ĆWICZENIE 1
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
Zasadę działania woltomierza elektrostatycznego ilustruje rysunek poniżej. Na bezpośrednim
pomiarze siły F działającej na elektrodę ruchomą oparta została konstrukcja woltomierzy absolutnych
(waga elektrostatyczna Kelvina). Elektrody takich woltomierzy są na ogół płaskie. Zastosowanie
pierścieni ekranujących pozwala na wykorzystywanie równomiernej części pola elektrostatycznego.
7. Pomiar wartości skutecznej napięcia w układzie z kondensatorem szeregowym
Pomiar wysokiego napięcia tą metodą polega na pomiarze wartości skutecznej prądu płynącego przez
kondensator.
Miernik prądu (mikroamperomierz) może być od razu wyskalowany w kV. Zależność prądu od
częstotliwości jest wadą tej metody pomiaru. Jeżeli mierzone napięcie jest odkształcone (np. wskutek
wystąpienia wyładowań niezupełnych), to jego wartość chwilowa będzie sumą wartości chwilowych
nieparzystych harmonicznych  funkcja symetryczna i nieparzysta składa się z samych harmonicznych
nieparzystych
"
Rys. Pomiar napięcia w układzie z kondensatorem szeregowym
Wartość skuteczna tego napięcia wynosi
"
Prąd pojemnościowy płynący przez kondensator C
"
Wartość skuteczna prądu będzie równa:
"
zatem napięcia pomierzone
"
Jak wynika z wzorów, prąd jest bardziej odkształcony niż napięcie i wynik pomiaru może być
obarczony znacznym błędem.
8. Pomiar wartości szczytowej napięcia metodą średniego prądu wyprostowanego
Pomiar napięcia realizowany jest pośrednio przez pomiar wartości średniej prądu pojemnościowego
(wyprostowanego) płynącego przez kondensator szeregowy (rysunek poniżej):
Miernik magnetoelektryczny (mA) umieszczony w jednej z gałęzi mierzy prąd
+" +" +"
proporcjonalny do wartości szczytowej napięcia. Może być więc wyskalowany od razu w kV.
Uziemiony ekran jest połączony z pierścieniem ekranującym kondensatora szeregowego eliminując
wpływ zjawisk krawędziowych i prądów płynących przez pojemności pasożytnicze Cp. Niewielka
pojemność 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 wierzchołek. Silne wyładowania niezupełne
w układzie probierczym mogą powodować odkształcenie wielowierzchołkowe. W przypadku
odkształcenia dwuwierzchołkowego (dwa wierzchołki w półokresie) mierzona wartość średnia
wynosi:
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
rezystorze R włączonym w miejsce mikroamperomierza.
Rezystor R tworzy z pojemnością C filtr dolnoprzepustowy ograniczający wpływ wyładowań
niezupełnych na wynik pomiaru. Z drugiej strony rozkład napięcia w układzie staje się funkcją
częstotliwości
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
impulsów przepuszczona do licznika wynosi
gdzie A - stała przetwornika.
9. Mierniki wartości szczytowej z dzielnikiem napięcia
Pomiar wartości szczytowej niezależny od kształtu krzywej napięcia można uzyskać stosując
prostownikową metodę pomiaru z dzielnikiem pojemnościowym. Pomiar wartości szczytowej w
układzie Rabusa (rys. 16a) polega na pomiarze napięcia na kondensatorze C' ładowanym przez
prostownik do napięcia Umax. Do pomiaru należy używać woltomierzy o bardzo małym poborze
mocy  elektronicznego lub elektrostatycznego.
Rezystor R' umożliwia rozładowanie kondensatora przy obniżeniu się napięcia mierzonego.
Jednocześnie 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 składowej stałej na pojemności C2 i umożliwia jednoczesny pomiar ujemnego szczytu
napięcia (przy pomocy 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
dobór stałych czasowych R1'C1' oraz R1''C1''.
Użycie woltomierza elektrostatycznego i przełącznika trójpołożeniowego pozwala na pomiar wartości
szczytowych +U2max,  U2max oraz wartości skutecznej U2.
10. Miernik wartości szczytowej z prostownikiem równoległym
Schemat układu pomiarowego z prostownikiem równoległym
Prostownik zwiera pojemność C2 dla prądu pojemnościowego jednego znaku. Napięcie na
kondensatorze C2 zawiera zatem zarówno składową przemienną, jak i składową stałą równą wartości
maksymalnej składowej przemiennej
Woltomierz elektrostatyczny mierzy wartość skuteczną tego napięcia
"
Dla określenia wartości maksymalnej napięcia należy dokonać dwukrotnego pomiaru  przy
włączonym i wyłączonym prostowniku  oraz przeprowadzić obliczenie
"
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.
Ćwiczenie 3
1. Jakim narażeniom podlegają izolatory w warunkach pracy napowietrznej?
Narażenia mechaniczne- stałe lub zmienne. 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, awarie.
