POLITECHNIKA ÅšWI
TOKRZYSKA
Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć
ĆWICZENIE 1
BADANIE WYTRZYMAA
OÅšCI POWIETRZA PRZY NAPI
CIU
PRZEMIENNYM I POMIAR WYSOKIEGO NAPI
CIA
I. WIADOMOÅšCI TEORETYCZNE
1. Wstęp
Powietrze atmosferyczne jest naturalnym środowiskiem gazowym dla większości układów i urządzeń
elektrycznych. Wytrzymałość elektryczną powietrza rozpatrujemy zwykle w kontekście wytrzymałości
powietrznego układu izolacyjnego określając jego napięcie przeskoku Up i średnie natężenie przeskoku
Epśr = Up/a. Wartości Epśr i Up wyrażane są zwykle przez wartości szczytowe  o przeskoku decyduje bo-
wiem najwyższa wartość chwilowa napięcia. Jeżeli pomiary wykonywane są przy niezniekształconym
napięciu sinusoidalnym, dopuszczalne jest operowanie wartościami skutecznymi. Wytrzymałość określo-
na przy napięciu przemiennym niskiej częstotliwości (50 Hz) nazywana jest  podobnie jak przy napięciu
stałym  wytrzymałością statyczną.
Wytrzymałość powietrza jako dielektryka zależy od szeregu czynników związanych z kształtem
i konfiguracją elektrod oraz z warunkami atmosferycznymi. Na wytrzymałość wpływa zatem między in-
nym charakter rozkładu pola elektrycznego. Należy jednak zaznaczyć, że nawet w układach o jednostaj-
nym rozkładzie pola wytrzymałość przeskoku Ep = Up/a nie jest wielkością stałą i zależy od odległości
między elektrodami.
Za miarę niejednostajności rozkładu pola elektrycznego, wynikającego z geometrii elektrod i odległo-
ści między nimi, przyjmuje się stosunek maksymalnego do średniego natężenia pola. Stosunek ten nazy-
wamy współczynnikiem niejednostajności pola
Emax aÅ"Emax
² = = ,
Eśr U
gdzie: Emax - największe natężenie pola elektrycznego w układzie, Eśr - średnie natężenie pola (Eśr = U/a),
U - napięcie przyłożone do elektrod, a - odległość między elektrodami.
Ze względu na wartość współczynnika niejednostajności rozkładu pola elektrycznego układy izola-
cyjne można podzielić następująco:
² = 1  ukÅ‚ady o jednostajnym rozkÅ‚adzie pola,
1 < ² d" 3  ukÅ‚ady o umiarkowanie niejednostajnym rozkÅ‚adzie pola,
² e" 3  ukÅ‚ady o polu silnie niejednostajnym.
W układach o niejednostajnym rozkładzie pola przeskok elektryczny poprzedzony jest przez wyłado-
wania niezupełne (świetlenie, snopienie) świadczących o przekroczeniu wytrzymałości powietrza na czę-
ści przestrzeni międzyelektrodowej. Napięcie przeskoku może być znacznie wyższe od napięcia począt-
kowego wyładowań niezupełnych. W układach o silnie niejednostajnym rozkładzie pola i znacznych od-
ległościach międzyelektrodowych średnie natężenie przeskoku może nawet osiągnąć wartość mniejszą od
1 kV/cm  przeskok elektryczny rozwija się wtedy w polu elektrycznym zniekształconym przez ładunki
przestrzenne. Po przeskoku (po obniżeniu napięcia) powietrze odzyskuje swoje zdolności izolacyjne.
Wpływ warunków atmosferycznych (ciśnienie, temperatura, wilgotność) na wytrzymałość elektryczną
powietrza zależy od jednostajności rozkładu pola. Dla zapewnienia porównywalności wyników pomia-
rów wykonywanych w różnych warunkach atmosferycznych dokonuje się zazwyczaj ich przeliczenia na
warunki normalne (temperatura 20°C, ciÅ›nienie 1013 hPa, wilgotność 11 g/m3). Zgodnie z PN-92/E-
 2 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
04060 napięcia przeskoku w warunkach normalnych (Upn) i w warunkach pomiaru (Up) związane są za-
leżnością
Up = UpnÅ" Kt ,
gdzie: Kt = k1Å"k2 - współczynnik poprawkowy zależny od wilgotnoÅ›ci (k2) i gÄ™stoÅ›ci wzglÄ™dnej powietrza
(k1). Sposób obliczenia tego współczynnika pokazano w ćwiczeniu dotyczącym prób napięcio-
wych izolacji (ćwiczenie 2).
Podczas eksploatacji powietrznych układów izolacyjnych w szczególnie niekorzystnych warunkach
atmosferycznych i w układach o silnie niejednostajnym rozkładzie pola dopuszcza się występowanie
wyładowań niezupełnych. Dotyczy to np. ulotu w liniach najwyższych napięć oraz wyładowań przy izo-
latorach wsporczych i przepustowych. Dopuszczalny poziom tych wyładowań określają normy przed-
miotowe.
2. Wytrzymałość statyczna powietrza w różnych układach elektrod
2.1. Układ płaski
Układ płaski, po wyeliminowaniu efektu krawędziowego, jest układem o równomiernym rozkładzie
pola elektrycznego. W ukÅ‚adzie takim ² = 1, ponieważ natężenie pola elektrycznego ma takÄ… samÄ… war-
tość w każdym punkcie przestrzeni międzyelektrodowej. Efekt krawędziowy  silna niejednostajność
pola na krańcach elektrod  eliminowany jest przez ich odpowiednie profilowanie. Najbardziej znany jest
tzw. profil Rogowskiego. Ten sposób profilowania wynika z wyboru takiej powierzchni ekwipotencjal-
nej, przy której natężenie pola E nie przekracza w żadnym punkcie wartości U/a.
Dla niewielkich odstÄ™pów miÄ™dzy elektrodami (dla iloczynu ap < 2500 hPaÅ"cm) wyÅ‚adowanie rozwija
siÄ™ w sposób opisany przez Townsenda i speÅ‚nione jest prawo Paschena. Przy temperaturze 20°C (293 K)
zależność jest następująca
Bpa
U0 = , Up = f(aÅ"p),
Apa
ln
ln(1 + 1 / Å‚ )
gdzie: A, B i ł - współczynniki (opisane w ćwiczeniu 12 dotyczącym wytrzymałości powietrza przy na-
pięciu stałym).
Uwzględniając wpływ temperatury należy przyjąć zależność
T0
ëÅ‚ öÅ‚
U = f a Å" p .
ìÅ‚ ÷Å‚
p
T
íÅ‚ Å‚Å‚
p T0 p
BiorÄ…c pod uwagÄ™ wzglÄ™dnÄ… gÄ™stość powietrza ´ = Å" = 0,289 ,
p0 T T
gdzie: p0 - ciśnienie normalne (1013 hPa), t0 - temperatura normalna w skali Kelwina (293 K), p i T - ci-
śnienie i temperatura w warunkach pomiaru (hPa, K),
możemy napisać
T0
p = ´ Å" p0
T
otrzymujÄ…c w efekcie zależność napiÄ™cia przeskoku od wzglÄ™dnej gÄ™stoÅ›ci powietrza ´ i odlegÅ‚oÅ›ci miÄ™-
dzy elektrodami płaskimi  a
Up = f (aÅ"´).
 3 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
Dla wiÄ™kszych odlegÅ‚oÅ›ci miÄ™dzyelektrodowych (dużych iloczynów aÅ"p) wystÄ™puje kanaÅ‚owy mecha-
nizm przeskoku. Przeskok elektryczny nie jest poprzedzony przez wyładowania niezupełne. Jeśli w ukła-
dzie o równomiernym rozkładzie pola wystąpi wyładowanie elektryczne to jest to wyładowanie zupełne.
a)
b)
Vx
a
Ex
U
U Vx
Ex
E=U/a
x
a
0
x
Rys. 1. Układ płaski z wyprofilowanymi krawędziami elektrod (a) oraz teoretyczny rozkład natę-
żenia pola elektrycznego i potencjału (b)
Natężenie przeskoku w płaskim układzie elektrod  w danych warunkach atmosferycznych  nie jest
wartością stałą. Maleje ze wzrostem odległości między elektrodami (rys. 2). Zarówno napięcie przeskoku
jak i natężenie przeskoku (w wartościach szczytowych) można obliczyć z wzorów empirycznych:
U = 24,5 Å" a Å"´ + 6,4 a Å"´ [(kV)max],
p
U
´
p
Ep = = 24,5 + 6,4 [(kV)max/cm].
a a
Wzory powyższe są wystarczająco dokładne dla odległości rzędu mm i cm.
300 60
250 50
200 40
150 30
100 20
50 10
0 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Odległość a, cm
Rys. 2. Napięcie przeskoku i natężenie przeskoku w układzie płaskim w normalnych wa-
runkach atmosferycznych (´ = 1)
Rozwój wyładowania zupełnego jest taki sam jak przy napięciu stałym pod warunkiem niezalegania
ładunku w przerwie międzyelektrodowej, tzn. gdy jony i elektrony wytworzone w czasie jednego pół-
okresu zostaną zneutralizowane lub zdążą spłynąć do elektrod przed zmianą ich biegunowości. Przy czę-
stotliwości 50 Hz warunek ten jest na ogół spełniony.
p
p
max
max
(kV)
/cm
Nat
ęż
enie przeskoku E ,
Napi
Ä™
cie przeskoku U , (kV)
 4 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
A
adunek przestrzenny dodatni spłynie do chwilowej katody przed zmianą kierunku pola jeżeli droga,
którą zdoła przebyć w czasie 1/4 okresu, nie będzie dłuższa od odległości między elektrodami
T / 4
b Å" Em b Å" Em
x = Å" Em cosÉt Å" dt = = ,
+"b
É 2Ä„f
0
gdzie: b = 1,37 cm2/VÅ"s - ruchliwość jonów dodatnich.
W polu jednostajnym przy f = 50 Hz i natężeniu pola bliskim natężeniu przeskoku droga ta wynosi
około 130 cm. Dla odległości np. a = 1 cm można obliczyć maksymalną częstotliwość do której nie wy-
stępuje jeszcze zakłócający wpływ ładunku przestrzennego
b Å" Em
1,37 Å" 30 Å" 103
fmax = = H" 6,5 Å" 103 Hz .
2Ä„a 6,28
Dopiero powyżej obliczonej częstotliwości można spodziewać się wpływu zalegającego ładunku do-
datniego, którego pole elektryczne nakładając się na pole przyłożone wpłynie na rozwój lawiny startują-
cej w przeciwnym kierunku. Skutkiem tego wpływu powinno być obniżenie napięcia przeskoku.
2.2. Układy walcowe
2.2.1. Układ walców koncentrycznych
Układ walców koncentrycznych (współosiowych) można zaliczyć do układów o umiarkowanie
niejednostajnym rozkładzie pola. Natężenie pola elektrycznego w punkcie odległym o x od środka układu
(r < x < R) wynosi
U
Ex = , (1.1)
R
x Å" ln
r
gdzie: U - przyłożone napięcie, R, r - promienie elektrod: większej i mniejszej.
