Metody pomiarów wysokich napięć przemiennych, stałych i ...

Metody pomiarów wysokich napięć przemiennych,
stałych i udarowych
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z zagadnieniami związanymi z
pomiarami wysokich napięć w warunkach laboratoryjnych. W ćwiczeniu
przedstawione zostaną podstawowe metody pomiaru napięć przemiennych
stałych i udarowych.
Wprowadzenie
Metoda iskiernikowa
Do najstarszych metod pomiaru napięcia zalicza się metodę iskiernikową.
Metoda ta bazuje na skończonej wytrzymałości elektrycznej powietrza.
Napięcie przeskoku Up 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].
Laboratorium Wysokich Napięć dysponuje kulami o średnicy 12,5 cm
oraz 25 cm. Zakres pomiarowy iskiernika kulowego wynosi [1]:
0,05� a
D �0,75
Przy czym w zakresie 0,5� a
D �0,75 niepewność pomiaru jest większa. Dla
potrzeb pomiarów wyznaczono charakterystyki U p =f �a� [1], [2]
przedstawione w tabeli 1 oraz na rysunku 2.
/1/

Tabela 1: Charakterystyka U p =f �a� dla iskiernika kulowego DIS 12,5 oraz 25. Układ z
jedna kulą uziemioną w warunkach normalnych [1]. Wartości zaznaczone na żółto odpowiadają
zakresowi 0,5� a
�0,75 dla którego niepewność jest większa.
D
1,0 31,7 31,7
1,2 37,4 37,4
1,4 42,9 42,9
1,5 45,5 45,5
1,6 48,1 48,1
1,8 53,5 53,5
2,0 59,5 59,5
2,2 64,5 64,5
2,4 70,0 70,0
2,6 75,0 75,5
2,8 80,0 81,0
3,0 85,0 86,0
3,5 97,0 99,0
4,0 108 112
4,5 119 125
5,0 129 137
5,5 138 149
6,0 146 161
6,5 154 173
7,0 161 184
7,5 168 195
8,0 174 206
9,0 185 226
10 195 244
11 261
12 275
13 287
14 302
15 314
16 326
17 337
18 347
19 357
20 366
Charakterystyka U p =f �a� w postaci graficznej przedstawiona jest na
rysunku 2, na rysunku przedstawiono zakres 0,05� a
D �0,5 dla którego
niepewność wynosi ±3%.

Rysunek 1: Charakterystyka U p =f �a� niebieska DIS 25, czerwona DIS 12,5
Pamiętać należy o tym, że charakterystyki U p =f �a� wyznaczono dla
warunków normalnych czyli dla temperatury powietrza 20°C przy ciśnieniu
atmosferycznym wynoszącym 1013 hPa. Podczas pomiarów należy odnotować
aktualnie panujące ciśnienie oraz temperaturę powietrza i uwzględnić
współczynnik k który zależy od względnej gęstości powietrza δ.
gdzie:
U p =kU pn
U pn ̶ napięcie przeskoku w normalnych warunkach
atmosferycznych, odczytane dla danej odległości kul
(patrz tabela 1),
U p ̶ rzeczywiste napięcie przeskoku w danych
warunkach atmosferycznych k=f ��� (patrz tabela
2)
Tabela 2: wartość współczynnika poprawkowego k
δ 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15
k 0,72 0,77 0,82 0,86 0,91 0,95 1 1,05 1,09 1,13
/2/

gdzie:
�=
p
1013⋅10 2
293
T
p ̶ ciśnienie atmosferyczne [Pa]
T ̶ temperatura powietrza [K]
Woltomierz elektrostatyczny
Woltomierz elektrostatyczny to 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.
Rysunek 2: Zasada działania kilowoltomierza elektrostatycznego.
E1, E2 – elektrody kondensatora (E2 elektroda ruchoma) [1]
Zmiana energii kondensatora płaskiego przy zmianie odstępu pomiędzy
elektrodami wyraża się wzorem:
gdzie:
dW =− 1
2 U2�� 0s 1
da 2
a
s ̶ powierzchnia elektrody,
a ̶ odstęp między elektrodami.
Praca jaką wykona siła elektrostatyczna oddziaływania pomiędzy okładkami
kondensatora (czyli siła F) wynosi:
F= dW
da
/3/
/4/
/5/

Czyli stąd wynika że:
U=a � 2F
�� 0 s
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.
Dzielnik 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 odpowiednie spadki napięć na obu elementach. Sygnał
pomiarowy pobierany jest z impedancji o mniejszej wartości. Przykładowo
napięcie wyjściowe dzielnika rezystancyjnego wyraża sięwzorem 7:
U 2 =U R 2
R 1 �R 2
Rysunek 3: Dzielniki napięciowe stosowane w technice pomiarowej [1]
Metoda prostownikowa z kondensatorem szeregowym
Metoda prostownikowa polega na zastosowaniu wysokonapięciowego
kondensatora, prostowników w postaci diod oraz amperomierza
magnetoelektrycznego. Schemat układu przedstawiono na rysunku 4. Metoda
prostownikowa nadaje się do pomiaru napięć przemiennych (ich wartości
szczytowej), należy sprawdzić wcześniej przebieg napięcia gdyż pomiar
napięcia odkształconego obarczony jest błędem, błąd wynika z istnienia w
każdym półokresie większej ilości ekstremów [1].
/6/
/7/

