– 1 –

ĆWICZENIE 2

BADANIE WYSOKONAPIĘCIOWYCH UKŁADÓW

IZOLACYJNYCH NAPIĘCIEM PRZEMIENNYM

I. WIADOMOŚCI TEORETYCZNE

1. Zespoły probiercze

Próby napięciowe izolacji napięciem przemiennym o częstotliwości 50 Hz stanowią podstawową for-

mę badań przed dopuszczeniem urządzeń elektroenergetycznych do pracy, jak i w badaniach profilak-
tycznych sprawdzających stan izolacji. Układ izolacyjny jest zwykle najsłabszym elementem urządzeń
wysokonapięciowych, a narażenia ze strony napięcia przemiennego 50 Hz stanowią istotną część wszyst-
kich zagrożeń występujących w czasie eksploatacji.

Wysokie napięcie przemienne wytwarzane jest przy pomocy zespołów probierczych. Elementami

składowymi zespołu probierczego są:

−

układ zasilający (źródło napięcia),

−

urządzenie regulacyjne,

−

transformator probierczy.

Człon zasilający stanowi zwykle jednofazowe źródło niskiego napięcia. Duże moce i niesymetryczne

obciążenie przy małej sztywności źródła stwarzają niekiedy konieczność wykorzystywania specjalnego
transformatora zasilającego poprawiającego rozkład obciążeń w poszczególnych fazach.

Urządzenie regulacyjne zapewnia płynną regulację napięcia. Skoki napięcia nie powinny przekraczać

0,5% napięcia probierczego. Przy niewielkich mocach (kilkadziesiąt kVA) zadanie to spełniają autotrans-
formatory lub transformatory regulacyjne ze szczotką przeskakującą ze zwoju na zwój. Przy większych
mocach stosowane są transformatory z przesuwnym rdzeniem lub zespoły wirujące (silnik – prądnica
synchroniczna z regulacją wzbudzenia).

Najważniejszym urządzeniem zespołu probierczego jest transformator probierczy lub zespół trans-

formatorów probierczych (rys.1).

5

1

a)

b)

1

3

4

2

4

2

Rys. 1. Transformatory probiercze TP 110 (a) i TP 60 (b): 1 - wyjście WN, 2 - wejście nn, 3 -

korek, wskaźnik poziomu oleju, 4 - kadź izolacyjna (a) lub metalowa (b), 5 - konser-
wator

– 2 –

W porównaniu z transformatorem energetycznym, transformator probierczy charakteryzuje się znacz-

nie większą przekładnią i znacznie mniejszą mocą. Ze względu na warunki pracy (np. brak zagrożeń ze
strony wyładowań atmosferycznych) transformator probierczy posiada mniejszy zapas wytrzymałości
elektrycznej izolacji (10

÷

40%), a zatem i mniejsze wymiary. Małe wymiary wynikają również z małej

mocy transformatora i często stosowanej obudowy izolacyjnej z papieru bakelizowanego. W takim przy-
padku nie posiada on izolatorów przepustowych.

Przedstawiony na rysunku 1a transformator probierczy z izolacją papierowo-olejową posiada prze-

kładnię 220/110000, moc 10 kVA, znamionowy prąd ciągły 0,091 A (od strony WN), napięcie zwarcia
12%.

Parametrami zespołu probierczego są:

a) napięcie znamionowe,
b) moc znamionowa,
c) moc zwarciowa.

Napięcie znamionowe jest to najwyższe napięcie, które można zastosować do prób. Równa się ono

górnemu napięciu transformatora probierczego U

2n

.

Moc znamionowa to iloczyn napięcia znamionowego i prądu znamionowego ciągłego (S

n

= U

n

I

n

). Jest

to tzw. moc cieplna ograniczona dopuszczalnym przyrostem temperatury uzwojeń. Ze względu na krótki
czas trwania prób probierczych określa się również prąd znamionowy 15-minutowy. Jest on większy od
prądu ciągłego i pozwala na lepsze wykorzystanie transformatora probierczego.