Maksymalne natężenie pola występuje dla x = r i wynosi
U
Emax = . (1.2)
R
r Å" ln
r
a) b)
Vx
Ex
U
r
Vx
x
Emax
Ex
R
Emin
x
r
R
Rys. 3. Układ walców współosiowych oraz rozkład natężenia pola i potencjału w układzie
przy potencjale wewnętrznej elektrody Vr = U i zewnętrznej VR = 0
Ponieważ średnia wartość natężenia Eśr = U/(R  r), współczynnik niejednostajności pola możemy na-
pisać w postaci
 5 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
R - r
² = . (1.3)
R
r Å" ln
r
Zależność 1.2 jako funkcja Er = f (r) będzie posiadała ekstremum dla R/r = e H" 2,718..., co teoretycz-
nie oznacza, że dla takiego stosunku R/r będzie występować najmniejsze z możliwych maksymalnych
natężeń pola. Oznacza to również najwyższe możliwe napięcie pracy układu.
U
E
Up
U0 = Up
U0
Er
r
0 R
R/40 R/3
Rys. 4. Napięcie początkowe wyładowań elektrycznych i napięcie przeskoku w układzie
walców współosiowych
W praktyce, ze względu na zależność natężenia przeskoku od odległości między elektrodami, opty-
malny stosunek promieni kształtuje się na poziomie R/r H" 3.
Napięcie początkowe ulotu w układzie walców współosiowych (wg Peeka) wynosi
ëÅ‚ 0,305 öÅ‚ R
U0 = 22,3 Å"´ ìÅ‚1 + ÷Å‚r ln [kV] (1.4)
ìÅ‚ ÷Å‚
r
´ Å" r
íÅ‚ Å‚Å‚
dla R i r w centymetrach i przy ´ Å" r < 1 cm.
Napięcie początkowe i napięcie przeskoku w układzie walców współosiowych przedstawia rysunek 4.
W zakresie R/4 < r < R wyładowania niezupełne nie występują. Minimum napięcia przeskoku występuje
dla R/r H" 40.
2.2.2. Układ walców ekscentrycznych
W układzie walców ekscentrycznych
Ex
(mimoosiowych) rozkład natężenia pola
elektrycznego wzdłuż odległości między ni-
Emax
mi wyraża się wzorem
U 1 1
ëÅ‚ öÅ‚
Ex = + ,
ìÅ‚ ÷Å‚
a - r
x a - x
íÅ‚ Å‚Å‚
2ln
r
r
x
gdzie: U - napięcie między walcami,
a - odległość między osiami wal-
a
ców (a > 5r).
Rys. 5. Rozkład natężenia pola elektrycznego w układzie dwóch walców ekscentrycznych
 6 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
Natężenie maksymalne i współczynnik niejednostajności rozkładu wynoszą odpowiednio:
U 1 1 a - 2r 1 1
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
Emax = + , ² = + .
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
a - r a - r
r a - r r a - r
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
2ln 2 ln
r r
Przy a >> r wzory upraszczajÄ… siÄ™
U a
Emax = , ² = .
a a
2r ln 2r ln
r r
NapiÄ™cie poczÄ…tkowe wyÅ‚adowaÅ„ ulotowych (wzór Peeka) przy ´Å"r < 1 cm wynosi
ëÅ‚ 0,3 öÅ‚ a
U0 = 21,6 Å"´ ìÅ‚1 + ÷Å‚ Å" 2r ln [kV].
ìÅ‚ ÷Å‚
r
´ Å" r
íÅ‚ Å‚Å‚
2.3. Układy ostrzowe
W układach elektrod o silnie niejednostajnym rozkładzie pola, np. w układach ostrzowych, przeskok
elektryczny poprzedzony jest innymi formami wyładowań. Napięcie początkowe U0 oznacza w takich
układach napięcie początkowe wyładowań niezupełnych zwane świetleniem. Wyładowania te mają po-
stać świecącej plamki występującej przy samym ostrzu. Odpowiednikiem świetlenia w przypadku prze-
wodów linii wysokiego napięcia jest ulot. Często świetlenie, jak i ulot nazywane są koroną lub wyłado-
waniem koronowym.
W miarę podnoszenia napięcia obszar świetlenia powiększa się aż przestaje być jednolity  zaczynają
pojawiać się wyraz
ne świecące nitki. Formę wyładowań nie zwierających jeszcze elektrod i mającą postać
iskier wychodzących z ostrzy nazywa się wyładowaniami snopiącymi lub krótko snopieniem. Snopienie
można obserwować przy dostatecznie dużych odstępach między elektrodami (> 20 cm). Przy małych odstę-
pach świetlenie przechodzi bezpośrednio w przeskok elektryczny. Zakresy występowania różnych form
wyładowań na przykładzie układu ostrze ostrze pokazuje rysunek 6.
300
U
p
przes kok
250
s nopienie
układ symetryczny
200
U
s
U/2 U/2
150
układ niesymetryczny
100
U
Å› wietlenie
50
U
0
0
0 20 40 60 80 100 120
Odległoś ć "a", cm
Rys. 6. Zależność napięcia początkowego U0, napięcia snopienia Us i napięcia przeskoku Up od odstępu elektrod
w układzie ostrze ostrze
Åš
wietlenie U
0
, s nopienie U
S
, przeskok U
P
, kV
 7 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
Napięcie początkowe wyładowań niezupełnych U0 zależy głównie od promienia krzywizny elektrod 
zależność od odległości pojawia przy małych odległościach (porównywalnych z promieniem krzywizny)
kiedy wraz z odległością zmienia się stopień niejednorodności pola elektrycznego. Napięcie przeskoku
zależy od odległości między elektrodami, a także od ich kształtu i wymiarów. Zależności te są nieliniowe.
Wyładowania zupełne i niezupełne w układach o niejednostajnym rozkładzie pola zależą od warun-
ków atmosferycznych, przy czym (w odróżnieniu od układu płaskiego) należy uwzględniać również wil-
gotność powietrza.
Porównanie wytrzymałości elektrycznej układu ostrze płyta przy napięciu stałym i przemiennym po-
kazuje rysunek 7. Silny wpływ biegunowości napięcia na napięcie przeskoku uwidacznia się tutaj niemal
jednakowym napięciem przeskoku przy dodatniej biegunowości ostrza i przy napięciu przemiennym 
przeskok przy napięciu przemiennym występuje w jego dodatnim półokresie.
80
ostrze ujemne
60
50 Hz
40
ostrze dodatnie
20
0
0 2 4 6 8
Odległość a, cm
Rys. 7. Wytrzymałość elektryczna układu ostrze płyta przy napięciu stałym
i przemiennym
150
125
układ płaski
100
75
układ ostrze-płyta
50
25
0
0 4 8 12 16 20
odległość a, cm
Rys. 8. Porównanie wytrzymałości elektrycznej układu płaskiego i układu ostrze płyta
Dla układów ostrzowych, przy napięciu przemiennym 50 Hz i odległości między ostrzami a > 8 cm,
napięcia przeskoku określają wzory empiryczne.
Dla układu symetrycznego
Up = 14 + 3,36a [kV],
dla układu niesymetrycznego
Up = 14 + 3,16a [kV],
gdzie a jest odległością między elektrodami w centymetrach.
P
max
Napi
Ä™
cie przeskoku U , kV
P
max
Napi
Ä™
cie przeskoku U , kV
 8 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
3. Metody pomiaru wysokiego napięcia przemiennego
Istnieje wiele metod i sposobów pomiaru wysokiego napięcia przemiennego. Wybór metody pomiaru
zależy od wymaganej dokładności, wymaganego wyniku pomiaru (wartość szczytowa, skuteczna, chwi-
lowa, rejestracja), rodzaju pomiaru (próby napięciowe, próby wytrzymałościowe, badanie wyładowań
niezupełnych) i często od wysokości mierzonego napięcia i możliwości pomiarowych w tym względzie.
Można wymienić następujące metody i sposoby pomiaru oraz przyrządy pomiarowe:
- iskiernik kulowy,
- woltomierz elektrostatyczny,
- układ pomiarowy z kondensatorem szeregowym,
- układy z pojemnościowym dzielnikiem napięcia,
- metody przekładnikowe (np. przekładniki pojemnościowe),
- metody prostownikowe:
- metoda średniego prądu wyprostowanego,
- układy z dzielnikiem pojemnościowym (Rabusa),
- układ z prostownikiem równoległym.
Dokładność pomiaru w wielu przypadkach zależy od kształtu krzywej napięcia. Przy pomiarach war-
tości skutecznej należy zwracać uwagę na sinusoidalność napięcia, np. w warunkach występowania sil-
nych wyładowań niezupełnych krzywa napięcia zawiera wyższe harmoniczne. Przy próbach wytrzymało-
ściowych (przeskok, przebicie) należy zwrócić uwagę na zakłócenia pracy przyrządów elektronicznych, a
nawet zagrożenie ich uszkodzenia. Niektóre z metod i przyrządów zostaną omówione szczegółowo.
3.1. Iskierniki kulowe
Iskiernik kulowy mierzy wartość szczytową napięcia przemiennego. Budowa i zasada pomiaru napię-
cia zostały szczegółowo omówione w ćwiczeniu 2.
3.2. Wysokonapięciowe woltomierze elektrostatyczne
W woltomierzach elektrostatycznych zostało wykorzystane zjawisko sił oddziałujących na dwie nała-
dowane elektrody, dążących do zbliżenia ich do siebie. Zasadę działania woltomierza elektrostatycznego
ilustruje rysunek 9. Na bezpośrednim pomiarze siły F działającej na elektrodę ruchomą oparta została
konstrukcja woltomierzy absolutnych (waga elektrostatyczna Kelvina). Elektrody takich woltomierzy sÄ…
na ogół płaskie. Zastosowanie pierścieni ekranujących pozwala na wykorzystywanie równomiernej czę-
ści pola elektrostatycznego.
F
2 3
a
1
U
Rys. 9. Zasada działania woltomierza elektrostatycznego: 1, 2 - elektrody pomiarowe, 3 - elektroda
ochronna (pierścień ekranujący) eliminująca zjawiska krawędziowe
 9 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
Przyłożenie siły równoważącej siłę F działającą na elektrodę ruchomą sprawia, że pomiar odbywa się
przy neutralnym położeniu tej elektrody (odległość 'a' między elektrodami jest stała).
d 1 1 S
ëÅ‚ öÅ‚
2 2
F = CU = µ U , U = k F . (1.5)
ìÅ‚ ÷Å‚
o
2
dx 2 2 a
íÅ‚ Å‚Å‚
Przy ciśnieniu atmosferycznym i natężeniu pola 14 kV/cm ciśnienie wywierane na elektrodę wynosi 9
N/m2. W atmosferze sprężonego azotu (kilka MPa) czułość wzrasta prawie 100-krotnie. Woltomierze
elektrostatyczne absolutne cechuje duża dokładność  nawet do setnych części procenta. Skomplikowana
budowa, znaczne rozmiary i koszty decydują o tym, że woltomierze absolutne używane są najczęściej do
wzorcowania innych przyrządów.
