Nr ćwiczenia W2	Temat Wytrzymałość elektryczna układów izolacyjnych wysokiego napięcia	Grupa laboratoryjna B
Wydział Energetyki i Paliw		GR. 2 ROK III Godz. 13:00-14:30
Data wykonania ćwiczenia 29.10.12r.	Uwagi	Data oddania sprawozdania 12.11.12r.

Cel ćwiczenia

Ćwiczenie polegało na pomiarze wartości napięcia przeskoku, który jest miarą wytrzymałości układu izolacyjnego. Badanie przeprowadzono w układzie dwustopniowej kaskady transformatorów dla trzech układów:

• Pola jednostajnego – iskiernik kulowy DIS250 – układ kula-kula

• Pola niejednorodnego – układ ostrze-ostrze

• Układ ostrze-płaszczyzna

Schemat dwustopniowej kaskady transformatorów

Gdzie:

TP110/1 – transformator z uzwojeniem wiążącym W

TP110/2 – transformator izolowany od ziemi

TR – transformator regulacyjny

R₀ – rezystor ograniczający prąd zwarciowy

R_t – rezystor tłumiący

W połączeniu kaskadowym transformatorów uzwojenia wysokonapięciowe są połączone szeregowo, dzięki czemu na zacisku ostatniego transformatora otrzymuje się bez obciążenia n-krotnie większą wartość napięcia(n=2, 3, 4, rzadko więcej).

1. Pole jednostajne – iskiernik kulowy DIS250 – układ kula - kula

Układ elektrod iskiernika kulowego niesymetrycznego (jeden biegun uziemiony):

Gdzie:

R₀ – opornik ochronny

TrWN – transformator wysokiego napięcia

Iskiernik kulowy stanowią dwie elektrody kulowe o średnicy D i odstępie a, który jest regulowany. Gdy a<<D wówczas układ elektrod spełnia warunek pola jednostajnego, w którym występują wyłącznie wyładowania zupełne( tzn. jest brak wyładowań niezupełnych poprzedzających przeskok). Warunek jednostajności rozkładu pola elektrycznego w układzie elektrod kulowych może być w znacznym stopniu spełniony przez zastosowanie iskierników o odpowiednio dużej średnicy D dla danego odstępu elektrod a.

Zakres pomiarowy iskiernika kulowego wynosi:

$$0,05\ < \ \frac{a}{D}\ < 0,75,$$

co oznacza możliwość zastosowania iskierników dla DIS250 do pomiarów napięć w zakresie 31,7÷275 kV.

Schemat stanowiska pomiarowego:

RAMIE IZOLOWANE

d₁ = 25 cm

d₂ = 12,5 cm

Wyniki pomiarów:

odległość między kulami [cm]	napięcie przeskoku zmierzone Up [kV]	Upn-napięcie przeskoku powietrza z poprawką na warunki atmosferyczne[kV]	E=Upn/a [kV/cm]
1	19,1	28,4	28,4
1	20,3	30,1	30,1
1	20	29,7	29,7
2	35,8	53,2	26,6
2	33	49,0	24,5
2	35,4	52,6	26,3
3	51,9	77,1	25,7
3	52,6	78,1	26,0
3	53,4	79,3	26,4
4	70,5	104,7	26,2
4	69,7	103,5	25,9
4	70,8	105,1	26,3
5	85,4	126,8	25,4
5	82,6	122,7	24,5
5	88,1	130,8	26,2
6	104,7	155,5	25,9
6	105,8	157,1	26,2
6	100,7	149,6	24,9

Up – wartość napięcia przeskoku w danych warunkach atmosferycznych k = f(δ)

Up=k∙Upn

Aby obliczyć wartość współczynnika poprawkowego (korekcyjnego) k, należy wyliczyć:

$\delta = \frac{p}{1013 \bullet 10^{2}} \bullet \frac{293}{T}$

p – ciśnienie atmosferyczne [Pa]

p = 978,8 hPa = 97880Pa

T – temperatura powietrza [K]

T = 24,3°C = (273,15 + 24,3)K = 297,45 K

$\delta = \frac{97880}{1013 \bullet 10^{2}} \bullet \frac{293}{297,45} = 0,95$

Korzystając z tabeli wartości współczynnika poprawkowego odczytuję wartość k, która dla δ=0,95 wynosi k = 0,95.