Moc, która może być pobierana z układu probierczego, nie jest stała i zależy od napięcia probiercze-

go, przy którym jest pobierana. Grzanie się uzwojeń i izolacji zależy od prądu. Moc, która może być po-
bierana z zespołu probierczego przy napięciu probierczym niższym od znamionowego, wypada mniejsza

n

pr

n

dop

U

U

S

S

=

,

gdzie: S

dop

- moc pobierana przy napięciu probierczym, S

n

- moc znamionowa zespołu probierczego, U

pr

-

napięcie probiercze, U

n

- napięcie znamionowe.

Ponieważ badane obiekty pobierają (praktycznie rzecz biorąc) tylko prąd pojemnościowy, zatem po-

bieraną przez nie moc oblicza się na podstawie pojemności obiektu

C

U

S

2
n

ω

=

.

Moc zwarciowa to iloczyn napięcia znamionowego i prądu zwarciowego (S

z

= U

n

I

z

. = U

2

n

/X

z

). Prąd

zwarciowy zależy od reaktancji zwarciowej. Przy napięciu przeskoku lub przebicia prąd zwarciowy musi
być odpowiednio duży, aby wyładowanie zupełne w badanym obiekcie było wyraźnie zauważalne. Z tego
względu prąd ten nie powinien być mniejszy niż 0,1 A przy próbach na sucho i 0,5 A przy próbach na mo-
kro w całym zakresie stosowanych napięć probierczych.

Prąd zwarciowy przy danym napięciu probierczym można obliczyć z wzoru

z

pr

z

X

U

I

=

.

Reaktancja zwarciowa wynosi

X

z

= X

r

+X

p

+ X

s ,

gdzie: X

r

i X

p

- reaktancje zwarciowe transformatora regulacyjnego i probierczego,

X

s

- reaktancja sieci zasilającej.

Przy niewielkich mocach znamionowych zespołu (< 10 kVA) można pominąć X

r

i X

s

. W takim przypadku

reaktancję zwarciową można obliczyć z wzoru

– 3 –

n

n

I

U

100

%

z

u

z

X

⋅

=

,

gdzie u

z%

- procentowe napięcie zwarcia transformatora probierczego.

Prąd zwarciowy można ograniczyć przez włączenie w obwód wysokiego napięcia rezystora ograni-

czającego. Wzór na prąd zwarcia przyjmie wtedy postać

2
z

2
0

pr

X

R

U

z

I

+

=

.

Wykonując próby napięciowe należy pamiętać, że przekładnia transformatorów probierczych nie jest

wartością stałą i zależy od obciążenia. Z reguły jest ona większa od przekładni zwojowej, co wynika z
pojemnościowego charakteru obciążenia. W związku z powyższym pomiar napięcia probierczego powi-
nien być dokonywany po stronie wtórnej transformatora. Niedopuszczalny jest pomiar po stronie pier-
wotnej i mnożenie wyniku pomiaru przez przekładnię zwojową. Wyskalowanie woltomierza po stronie
niskiego napięcia wartościami napięcia po stronie wtórnej jest możliwe przy przeznaczeniu zespołu pro-
bierczego do badania obiektów tego samego typu (o tej samej pojemności).

Rzeczywistą przekładnię zespołu można obliczyć z wzoru

z

c

r

1

2

S

S

1

1

U

U

−

⋅

ϑ

=

ϑ

=

,

gdzie:

ϑ

- przekładnia zwojowa,

2
pr

c

CU

S

ω

=

- moc obciążenia przy pojemności obiektu C,

2
pr

z

U

S

=

/

X

Z

- moc zwarciowa.

W większości przypadków badane obiekty (izolacja) stanowią dla zespołu probierczego niewielkie

obciążenie o charakterze pojemnościowym. Po ewentualnym przebiciu badanej izolacji transformator
przechodzi ze stanu jałowego w stan zwarcia i musi być natychmiast wyłączony. Realizują to zwykle
zabezpieczenia nadprądowe. Przepięcia, jakie mogą powstać w momencie przebicia lub przeskoku mogą
zagrażać izolacji transformatora. Wynika stąd konieczność stosowania rezystorów ograniczająco-tłumią-
cych.

