– 1 –

ĆWICZENIE 8

BADANIE WYSOKONAPIĘCIOWYCH UKŁADÓW IZOLACYJ-

NYCH NAPIĘCIEM PIORUNOWYM

I. WIADOMOŚCI TEORETYCZNE

1. Udar napięciowy 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.

u/U

max

1,0

0,9

0,5

0

T

1

T

2

t

0,3

-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. 1. Udar napięciowy piorunowy

normalny pełny: T

1

- czas trwa-

nia czoła (1,2

µ

s

±

30%), T

2

-

czas do półszczytu (50

µ

s

±

20%). Umowny początek uda-
ru jest wyznaczany przez punkt
przecięcia z osią czasu prostej
przechodzącej przez punkty 0,3
i 0,9 U

max

Rys. 2. Wyznaczanie parametrów

udaru uciętego: t

p

- czas do

ucięcia, t

S

- czas ucięcia

– 2 –

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.

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

półszczytu (2500

±

60%), T

90

- czas trwania wartości napięcia 0,9 U

max

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.

W technice probierczej obok omówionych udarów napięciowych stosowane są jeszcze udary ukośne

oraz udary specjalne o innych czasach T

1

/T

2

.

2. Jednostopniowy generator udarów napięciowych

Najprostszy układ jednostopniowego generatora udarów przedstawia rysunek 4. Pomiędzy

elementami generatora zachodzą następujące relacje

C

g

>> C

c

, R

r

>> R

c

.

(8.1)

R

c

R

c

R

c

P

0

R

0

R

0

R

T

r

T

p

I

s

I

s

I

s

0

U

U

0

0

U

C

ob

C

ob

C

ob

C

g

C

g

C

g

u(t)

u(t)

u(t)

C

c

C

c

C

c

R

r

R

r

R

r

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 ku-

lowy, R

r

- rezystor rozładowujący, R

c

, C

c

- rezystor i pojemność do kształtowania czoła udaru,

C

ob

- pojemność obiektu

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-

– 3 –

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.

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

c

C

c

C

c

u(t)

u(t)

u(t)

C

ob

C

ob

C

ob

0

U

C

g

C

g

C

g

R

r

R

r

R

r

R

c

R

c

R

c

W

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















−

η

=

τ

−

τ

−

1

2

t

t

0

0

e

e

U

)

t

(

u

,

(8.2)

gdzie

η

0

- współczynnik wykorzystania obwodu generatora.

Biorąc pod uwagę zależności (8.1) można napisać uproszczone wzory na stałe czasowe

(

)

τ

1

≅

+

R C

C

c

c

ob

,

τ

2

≅

⋅

R

C

r

g

.

(8.3)

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 uciętych

– 4 –

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

b

R

d

R

u

a

C

u

b

U

a

R

c

R

r

U

C

g

C

c

Ob

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 przesko-

ku można regulować odstępem 'b' iskiernika trójkulowego.

t

p

t

U

c

U

a

U

b

U

pa

U

pb

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 napięć 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-

– 5 –

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-

ści 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.

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 (ciśnienie,

temperatura). Wpływ wilgotności powietrza w układach o prawie równomiernym rozkładzie pola elek-
trycznego jest pomijalny, o ile wilgotność mieści się w przedziale 4

÷

15 g/m

3

.

Napięcie przeskoku w danych warunkach można obliczyć z wzoru

U

p

= k U

pn

,

gdzie: k = f

(

δ

) jest funkcją gęstości względnej powietrza, a U

pn

50% napięciem przeskoku w warunkach

normalnych (1013 hPa, 293 K).

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

z

y

n

n

ik

k

(

)

Rys. 9. Zależność współczynnika poprawkowego k od gęstości względnej powietrza

Gęstość względną powietrza można obliczyć z wzoru

T

b

289

,

0

T

293

1013

b

=

⋅

=

δ

,

– 6 –

gdzie: b - ciśnienie w hPa (1 hPa = 0,75 mmHg), T - temperatura w Kelwinach.

Rysunek 9 przedstawia zależność k = f

(

δ

) a rysunek 10 zależność U

pn

= f

(a) dla iskiernika o średnicy

kul 12,5 cm (wg tabel z PN-64/E-04050).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

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

Napięcie przeskoku Up, kVmx

50 Hz, udar ujemny

udar dodatni

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 współczynnik k.

W przypadku potrzeby ustawienia zadanego napięcia probierczego musimy odczytać z tablicy odle-

głość 'a' odpowiadającą napięciu U

pn

= U

p

/k.

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.

5.2. Mierniki wartości 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-

– 7 –

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)

W

C

C

p

V

W

a )

b )

R

P

V

1

R

C

P

2

R

1

R

2

R

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 szybkopiszące

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

Z

2

R

1

R

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:

Rys. 12. Sposób połączenia oscyloskopu z dzielnikiem napię-

cia

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.

– 8 –

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-64/E-04050 Pomiary wysokonapięciowe

5.

PN-87/E-04053 Pomiary wysokonapięciowe. Układy pomiarowe i wskazówki ich stosowania

6.

PN-92/E-04060 Wysokonapięciowa technika probiercza

7.

PN-81/E-05001 Urządzenia elektroenergetyczne wysokiego napięcia. Znamionowe napięcia pro-
biercze izolacji

II. POMIARY

Ćwiczenie 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.