Politechnika Śląska Wydział Elektryczny Instytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć dr inż. Dominik Duda	Temat ćwiczenia:		Kierunek / Sem.:
		Wytwarzanie i pomiary wysokiego napięcia		Elektrotechnika / Semestr VI
						Grupa / Sekcja:
						Grupa 2 / Sekcja III
Data wykonania:	Ocena:	Imię i Nazwisko:
25 / 03 / 2012		Krinke Damian Nandzik Paweł Laskowski Krzysztof Wierzbowski Paweł
Data oddania:
03 / 06 / 2012

1. Wstęp teoretyczny

Podstawowymi urządzeniami laboratoryjnymi przeznaczonymi do wytwarzania wysokiego napięcia przemiennego są transformatory probiercze. Różnią się one znacznie od transformatorów energetycznych o zbliżonym napięciu znamionowym. Stanowią najważniejszą część każdego laboratoryjnego układu probierczego, składającego się różnych zespołów funkcjonalnych (zasilającego, regulacyjnego, pośredniczącego i probierczego). Transformatory te cechują się dużą różnorodnością odmian konstrukcyjnych i szerokim zakresem wartości parametrów, a szczególnie:

- dużą przekładnią znamionową

- możliwością regulacji napięcia pierwotnego i wtórnego w bardzo szerokich granicach

- dorywczym charakterem pracy

- przystosowaniem do pracy podczas krótkotrwałych zwarć

Wysokie napięcie przemienne można mierzyć różnymi metodami, zaliczanymi do grup metod bezpośrednich (pomiar napięcia doprowadzonego wprost do układu pomiarowego), lub do grupy metod pośrednich (pomiary napięcia obniżonego uprzednio do poziomu odpowiadającego zakresowi przyrządu lub układu pomiarowego). Wybór metody zależy od różnych czynników, szczególnie jednak od: wartości mierzonego napięcia, właściwości układu probierczego, rodzaju obiektu badań i jego wrażliwości na specyfikę zastosowanej metody pomiarowej oraz stopnia odkształcenia przebiegu napięcia od sinusoidy.

1. Metody bezpośrednie pomiaru wysokiego napięcia

Metoda iskiernikowa - metoda ta bazuje na skończonej wytrzymałości elektrycznej powietrza.

Napięcie przeskoku U_p to chwilowa wartość szczytowa napięcia występująca pomiędzy kulami iskiernika. Metoda iskiernikowa może być stosowana do pomiaru:

- wartości szczytowej napięcia przemiennego (lub dowolnie zmiennego),

- wartości napięcia stałego,

- wartości szczytowej napięcia udarowego.

W metodzie iskiernikowej stosuje się kule, których średnice są znormalizowane, średnice D kul wynoszą: 2; 5; 6,25; 10; 12,5; 25; 50; 75; 100; 150; 200 [cm].

Rys. 2. Pomiarowy iskiernik kulowy o ustawieniu pionowym

Woltomierz elektrostatyczny - urządzenie, w którym wykorzystano zjawisko wzajemnego oddziaływania na siebie ładunków elektrostatycznych. Woltomierz taki składa się z kondensatora, w którym jedna z okładek (a właściwie tylko jej pewna część) jest ruchoma.

Siły oddziaływania pomiędzy elektrodami są bardzo małe, w celu uwydatnienia tego ruchu stosuje się w kilowoltomierzach tzw. wskazówki świetlne, których długość wynosi niekiedy i kilkadziesiąt centymetrów.

2. Metody pośrednie pomiaru wysokiego napięcia

Dzielniki napięcia - Do pomiaru napięć stałych, przemiennych oraz do rejestracji napięć udarowych stosuje się dzielniki rezystancyjne, dodatkowo w technice pomiarowej maja zastosowanie dzielniki napięciowe pojemnościowe stosowane do pomiaru napięć przemiennych. Dzielnik składa się z połączonych szeregowo dwóch impedancji dużej oraz małej, ten sam prąd płynący przez obie impedancje powoduje spadki napięć na nich. Sygnał pomiarowy pobierany jest z impedancji o mniejszej wartości.

Rys. 2. Schematy ideowe dwuczłonowych dzielników napięcia

Metoda prostownikowa z kondensatorem szeregowym - polega na zastosowaniu wysokonapięciowego kondensatora, prostowników w postaci diod oraz amperomierza magnetoelektrycznego.