Jeżeli ograniczony prąd zwarcia nie przekracza wartości prądu dla pracy dorywczej zespołu pro-

bierczego, nie jest potrzebne instalowanie zabezpieczeń nadprądowych – wyłączenie układu spod napię-
cia może odbywać się ręcznie

.

Część wysokonapięciowa zespołu probierczego (czyli transformator probierczy, wysokonapięciowe

układy pomiarowe, dzielniki napięcia, obiekt badany) musi być ogrodzona (ograniczenie dostępu) two-
rząc pole probiercze. Zainstalowana blokada drzwi i drążek uziemiający służą bezpieczeństwu obsługi.

U

1

ϑ

I

U

2

I·X

z

Obiekt
badany

i

X

z

U

2

U

1

C

Rys. 2. Schemat zastępczy i wykres wskazowy transformatora probierczego: U

1

ϑ

- napię-

cie pierwotne pomnożone przez przekładnię zwojową, U

2

- napięcie strony wtórnej,

Xz - reaktancja zwarcia, C - pojemność (obciążenie)

– 4 –

2. Układy połączeń transformatorów probierczych

Jeżeli jeden koniec uzwojenia WN transformatora probierczego jest uziemiony (na zewnątrz kadzi wypro-

wadzony jeden zacisk), służy on do badania izolacji doziemnej (głównej) – jest to tzw. układ niesymetryczny.
W przypadku wyprowadzonych dwóch zacisków – uziemiony jest środek uzwojenia wysokiego napięcia –
mamy do czynienia z układem probierczym symetrycznym do prób izolacji międzyfazowej (rys. 4).

C

1

Dr

Pole probiercze

Ro

C

2

Ip

Ob

V

Tr

V

A

B

Tp

Rys. 3. Uproszczony schemat zespołu probierczego napięcia przemiennego: Tr, Tp - transformato-

ry: regulacyjny i probierczy, B - blokada, Ro - rezystor ograniczająco-tłumiący, C

1

i C

2

- pojemnościowy dzielnik napięcia, V - woltomierz (elektro-statyczny), Ob - badany
obiekt, Ip - iskiernik pomiarowy, Dr - drążek uziemiający

Ro

Ro

Ob

Ro

a)

Tp

Tp

Ob

b)

Rys. 4. Układy probiercze: a) niesymetryczny, b) symetryczny: Tp - transformator

probierczy, Ro - rezystor ograniczający, Ob - obiekt badany

U

1

U

1

a)

U

1

U

2

U

1

b)

2U

2

2U

2

c)

U

2

U

1

U

1

U

1

2U

2

U

1

d)

U

1

4U

2

Rys. 5. Układy połączeń transformatorów probierczych: a) przeciwsobny, b) kaskadowy, c) równoległy, d) kaskadowy prze-

ciwsobny

Powiększenie napięcia lub obciążalności zespołu probierczego można osiągnąć przez stosowanie

rozmaitych połączeń transformatorów probierczych. Uproszczone schematy przykładowych układów po-
łączeń transformatorów przedstawia rysunek 5.

Przy połączeniu kaskadowym transformatorów probierczych zmniejsza się sprawność układu

– 5 –

1

n

2

S

S

i

u

+

=

=

η

,

gdzie: S

u

- moc użyteczna, S

i

- moc zainstalowana, n - liczba transformatorów.

3. Wymagania stawiane zespołom probierczym

3.1. Sinusoidalność napięcia probierczego

Zgodnie z PN-92/E-04060 wytworzone napięcie probiercze powinno być stabilne i posiadać sinuso-

idalny kształt. Ocena sinusoidalności napięcia może być przeprowadzona przez pomiar współczynnika
szczytu. Warunek sinusoidalności można sformułować następująco

5

%

100

1

2

U

U

max

≤

⋅

−

⋅

.

Współczynnik szczytu będący stosunkiem wartości szczytowej napięcia do jego wartości skutecznej

może być wyznaczony przez jednoczesny pomiar napięcia iskiernikiem kulowym (wartość szczytowa
U

max

) i woltomierzem elektrostatycznym (wartość skuteczna U).

