Ćwiczenie 9
 Badanie przepięć łączeniowych w układach
elektroenergetycznych
opracował Mariusz Benesz
1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z jednym z rodzajów przepięć, jakim są przepięcia
wewnętrzne powstające podczas czynności łączeniowych urządzeń elektroenergetycznych.
Zakres ćwiczenia obejmuje obserwację kształtu przebiegów prądów i napięć przy
czynnościach łączeniowych elementów o charakterze indukcyjnym oraz pojemnościowym
i porównanie krzywych doświadczalnych z przebiegami teoretycznymi.
2. Wprowadzenie
Przez przepięcie należy rozumieć każdy wzrost napięcia w urządzeniu elektro-
energetycznym przekraczający wartość najwyższego dopuszczalnego napięcia urządzenia Um.
Zgodnie z [4] wartość Um stanowi od 105% do 120% napięcia znamionowego urządzenia Un,
czyli napięcia, na które urządzenie zostało zbudowane.
Przepięcia mogą być skutkiem czynników zewnętrznych nie związanych z eksploatacja
danego urządzenia elektroenergetycznego  tego typu przepięcia noszą nazwę przepięć
zewnętrznych, jak i czynników wewnętrznych powiązanych z czynnościami eksploatacyjnymi
 przepięcia wewnętrzne. Do czynników zewnętrznych zaliczyć można wyładowania
atmosferyczne, zaś do czynników wewnętrznych  m.in. czynności łączeniowe.
Przyczyny powstawania przepięć mają odzwierciedlenie w kształcie przebiegów
czasowych, czasach trwania, jak i spodziewanych wartościach przepięć.
2.1. Przepięcia wewnętrzne
Przepięcia wewnętrzne należą do narażeń izolacji urządzeń elektroenergetycznych
w czasie ich eksploatacji. Związane są ze zmianą konfiguracji połączeń elementów
rozpatrywanej sieci, a wynikającej z czynności łączeniowych (włączeń i wyłączeń różnych
elementów wchodzących w skład danej sieci).
Ze względu na czas oddziaływania na układ izolacyjny danego urządzenia przepięcia
wewnętrzne można podzielić na długotrwałe i krótkotrwałe, przy czym do przepięć
długotrwałych zaliczyć można przepięcia związane z trwałym zwarciem z ziemią, nagłym
odciążeniem układu zasilającego czy zjawiskiem rezonansu, zaś do przepięć krótkotrwałych 
przepięcia związane z czynnościami manewrowo  awaryjnymi.
W tabeli 9.1 przedstawiono charakterystykę przepięć wewnętrznych uwzględniającą
przyczynę powstania, przykładowy przebieg czasowy oraz spodziewane wartości przepięć.
9  1
Tabela 9.1. Charakterystyka przepięć wewnętrznych [1]
Rodzaj Dorywcze (wolnozmienne) A
Ä…czeniowe (szybkozmienne)
Trwałe zwarcie z ziemią, ferro- Czynności manewrowe (łączeniowe) i
Przyczyna
rezonans, nagłe odciążenie linii awaryjne (przerwanie zwarcia z ziemią)
Przebieg
czasowy
kp [-] 1,1  1,5 2  4
Um  maksymalnie napięcie na urządzeniu (w sieci), Ump  amplituda przepięcia,
kp  współczynnik przepięcia (iloczyn Ump i Um)
2.1.1. Przepięcia łączeniowe w obwodach zawierających elementy o charak-
terze pojemnościowym
Przykładem tego typu przepięć są przepięcia towarzyszące czynnościom manewrowym
przy łączeniu np. pojemności skupionych (baterii kondensatorów) lub nieobciążonych linii
kablowych i napowietrznych. Przepięcia te charakteryzują się tym, że na napięcie robocze
nakładają się tłumione przebiegi oscylacyjne o częstotliwości drgań własnych znacznie
wyższej niż częstotliwość robocza.
Analizy mechanizmu powstawania przepięć łączeniowych elementów o charakterze
pojemnościowym dokonano przy załączeniu skupionej pojemności Cx. Schemat zastępczy
rozpatrywanego obwodu przedstawiono na rys. 9.1.
Rs, Ls, Cs  parametry sieci zasilającej, Cx  pojemność zastępcza rozpatrywanego elementu (Cx << Cs).