W praktyce laboratoryjnej używa się najczęściej woltomierzy elektrostatycznych technicznych umoż-
liwiających bezpośredni odczyt mierzonego napięcia. Siła działająca na organ ruchomy wynosi
d 1 1 dC
ëÅ‚ öÅ‚
2 2
F = CU = Å" U . (1.6)
ìÅ‚ ÷Å‚
dx 2 2 dx
íÅ‚ Å‚Å‚
Jeżeli moment napÄ™dowy zostanie zrównoważony przez moment zwrotny M = KÅ"Ä…, to kÄ…t wychylenia
organu ruchomego będzie opisany wzorem
1 dC
2
Ä… = U . (1.7)
2K dÄ…
Wychylenie miernika jest proporcjonalne do kwadratu napięcia, a kierunek wychylenia nie zależy od
biegunowości.
a ) b )
8
3
5
9
6
4
1
F
8
1
2
a
D
2
7 7
Rys. 10. Schemat konstrukcji technicznych woltomierzy elektrostatycznych: z rozsuwanymi elektrodami umożliwia-
jącymi zmianę zakresu a) i kulowego b). 1 i 2 - elektrody, 3 - elektroda ruchoma, 4 - lustro, 5 - tłumiki
drgań, 6 - sprężysta nić (prostopadła do płaszczyzny rysunku - czarny punkt), 7 - izolatory, 8 - podziałka,
9 - z
ródło światła
Przy pomiarze napięcia przemiennego siła jest również zmienna w czasie. Ustalone wychylenie zależy
od wartości średniej tej siły
T T
1 1 dC 1
2
FÅ›r = F(t)dt = Å" Å" (t)dt . (1.8)
+" +"u
T 2 dx T
0 0
Korzystając z definicji wartości skutecznej otrzymujemy
 10 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
1 dC
2
Fśr = U ,
2 dx
gdzie: U - wartość skuteczna napięcia.
Wynika stąd, że miernik wyskalowany napięciem stałym może mierzyć wartość skuteczną napięcia.
Rysunek 10 przedstawia schematycznie budowę najczęściej spotykanych technicznych woltomierzy
elektrostatycznych. Pod wpływem sił pola elektrostatycznego elektroda ruchoma 3 obraca się pokonując
opór sprężystej nici. Woltomierz kulowy (rys. 10b) wykorzystuje siłę przyciągania elektrod kulowych,
z których jedna pokonuje opór sprężyny. Woltomierze kulowe umożliwiają osiągnięcie większych zakre-
sów pomiarowych (kilka MV, średnice kul > 1 m).
Najważniejsze zalety woltomierzy elektrostatycznych:
- pomiar napięcia praktycznie bez poboru mocy,
- bezpośredni pomiar wysokiego napięcia,
- wysoka dokładność (klasy woltomierzy technicznych od 0,5).
3.3. Pomiar napięcia w układzie z kondensatorem szeregowym
Pomiar wysokiego napięcia tą metodą polega na pomiarze wartości skutecznej prądu płynącego przez
kondensator (rys. 11)
I = UÉ1C, stÄ…d U = I /É1C.
Miernik prądu (mikroamperomierz) może być od razu wyskalowany
C
w kV. Zależność prądu od częstotliwości jest wadą tej metody pomiaru.
Jeżeli mierzone napięcie jest odkształcone (np. wskutek wystąpienia
i
U
wyładowań niezupełnych), to jego wartość chwilowa będzie sumą war-
tości chwilowych nieparzystych harmonicznych  funkcja symetryczna
i nieparzysta składa się z samych harmonicznych nieparzystych
A
µ
u = 2 [U1sin(É1t + Õ1) + U3sin(3É1t + Õ3) + U5sin(5É1t + Õ5) + ......].
Rys. 11. Pomiar napięcia w układzie z kondensatorem szeregowym
Wartość skuteczna tego napięcia wynosi
U = U12 +U3 2 +U5 2 + ..... .
Prąd pojemnościowy płynący przez kondensator C
i = Cdu/dt = 2 É1C [ U1cos(É1t+Õ1) + 3U3cos(3É1t+Õ3) + 5U5cos(5É1t+Õ5) + ...].
Wartość skuteczna prądu będzie równa
I = É1C U12 + 9U3 2 + 25U5 2 + ....
zatem napięcia pomierzone
Upom = I /É1C = U12 + 9U3 2 + 25U5 2 + .... .
Jak wynika z wzorów, prąd jest bardziej odkształcony niż napięcie i wynik pomiaru może być obar-
czony znacznym błędem.
 11 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
3.4. Pomiar napięcia w układzie z dzielnikiem pojemnościowym
Rozkład napięcia na dwóch połączonych szeregowo kondensatorach jest odwrotnie proporcjonalny do
ich pojemności. Napięcie mierzymy na pojemności C2 (rys. 12) miernikiem o dużej rezystancji wejścio-
wej (np. elektrostatycznym lub elektronicznym) nie zmieniającym rozkładu napięcia na dzielniku. Wynik
pomiaru należy przemnożyć przez przekładnię dzielnika uwzględniającą pojemność wejściową układu
pomiarowego
C1 + C2 + Cp
U = U Ń = U2 ,
2
C1
gdzie: Cp - suma pojemności wejściowej miernika i kabla pomiarowego.
Zarówno gałąz
wysokonapięciowa, jak i niskonapięciowa dzielnika powinny mieć mały współczynnik
stratności i dużą stabilność. Przy pomiarach bardzo wysokich napięć (rzędu MV) bateria szeregowo po-
łączonych kondensatorów składających się na gałąz
wysokonapięciową C1 tworzy kolumnę często kilku-
nastometrowej wysokości. Znaczny wpływ na przekładnię dzielnika mają wówczas pojemności doziemne
(ok. 15 pF/m).
U
C1
K
C V
2
C
p
Rys. 12. Pomiar wartości skutecznej wysokiego napięcia przemiennego z wykorzystaniem
pojemnościowego dzielnika napięcia: C1, C2 - pojemności gałęzi wysokonapię-
ciowej i niskonapięcio-wej dzielnika, K - kabel pomiarowy, V - miernik wartości
skutecznej napięcia
Przekładnia dzielnika pojemnościowego w przybliżeniu wynosi
ëÅ‚
C1 +C2 Cz öÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
Ń = +
,
C1 ìÅ‚1 6C1 ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
gdzie: Cz - pasożytnicza pojemność doziemna.
3.5. Metody przekładnikowe
Przekładniki napięciowe są szeroko stosowane w elektroenergetyce przy pomiarach napięcia, mocy,
energii oraz w automatyce zabezpieczeniowej. Przekładnię elektromagnetyczną przekładnika stanowi
stosunek górnego napięcia do dolnego. Dokładność pomiaru zależy od błędu kątowego i błędu przekład-
ni. Błędy pomiaru rosną wraz ze wzrostem częstotliwości napięcia mierzonego.
Przy napięciach znamionowych sieci 220 kV i wyższych do pomiaru napięcia wykorzystywane są
tzw. przekładniki pojemnościowe. Przekładnik pojemnościowy składa się z pojemnościowego dzielnika
napięcia C1C2 oraz przekładnika napięciowego Tr (rys. 13). Dławik Dł o regulowanej indukcyjności za-
pewnia uzyskanie wymaganej dokładności pomiaru.
 12 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
U1
b)
a)
i
C1
DÅ‚
C1
L R
i
i2 i1
i1 Tr
C2 U0
Z2 U1 Z0
C2
U2
Rys. 13. Przekładnik pojemnościowy a) i jego schemat zastępczy b): C1, C2 - dzielnik pojemnościowy, Dł - dławik o regu-
lowanej indukcyjności, Tr - przekładnik napięciowy o przekładni Ńt, L, R - indukcyjność i rezystancja dławika i
przekładnika napięciowego, Z0 - impedancja obciążenia Z0 = Ńt2 Z2, U0 = Ńt U2
3.6. Mierniki wartości szczytowej z kondensatorem szeregowym
Pomiar napięcia realizowany jest pośrednio przez pomiar wartości średniej prądu pojemnościowego
(wyprostowanego) płynącego przez kondensator szeregowy (rys. 14).
U
C
C p
O g
A
µ
Rys. 14. Schemat miernika wartości szczytowej z kondensatorem szeregowym.
Og  ogranicznik przepięć, Cp  pojemność pasożytnicza
Miernik magnetoelektryczny (µA) umieszczony w jednej z gaÅ‚Ä™zi mierzy prÄ…d
U
T / 2 T / 2
max
1 du
I = ( t )dt = f C dt = fC =2CfU
śr C max
+"i +" +"du
T dt
0 0 -Umax
proporcjonalny do wartości szczytowej napięcia. Może być więc wyskalowany od razu w kV.
 13 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
Uziemiony ekran jest połączony z pierścieniem ekranującym kondensatora szeregowego eliminując
wpływ zjawisk krawędziowych i prądów płynących przez pojemności pasożytnicze Cp. Niewielka po-
jemność kondensatora pomiarowego (kilkadziesiąt pF) stwarza potrzebę starannego ekranowania układu.
Wpływ pojemności pasożytniczych może być znaczny.
Na dokładność pomiaru nie wpływa odkształcenie krzywej napięcia, jeżeli ma ona tylko jeden wierz-
chołek. Silne wyładowania niezupełne w układzie probierczym mogą powodować odkształcenie wielo-
wierzchołkowe. W przypadku odkształcenia dwuwierzchołkowego (dwa wierzchołki w półokresie) mie-
rzona wartość średnia wynosi
Iśr = 2 f C (Umax + "U),
gdzie "U - różnica między pierwszym maksimum i minimum napięcia.
W praktyce normy nie dopuszczają odkształcenia krzywej napięcia probierczego większego od 5%,
zaś przypadek pojawienia się krzywej wielowierzchołkowej jest mało prawdopodobny. Rysunek 15
przedstawia zmodyfikowany układ miernika prostownikowego z cyfrowym odczytem napięcia na rezy-
storze R włączonym w miejsce mikroamperomierza.
T p
C
1 3
R 2
Rys. 15. Schemat cyfrowego miernika wartości szczytowej napięcia: 1- przetwornik
analogowo-cyfrowy, 2 - bramka, 3 - licznik impulsów
Rezystor R tworzy z pojemnością C filtr dolnoprzepustowy ograniczający wpływ wyładowań niezu-
pełnych na wynik pomiaru. Z drugiej strony rozkład napięcia w układzie staje się funkcją częstotliwości
2 2
U É R2C
R
= .
2 2
U 1 + É R2C
Zastosowanie bramki (2) sterowanej częstotliwością napięcia mierzonego, otwieranej na czas "t = x/f
odpowiadający x okresom, pozwala na eliminację wpływu częstotliwości na wynik pomiaru. Liczba im-
pulsów przepuszczona do licznika wynosi
n = A R IÅ›r x/f = AÅ"2RCUmax x = kUmax ,
gdzie A - stała przetwornika.
3.7. Mierniki wartości szczytowej z dzielnikiem napięcia
Pomiar wartości szczytowej niezależny od kształtu krzywej napięcia można uzyskać stosując pro-
stownikową metodę pomiaru z dzielnikiem pojemnościowym. Pomiar wartości szczytowej w układzie
Rabusa (rys. 16a) polega na pomiarze napięcia na kondensatorze C' ładowanym przez prostownik do na-
pięcia Umax. Do pomiaru należy używać woltomierzy o bardzo małym poborze mocy  elektronicznego
lub elektrostatycznego.
 14 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
U
U
a )
b )
C1
C1
C2
R' R''
R' R'' V
C2 C''
C'
'
'
C'
C1 R1 C1 C''
1
R" "
V
Rys. 16. Schematy układów do pomiaru wartości szczytowej napięcia: a) układ Rabusa, b) układ z gałęziami wspierają-
cymi
Rezystor R' umożliwia rozładowanie kondensatora przy obniżeniu się napięcia mierzonego. Jednocze-
śnie stała czasowa R'C' powinna być na tyle duża (w porównaniu z okresem zmian napięcia), aby uniknąć
występowania pulsacji napięcia na kondensatorze. Symetryczna gałąz
R''C'' zapobiega powstawaniu skła-
dowej stałej na pojemności C2 i umożliwia jednoczesny pomiar ujemnego szczytu napięcia (przy pomo-
cy drugiego woltomierza). Ze względu na dokładność pomiaru pojemności C' i C'' powinny być dużo
większe od pojemności prostowników.