Ź

ródłem wyższych harmonicznych w układzie probierczym może być sieć zasilająca (na ogół w ma-

łym stopniu). Wyższe harmoniczne mogą być generowane zarówno przez transformator probierczy, jak i
regulacyjny ze względu na nasyceniową charakterystykę magnesowania.

Zniekształcenie napięcia może wystąpić przy zastosowaniu transformatora regulacyjnego o zbyt małej

mocy (mniejszej niż moc transformatora probierczego) oraz przy stosowaniu rezystorów ograniczających
po stronie niskiego napięcia.

Znacznego odkształcenia krzywej napięcia należy się spodziewać w przypadku, gdy pomiędzy siecią

zasilającą a transformatorem probierczym włączymy rezystor R jako rezystancyjny regulator napięcia.
Ponieważ prąd magnesujący transformatora jest odkształcony, wywoła on zniekształcone napięcie na
rezystorze. Przy sinusoidalnym napięciu zasilającym na zaciskach transformatora probierczego musi
pojawić się odkształcone napięcie zawierające wyższe harmoniczne. Odkształcenie to zostanie przetrans-
formowane na stronę górnego napięcia.

Odkształcenia napięcia można spodziewać się przy małych napięciach probierczych w porównaniu z

napięciem znamionowym. Należy unikać badań przy napięciu probierczym niższym niż 0,3 U

n

.

W celu uniknięcia wyższych harmonicznych wprowadzanych przez wyładowania niezupełne należy

stosować połączenia nieulotowe i eliminować wszelkie ostrza w torze wysokonapięciowym.

Do czynników pomagających spełnić wymagania dotyczące kształtu napięcia należą:

−

dobór transformatora regulacyjnego o możliwie największej mocy (uzasadnionej ekonomicz-
nie),

−

zastosowanie dodatkowych urządzeń tłumiących wyższe harmoniczne (filtry),

−

unikanie pracy zespołu przy małych napięciach probierczych w stosunku do znamionowego.

3.2. Stabilność napięcia probierczego

Na stabilność napięcia probierczego mogą wpływać:

−

zmienny w czasie próby prąd upływu,

−

intensywne wyładowania niezupełne.

Wpływ prądu upływu staje się nieistotny przy dużym prądzie zwarcia układu probierczego. Zwykle

wystarczy, aby prąd zwarcia wynikający z reaktancji zwarciowej zespołu probierczego był nie mniejszy
od 0,1 A.

3.3. Dokładność pomiaru

Dokładność ustawienia napięcia probierczego oraz błąd pomiaru powinny być utrzymywane

w granicach

±

3%.

– 6 –

Dokładność ustawienia napięcia związana jest z różnicą między wymaganą i zmierzoną wartością na-

pięcia probierczego. Błąd pomiaru stanowi różnicę między wartością zmierzoną i rzeczywistą.

W niektórych przypadkach normy przedmiotowe podają inne wartości dopuszczalnych błędów. Przy

badaniu sprzętu ochronnego wystarczająca jest dokładność ustawienia napięcia w granicach

±

5%.

Nie atestowane urządzenie pomiarowe może być wyskalowane przy pomocy urządzenia znormalizo-

wanego. Znormalizowanym urządzeniem do pomiaru wysokiego napięcia jest iskiernik kulowy.

4. Iskiernik kulowy

Iskiernik kulowy jest najprostszym i jednym z najbardziej rozpowszechnionych przyrządów do po-

miaru wysokiego napięcia. Posiada on dwie jednakowe kule, najczęściej miedziane lub mosiężne, osa-
dzone na sworzniach o średnicy 0,1

÷

0,2 średnicy kul D w układzie poziomym (rys. 8) lub (dla D > 250

mm) w układzie pionowym. Odstęp między kulami może być precyzyjnie regulowany.

−

Izolator

WN

Rys. 6. Pomiarowy iskiernik kulowy z poziomym układem kul

Napięcie przeskoku iskiernika zależy od średnicy elektrod, ich odstępu, rodzaju i biegunowości mie-

rzonego napięcia, a także czasu przyłożenia napięcia i warunków atmosferycznych. Wartości napięć
przeskoku zostały umieszczone w tablicach dla znormalizowanych średnic kul i normalnych warunków
atmosferycznych (PN-64/E-04050).