Rys. 9.1. Schemat układu do analizy przepięć z pojemnością zastępczą CX
Na rys. 9.2 przedstawiono jeden z możliwych przebiegów napięcia i prądu przy
wyłączaniu pojemności zastępczej Cx. W przypadku tym do przerwania prądu
pojemnościowego dochodzi w chwili przejścia prądu przez zero (punkt 1). Pojemnościowy
prąd w układzie płynie do czasu, gdy pali się łuk elektryczny pomiędzy rozchodzącymi się
stykami wyłącznika. Napięcie na pojemności zastępczej Cx osiąga w tej chwili wartość
maksymalną napięcia zasilającego (Umax) i ze względu na brak możliwości szybkiego
rozładowania (przerwany układ) pozostaje na tym poziomie do chwili ponownego zapłonu
łuku elektrycznego pomiędzy stykami wyłącznika (punkt 2). W punkcie 2 (po upływie
9  2
półokresu) napięcie pomiędzy stykami wyłącznika (ucx  u0) osiąga wartość równą prawie
2Umax. Wartość tego napięcia jest na tyle duża, że może wywołać ponowne zapalenie łuku
elektrycznego pomiędzy stykami. Przy ponownym zapaleniu łuku kształt napięcia na
pojemności zastępczej Cx zmienia się do przebiegu napięcia zasilającego. Towarzyszące temu
procesowi oscylacje napięcia (związane z drganiami własnymi obwodu LsCx) mogą osiągnąć
wartość 3Umax. Oscylacjom napięcia towarzyszą oscylacje prądu, który przechodzi przez zero
w czasie, gdy napięcie uc osiąga wartości maksymalne. Do ponownego przerwania łuku
pomiędzy stykami wyłącznika dochodzi, gdy sinusoida składowej podstawowej prądu
przechodzi przez zero. Opisane zjawisko może powtórzyć się przy ponownym przejściu prądu
przez zero. Należy tutaj podkreślić, że do ponownego zapłonu łuku elektrycznego może dojść
w chwilach przed punktem 2, ale jest to wówczas przypadek mniej niebezpieczny pod
względem powstawania przepięć.
Rys. 9.2. Teoretyczne przebiegi napięcia i prądu przy czynnościach łączeniowych skupionej pojemności
 przypadek z ponownym zapłonem luku elektrycznego [5]
2.1.2. Przepięcia łączeniowe przy szeregowej indukcyjności L
Przykładem tego typu przepięć są przepięcia towarzyszące czynnościom manewrowym
przy łączeniu nieobciążonych np. silników elektrycznych, dławików, przekładników lub
transformatorów. Podobnie, jak to miało miejsce przy przepięciach łączeniowych na
elementach o charakterze pojemnościowym tutaj również na przebiegi napięć i prądów
nakładają się tłumione przebiegi oscylacyjne o częstotliwościach drgań własnych znacznie
wyższych niż częstotliwość robocza.
Analizy mechanizmu powstawania przepięć łączeniowych elementów o charakterze
indukcyjnym dokonano przy wyłączaniu nieobciążonego transformatora, którego schemat
zastępczy przedstawiono na rys. 9.3.
9  3
Rs, Ls, Cs  parametry sieci zasilającej, Cx, Lx, Rx  parametry zastępcze nieobciążonego transformatora
Rys. 9.3. Schemat układu do analizy przepięć z indukcyjnością zastępczą LX
Na rys. 9.4 przedstawiono jeden z możliwych przebiegów napięcia i prądu przy
wyłączaniu pojemności zastępczej Lx. W przypadku tym, do przerwania prądu indukcyjnego
nie dochodzi w chwili naturalnego przejścia prądu przez zero (punkt 1), lecz gdy i(t) = I0.
Całkowita energia układu zostaje, w miarę upływu czasu, zgromadzana w pojemności
zastępczej transformatora, która jest doładowywana do coraz wyższego napięcia kosztem
energii magnetycznej (energii zgromadzonej w indukcyjności zastępczej transformatora).
Pojawiające się przepięcia mogą osiągać duże wartości, ze względów małych wartości
pojemności rozpływanego układu. Szybkie sprowadzenie prądu do zera daje znaczne
stromości di/dt.
Rys. 9.4. Teoretyczne przebiegi napięcia i prądu przy czynnościach łączeniowych nieobciążonego
transformatora  przypadek bez ponownych zapłonów łuku elektrycznego [2]
Przedstawione powyżej mechanizmy powstawania przepięć łączeniowych mają charakter
czysto teoretyczny. W rzeczywistych przypadkach pojawiające się przepięcia nie osiągają tak
dużych wartości ze względów m.in. na straty rezystancyjne czy przesunięcie chwili
wystąpienia przeskoku (zapłonu łuku) w stosunku do maksymalnej wartości napięcia oraz
wartości I0, Lx, Cx.
9  4
3. Program ćwiczenia
Badania przeprowadza się w układzie pomiarowym, którego schemat został
przedstawiony na rysunku 9.7.
Rys. 9.7. Schemat układu pomiarowego
R  rezystor dekadowy, W  wyłącznik, ATR  autotransformator, TS  transformator separacyjny.