Rys. 3. Układ prostownikowy z kondensatorem szeregowym

2. Opis stanowiska laboratoryjnego

Głównym elementem układu jest transformator probierczy o obudowie metalowej, połączony po stronie niskiego napięcia z autotransformatorem regulacyjnym, a po stronie wysokiego napięcia - poprzez rezystor ochronny - z nieuziemioną kulą iskiernika pomiarowego, wysokonapięciową elektrodą kondensatora płaskiego i członami wysokonapięciowymi dzielników napięcia.

Rys. 4. Schemat układu probierczego i pomiarowego

● Transformator probierczy: TP-60 (220V/60kV)

● Odległość elektrod w kondensatorze: 78mm

● Średnica okładzin kondensatora: 217 mm

● Temperatura otoczenia: 23.5°C

● Ciśnienie: 756 mm Hg

1 hPa = ¾ mm Hg: 1008 hPa

3. Przebieg ćwiczenia

1. Opracowanie wyników pomiarowych uzyskanych metodą prostownikową z kondensatorem szeregowym.

Pojemność kondensatora:

C_obl = (ε₀*ε_r*S)/d = (8.8419*10^-12*1.00054*0.0369)/0.078 = 4.192 pF

Wpływ pojemności pasożytniczej:

C_pas = I_off30kV/I_av30kV = 0.1054

C = C_obl * (1+C_pas) = 4.634 pF

Stała układu pomiarowego:

k = 0.5/f*C = 0.5/50*4.634*10^-12=2.158*10⁹

nN	WN
		Metoda Prostownikowa
		I1 [µA]	I2 [µA]	IAV [µA]	IAV-Ipas [µA]	Umax [kV]	URMS [kV]	ϑ [WN/nN]
10.0	3.0	3.0	3.0	2.68	5.8	4.1	409
20.0	4.5	4.5	4.5	4.03	8.7	6.1	307
30.0	7.5	7.5	7.5	6.71	14.5	10.2	341
40.0	10.0	10.0	10.0	8.95	19.3	13.6	341
50.0	12.5	12.5	12.5	11.18	24.1	17.1	341
60.0	15.0	15.0	15.0	13.42	29.0	20.5	341
70.0	17.0	17.0	17.0	15.21	32.8	23.2	331
80.0	18.5	19.0	18.8	16.77	36.2	25.6	320
90.0	20.5	21.0	20.8	18.56	40.1	28.3	315
100.0	23.0	23.0	23.0	20.58	44.4	31.4	314
110.0	24.5	25.0	24.8	22.14	47.8	33.8	307

Tabela 1. Pomiar wysokiego napięcia metodą prostownikową

2. Opracowanie wyników pomiarowych uzyskanych metodą bezpośrednią przy użyciu woltomierza elektrostatycznego.

nN	WN
		Woltomierz elektrostat.
		U1 [kV]	U2 [kV]	URMS [kV]	ϑ [WN/nN]
10.0	3.0	3.0	3.0	300
20.0	5.5	5.5	5.5	275
30.0	8.5	8.5	8.5	283
40.0	11.5	11.0	11.3	281
50.0	14.0	14.0	14.0	280
60.0	17.0	16.5	16.8	279
70.0	19.5	19.5	19.5	279
80.0	22.5	22.5	22.5	281
90.0	25.0	25.0	25.0	278
100.0	28.0	28.0	28.0	280
110.0	31.0	31.0	31.0	282

Tabela 2. Pomiar wysokiego napięcia metodą bezpośrednią z wykorzystaniem woltomierza elektrostatycznego

3. Opracowanie wyników pomiarowych uzyskanych metodą iskiernikową.

Uwzględnienie współczynnika k, który zależy od względnej gęstości powietrza δ:

δ = (p/1013*10²)*293/t = (1008/1013)*(293/296.5) = 0.983

δ	0.70	0.75	0.80	0.85	0.90	0.95	1.00	1.05	1.10	1.15
k	0.72	0.77	0.82	0.86	0.91	0.95	1.00	1.05	1.09	1.13

Tabela 3. Wartość współczynnika korygującego k

a [mm]	Up [kV]
1.0	3.0
2.0	6.8
3.0	10.0
4.0	13.2
5.0	16.8
6.0	19.9
7.0	23.0
8.0	26.0
9.0	28.9
10.0	31.7
11.0	33.3
12.0	37.4
13.0	39.8
14.0	42.9
15.0	45.5
16.0	48.1
17.0	53.5
18.0	59.5