Zależność napięcia przeskoku od warunków atmosferycznych wymaga wprowadzenia poprawek. Na-

pięcie przeskoku w danych warunkach wynosi

U

p

= k

⋅

U

pn

,

(2.1)

gdzie: k - współczynnik zależny od względnej gęstości powietrza

δ

, U

pn

- napięcie przeskoku w warun-

kach normalnych.

t

+

273

b

0,289

=

t

273

t

273

b

b

=

0

0

+

+

⋅

δ

,

(2.2)

gdzie: b

0

- ciśnienie normalne (1013 hPa), t

0

- temperatura normalna (20

°

C),

b i t - ciśnienie i temperatura w warunkach pomiaru (hPa,

°

C).

Wpływ wilgotności w granicach 4

÷

15 g/m

3

jest nieistotny.

Iskierniki kulowe mierzą wartość maksymalną napięcia. Napięcia przemienne U

p

i U

pn

są zatem wyra-

ż

ane przez wartości szczytowe.

Rysunek 7 przedstawia zależność k = f

(

δ

), a rysunek 8 zależność U

pn

= f

(a) wykonane na podstawie

tablic z normy PN-64/E-04050. Dokładność pomiaru iskiernikiem kulowym wynosi

∼

3% przy odstępie

elektrod spełniających warunek a

≤

0,5 D (D - średnica kul). Dokładność ta jest jednak osiągalna, jeżeli:

– 7 –

−

powierzchnia elektrod jest gładka i czysta,

−

brak mimoosiowości w ustawieniu kul,

−

przestrzeń wokół iskiernika jest pozbawiona obcych elementów uziemionych lub pod napięciem
(obszar o promieniu > 5D o środku w punkcie leżącym w przerwie iskrowej na kuli WN).

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

1,15

0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95

1

1,05 1,1 1,15 1,2

Względna gęstość powietrza

δ

W

sp

ó

łc

zy

n

n

ik

k

Rys. 7. Zależność współczynnika poprawkowego k od gęstości względnej powietrza

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

7,5

8

8,5

9

9,5 10

Odległość elektrod a, cm

N

ap

ię

ci

e

p

rz

es

k

o

k

u

U

p

,

k

V

m

x

Rys. 8. Zależność wartości szczytowej napięcia przeskoku (50 Hz) od odległości elektrod U

pn

= f

(a)

dla iskiernika o średnicy kul 12,5 cm w warunkach normalnych

– 8 –

Zalety iskiernika kulowego:

−

wyraźna granica przeskoku bez wyładowań poprzedzających,

−

duża powtarzalność,

−

uniwersalność (mierzy napięcia stałe, przemienne i impulsowe),

−

pomiar wartości szczytowej najważniejszej w technice wysokich napięć,

−

szeroki zakres pomiarowy (np. przy D = 2 m mierzy napięcia do 2700 kV).

Stosując iskiernik kulowy przy ustawianiu napięć probierczych dla powietrznych układów izolacyj-

nych (np. izolatory wsporcze, iskierniki prętowe) lub pomiarach ich wytrzymałości elektrycznej musimy,
uwzględniając warunki atmosferyczne, wziąć również pod uwagę wpływ wilgotności powietrza na wy-
trzymałość tych układów.

5. Wpływ warunków atmosferycznych na wytrzymałość elektryczną

i wartości napięć probierczych powietrznych układów izolacyjnych

Napięcia probiercze izolacji i tabele napięć przeskoku określane są dla tzw. warunków normalnych.

Za warunki normalne przyjmuje się:

−

temperatura - t

0

= 20

°

C,

−

ciśnienie atmosferyczne - b

0

= 1013,25 hPa,

−

wilgotność bezwzględna - h

0

= 11 g/m

3

.

Zgodnie z PN-92/E-04060 dla określenia napięcia probierczego w danych warunkach atmosferycz-

nych należy wprowadzić współczynnik poprawkowy K

t

,

U

pr

= U

0

K

t

,

(2.3)

gdzie: U

0

- napięcie probiercze dla warunków normalnych.