2. Pole niejednorodne – układ ostrze-ostrze

Schemat stanowiska pomiarowego:

Wyniki pomiarów:

odległość między kulami	napięcie przeskoku zmierzone Up [kV]	Upn-napięcie z przeskoku z poprawką na warunki atmosferyczne [kV]	E=Up/a [kV/cm]
1	6,9	10,2	10,2
1	7,6	11,3	11,3
1	5,9	8,8	8,8
2	13,9	20,6	10,3
2	13,8	20,5	10,2
2	13,8	20,5	10,2
3	21,6	32,1	10,7
3	18,3	27,2	9,1
3	21,5	31,9	10,6
4	25,6	38,0	9,5
4	26,4	39,2	9,8
4	25,7	38,2	9,5
5	28,3	42,0	8,4
5	29,7	44,1	8,8
5	29,5	43,8	8,8
6	31,1	46,2	7,7
6	31,6	46,9	7,8
6	29,4	43,7	7,3

3. Układ ostrze-płaszczyzna

Wyniki pomiarów:

odległość między kulami	napięcie przeskoku zmierzone Up [kV]	Upn-napięcie z przeskoku z poprawką na warunki atmosferyczne [kV]	E=Upn/a [kV/cm]
1	11,6	17,2	17,2
1	12,9	19,2	19,2
1	11,1	16,5	16,5
2	19,2	28,5	14,3
2	19,4	28,8	14,4
2	18,4	27,3	13,7
3	21,9	32,5	10,8
3	21,7	32,2	10,7
3	21,6	32,1	10,7
4	26,3	39,1	9,8
4	26,4	39,2	9,8
4	26,5	39,4	9,8
5	29,8	44,3	8,9
5	27,6	41,0	8,2
5	30,6	45,4	9,1
6	33,6	49,9	8,3
6	32,8	48,7	8,1
6	32,3	48,0	8,0

WYKRESY:

E – wartość natężenia pola elektrycznego:

$$E = \frac{U_{pn}^{sr}}{a}$$

U_pn^śr – średnia napięć przeskoku przy tej samej odległości między kulami

$$U_{pn}^{sr} = \ \frac{U_{pn1} + U_{pn2} + U_{pn3}}{3}\ $$

odległość między kulami	średnie napięcie przeskoku z poprawką na warunki atmosferyczne dla układu kula-kula [kV]	średnie napięcie przeskoku z poprawką na warunki atmosferyczne dla układu ostrze-ostrze[kV]	średnie napięcie przeskoku z poprawką na warunki atmosferyczne dla układu ostrze- płaszczyzna[kV]
1	29,4	10,1	17,6
2	51,6	20,5	28,2
3	78,2	30,4	32,3
4	104,5	38,5	39,2
5	126,8	43,3	43,6
6	154,1	45,6	48,9

Wykres U=f(a)

odległość między elektrodami [cm]	średnia wytrzymałość elektryczna powietrza z poprawką na warunki atmosferyczne dla układu kula-kula [kV/cm]	średnia wytrzymałość elektryczna powietrza z poprawką na warunki atmosferyczne dla układu ostrze-ostrze [kV/cm]	średnia wytrzymałość elektryczna powietrza z poprawką na warunki atmosferyczne dla układu ostrze-płaszczyzna [kV/cm]
1,0	29,4	10,1	17,6
2,0	25,8	10,3	14,1
3,0	26,1	10,1	10,8
4,0	26,1	9,6	9,8
5,0	25,4	8,7	8,7
6,0	25,7	7,6	8,1

Wykres E=f(a)

WNIOSKI

Podczas wyładowania w powietrzu następuje przeskok. Na podstanie wykonanych pomiarów wnioskujemy, że wraz ze wzrostem odległości elektrod napięcie przeskoku wzrasta, a wytrzymałość elektryczna maleje. W przypadku układu kula-kula potrzebujemy większego napięcia by nastąpił przeskok, niż w przypadku układu ostrze-ostrze. Dzieje się tak, ponieważ w drugim przypadku na ostrzu następuje kumulacja ładunku i izolacja, jaką stanowi powietrze jest łatwiejsza do pokonania.

Dzięki pomiarowi napięcia możemy określić wytrzymałość danego układu izolacyjnego. Obliczona wartość wytrzymałości elektrycznej powietrza w warunkach normalnych-29,4 kV/cm w przybliżeniu odpowiada wartości tablicowej=30kV/cm.

Na podstawie pomiarów otrzymaliśmy charakterystyki iskierników. Charakterystyka iskiernika kulowego niewiele różni się od wykresu wzorcowego, co świadczy o poprawności przeprowadzonego doświadczenia.