Obserwacji przebiegów i(t) i u(t) badanego układu dokonać przy pomocy oscyloskopu,
przy czym obserwacji przebiegów i(t) dokonać w sposób pośredni poprzez obserwację
przebiegu napięcia na dołączonym szeregowo rezystorze dekadowym R o znanej rezystancji.
3.1. Badanie przepięć łączeniowych na elemencie o charakterze
indukcyjnym
Przykładem elementu w układzie elektroenergetycznym posiadającym charakter
indukcyjny jest przekładnik napięciowy. Przy wykonywaniu ćwiczenia ustawić na
autotransformatorze napięcie 20  30 V, zaś generacji przepięć łączeniowych na badanym
elemencie dokonać poprzez zamykanie/otwieranie wyłącznika W  w zależności od kształtu
otrzymanych przebiegów. Do obserwacji przebiegów prądowych ustawić na rezystorze
dekadowym wartość R H" 1k©.
W ramach ćwiczenia dokonać obserwacji dwóch przebiegów napięciowych i dwóch
przebiegów prądowych, a po zaakceptowaniu przez prowadzącego ćwiczenia wydrukować
otrzymane przebiegi. Dodatkowo przy pomocy funkcji, które posiada oscyloskop odczytać
z otrzymanych przebiegów wartości maksymalne przed i po wystąpieniu czynności
łączeniowych. Na podstawie wyznaczonych wartości wyznaczyć wartości współczynników
przepięcia ku i przeciążenia ki.
3.2. Badanie przepięć łączeniowych na elemencie o charakterze
pojemnościowym
Przykładem elementu w układzie elektroenergetycznym posiadającym charakter
pojemnościowy jest bateria kondensatorów. Przy wykonywaniu ćwiczenia ustawić na
autotransformatorze napięcie 20  30 V, zaś generacji przepięć łączeniowych na badanym
elemencie dokonać poprzez zamykanie/otwieranie łącznika W  w zależności od kształtu
otrzymanych przebiegów. Do obserwacji przebiegów prądowych ustawić na rezystorze
dekadowym wartość R H" kilku ©.
9  5
W ramach ćwiczenia dokonać obserwacji dwóch przebiegów napięciowych i dwóch
przebiegów prądowych, a po zaakceptowaniu przez prowadzącego ćwiczenia wydrukować
otrzymane przebiegi. Dodatkowo przy pomocy funkcji, które posiada oscyloskop odczytać
z otrzymanych przebiegów wartości maksymalne przed i po wystąpieniu czynności
łączeniowych. Na podstawie wyznaczonych wartości wyznaczyć wartości współczynników
przepięcia ku i przeciążenia ki.
Uwaga: przy wszelkich zmianach w układzie rozładować baterię kondensatorów!!!
4. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
- krótki wstęp teoretyczny obejmujący najważniejsze zagadnienia związane z wyko-
nywanym ćwiczeniem,
- schemat układu pomiarowego,
- warunki otoczenia przeprowadzanych pomiarów,
- charakterystykę badanych obiektów (krótki opis, staranne rysunki),
- wyniki pomiarów przepięć łączeniowych elementów o charakterze pojemno-
ściowym i indukcyjnym w postaci wykresów uc(t), ic(t), uL(t) i iL(t),
- wyznaczenie amplitudy napięcia (U0max i UPmax) i prądu (U0max i UPmax) przed
i po wystąpieniu przepięcia/przeciążenia oraz współczynników ku i ki,
- wnioski (zebrane w kilku spójnych zdaniach, ewentualnie wypunktowanych).
5. Zagadnienia do samodzielnego opracowania
5.1. Podział i charakterystyka podstawowych rodzajów przepięć występujących
w układzie elektroenergetycznym.
5.2. Charakterystyczne wielkości opisujące dany rodzaj przepięcia.
5.3. Teoretyczne przebiegi napięć i prądów podczas przepięć łączeniowych na
elementach o charakterze pojemnościowym lub indukcyjnym.
5.4. Porównanie rzeczywistych przebiegów napięć i prądów podczas przepięć
łączeniowych na elementach układu elektroenergetycznego o charakterze
pojemnościowym i indukcyjnym z przebiegami teoretycznymi.
6. Literatura
1. Flisowski Z.  Technika Wysokich Napięć , Wydawnictwo Naukowo  Techniczne,
Warszawa 1996.
2. Furgał J.  Przepięcia i ochrona przepięciowa , Wydawnictwo AGH, Kraków 1992.
3. Kosztaluk R.  Technika badań wysokonapięciowych T1 i T2 , Wydawnictwo
Naukowo  Techniczne, Warszawa 1985.
4. Norma PN-IEC 60038:1999  Napięcie znamionowe IEC .
5. Szpor St., Dzierżek H., Winiarski W.  Technika wysokich napięć , Wydawnictwo
Naukowo  Techniczne, Warszawa 1978.
6. Wodziński J.  Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów , Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa 1997.
9  6