Tabela 4. Charakterystyka wartości maksymalnych napięć przeskoku w funkcji odległości kul (dla kul o średnicy D = 12.5 cm) w formie tabelarycznej

nN	WN
		Metoda Iskiernikowa
		Ubezp [kV]	a1 [cm]	a2 [cm]	a3 [cm]	aav [cm]	Umax [kV]	URMS [kV]	ϑ [WN/nN]
40.0	11.5	5	5	5	5.0	16.8	11.68	292
50.0	14.0	5.5	5.5	5	5.3	17.9	12.46	259
60.0	17.0	7	7	7	7.0	23.0	15.99	267
70.0	19.8	9	9	9	9.0	28.9	20.09	287
80.0	22.5	10	10	10	10.0	31.7	22.04	276
90.0	25.5	11	11	11	11.0	33.3	23.15	257
100.0	28.0	13	13	13	13.0	39.8	27.67	277
108.0	30.0	13	13	13	13.0	39.8	27.67	256

Tabela 5. Pomiar wysokiego napięcia metodą iskiernikową z uwzględnieniem współczynnika korygującego k

4. Wyznaczania przekładni dzielnika pojemnościowego.

nN	WN
		DzP [kV]
		U1 [kV]	U2 [kV]	UAV [kV]	URMS [kV]	ϑ [kV/kV]
10.0	0.2	0.2	0.2	4.1	20
20.0	0.3	0.3	0.3	6.1	20
30.0	0.4	0.4	0.4	10.2	26
40.0	1.0	1.0	1.0	13.6	14
50.0	1.8	1.8	1.8	17.1	9
60.0	2.2	2.2	2.2	20.5	9
70.0	2.5	2.5	2.5	23.2	9
80.0	2.8	2.8	2.8	25.6	9
90.0	3.2	3.2	3.2	28.3	9
100.0	3.5	3.5	3.5	31.4	9
110.0	3.9	3.9	3.9	33.8	9

Tabela 6. Pomiar wysokiego napięcia poprzez dzielnik pojemnościowy.

4. Przedstawienie wyników badań w postaci wykresów

Wykres 1. Charakterystyka zależności przekładni od napięcia strony pierwotnej transformatora probierczego dla trzech przeprowadzonych metod pomiarowych.

Wykres 2. Charakterystyka zależności przekładni dzielnika pojemnościowego od napięcia przez niego zmierzonego dla trzech przeprowadzonych metod pomiarowych.

5. Wnioski

● Przeprowadzone badania pozwalają nam sfomułować wniosek, iż najmniej dokłada metodą pośredniego pomiaru wysokiego napięcia jest metoda prostownikowa. Powodem niedokładności pomiarów przeprowadzonych tą metodą może być zarówno niedokładność pomiarów odległości oraz średnicy elektrod jak i pojemność pasożytnicza. Podczas opracowania wyników podjęliśmy próbę skorygowania pomiarów o wartość pojemności pasożytniczej, jednakże wyznaczenie wartości względnej C_pasoż z jednego pomiaru (wartość prądu przy rozpiętym prostowniku oraz napięciu 30kV: 2.5 µA) może być niewystarczające.

● Charakterystyka ϑ_kV=f(U_nN) posiada nieznaczne odchylenie od wartości rzeczywistej przekładni transformatora probierczego w przedziale napięć 10-20 V, jest to spowodowane niestabilnością wskazówki woltomierza elektrostatycznego przy niskich wartościach napięcia mierzonego. Wraz ze wzrostem napięcia błąd pomiarowy maleje i praktycznie pokrywa się z przekładnią znamionową badanego transformatora.

● Pomiary najbardziej zbliżone do wartości rzeczywistej przekładni transformatora probierczego otrzymaliśmy podczas badań metody iskiernikowej. Przy zachowaniu stosunku długości przerwy iskrowej do średnicy kuli iskiernika na poziomie 0,5 - 0,8 błąd pomiarowy mieścił się w granicy od 3% do 5%, jest to wartość zbliżona do podanej w instrukcji ćwiczeń laboratoryjnych, w innych przypadkach wartość ta została nieznacznie przekroczona (maksymalny zanotowany błąd pomiarowy na poziomie 6,5%)

8

Laboratorium Techniki Wysokich Napięć

Grupa 2, Sekcja III - Wytwarzanie i pomiary wysokiego napięcia

---