Pogodzenie dwóch przeciwstawnych warunków:
- szybkiego rozładowania pojemności C' (i C'') w przypadku obniżenia napięcia,
- nieznacznego rozładowania przy pracy zaporowej prostowników,
umożliwia zmodyfikowany układ pomiarowy z gałęziami wspierającymi (rys. 16b) przez odpowiedni do-
bór stałych czasowych R1'C1' oraz R1''C1''.
Użycie woltomierza elektrostatycznego i przełącznika trójpołożeniowego pozwala na pomiar wartości
szczytowych +U2max,  U2max oraz wartości skutecznej U2.
3.8. Miernik wartości szczytowej z prostownikiem równoległym
Schemat układu przedstawia rysunek 17.
Prostownik zwiera pojemność C2 dla prądu pojemno-
U
ściowego jednego znaku. Napięcie na kondensatorze C2
zawiera zatem zarówno składową przemienną, jak
C1
i składową stałą równą wartości maksymalnej składowej
R
przemiennej
Ve
u2 = U2maxsinÉt + U2max .
A
µ
C2
Woltomierz elektrostatyczny mierzy wartość skuteczną
tego napięcia
Rys. 17. Schemat układu pomiarowego z prostownikiem równoległym
2 2
U2' = U2 max +U2 .
Dla określenia wartości maksymalnej napięcia należy dokonać dwukrotnego pomiaru  przy włączo-
nym i wyłączonym prostowniku  oraz przeprowadzić obliczenie
2 2
U2max = U'2 -U .
2
 15 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
Pomiar proporcjonalny do samej składowej stałej (czyli do wartości szczytowej) można uzyskać w
tym układzie przy pomocy mikroamperomierza magnetoelektrycznego. Miernik ten musi być włączony
przez bardzo dużą rezystancję, aby uniknąć rozładowywania składowej stałej.
4. Pytania kontrolne
1. Rozkład potencjału i natężenia pola elektrycznego w płaskim układzie elektrod
2. Wytrzymałość elektryczna układu płaskiego
3. Rozkład potencjału i natężenia pola elektrycznego w układzie walców współosiowych
4. Wytrzymałość elektryczna układu walców współosiowych
5. Wytrzymałość elektryczna układów ostrzowych
6. Zasada działania woltomierza elektrostatycznego
7. Pomiar wartości skutecznej napięcia w układzie z kondensatorem szeregowym
8. Pomiar wartości szczytowej napięcia metodą średniego prądu wyprostowanego
9. Mierniki wartości szczytowej z dzielnikiem napięcia
10. Miernik wartości szczytowej z prostownikiem równoległym
Literatura
1. Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. WNT, wyd.III, Warszawa 1998
2. Gacek Z.: Wysokonapięciowa technika izolacyjna. Wyd. Politechniki Śląskiej., Gliwice, 1996
3. Technika badań wysokonapięciowych - praca zbiorowa. Tom I, WNT, Warszawa 1985
4. Wodziński J.: Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów. PWN, Warszawa 1997
5. PN-E-04060:1992 Wysokonapięciowa technika probiercza - Ogólne określenia i wymagania probiercze
6. PN-EN 60060-2:2000/Ap1:2002 Wysokonapięciowa technika probiercza  Układy pomiarowe
7. PN-EN 60071-1:2008 Koordynacja izolacji  Część 1: Definicje, zasady i reguły
II. POMIARY
1. Badanie wytrzymałości układu płyta płyta
1.1. Schemat układu
Ro
Ob
Tp
Tr
Dz
Ve
Rys. 18. Schemat układu probierczego do badania wytrzymałości powietrza
w układzie płaskim: Tr - transformator regulacyjny, Tp - transformator
probierczy, R - rezystor ograniczający, Dz - dzielnik napięcia, Ve -
woltomierz elektrostatyczny, Ob - badany obiekt
1.2. Przebieg pomiarów
Przy przeprowadzaniu pomiarów w polu probierczym wysokiego napięcia przemiennego należy po-
stępować zgodnie z instrukcją obsługi stanowiska i przepisami BHP:
a) ustawiamy najmniejszy odstęp między elektrodami iskiernika płaskiego (zgodnie z tabelą),
 16 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
b) po usunięciu uziemienia przenośnego i zamknięciu drzwi załączamy układ probierczy,
c) za pomocą przycisku podnosimy napięcie przyłożone do elektrod aż do wystąpienia przeskoku,
d) notujemy wskazanie woltomierza elektrostatycznego w momencie przeskoku uwzględniając prze-
kładnię dzielnika,
e) dla danej odległości między elektrodami iskiernika płaskiego pomiaru dokonujemy trzykrotnie.
Powyższe czynności należy powtórzyć dla pozostałych odległości między elektrodami.
Wartości średnie napięć przeskoku dla układu płaskiego należy przeliczyć na warunki normalne
Upn Å›r = Up Å›r / ´,
gdzie: ´ = 0,289Å"p/T - wzglÄ™dna gÄ™stość powietrza (ciÅ›nienie p w hPa, temperatura bezwzglÄ™dna T w
Kelwinach).
Wpływ wilgotności w układzie płaskim jest pomijalny. Wyniki pomiarów i obliczeń należy przedsta-
wić w tabeli 1.
Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń wytrzymałości elektrycznej układu płaskiego
t = ...... °C, p = ....... hPa, Õ (wilgotność wzglÄ™dna) = ....... %, Ń - przekÅ‚adnia dzielnika
3
1 Upśr
Lp. Odstęp  a UVśr =
UVi Up Å›r = VÅ›rÅ"Ń UpnÅ›r =
"UVi
3
´
i=1
- cm kV kV kV kV
1 1
2 1,5
2. Badanie wytrzymałości układu ostrze ostrze
2.1. Schemat układu
Ro
Ob
Tp
Tr
Dz
Ve
Rys. 19. Schemat układu probierczego do badania wytrzymałości powietrza
w układzie ostrzowym: Tr - transformator regulacyjny, Tp - transfor-
mator probierczy, R - rezystor ograniczający, Dz - dzielnik napięcia,
Ve - woltomierz elektrostatyczny, Ob - badany obiekt
2.2. Przebieg pomiarów
Badanie wytrzymałości powietrza w układzie ostrze ostrze należy przeprowadzać w zaciemnionym
pomieszczeniu umożliwiającym obserwację wyładowań niezupełnych:
a) ustawiamy najmniejszy odstęp między elektrodami iskiernika ostrzowego (zgodnie z tabelą),
b) po usunięciu uziemienia przenośnego i zamknięciu drzwi załączamy układ probierczy,
 17 
Laboratorium TWN  ćwiczenie 1
c) za pomocą przycisku podnosimy stopniowo napięcie przyłożone do elektrod obserwując zachowa-
nie się układu ostrzowego aż do wystąpienia przeskoku,
d) notujemy wskazania woltomierza elektrostatycznego odpowiadające napięciom: świetlenia, sno-
pienia i przeskoku,
e) dla danej odległości między elektrodami iskiernika ostrzowego pomiarów dokonujemy trzykrotnie.
Powyższe czynności należy powtórzyć dla pozostałych odległości między elektrodami. Wartości śred-
nie napięć świetlenia, snopienia i przeskoku należy przeliczyć na warunki normalne zgodnie z normą
PN/E-04060 i wskazówkami zawartymi w ćwiczeniu 2. Wyniki pomiarów i obliczeń należy przedstawić w
tabeli 2.
Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń wytrzymałości układu ostrzowego
t = ..........°C, p = .......... hPa, Õ (wilgotność wzglÄ™dna) = .......... %, Ń = ..............
Lp.
Odstęp Świetlenie Snopienie Przeskok
a U0n śr Usn śr Up nśr
U0 = Uv0Å"Ń Us = UvsÅ"Ń Up = UvpÅ"Ń

cm kV kV kV kV kV kV
1 4
2 8
Oznaczenia w tabeli 2:
Uv0, Uvs, Uvp  napięcia początkowe świetlenia, snopienia i przeskoku wskazywane przez wolto-
mierz elektrostatyczny,
U0, Us, Up  napięcia początkowe świetlenia, snopienia i przeskoku,
Uon śr, Usn śr, Upn śr  wartości średnie napięcia początkowego świetlenia, snopienia i przeskoku przeli-
czone na warunki normalne.
3. Opracowanie wyników pomiarów
a) Wykreślić zależność napięć U0n śr, Usn śr i Upn śr od odległości  a dla układu elektrod ostrze ostrze.
b) Wykreślić charakterystyki wytrzymałościowe dla układu płyta płyta i ostrze  ostrze na wspólnym
wykresie.
4. Wnioski
Wnioski powinny zawierać uwagi dotyczące przebiegu ćwiczenia oraz własne spostrzeżenia związane
z otrzymanymi wynikami badań. Należy również dokonać porównania wytrzymałości elektrycznej ukła-
du płaskiego i ostrzowego. W przypadku wystąpienia rozbieżności między otrzymanymi wynikami i da-
nymi literaturowymi należy wskazać z
ródło tych rozbieżności.
 1 
POLITECHNIKA ÅšWI
TOKRZYSKA
Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć
ĆWICZENIE 3
ROZKA
AD NAPI
CIA NA A
AC
CUCHU
IZOLATORÓW KOA
PAKOWYCH
I. WIADOMOÅšCI TEORETYCZNE
1. Izolatory liniowe
Izolatory liniowe służą do mechanicznego umocowania przewodów linii wysokiego napięcia i jedno-
cześnie elektrycznego ich izolowania od konstrukcji wsporczych. Izolatory liniowe muszą wytrzymywać
ciężar przewodów  również w warunkach obciążenia sadzią i wiatrem. Materiały izolacyjne służące do
wyrobu izolatorów to głównie porcelana i szkło hartowane, spełniające wymogi związane z pracą w wa-
runkach napowietrznych. Wymaganiami tymi sÄ…:
- odporność na wpływy atmosferyczne i chemiczne,
- odporność na znaczne zmiany temperatury,
- wysoka wytrzymałość elektryczna,
- duża rezystancja skrośna i powierzchniowa,
- nienasiąkliwość,
- odporność na stłuczenie itp.
Duży ciężar łańcuchów izolatorów szklanych i porcelanowych sprawia, że prowadzone są poszukiwa-
nia nowych materiałów. Przeprowadza się badania nad materiałami kompozytowymi z wykorzystaniem
tworzyw sztucznych. Produkowane i stosowane izolatory kompozytowe zawierają zarówno materiały
nieorganiczne jak i organiczne w postaci żywic lanych i polimerów (materiały wiążące). Pomijając to, że
izolatory takie są droższe i w warunkach napowietrznych szybciej ulegają zestarzeniu, stają się coraz
bardziej konkurencyjne w stosunku do izolatorów tradycyjnych. Izolatory kompozytowe są dość szeroko
stosowane w USA, Kanadzie, Australii i Afryce Południowej a ostatnio także i w Polsce.
Narażenia, którym podlegają izolatory w warunkach napowietrznych można podzielić na trzy grupy:
- mechaniczne,
- elektryczne ,
- zabrudzeniowe.
Narażenia mechaniczne mogą mieć charakter stały lub zmienny. Charakter stały mają obciążenia
mechaniczne związane z masą elementów linii i naciągiem przewodów. Obciążenia zmienne wynikają ze
zmiennych warunków atmosferycznych takich jak: wiatr, oblodzenie, duże skoki temperatury. Należy
również uwzględniać narażenia związane ze stanami awaryjnymi, np. zerwanie przewodu.
Narażenia elektryczne wynikające z przepięć atmosferycznych i łączeniowych mają wpływ na wy-
miary izolatorów. Izolatory muszą wytrzymać określone napięcia probiercze przemienne i piorunowe, a
w zakresie napięć znamionowych powyżej 220 kV również napięcia probiercze łączeniowe. Wartości
napięć probierczych podaje norma PN-EN 60071-1:2008. Wielkościami charakteryzującymi własności
elektryczne izolatorów są:
a) najwyższe dopuszczalne napięcie izolatora (dawniej napięcie znamionowe izolacji),
b) znamionowe napięcie probiercze przemienne na sucho i pod deszczem,
c) znamionowe napięcie probiercze piorunowe,
d) droga upływu,
e) droga przeskoku.
Narażenia zabrudzeniowe wynikają z łącznego oddziaływania zanieczyszczeń i wilgoci. Prądy
upływu płynące przez zawilgocone osady mogą być przyczyną znacznego osłabienia wytrzymałości
elektrycznej izolatorów. Izolatory przeznaczone do pracy w strefach o silnym zanieczyszczeniu atmosfery
 2 
posiadają zwiększoną drogę upływu, np bardziej rozbudowany system kloszy. Najczęściej spotykanym
obecnie rozwiązaniem są klosze o różnej wielkości  na przemian większe i mniejsze.
Wysokonapięciowe izolatory liniowe można podzielić następująco:
a) izolatory stojące pniowe i deltowe (typ LSP i LSD, a także liniowe wsporcze LWP),
b) izolatory kołpakowe (porcelanowe typu LK i szklane typu PS),
c) izolatory pniowe (długopniowe) wiszące (typ LP lub LPZ, a także przeciwzabrudzeniowe oraz
kompozytowe),
d) izolatory trakcyjne (typ LT),
e) izolatory do linii elektroenergetycznych z przewodami izolowanymi (np. typ R125NA).
W przypadku linii średnich napięć z przewodami izolowanymi stosowane są izolatory liniowe wspor-
cze (np. LWP), jak również o specjalnej konstrukcji (R125NA) umożliwiającej inny sposób mocowania
przewodu. Wprowadzenie w przyszłości przewodów z pełną izolacją (wytrzymującą napięcia probiercze)
mocowanych do konstrukcji wsporczych przy pomocy specjalnych uchwytów lub głowic spowoduje
całkowite wyeliminowanie izolatorów.
a) b) c)
Rys. 1. Izolatory liniowe: a) izolator liniowy wsporczy, b) izolator liniowy wiszący długop-
niowy, c) łańcuch izolatorów kołpakowych
Izolatory stojące (rys. 1a) stosuje się w liniach niskiego i średniego napięcia. Izolatory te posiadają
metalowy trzpień służący do mocowania ich do poprzeczników słupów za pomocą śrub. Przewód robo-
czy mocowany jest do główki izolatora przy pomocy wiązałki.
W liniach wysokiego napięcia 110 i 220 kV wykorzystuje się izolatory długopniowe wiszące łączone
ewentualnie w łańcuchy jedno lub wielorzędowe. Izolatory długopniowe (rys. 1b.) wyparły niemal cał-
kowicie z linii 110 i 220 kV izolatory kołpakowe. Najważniejsze zalety takich izolatorów to:
- duża wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie,
- nieprzebijalność,
- duża odporność na uderzenia,
- duża odporność na starzenie i trudne warunki klimatyczne.
Izolatory kołpakowe ze szkła hartowanego stosowane są w liniach napowietrznych 400 i 750 kV.
Zaletami izolatorów kołpakowych są:
- możliwość zestawiania łańcuchów izolatorów jedno i wielorzędowych o dowolnej długości,
- pęknięcie izolatora lub rozsypanie się całego klosza towarzyszące przebiciu izolacji poje-
dynczego ogniwa odbywa się z zachowaniem połączenia mechanicznego,
- prosta technologia produkcji,
 3 
- duża wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie  wewnątrz kołpaka materiał izolacyjny pod-
dawany jest naprężeniu ściskającemu
2
4
5
5
1 3
.
Rys. 2. Izolator kołpakowy: 1 - część izolacyjna, 2 - kołpak, 3 - trzonek, 4 -
zawleczka zabezpieczajÄ…ca, 5 - spoiwo cementowe
Niestety, izolatory kołpakowe mają również dużo wad. Najważniejsze z nich to:
- znaczny ciężar łańcucha ze względu na duży udział masy okuć,
- przebijalność,
- nierównomierny rozkład napięcia wzdłuż łańcucha.
Niejednostajność rozkładu napięcia sprawia, że wytrzymałość elektryczna łańcucha izolatorów jest
mniejsza od sumy wytrzymałości elektrycznej wszystkich ogniw. Obniżenie wytrzymałości jest szczegól-
nie wyraz
ne przy napięciu piorunowym.
2. Rozkład napięcia wzdłuż łańcucha izolatorów kołpakowych
Schematem zastępczym łańcucha izolatorów kołpakowych jest układ pojemności ogniw oraz pojem-
ności doziemnych i pojemności do przewodu (rys. 3).
I1
C
Ip1 1 Iz1 Cz
Cz Cz Cz
I2
U3
C
Ip2 2 Iz2
I3
C
Ip3 3 Iz3
I4
C
Ip4 4 Iz4
U - U3
Cp Cp Cp Cp
I5
C
Rys. 3. Schemat zastępczy łańcucha izolatorów kołpakowych: C - pojemności własne poszczegól-
nych izolatorów, Cz - pojemności okuć izolatorów względem ziemi, Cp - pojemności okuć
względem przewodu wysokiego napięcia
Niejednostajność rozkładu napięcia wzdłuż łańcucha izolatorów kołpakowych wynika z wpływu po-
jemności poszczególnych ogniw względem uziemionej konstrukcji słupa i względem przewodu robocze-
go. Zwykle, dla uproszczenia rozważań, przyjmuje się jednakowe pojemności okuć izolatorów względem
ziemi oraz jednakowe pojemności tych okuć względem przewodu (rys. 3). W rzeczywistości pojemności
 4 
te zwiększają się w miarę przybliżania się do uziemionej konstrukcji (Cz) i przybliżania się do przewodu
roboczego (Cp). Zmiany te nie są jednak zbyt duże, co uzasadnia uproszczenie.
Ze względu na większe rozmiary uziemionej konstrukcji wsporczej w stosunku do wymiarów geome-
trycznych przewodu, pojemności Cz są na ogół znacznie większe od pojemności Cp. Rozkład napięcia jest
tym silniej nierównomierny, im stosunki pojemności Cz/C i Cz/Cp są większe. Napięcia na poszczegól-
nych ogniwach wzrastają przy przybliżaniu się do przewodu roboczego.
Napiszmy równanie dla prądów dla węzła 3 (rys. 3)
Ip3 + I4 = Iz3 + I3 .
Przy założeniu braku pojemności do przewodu (Cp = 0) równanie miałoby postać
I4 = Iz3 + I3 .
Napięcie na 4 ogniwie jest większe niż napięcie na ogniwie 3.
Istnienie pojemności do przewodu wyrównuje nieco rozkład, ale ponieważ Iz3 > Ip3, to nadal I4 > I3,
czyli
U43ÉC > U32ÉC ,
U43 > U32 .
Ponieważ napiÄ™cie na pojemnoÅ›ci doziemnej U3 = Iz3/ÉCz jest inne niż na pojemnoÅ›ci do przewodu U
 U3 = Ip3/ÉCp , to również przy jednakowych pojemnoÅ›ciach  czyli przy Cp = Cz  rozkÅ‚ad jest niejed-
nostajny.
Dla dowolnego węzła k równanie dla prądów ma postać
Ipk + Ik + 1 = Izk + Ik .
Warunkiem jednostajności rozkładu napięcia jest, aby prądy płynące przez pojemność do przewodu i
pojemność doziemną były jednakowe
Ipk = Izk ,
a wiÄ™c (U  Uk)ÉCpk = UkÉCzk .
k
5
4
b
d
3
2
a c
1
U /U
k
0
0 20 40 60 80 100
%
Rys. 4. Rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów dla następujących hipote-
tycznych przypadków: a) Cp = Cz = 0, b) Cp = 0, Cz `" 0, c) Cp `" 0,
Cz = 0, d) Cp = Cz
Jeżeli liczba ogniw łańcucha izolatorów wynosi n, to przy równomiernym rozkładzie napięcia mamy
 5 
U
Uk = Å"k .
n
Możemy zatem obliczyć dla dowolnego węzła (okucia) relację między pojemnością do przewodu
i pojemnością doziemną warunkującą jednostajność rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów
1
Cpk =Czk Å" .
n
-1
k
Dla łańcucha złożonego z pięciu ogniw (jak na rys. 3) zależności między pojemnościami dla poszcze-
gólnych węzłów będą następujące:
Nr węzła 1 2 3 4
Cpk/Czk 1/4 2/3 3/2 4
Dla wyrównania rozkładu napięcia należy powiększyć pojemności do przewodu okuć izolatorów
znajdujących się w pobliżu przewodu roboczego. Do tego celu służy armatura ochronna. Najczęściej
stanowi ją metalowy pierścień otaczający łańcuch izolatorów w pewnej odległości od przewodu robocze-
go i połączony galwanicznie z przewodem roboczym. Stosowany często podobny pierścień przy uzie-
mionym końcu łańcucha nie ma większego wpływu na rozkład napięcia. Jego rolą jest ochrona izolato-
rów przed cieplnym działaniem łuku. Przeskok elektryczny spowodowany przepięciem, a następnie łuk
elektryczny powinien pozostawać w bezpiecznej odległości od izolatorów.
Armatura powiększa pojemność ogniw do przewodu wyrównując częściowo rozkład napięcia. Do-
kładniejsze wyrównanie rozkładu, uwarunkowane powyższym wzorem przedstawiającym relację między
pojemnościami doziemnymi i do przewodu, wymagałoby zastosowania armatury o trudnych do wykona-
nia złożonych kształtach.
Na rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów kołpakowych mają również wpływ warunki atmosferycz-
ne i stan powierzchni izolatorów. Zanieczyszczona i zawilgocona powierzchnia izolatorów, deszcz i
mgła, są przyczyną przepływu prądów przewodnościowych zmieniających rozkład napięcia. Staje się on
bardziej równomierny.
Przeskok przy napięciu przemiennym 50 Hz poprzedzony jest wyładowaniami niezupełnymi. Prądy
przewodnościowe tych wyładowań są współmierne z prądami pojemnościowymi w łańcuchu poprawiając
pierwotny rozkład napięcia uwarunkowany samymi pojemnościami. Również duży wpływ na wspomnia-
ny rozkład mają prądy pojemnościowe wynikające ze zmian pojemności podczas wyładowań.
Czynniki powyższe  tzn. wyładowania, warunki atmosferyczne, stan powierzchni izolatorów  nie
mają wpływu na rozkład napięcia przy napięciu piorunowym zależnym tylko od pojemności.