Mierząc to napięcie przy pomocy iskiernika kulowego należy ustawić odległość między kulami od-

powiadającą napięciu przeskoku

k

K

U

2

U

k

2

=

U

t

0

pr

pn

=

.

(2.4)

Napięcia probiercze podawane są w wartościach skutecznych, a napięcia przeskoku w wartościach mak-

symalnych. Współczynnik k = f

(

δ

) należy odczytać z wykresu (rys. 7), a odległość „a” z zależności U

pn

= f

(a) – rysunek 8. Napięcia probiercze są podawane przez normy przedmiotowe dotyczące danych układów
izolacyjnych.

Współczynnik

K

t

= k

1

⋅

k

2

,

(2.5)

gdzie: k

1

=

δ

m

- współczynnik zależny od gęstości powietrza, k

2

= (k

w

)

w

- współczynnik zależny od wil-

gotności powietrza.

Współczynnik k

w

= f

(h/

δ

) odczytujemy z wykresu lub obliczamy wg tabeli 1.

Tabela 1. Wartości współczynnika k

w

(wg PN-92/E-04060)

Napięcie

k

w

Zakres wilgotności

udarowe

1 + 0,010 (h/

δ

– 11)

1 < h/

δ

< 15

przemienne

1 + 0,012 (h/

δ

– 11)

1 < h/

δ

< 15

stałe

1 + 0,014 (h/

δ

– 11)

1 < h/

δ

< 13

Wilgotność bezwzględna „h” w g/m

3

może być określona z wykresu bądź tabel na podstawie odczytu

wilgotności względnej

ϕ

(w %) z higrometru lub psychrometru.

h = h

n

⋅ϕ

/100,

(2.6)

gdzie h

n

- wilgotność bezwzględna w stanie nasycenia w danej temperaturze.

– 9 –

Tabela 2. Wilgotność bezwzględna h

n

w funkcji temperatury

t

°

C

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

h

n

g/m

3

8,3

8,8

9,4

10,0 10,7 11,4 12,0 12,8 13,6 14,5 15,4 16,3

t

°

C

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

35

h

n

g/m

3

17,3 18,3 19,4 20,6 21,8 23,0 24,4 25,8 27,2 28,7 30,3 39,6

Wykładniki potęg „m” i „w” zależą od występowania wyładowań wstępnych. Ich wartości odczytuje

się z wykresów m = f(g) i w = f(g) zamieszczonych w normie PN-92/E-04060 lub z wzorów aproksyma-
cyjnych. Wartość g oblicza się z wzoru

w

B

k

L

500

U

=

g

⋅

δ

⋅

⋅

,

(2.7)

gdzie: U

B

- 50% napięcie wyładowania zupełnego w rzeczywistych warunkach atmosferycznych lub,

przy braku danych, 1,1 U

pr

[kV], L - minimalna droga przeskoku [m].

Wzory aproksymacyjne do obliczania współczynników m i w są następujące:

m = w = 2,53g

3

– 2,76g

2

+ 1,55g – 0,21

dla g = 0,2

÷

1,

m = w = 1

dla g = 1

÷

1,2,

m = 1, w = – 2,53g

3

+ 13,94g

2

– 26,14g + 16,77

dla g = 1,2

÷

2,

m = 1, w = 0

dla g = 2

÷

3.

6. Pytania kontrolne

1.

Wytwarzanie wysokich napięć przemiennych – zespoły probiercze

2.

Narysować schemat układu probierczego i omówić jego elementy

3.

Jaką moc można pobierać z zespołu probierczego przy napięciu niższym od napięcia znamionowe-
go?

4.

Jakie są wymagania odnośnie wartości prądu zwarcia w obwodzie probierczym przy napięciu prze-
skoku lub przebicia?

5.

Układy połączeń transformatorów probierczych

6.

Omówić zależność przekładni transformatora od obciążenia

7.

Wymagania stawiane zespołom probierczym

8.

Sposób pomiaru napięcia przemiennego przy pomocy iskiernika kulowego

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.

Polskie normy PN-64/E-04050, PN-87/E-04053, PN-92/E-04060, PN-81/E- 05001