnetycznymi. Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej nr 14, Elektryka III 1958.
3. K u z
n i a r W.: Pomiar prądu pioruna wielokrotnego pręcikami magnetycznymi. Zeszyty
Naukowe Politechniki Gdańskiej nr 2, Elektryka I, 1955.
4. S u c h o c k i J., W a s i l e n k o E.: Dwadzieścia lat badań piorunowych w Polsce.
Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej nr 155, Elektryka XXVI, 1970.
5. S u c h o c k i J., C e w e A.: Metody odczytywania prądów rejestrowanych przez pręciki
magnetyczne. Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej nr 171, Elektryka XXVII, 1971.
6. S z p o r S., W a s i 1 e n k o E.: Nowe klidonografy rurowe. Archiwum Elektrotechniki z.
1, 1957.
7. S z p o r S.: Polskie wyniki piorunowe, Problemy nr 7, 1968.
8. S z p o r S.: Ochrona odgromowa T.1, WNT, Warszawa 1973.
9. PN-92/E-04064. Próby prądami udarowymi.
10. Kosztaluk R. i inni, Technika badań wysokonapięciowych, WN-T, W-wa, 1985
11. Wodziński J. Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów, PWN, W-wa, 1997
12. PN-EN 60099-4 :2002 (U), Beziskiernikowe zaworowe ograniczniki przepięć z tlenków
metali do sieci prÄ…du przemiennego.