Znając rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów zdrowych i dokonując po pewnym okresie eksploata-
cji linii ponownego pomiaru rozkładu napięcia, można przez porównanie tych rozkładów wykryć przebite
ogniwo. Pomiary rozkładu napięcia w terenie są bardzo uciążliwe. Przebite ogniwo w łańcuchu można
wykryć iskiernikiem kulowym lub woltomierzem elektrostatycznym o specjalnej konstrukcji. Wyprowa-
dzenia elektrod iskiernika bÄ…dz
woltomierza umieszczonych na drążku powinny być tak skonstruowane,
aby możliwe było jednoczesne dotknięcie górnego i dolnego okucia. Brak przeskoku na iskierniku bądz

brak lub małe wychylenie wskazówki woltomierza wskazuje na przebite lub uszkodzone ogniwo. Mniej
uciążliwa metoda polega na wykrywaniu uszkodzeń przez pomiar zakłóceń radioelektrycznych  wchodzi
się tylko na słupy, przy których poziom zakłóceń jest nadmierny.
Poznanie rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów ma duże znaczenie teoretyczne jako studium nad
sprzężeniami pojemnościowymi występującymi w urządzeniach wysokonapięciowych. Izolatory przepu-
stowe, dzielniki wysokiego napięcia, odgromniki zaworowe, a nawet uzwojenia transformatorów  to
przykłady urządzeń, w których mamy do czynienia ze sprzężeniami pojemnościowymi. Poznanie rozkła-
du napięcia stwarza możliwości opracowania metod sterowania tym rozkładem w celu eliminacji sprzę-
żeń pojemnościowych lub zmniejszenia natężeń pola w miejscach najbardziej zagrażających izolacji.
 6 
3. Pytania kontrolne
1. Jakim narażeniom podlegają izolatory w warunkach pracy napowietrznej?
2. Podział izolatorów liniowych
3. Wady i zalety izolatorów kołpakowych
4. Jaki jest rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów przy uwzględnieniu pojemności ogniw
i pojemności do ziemi?
5. Jaki jest rozkład napięcia na łańcuchu izolatorów przy uwzględnieniu pojemności ogniw
i pojemności do przewodu roboczego?
6. Wyjaśnić wpływ armatury ochronnej na rozkład napięcia
7. Wytłumaczyć zjawisko wyrównywania się rozkładu napięcia przy wyładowaniach niezupełnych
8. Jak wpływa na wytrzymałość statyczną i udarową nierównomierny rozkład napięcia na łańcuchu
izolatorów?
Literatura
1. Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. WNT, Warszawa 1988
2. Gacek Z.: Wysokonapięciowa technika izolacyjna. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice, 1996
3. Inżynieria wysokich napięć w elektroenergetyce  praca zbiorowa. Tom I, Wyd. Politechniki Po-
znańskiej, 1996
4. PN-90/E-06308 Elektroenergetyczne izolatory wysokonapięciowe. Izolatory liniowe. Ogólne wy-
magania i badania(norma wycofana)
5. PN-EN 60383-1:2005 Izolatory do linii napowietrznych o znamionowym napięciu powyżej 1 kV.
Część 1: Ceramiczne i szklane izolatory do sieci prądu przemiennego. Definicje, metody badań
i kryteria oceny wyników
II. POMIARY
1. Pomiar rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów zdrowych
Pomiaru rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów dokonujemy w układzie przedstawionym na ry-
sunku 5. Należy podkreślić, że zastosowana metoda pomiarowa (bezpośredni pomiar napięcia woltomie-
rzem elektrostatycznym) nie jest zbyt odpowiednia do tego celu. Pojemność woltomierza  chociaż nie-
wielka  wpływa na rozkład napięcia stanowiąc dodatkową pojemność doziemną. Dokładne pomiary
można uzyskać stosując metodę kompensacyjną. Eliminacja prądu pojemnościowego płynącego przez
woltomierz elektrostatyczny wymaga dodatkowego regulowanego z
ródła napięcia o tej samej fazie. Na-
pięcia nie powinny zawierać wyższych harmonicznych a układ zerowy powinien być starannie ekrano-
wany, mieć dużą czułość i nie zniekształcać rozkładu pola. Metoda ta jest więc dość kłopotliwa.
R0
0
C
Tp
Tr
1
A
C
2
C
3
V
C
1
Ve
4
Ve2
C
5
Rys. 5. Schemat układu probierczego: Tr - transformator regulacyjny, Tp - transformator probierczy, R - rezystor
ograniczający, C - pojemność pojedynczego izolatora kołpakowego, Ve1, Ve2 - woltomierze elektrosta-
tyczne
 7 
Zastosowany układ pomiarowy przedstawiony na rysunku 5, mimo swoich wad, pozwala jednak na
uzyskanie przybliżonego obrazu rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów kołpakowych i zaobserwowa-
nie wpływu armatury ochronnej lub uszkodzenia jednego ogniwa na ten rozkład.
Pomiaru rozkładu napięcia należy dokonać w następujący sposób:
a) do łańcucha izolatorów należy przyłożyć napięcie przemienne o wartości ustalonej przez pro-
wadzącego ćwiczenia,
b) pomiary rozpoczynamy od przyłączenia woltomierza do punktu 4 (kołpak pierwszego izolatora
licząc od strony zasilania łańcucha),
c) po zmierzeniu napięć kolejno w punktach 4,3,2 i 1 należy obliczyć napięcia występujące na po-
szczególnych ogniwach ("Uk) jako różnicę napięć w punkcie poprzedzającym i następnym (Uk
 Uk 1),
d) wyniki pomiarów i obliczeń przedstawić w tabeli 1,
e) wykreślić rozkład napięcia w układzie współrzędnych k = f (Uk/U) oraz k = f ("Uk/U)
Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów zdrowych
Uk "Uk
Punkt pomiaru (k) Uk Uk 1
"Uk = Uk  Uk 1
Å" 100% Å"100%
U U
 kV kV kV % %
5
4
3
2
1 0
2. Pomiar rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów przy zastosowaniu armatury
ochronnej
0
R
0
C
Tp
Tr
1
A
C
2
C
3
V
C
Ve1
4
Ve2
C
5
Rys. 6. Schemat układu probierczego do pomiaru rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów kołpakowych z ar-
maturÄ… ochronnÄ…
Pomiary należy rozpocząć po założeniu armatury ochronnej w punkcie zasilania łańcucha izolatorów
(rys. 6). Sposób wykonania pomiarów jak w punkcie poprzednim.
Wyniki pomiarów i obliczeń przedstawić w tabeli 2.
 8 
Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów
z armaturÄ… ochronnÄ…
Uk "Uk
Punkt pomiaru (k) Uk Uk 1
"Uk = Uk  Uk 1
Å" 100% Å"100%
U U
 kV kV kV % %
5
4
3
2
1 0
Wykresy k = f (Uk/U) i k = f ("Uk/U) należy wykonać w układach współrzędnych sporządzonych w
punkcie poprzednim.
3. Pomiar rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów z uszkodzonym ogniwem
R0
0
C
Tp
Tr
1
A
C
2
C
3
V
C
Ve1
4
Ve2
C
5
Rys. 7. Schemat układu probierczego do pomiaru rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów z uszkodzonym
ogniwem
Pomiary należy rozpocząć po zwarciu jednego ogniwa w łańcuchu izolatorów kołpakowych (rys. 7).
Sposób wykonania pomiarów jak poprzednio.
Wyniki pomiarów i obliczeń należy przedstawić w tabeli 3.
Wykresy k = f (Uk/U) i k = f ("Uk/U) należy wykonać w układach współrzędnych sporządzonych po-
przednio. W układach tych należy również nanieść rozkład napięcia dla przypadku braku sprzężeń po-
jemnościowych (Cp = 0 i Cz = 0)
.
Tabela 3. Wyniki pomiarów i obliczeń rozkładu napięcia na łańcuchu izolatorów
z uszkodzonym ogniwem
Uk "Uk
Punkt pomiaru (k) Uk Uk 1
"Uk = Uk  Uk 1
Å" 100% Å"100%
U U
 kV kV kV % %
5
4
3
2
1 0
 9 
4. Wnioski
Wnioski powinny zawierać uwagi dotyczące przebiegu ćwiczenia oraz własne spostrzeżenia związane
z otrzymanymi wynikami badań. W przypadku wystąpienia rozbieżności między otrzymanymi wynikami
i danymi literaturowymi należy wskazać z
ródło tych rozbieżności.
POLITECHNIKA ÅšWI
TOKRZYSKA
Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć
ĆWICZENIE 11
WYTWARZANIE I POMIAR WYSOKIEGO
NAPI
CIA STAA
EGO
I. WIADOMOÅšCI TEORETYCZNE
1. Wstęp
Wysokie napięcia stałe mogą być wytwarzane na drodze elektrostatycznej. Za pomocą generatorów
elektrostatycznych można wytwarzać napięcia stałe do 12 MV. Wykorzystywane są one głównie w
badaniach z zakresu fizyki jÄ…drowej. Najbardziej znany elektrostatyczny generator Van de Graafa
działa na zasadzie przenoszenia ładunku, za pomocą izolacyjnego pasa, do wnętrza metalowej kuli.
Powszechniej stosowanym i łatwiejszym sposobem wytwarzania wysokiego napięcia stałego jest
prostowanie wysokiego napięcia przemiennego. Zespół probierczy wysokiego napięcia stałego składa
się z zespołu probierczego wysokiego napięcia przemiennego, układu prostowników wysokiego na-
pięcia oraz kondensatorów filtrujących. Napięcia wytwarzane w ten sposób mają charakter pulsujący.
Przy badaniach izolacji przepływa przez nią dodatkowo pewien prąd pojemnościowy utrudniający
pomiar (np. przewodności). W związku z tym wprowadzono wymagania dotyczące tzw. współczynni-
ka pulsacji określanego jako stosunek amplitudy pulsacji do wartości średniej napięcia. Amplituda
pulsacji (lub krócej  pulsacja) jest zdefiniowana jako połowa różnicy między wartością najwyższą
i najniższą napięcia (rys. 1).
U + U U - U
max min max min
U = , ´U = ,
śr
2 2
współczynnik pulsacji
´U U - U
max min
´U% = Å" 100% = Å" 100% .
Uśr U + U
max min
U
Umax
´U
Uśr
´U
Umin
t
Rys. 1. Interpretacja współczynnika pulsacji napięcia stałego
2 Ćwiczenie 11
Zgodnie z normami (PN-92/E-04060 oraz IEC 60-1) współczynnik pulsacji nie powinien przekra-
czać 3%.
2. Prostowniki wysokiego napięcia
2.1. Kenotrony i gazotrony
Kenotrony to dwuelektrodowe wysokopróżniowe lampy. Ich niezaprzeczalną zaletą są dobre wła-
sności izolacyjne w kierunku zaporowym. Największą wadą  konieczność stosowania żarzenia kato-
dy, najczęściej specjalnego transformatora z izolacją wysokonapięciową. Napięcia zwrotne prostow-
ników próżniowych dochodzą do 500 kV, a prądy nasycenia do 300 mA. Spadek napięcia w kierunku
przewodzenia sięga kilku kV.
Gazotrony są to prostownicze lampy gazowane wypełnione parami rtęci lub rozrzedzonymi gazami
szlachetnymi (argon, krypton, przy 10 3 mmHg). W gazotronach elektrony emitowane z katody służą
do zapoczątkowania jonizacji w gazie, a nie przewodzenia prądu jak w kenotronie. Pomiędzy elektro-
dami dochodzi do wyładowania łukowego i gazotron zaczyna przewodzić prąd.
Zalety gazotronu:
- zdolność prostowania dużych prądów (kilka A),
- mały międzyelektrodowy spadek napięcia.
Wady:
- małe napięcie zwrotne (do 40 kV),
- bardzo dÅ‚ugi czas samorozgrzewania (2 ÷ 30 minut).
2.2. Prostowniki półprzewodnikowe
Prostowniki półprzewodnikowe wysokiego napięcia, początkowo selenowe, póz
niej krzemowe,
wypierają skutecznie inne rodzaje prostowników.
P
R
P
R
P
R
C
Rys. 2. Schemat prostownika półprzewodnikowego: P - prostownik (pojedyncza dioda), R - rezystor, C - kondensator
Zalety prostowników półprzewodnikowych:
- zdolność prostowania dużych prądów,
- brak żarzenia,
- prosta konstrukcja,
- brak szkodliwego promieniowania.
Wady:
- zbyt małe napięcie zwrotne,
- wrażliwość na przeciążenia,
3
Wytwarzanie i pomiar wysokiego napięcia stałego
- zbyt mała rezystancja w kierunku zaporowym,
- duża rozbieżność tej rezystancji dla poszczególnych egzemplarzy.
Ze względu na niskie napięcie zwrotne pojedyncze diody prostownicze łączy się w szereg. Dla wy-
równania rozkładu napięcia wzdłuż łańcucha prostowników bocznikuje się je rezystorami. Rezystan-
cje rezystorów muszą być mniejsze od rezystancji prostowników w kierunku zaporowym (ok. 2 M&!).
Poprawę rozkładu napięcia szybkozmiennego uzyskuje się bocznikując grupy prostowników konden-
satorami. Bloki prostowników zalewa się żywicą bądz
olejem dla poprawy ich własności izolacyj-
nych.
3. Układy probiercze napięcia stałego
3.1. Prostowanie jednopołówkowe
r2 Iśr
r1
ip
T p
P
R0 U0
E
C
Rys. 3. Schemat jednopołówkowego wysokonapięciowego układu probierczego: T p - trans-
formator probierczy, P - prostownik, r1, r2 - rezystory ochronne, C - kondensator wygła-
dzający, R0 - rezystancja obiektu badanego, E - wartość skuteczna SEM transformatora, ip -
prąd ładowania, Iśr - prąd obciążenia
Rezystor r1 ogranicza prąd ładowania chroniąc prostownik i transformator przed przeciążeniem
2 Å" E
r1 e" ,
Im
gdzie Im - dopuszczalna wartość impulsu prądowego prostownika.
Rezystor r2 ogranicza prąd rozładowania kondensatora przy ewentualnym przebiciu izolacji
obiektu. Prostowanie odbywa się w co drugim półokresie napięcia przemiennego (rys. 4).
W przerwach pomiędzy kolejnymi okresami ładowania pojemność C rozładowuje się przez rezy-
story r2 i R0. W tym czasie na prostowniku występuje napięcie zwrotne równe sumie napięć uc i e.
Prostownik zatem powinien być dobrany na napięcie zwrotne równe podwójnej wartości napięcia wypro-
stowanego.
Współczynnik pulsacji dla prostownika jednopołówkowego można opisać wzorem
´U I
śr
= ,
U 2U Cf
śr śr
Umax
T
U - U
1 dU
max min
gdyż I = dU = 2 f C = 2 f C´U .
śr
+"C dt = Cf +"
T dt 2
0 Umin
4 Ćwiczenie 11
u, i
u
c
e
i
p
t
Rys. 4. Przebiegi napięć i prądu przy prostowaniu jednopołówkowym (w stanie ustalonym)
W stanie ustalonym najwyższa wartość napiÄ™cia na obiekcie Umax jest niższa od 2 Å" E0 o spadek
napięcia "U na rezystancjach obwodu probierczego od prądu obciążenia Iśr.
3.2. Prostowanie dwupołówkowe
Prostowanie dwupołówkowe prowadzi do obniżenia pulsacji napięcia wyjściowego. Częstotliwość
pulsacji wzrasta dwukrotnie.
a ) b) c)
Rys. 5. Układy prostownikowe pełnookresowe: a) niesymetryczny, b) symeryczny, c) mostkowy
3.3. Układy kaskadowe
Układy kaskadowe (zwane też powielaczami napięcia), czyli wielostopniowe układy prostowni-
ków, pozwalają teoretycznie na uzyskanie napięć stałych o dowolnej wysokości. Rysunek 6 przedsta-
wia dwustopniowy generator kaskadowy napięcia stałego zwany układem Greinachera.
Pojemność C1 nosi nazwę pojemności powielającej, a C2  pojemności głównej. A
adowanie po-
jemności C2 odbywa się cyklami:
a) przy wzroÅ›cie napiÄ™cia w punkcie 3 od 0 do + 2 Å" E przewodzi tylko prostownik P1, a po-
jemności C1 i C2 ładują się szeregowo do napięć
5
Wytwarzanie i pomiar wysokiego napięcia stałego
C2 C1
UC = 2 Å" E , UC = 2 Å" E , (11.1)
1 2
C1 + C2 C1 + C2
b) przy ujemnej połówce sinusoidy P1 nie przewodzi. Prostownik P2 zaczyna przewodzić, gdy
potencjał punktu 3 stanie się niższy od  UC1 i przewodzi do chwili naładowania C1 do napię-
cia 2 Å" E ,
c) prostownik P1 zacznie przewodzić gdy potencjał punktu 1 stanie się wyższy od potencjału
punktu 2, tzn. gdy w punkcie 3 napiÄ™cie bÄ™dzie siÄ™ zmieniać w przedziale [ - 2 Å" E Å"C2/(C1
+ C2), 2 Å" E ]. Część Å‚adunku z C1 przejdzie na C2. NapiÄ™cie na pojemnoÅ›ci C2 bÄ™dzie wy-
nikać ze zrównania się potencjałów w punkcie 1 i 2. Kondensatory C1 i C2 łączą się równo-
legle
C1C2
U ( C1 + C2 ) = 2 Å" E Å" C1 + 2 Å" E ,
2
C1 + C2
C1(C1 + 2C2 )
U2 = 2 Å" E , (11.2)
(C1 + C2 )2
d) siła elektromotoryczna doładowuje szeregowo C1 i C2 napięciami wg wzorów (11.1). Napię-
cie na C2 osiągnie wartość
2C1 + 3C2
U = 2 Å" E Å" C1 . (11.3)
2
( C1 + C2 )2
Dalsze cykle powtarzajÄ… siÄ™. W efekcie C2 Å‚aduje siÄ™ do napiÄ™cia 2 2 Å" E .
u/Em
3 1 2
1,5
1 1
C P
e
1,0
u2
u1
0,5
P 2
C 2
÷ t
0
-0,5
-1,0
Rys. 6. Dwustopniowy generator kaskadowy oraz przebieg zmian napięcia w punktach 1 i 2 przy C1 = C2
W podobny sposób działają kaskady wielostopniowe (rys. 7) pozwalając teoretycznie uzyskać na-
piÄ™cie 2n 2 Å" E przy użyciu 2n prostowników na napiÄ™cie zwrotne 2 2 Å" E .
W przypadku jednakowych pojemności zastosowanych w kaskadzie pulsację napięcia można obli-
czyć z wzoru
I n( n + 1) I k
śr śr
´U = = , (11.4)
4 fC C
gdzie: n - liczba stopni, k = n(n + 1)/4f .
Napięcie na wyjściu generatora wynosi wtedy
Umax = 2n 2 2 Å" E  "U,
6 Ćwiczenie 11
ëÅ‚ öÅ‚
IÅ›r ìÅ‚ 2n3 n
gdzie: "U = - ÷Å‚ - napiÄ™cie na rezystancjach obwodu probierczego.
ìÅ‚ ÷Å‚
f Å" C 3 6
íÅ‚ Å‚Å‚
C 'n C 'n - 1 C 'n - 2 C '1
T p
C n C n - 1 C n - 2 C 1
R 0
I Å› r
Rys. 7. Wielostopniowy generator kaskadowy napięcia stałego
Optymalną liczbę stopni, przy której uzyskuje się największe średnie napięcie wyjściowe, oblicza
się z warunku dUśr/dn = 0
UÅ›r = 2n 2 2 Å" E  ´U  "U,
f Å" C
nopt = 2 Å" E .
I
śr
Zastosowanie pojemności zwiększających się proporcjonalnie do swoich numerów porządkowych,
czyli Cn = nC1 oraz C n = nC 1, pozwala uzyskać mniejszą pulsację i niższy spadek napięcia
I n I ( 2n2 + 3 ) n
śr śr
´U = , "U = , k = .
2 f Å" C 2 f Å" C 2 f
4. Zastosowanie wysokiego napięcia stałego
Wysokie napięcia stałe wykorzystuje się do prób napięciowych izolacji w następujących przypad-
kach:
- izolacja jest eksploatowana przy napięciu stałym,
- izolacja jest eksploatowana przy napięciu przemiennym, ale ze względu na znaczną jej po-
jemność wymagana byłaby zbyt duża moc z
ródła napięcia przemiennego (kable, kondensato-
ry),
- pomiary rezystancji izolacji i prądu upływu (np. wskaz
ników R60/R15, I10/I600).
Ponadto napięcia stałe wykorzystuje się do zasilania:
- elektrofiltrów,
- urządzeń do malowania elektrostatycznego,
- urządzeń do flotacji elektromagnetycznej,
- akceleratorów cząstek,
- urządzeń rentgenowskich i lamp elektronowych (kineskopy, lampy oscylograficzne).
W elektrofiltrach wykorzystuje siÄ™ zjawisko ujemnego ulotu na przewodach o maÅ‚ej Å›rednicy (2 ÷
3 mm, 70 kV). Drugą elektrodę może stanowić metalowa rura. Cząstki pyłu ładowane elektrycznie
osiadajÄ… na elektrodzie rurowej, skÄ…d sÄ… zbierane.
7
Wytwarzanie i pomiar wysokiego napięcia stałego
Malowanie elektrostatyczne  rozpylony strumień farby przechodzi przez ujemnie naładowaną
siatkÄ™ przechodzÄ…c przez strefÄ™ ulotu ujemnego i osiada na uziemionym malowanym przedmiocie.
Flotacja rudy  cząstki rudy dobrze przewodzące i naładowane w polu elektrycznym oddają ładu-
nek uziemionemu walcowi i opadają. Naładowane zanieczyszczenia o dużej rezystywności przyle-
piajÄ… siÄ™ do walca, skÄ…d sÄ… zgarniane.
5. Bezpośrednie i pośrednie metody pomiaru wysokiego napięcia stałego
Do przyrządów bezpośrednio mierzących wysokie napięcie stałe należą:
- iskiernik kulowy (mierzy wartość maksymalną napięcia, z kilku pomiarów jako wynik podaje
się wartość najwyższą),
- woltomierz elektrostatyczny (w przypadku pulsacji  wartość skuteczna), które jako przyrzą-
dy uniwersalne (pomiar napięć stałych, przemiennych i udarowych) zostały omówione w
ćwiczeniu dotyczącym pomiaru napięć przemiennych.
Norma PN-92/E-04060 podaje iskiernik prętowy jako znormalizowany układ pomiarowy dla od-
stÄ™pów elektrod 250 d" d d" 2500 mm. PrÄ™ty majÄ… przekrój kwadratowy o boku 15 ÷ 25 cm. NapiÄ™cie
przeskoku określa się z błędem <" 3% z wzoru
U0 = 2 + 0,534 d, (U0 w kV, d w mm).