Narażenia elektryczne wynikające z przepięć atmosferycznych i łączeniowych mają wpływ na
wymiary izolatorów. Izolatory muszą wytrzymać określone napięcia probiercze przemienne i
piorunowe, a w zakresie napięć znamionowych powyżej 220 kV również napięcia probiercze
łączeniowe. Wielkościami charakteryzującymi własności elektryczne izolatorów są:
a) najwyższe dopuszczalne napięcie izolatora
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. Prąd
upływu płynące przez zawilgocone osady mogą być przyczyną znacznego osłabienia wytrzymałości
elektrycznej izolatorów. Izolatory przeznaczone do pracy w strefach o silnym zanieczyszczeniu
atmosfery posiadają zwiększoną drogę upływu, np bardziej rozbudowany system kloszy. Najczęściej
spotykanym obecnie rozwiązaniem są klosze o różnej wielkości  na przemian większe i mniejsze.
2. Podział izolatorów liniowych
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).
3. Wady i zalety izolatorów kołpakowych
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 pojedynczego
ogniwa odbywa się z zachowaniem połączenia mechanicznego,
- prosta technologia produkcji,
- duża wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie  wewnątrz kołpaka materiał izolacyjny poddawany
jest naprężeniu ściskającemu
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
szczególnie wyraz
ne przy napięciu piorunowym.
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
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
roboczegoi połączony galwanicznie z przewodem roboczym. Stosowany często podobny pierścień
przy uziemionym końcu łańcucha nie ma większego wpływu na rozkład napięcia. Jego rolą jest
ochrona izolatorów 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.
Dokładniejsze wyrównanie rozkładu, uwarunkowane powyższym wzorem przedstawiającym relację
między pojemnościami doziemnymi i do przewodu, wymagałoby zastosowania armatury o trudnych
do wykonania złożonych kształtach.
7. Wytłumaczyć zjawisko wyrównywania się rozkładu napięcia przy wyładowaniach
niezupełnych
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 wspomniany rozkład mają prądy pojemnościowe wynikające ze zmian pojemności podczas
wyładowań.
8. Jak wpływa na wytrzymałość statyczną i udarową nierównomierny rozkład napięcia
na łańcuchu
izolatorów?
Niejednostajność rozkładu napięcia sprawia, że wytrzymałość elektryczna łańcucha izolatorów jest
mniejsza od sumy wytrzymałości elektrycznej wszystkich ogniw. Obniżenie wytrzymałości jest
szczególnie wyraz
ne przy napięciu piorunowym. Wytrzymałość jest tym większa im rozkład napięcia
jest bardziej równomierny. W celu wyrównania rozkładu napięcia stosuje się odpowiednie
ukszatałtowanie elektrod.
Ćwiczenie 11
1. Pulsacja i współczynnik pulsacji napięcia stałego
Amplituda pulsacji (lub krócej  pulsacja) jest zdefiniowana jako połowa różnicy między
wartością najwyższą i najniższą napięcia.
Współczynnik pulsacji:
Zgodnie z normami współczynnik pulsacji nie powinien przekraczać 3%.
2. Charakterystyka prostowników lampowych
3. Budowa prostownika półprzewodnikowego
4. Prostowanie jedno- i dwupołówkowe
Prostowanie jednopołówkowe
Rezystor r1 ogranicza prąd ładowania chroniąc prostownik i transformator przed przeciążeniem.
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 rezystory
r2 i R0.
Prostowanie dwupołówkowe
Prostowanie dwupołówkowe prowadzi do obniżenia pulsacji napięcia wyjściowego. Częstotliwość
pulsacji wzrasta dwukrotnie.
5. Generatory kaskadowe
6. Zastosowanie wysokiego napięcia stałego
Wysokie napięcia stałe wykorzystuje się do prób napięciowych izolacji w następujących przypadkach:
- izolacja jest eksploatowana przy napięciu stałym,
- izolacja jest eksploatowana przy napięciu przemiennym, ale ze względu na znaczną jej pojemność
wymagana byłaby zbyt duża moc z
ródła napięcia przemiennego (kable, kondensatory),
- 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).
7. 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 przyrządy
uniwersalne (pomiar napięć stałych, przemiennych i udarowych) zostały omówione w
ćwiczeniu dotyczącym pomiaru napięć przemiennych.
8. Dobór dzielnika rezystancyjnego
Rezystancja R1 dzielnika jest na ogół bardzo duża dla uniknięcia zbytniego obciążenia z
ródła napięcia.
Przekładnia dzielnika wynosi:
Dla zachowania stałości przekładni rezystancja miernika (woltomierz, oscyloskop) musi być dużo
większa od R2. Średni prąd pobierany z pojemności C wynosi:
Współczynnik pulsacji napięcia osiągnie wartość:
gdzie k zależy od częstotliwości napięcia przemiennego i liczby stopni generatora kaskadowego.
Dla prostownika jednopołówkowego k = 1/2f, dla generatora kaskadowego o stałych pojemnościach
k = n(n+1)/4f. Dla zadanego dwU% i r2 pomijalnie małego wymagana rezystancja dzielnika
wynosi:
Zakładając dopuszczalny współczynnik pulsacji 3% i częstotliwość napięcia przemiennego 50 Hz,
otrzymujemy zależność:
a dla prostowników jednopołówkowego i pełnookresowego odpowiednio: