1 
ĆWICZENIE 8
BADANIE WYSOKONAPI
CIOWYCH UKA
ADÓW IZOLACYJ-
NYCH NAPI
CIEM PIORUNOWYM
I. WIADOMOŚCI TEORETYCZNE
1. Udar napięciowy i jego parametry
Udar napięciowy jest unipolarnym impulsem napięcia imitującym przepięcia impulsowe (piorunowe,
łączeniowe). Izolacja urządzeń elektroenergetycznych nara\
ona na działanie przepięć atmosferycznych
bądz
łączeniowych musi być poddawana udarowym próbom wytrzymałościowym. Kształt udarów słu\
ą-
cych do tych prób, został znormalizowany (PN-92/E-04060). Udar napięciowy normalny charakteryzują:
- wartość szczytowa,
- czas narastania czoła T1 ,
- czas do półszczytu T2 ,
- biegunowość.
Inne parametry udarów wynikają ze specyfiki nara\
eń 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
�s.
u/Umax
1,0
0,9
Rys. 1. Udar napięciowy piorunowy
normalny pełny: T1 - czas trwa-
0,5
nia czoła (1,2 �s ą 30%), T2 -
czas do półszczytu (50 �s ą
0,3
20%). Umowny początek uda-
ru jest wyznaczany przez punkt
t
przecięcia z osią czasu prostej
0
przechodzącej przez punkty 0,3
T1
i 0,9 Umax
T2
u/U
max
1,0
190
0,9
a
140
0,7a
90
0,3
40
0,1a
t
Rys. 2. Wyznaczanie parametrów
0
-10
udaru uciętego: tp - czas do
t
t
p
-0,5 4,5 9,5 14,5 19,5 24,5 29,5
s
ucięcia, tS - czas ucięcia
 2 
Przepięcia łączeniowe, powstające w układzie elektroenergetycznym wskutek manipulacji łączenio-
wych lub awarii, stanowią równie\
du\
e zagro\
enie dla izolacji. W układach o wysokich napięciach zna-
mionowych (400, 750 kV) mogą one stwarzać większe zagro\
enia ni\
przepięcia piorunowe. Znormali-
zowany udar łączeniowy charakteryzuje się dłu\
szymi czasami narastania czoła i do półszczytu (np.
250/2500 �s). Przykład określania parametrów udaru łączeniowego przedstawia rysunek 3.
u/U
max
1,0
0,9
T
90
0,5
t
0
T
1
T
2
Rys. 3. Udar łączeniowy normalny pełny: T1 - czas do szczytu (250 ą 20%), T2 - czas do
półszczytu (2500 ą 60%), T90 - czas trwania wartości napięcia 0,9 Umax
Udar łączeniowy opisywany jest parametrami T1/T2 lub T1/T90/T0 w zale\
ności od obiektu badań i ro-
dzaju prób. Nie pokazany na rysunku czas T0 jest czasem do pierwszego przejścia napięcia udarowego
przez zero. Przy próbach napięciowych izolacji transformatorów najwy\
szych napięć u\
ywa się udarów
łączeniowych określanych przez T1/T90/T0, przy czym: T1 > 50 �s, T90 ą 200�s, T0 > 500�s.
W technice probierczej obok omówionych udarów napięciowych stosowane są jeszcze udary ukośne
oraz udary specjalne o innych czasach T1/T2.
2. Jednostopniowy generator udarów napięciowych
Najprostszy układ jednostopniowego generatora udarów przedstawia rysunek 4. Pomiędzy
elementami generatora zachodzą następujące relacje
Cg >> Cc , Rr >> Rc . (8.1)
I
I
I
s
s
s
R
R
P R
R
R
R
c
c
c
0
0
0
T
p
T
r
U0 Cg C C
U0 Cg C C
U0 Cg C C
c ob
c ob
c ob
u(t)
u(t)
u(t)
R
R
R
r
r
r
Rys. 4. Jednostopniowy generator udarów napięciowych: Tr , Tp - transformatory regulacyjny
i probierczy, P - prostownik, R0 - rezystor ładujący, Cg - pojemność główna, Is - iskiernik ku-
lowy, Rr - rezystor rozładowujący, Rc, Cc - rezystor i pojemność do kształtowania czoła udaru,
Cob - pojemność obiektu
Kondensator Cg ładowany jest ze z
ródła napięcia stałego przez rezystor R0. W miarę wzrostu napięcia
na kondensatorze wzrasta napięcie między kulami iskiernika Is. Gdy zostanie osiągnięte napięcie przesko-
 3 
ku na iskierniku, nastąpi na nim wyładowanie zupełne zwierające kule. Kondensator Cg zacznie się rozła-
dowywać dwiema drogami: jedną  ładując kondensator Cc i pojemność obiektu Cob oraz drugą  przez
rezystor Rr. Pojemność obiektu oraz kondensator Cc są małe w porównaniu z Cg, dlatego naładują się one,
przez małą rezystancję Rc, w bardzo krótkim czasie kształtując czoło udaru. Proces rozładowania pojem-
ności Cg i Cc przez rezystor Rr trwa dłu\
ej  kształtowany jest grzbiet udaru.
Ze względu na bardzo krótki czas trwania udaru mo\
na zało\
yć, \
e obwód rozładowania jest odcięty
od z
ródła zasilania przez indukcyjności połączeń i kondensator Cg nie jest w tym czasie doładowywany.
W związku z tym uproszczony schemat generatora mo\
na przedstawić tak jak na rysunku 5.
R
R
R
c
c
c
W
U0 C C C
C C C
C C C
g c ob
g c ob
g c ob
u(t)
u(t)
u(t)
R
R
R
r
r
r
Rys. 5. Uproszczony schemat generatora napięć piorunowych
Po naładowaniu kondensatora Cg do napięcia U0 i zamknięciu wyłącznika W przebieg napięcia na
obiekcie badanym określa równanie
t t
�ł - �ł
�1
�ł
u(t) = U0�0 �łe- �2 - e , (8.2)
�ł �ł
�ł łł
gdzie �0 - współczynnik wykorzystania obwodu generatora.
Biorąc pod uwagę zale\
ności (8.1) mo\
na napisać uproszczone wzory na stałe czasowe
�1 E" Rc Cc + Cob , �2 E" Rr �"Cg . (8.3)
( )
Stała czasowa �1 decyduje o czasie narastania czoła udaru, a stała czasowa �2 o czasie do półszczytu.
Aby wpływ pojemności obiektu nie miał znaczącego wpływu na czas narastania czoła, musi być spełnio-
na zale\
ność
Cob << Cc .
u
U0
U0 exp(-t/ )
�0 �2
u(t)
t
0
-U0 exp(-t/ )
�0 �1
Rys. 6. Ilustracja kształtowania udaru w generatorze udarowym
4. Wytwarzanie udarów uciętych
 4 
Do wytwarzania udarów uciętych na grzbiecie słu\
ą dodatkowe układy dołączane do generatorów
udarowych. Rysunek 7 przedstawia jednostopniowy generator z układem ucinającym Johnsona. Układ ten
to iskiernik trójkulowy oraz rezystor Ru i kondensator Cu.
W iskierniku trójkulowym na kulę środkową podane jest napięcie Ub wytworzone w dodatkowym ob-
wodzie RuCu o znacznie dłu\
szym czole w porównaniu z udarem piorunowym. Napięcie na przerwie
iskrowej 'a', pomiędzy górną i środkową kulą, wynika z ró\
nicy napięć Uc i Ub
Ua = Uc  Ub .
Rc
Ru
Ua a
Rd
U Cg Rr Cc
Ob
b
Ub
Cu
Rys. 7. Generator udarowy z układem ucinającym Johnsona: Ob - badany obiekt, Ru, Cu - rezystancja
i pojemność układu ucinającego, Rd - dodatkowy rezystor tłumiący
Je\
eli wytrzymałość tej przerwy iskrowej Upa jest większa od Uamax przeskok między tymi kulami nie
wystąpi. Natomiast jeśli wystąpi przeskok między środkową i dolną kulą (przerwa iskrowa 'b'), napięcie
Ua podskoczy do wartości Uc > Upa i wystąpi natychmiastowy przeskok ucinający udar. Czas do przesko-
ku mo\
na regulować odstępem 'b' iskiernika trójkulowego.
u
U
c
U
pa
U
a
U
pb
U
b
t
0
t
p
Rys. 8. Zasada wytwarzania udaru uciętego: Uc - przebieg napięcia na kondensato-
rze Cc (udar piorunowy), Ua - napięcie na przerwie iskrowej 'a', Ub -
napięcie na przerwie iskrowej 'b', Upa, Upb - 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, \
e przeskok na przerwie iskrowej wymuszany jest w odpowiednim czasie przez
elektroniczny układ sterujący.
5. Metody pomiaru napięć udarowych
Pomiar udarów napięciowych polega na mo\
liwie 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 rozło\
onych, czyli w sposób falowy. Po-
nadto błędy wprowadzać równie\
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 zale\
ą od zastosowanej metody pomiarowej i zostaną szczegółowo omówione w czasie wykła-
dów. Zagadnienie dzielników napięcia stanowi temat odrębnego ćwiczenia.
Metody pomiaru udarów napięciowych mo\
na 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 du\
ą dokładność i automatyzację pomiarów. Stanowisko pomiarowe
jest przewa\
nie skomputeryzowane.
5.1. Iskiernik pomiarowy
Metoda pomiaru iskiernikiem kulowym polega na wykorzystaniu praktycznie jednoznacznej zale\
no-
ści pomiędzy napięciem przeskoku a odstępem między kulami iskiernika. Przy pomocy iskiernika kulo-
wego mo\
na pomierzyć w sposób bezpośredni wartość szczytową udaru. Wykonanie pomiaru wymaga
dopasowania przerwy iskrowej i napięcia. Czynność ta zabiera sporo czasu. Iskiernikiem nie mo\
na 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
a
0,025 d" d" 0,5 ,
D
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/m3.
Napięcie przeskoku w danych warunkach mo\
na obliczyć z wzoru
Up = k Upn ,
gdzie: k = f (�) jest funkcją gęstości względnej powietrza, a Upn 50% napięciem przeskoku w warunkach
normalnych (1013 hPa, 293 K).
1,15
1,1
1,05
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
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
�
Rys. 9. Zale\
ność współczynnika poprawkowego k od gęstości względnej powietrza
Gęstość względną powietrza mo\
na obliczyć z wzoru
b 293 b
� = �" = 0,289 ,
1013 T T
Współczynnik k( )
 6 
gdzie: b - ciśnienie w hPa (1 hPa = 0,75 mmHg), T - temperatura w Kelwinach.
Rysunek 9 przedstawia zale\
ność k = f (�) a rysunek 10 zale\
ność Upn = f (a) dla iskiernika o średnicy
kul 12,5 cm (wg tabel z PN-64/E-04050).
240
230
220
210
200
50 Hz, udar ujemny
190
udar dodatni
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
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
Rys. 10. Zale\
ność napięcia przeskoku od odstępu międzyelektrodowego dla iskiernika kulowego
o średnicy kul " = 12,5 cm w warunkach normalnych
Wykonując pomiar napięcia iskiernikiem kulowym nale\
y, dla danego odstępu 'a', odczytać z tablicy
(wykresu) napięcie Upn i pomno\
yć przez współczynnik k.
W przypadku potrzeby ustawienia zadanego napięcia probierczego musimy odczytać z tablicy odle-
głość 'a' odpowiadającą napięciu Upn = Up/k.
Istnieją równie\
wzory aproksymacyjne pozwalające obliczyć napięcie przeskoku przy spełnionym
warunku a/D d" 0,3:
Up = 31,37 a 0,878 � 0,890 dla a < 2,35 cm,
Up = 29,65 a 0,941 � 0,890 dla a > 2,35 cm.
Dla ograniczenia opóz
nienia zapłonu iskiernika pomiarowego zalecane jest naświetlanie kuli stano-
wiącej elektrodę ujemną. U\
ywa się lamp kwarcowych, pierwiastków promieniotwórczych (kobalt 60)
bądz
naświetlania wyładowaniami w pomocniczych iskiernikach. Naświetlanie jest wymagane przy po-
miarach udarów napięciowych o wartościach szczytowych poni\
ej 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 mo\
liwie bliskiej wartości szczytowej udaru. Stała
czasowa ładowania powinna być mo\
liwie niska, rezystancja woltomierza i rezystancja wsteczna pro-
Napięcie przeskoku Up, kVmx
 7 
stownika  jak najwy\
sze. Wyłącznik W słu\
y do rozładowania kondensatora po dokonaniu odczytu. Za-
pewnienie wymaganej dokładności pomiaru przy pomocy tego układu i diody krzemowej jest w zasadzie
niemo\
liwe. Wymóg  nadą\
ania 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 Umax. Du\
a stała czasowa RCp powoduje, \
e w tym czasie kondensator Cp nie jest ładowany. Do-
piero po pewnym czasie napięcia na obu pojemnościach wyrównują się osiągając wartość
C
Up = Umax . (8.4)
C + Cp
a ) b )
R1
R1
P
P
R
R2 C
R2 C Cp
V W
W
V
Rys. 11. Schematy układów mierników wartości szczytowej udarów napięciowych
Stała czasowa RCp > T1 (T1  czas narastania czoła udaru). W przypadku stosowania woltomierza
elektrostatycznego nale\
y uwzględniać jego pojemność. Uwzględnia się te\
pojemność prostownika.
Wtedy zamiast C we wzorze (8.4) występuje C + Cd (Cd  pojemność diody). Cp reprezentuje równoległe
połączenie kondensatora pomiarowego i pojemności woltomierza. Często między pojemnościami C i Cp
umieszcza się dodatkowy prostownik utrudniający rozładowywanie się pojemności Cp.
5.3 Oscylografy szybkopiszące
Oscylograf słu\
ący do rejestracji udarów charakteryzuje du\
a szybkość zapisu jednorazowych prze-
biegów sięgająca kilku cm/ns. Przebieg taki musi być sfotografowany aby mo\
na było odczytać parametry
udaru. Zastosowanie oscyloskopu z  pamięcią skraca analizowanie przebiegu.
Rys. 12. Sposób połączenia oscyloskopu z dzielnikiem napię-
cia
R1 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
Os
R2
Z
R=Z (rys. 12). Podstawa czasu oscyloskopu powin-
na zostać uruchomiona przed przyjściem mierzo-
nego sygnału i zwykle jest wyzwalana z anteny
umieszczonej w pobli\
u z
ródła napięcia udarowego.
Sygnał mierzony mo\
na opóz
nić 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:
 8 
a) minimalny czas przetwarzania (lub graniczna częstotliwość przetwarzania)  odstęp czasu mię-
dzy dwoma próbkami,
b) długość słowa  liczba bitów przedstawiająca wartość próbki wyznacza mo\
liwą do uzyskania
dokładność przetwarzania (błąd kwantyzacji),
c) liczba próbek  decyduje o wierności odtworzenia szczegółów badanego sygnału.
Rejestracja cyfrowa mo\
e 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 du\
ą dokładność pomiaru (błąd rzędu ułamka procen-
ta), jednak\
e dokładność rejestracji generowanych udarów w układzie wysokonapięciowym zale\
y w du\
ym
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 umo\
liwia otrzymywanie prawie natychmia-
stowo \
ądanych informacji.
Równie\
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.