5.1. Rezystor szeregowy
Miernik magnetoelektryczny włączony w szereg z rezysto-
U
rem może być wyskalowany w kV. Wskazania miernika są pro-
porcjonalne do wartości średniej prądu
Iśr = Uśr/R.
R
µA
Og
Rys. 8. Pomiar napięcia stałego przy użyciu miliamperomierza z szeregowym
rezystorem: Og - odgromnik
5.2. Dzielniki rezystancyjne
Rezystancja R1 dzielnika jest na ogół bardzo duża dla uniknięcia zbytniego obciążenia z
ródła na-
pięcia. Przekładnia dzielnika wynosi
R1 + R2
Ń = ; mierzone napięcie U = U2 Ń.
R2
Dla zachowania stałości przekładni rezystancja miernika (woltomierz, oscyloskop) musi być dużo
większa od R2. Średni prąd pobierany z pojemności C wynosi
8 Ćwiczenie 11
U U
śr śr
Iśr = = .
( R1 + R2 )R0 RZ
r2 +
R1 + R2 + R0
r2
r1
P
T p
R1
C
R0
R2
V
Rys. 9. Układ probierczy napięcia stałego z przyłączonym dzielnikiem rezystancyjnym. R0 - rezy-
stancja obciążenia
Współczynnik pulsacji napięcia osiągnie wartość (patrz wzór 11.4)
´U I k k
śr
´U = = = ,
w
U CU CRZ
śr śr
gdzie k zależy od częstotliwości napięcia przemiennego i liczby stopni generatora kaskadowego.
Dla prostownika jednopołówkowego k = 1/2f, dla generatora kaskadowego o stałych pojemno-
Å›ciach k = n(n+1)/4f. Dla zadanego ´wU% i r2 pomijalnie maÅ‚ego wymagana rezystancja dzielnika
wynosi
R0
R1 + R2 e" .
R0C´U
w
- 1
k
Zakładając dopuszczalny współczynnik pulsacji 3% i częstotliwość napięcia przemiennego 50 Hz,
otrzymujemy zależność
R0
R1 + R2 e" ,
6 R0C
- 1
n( n + 1)
a dla prostowników jednopołówkowego i pełnookresowego odpowiednio
R0 R0
R1 + R2 e" oraz R1 + R2 e" .
3R0C - 1 6 R0C - 1
Dzielnik rezystancyjny powinien odznaczać się dużą stałością przekładni w całym zakresie mierzone-
go napięcia. Wpływ na przekładnię mają następujące czynniki:
- ulot,
- temperatura (zmiana rezystancji przy nagrzewaniu siÄ™),
- upływność przez izolację,
9
Wytwarzanie i pomiar wysokiego napięcia stałego
- rezystancja miernika.
Pomiaru napięcia na gałęzi niskonapięciowej najlepiej dokonywać miernikami o dużej rezystancji
wejściowej. Przy zastosowaniu woltomierzy elektrostatycznych i napięciu pulsującym mierzy się
wartość skuteczną napięcia, natomiast mierniki elektroniczne mierzą wartość średnią. Wartości te są
opisane przez następujące wzory
T T
1 1
2
U = U = .
śr
+"u dt , +"udt
T T
0 0
W rzeczywistoÅ›ci dla ´U < 5% wartość stosunku UÅ›r/U jest w przybliżeniu równa jednoÅ›ci i po-
miar woltomierzem elektrostatycznym można uznać za pomiar wartości średniej.
6. Pytania kontrolne
1. Pulsacja i współczynnik pulsacji napięcia stałego
2. Charakterystyka prostowników lampowych
3. Budowa prostownika półprzewodnikowego
4. Prostowanie jedno- i dwupołówkowe
5. Generatory kaskadowe
6. Zastosowanie wysokiego napięcia stałego
7. Bezpośrednie i pośrednie metody pomiaru wysokiego napięcia stałego
8. Dobór dzielnika rezystancyjnego
Literatura
1. Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. WNT, Warszawa, 1988
2. Szpor S., Dzierżek H., Winiarski W.: Technika wysokich napięć. WNT, Warszawa 1978
3. Technika badań wysokonapięciowych. Praca zbiorowa. Tom I, WNT, Warszawa 1985
4. Wodziński J.: Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów. PWN, Warszawa 1997
II. POMIARY
1. Pole probiercze wysokiego napięcia stałego.
Obsługa stanowiska probierczego
Schemat jednopołówkowego zespołu probierczego wysokiego napięcia stałego przedstawia rysu-
nek 10.
Przed przystąpieniem do pomiarów należy dokładnie sprawdzić stan trwałych połączeń zespołu z
uziomem. W czasie przeglądu układ musi być odłączony od sieci (wyjęta wtyczka z gniazdka), a bie-
gun wysokiego napięcia i wszystkie kondensatory w polu probierczym muszą być uziemione. Każde
wejście w pole probiercze musi być poprzedzone uziemieniem bieguna wysokiego napięcia (i konden-
satorów) przy pomocy drążka uziemiającego. Należy to zrobić, po otwarciu drzwi, z progu pola pro-
bierczego trzymając drążek uziemiający za ogranicznikiem uchwytu.
Niedozwolone jest przebywanie w polu probierczym, dokonywanie jakichkolwiek manipulacji Å‚Ä…-
czeniowych, przy usuniętym uziemieniu.
Uziemienie ruchome można usunąć tylko bezpośrednio przed przystąpieniem do pomiarów.
Zaleceń tych należy bezwzględnie przestrzegać gdyż odłączenie układu spod napięcia nie chroni
przed porażeniem!
Zespół probierczy należy uruchamiać i obsługiwać zgodnie z instrukcją obsługi (znajdującą się
przy stanowisku) i wskazówkami prowadzącego zajęcia.
P3
P
Pz
Tp
Tr
L1
220V
DN
L2
R1
P1
Ve
C
Ro
kV
N Td
St
Os
Wk
µA
R2
P2
Og
Z1
Zał Wył
Og
Z2
Z3
Rys. 10. Schemat zespołu probierczego wysokiego napięcia stałego. Td, Tr, Tp - transformatory: dodatkowy, regulacyjny i probierczy, P - prostownik półprzewodnikowy, P1,
P2, P3 - przekaz
niki (P1 przełącza zasilanie przy podaniu fazy na punkt L2, P2 wyłącza układ przy braku uziemienia, P3 pełni rolę wyłącznika przeciążeniowego
i zwarciowego), Pz - przełącznik zakresów, St - stycznik, Wk - wyłącznik krańcowy, Z1, Z2, Z3 - przyciski zmiany zakresów mikroamperomierza, Og - odgromniki,
Ro - rezystancja obciążenia, Ve - woltomierz elektrostatyczny, C - pojemność filtrująca, DN - dzielnik napięcia,Os - oscyloskop
10
Ć
wiczenie 11
11
Wytwarzanie i pomiar wysokiego napięcia stałego
2. Skalowanie oscyloskopu
Kolejność czynności:
a) przyłączyć do zacisku wysokiego napięcia zespołu probierczego oscyloskop (Ok) poprzez re-
zystancyjny dzielnik napięcia (DN), woltomierz elektrostatyczny (Ve) oraz pojemność C
(np. 1 nF). Dzielnik napięcia stanowi jednocześnie obciążenie zespołu,
b) załączyć zespół probierczy. Dla dwóch wartości napięcia wskazywanego przez woltomierz
elektrostatyczny (np. 5 i 10 kV) odczytać z ekranu wartość średnią napięcia Uśr w działkach
U + U
max min
U = ,
śr
2
c) obliczyć czuÅ‚ość pomiaru ·
U1 - U
2
· = , [kV/dz] ,
U - U
śr1 śr 2
gdzie: U1, U2 - wskazania woltomierza elektrostatycznego,
d) obliczyć przekładnię dzielnika Ń
·
Ń = [kV/V] ,
Ä…
gdzie: ą - wzmocnienie (czułość oscyloskopu w V/dz),
e) pomiary i obliczenia z punktów b, c i d powtórzyć dla innej pojemności filtrującej C (np. 4
nF). Wyniki przedstawić w tabeli 1.
Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń
U1 = ....... kV U2 = ....... kV
C · Ä… Ń
Umax Umin Uśr1 Umax Umin Uśr2
nF dz dz dz dz dz dz kV/dz V/dz kV/V
3. Pomiar pulsacji wysokiego napięcia stałego w funkcji pojemności
Kolejność czynności:
a) do zespołu probierczego przyłączyć dzielnik napięcia z oscyloskopem i woltomierz elektro-
statyczny; pojemność C = 0,
b) załączyć zespół probierczy. Ustawić napięcie 5 kV (na woltomierzu elektrostatycznym),
c) odczytać i obliczyć korzystając z przekładni dzielnika:
- Iśr (wskazanie mikroamperomierza w pulpicie sterującym,
- UÅ›r z oscyloskopu (· [kV/dz]Å"(Umax + Umin)/2 [dz] ),
- ´U = (Umax  Umin)/2,
- ´U% (´U/UÅ›r) 100%,
d) pomiary i obliczenia powtórzyć dla kilku wartości pojemności (np. 1, 2, 3, 4, 5 i 6 nF).
Wyniki pomiarów i obliczeń przedstawić w tabeli 2.
12 Ćwiczenie 11
Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń
U = .......... kV (w. skuteczna), ą = ......... V/dz, Ń = ......... kV/V
Lp. C Iśr Umax Umin Uśr Uśr U/Uśr
´U ´U ´U%
 nF dz dz dz kV dz kV % 
µA
1
2
3
e) wykonać wykresy: ´U = f (C), ´U% = f (C) oraz U/UÅ›r = f (C).
4. Dobór elementów zespołu probierczego
Zgodnie z normami współczynnik pulsacji napięcia stałego, użytego do badań izolacji, nie powi-
nien przekraczać 3%. Konieczność doboru elementów układu pomiarowego wynika z wpływu na
wartość ´wU zarówno pojemnoÅ›ci C, jak i doÅ‚Ä…czonego dzielnika napiÄ™cia i samego obiektu badaÅ„
stanowiącego właściwe obciążenie układu. Dla przewidywanej rezystancji obciążenia R0 dobiera się
rezystancję dzielnika lub (i) pojemność filtrującą C.
Wykonać następujące czynności:
a) korzystając z pomiarów przeprowadzonych w punkcie 3, obliczyć rezystancję dzielnika na-
pięcia
U
śr
R1 + R2 = ,
Iśr
b) obliczyć najmniejszÄ… pojemność C potrzebnÄ… do uzyskania współczynnika pulsacji ´U%
mniejszego od 3%, zakładając że dzielnik napięcia stanowi jedyne obciążenie zespołu pro-
bierczego
100
C e" ,
2 f ( R1 + R2 )´U%
c) sprawdzić otrzymany wynik doświadczalnie,
d) przy pojemności dwa razy większej niż obliczona w punkcie b) obliczyć największe obcią-
żenie, przy którym współczynnik pulsacji d" 3%. Przyjąć rezystancję dzielnika obliczoną w
punkcie a).
R1 + R2
R0 e" .
3 Å" C( R1 + R2 ) - 1
5. Wnioski
We wnioskach należy zamieścić uwagi i własne spostrzeżenia dotyczące zarówno przebiegu ćwicze-
nia, jak i otrzymanych wyników badań i pomiarów.