gdzie:
U m = I
2fC =kI
C ̶ pojemność kondensatora wysokonapięciowego,
f ̶ częstotliwość
Rysunek 4: Metoda prostownikowa z kondensatorem szeregowym
C – kondensator wysokonapięciowy, E – ekran, P1 P2- prostowniki [1]
Pomiar napięcia po stronie pierwotnej transformatora
probierczego
Transformator probierczy jest bardzo specyficznym urządzeniem do jego
głównych cech zaliczyć można dużą precyzję wykonania, duża przekładnię
która jest ściśle określona na tabliczce znamionowej. Można go traktować jak
przekładnik napięciowy zasilony od strony niskiego napięcia. Transformatory
probiercze TP 110 maja przekładnię 220V/110kV, czyli napięcie strony
pierwotnej pomnożone przez 500 daje napięcie występujące na zaciskach po
stronie wtórnej. Pulpity sterownicze w Laboratorium Wysokich Napięć mają
wyprowadzone zaciski służące do pomiaru napięcia zasilającego transformator
WN, zastosowanie w tym miejscu odpowiedniego przyrządu pozwala na
pośredni pomiar napięcia po stronie wysokiego napięcia.
/8/

Przebieg ćwiczenia
Środki ostrożności
Każdy student ma obowiązek zlokalizować wyłącznik bezpieczeństwa
służący do natychmiastowego wyłączenia napięcia (żółty grzybek). Załączenie
obwodów wysokiego napięcia może odbyć się tylko po uprzedniej zgodzie i na
wyraźny znak prowadzącego zajęcia.
Warunki pomiarów
Pomiary laboratoryjne rozpoczynają się od odnotowania warunków
atmosferycznych jakie panują w laboratorium (temperatura powietrza,
wilgotność względna powietrza oraz ciśnienie atmosferyczne).
Pomiar napięcia po stronie pierwotnej transformatora
probierczego
Zadaniem studenta jest zapoznanie się z metodą pomiaru, zlokalizowanie
zacisków, identyfikacja przyrządu. Pomiar powinien odbywać się przy pomocy
odpowiedniego zakresu woltomierza, pamiętać należy również, że na początku
skali przyrząd nie posiada deklarowanej przez producenta klasy dokładności
pomiaru. Pomiar przeprowadza się przy wychyleniu wskazówki min. 2/3 skali.
Metoda iskiernikowa
W metodzie iskiernikowej w laboratorium stosowane są dwa rodzaje kul
o średnicach 12,5 cm oraz 25 cm. Zadaniem studenta jest zidentyfikowanie kul
oraz zestawienie układu służącego do pomiaru wytrzymałości elektrycznej
powietrza
Rysunek 5: Metoda iskiernikowa – układ pomiarowy [1]
Zadaniem studenta jest wyznaczenie napięcia przeskoku pomiędzy
kulami iskiernika dla odległości w zakresie od 1 cm do 5 cm. Należy odczytać
wartość napięcia przeskoku na woltomierzu po stronie pierwotnej
transformatora a następnie po uwzględnieniu wpływu warunków
atmosferycznych (wzór 2) porównanie z wartościami tablicowymi.

Woltomierz elektrostatyczny
Zadaniem studenta jest zapoznanie się z budową i zasadą działania
woltomierza elektrostatycznego. Należy do układu iskiernikowego dołączyć
dodatkowo woltomierz elektrostatyczny i przeprowadzić pomiar wytrzymałości
przerwy iskiernikowej dla 3 wybranych odległości pomiędzy kulami. Bardzo
ważnym aspektem pracy z woltomierzem elektrostatycznym jest poprawne
uziemienie woltomierza oraz umiejętność zmiany zakresu woltomierza.
Pamiętać trzeba o tym, że zmiana zakresu woltomierza odbywa się poprzez
zmianę odległości pomiędzy okładkami kondensatora jaki tworzą elektrody, jak
również zmiana skali samego ustroju wskazującego napięcie. Zadaniem
studentów jest porównanie wskazań woltomierza elektrostatycznego oraz
woltomierza wskazującego napięcie po stronie pierwotnej transformatora WN.
Dzielnik napięcia
Zadaniem studenta jest zapoznanie się z zasadą działania dzielników
napięcia. Pomiar napięcia odbywać się będzie za pomocą dzielnika Phoenix
Technologies KVM 200. Dzielnik KVM 200 jest dzielnikiem rezystancyjnym o
maksymalnym napięciu roboczym 200 kV, należy o tym pamiętać gdyż
kaskada transformatorowa wytwarza napięcie przemienne na poziomie 250 kV.
Pamiętać należy o bezwzględnym uziemieniu dzielnika oraz czlonu
pomiarowego, nieuziemienie może spowodować zagrożenie
porażeniowe! Dzielnik KVM 200 służ do pomiaru napięć przemiennych jak
i stałych. Zadaniem studentów jest porównanie wskazań dzielnik
z woltomierzem elektrostatycznym oraz z woltomierzem zainstalowanym po
stronie pierwotnej transformatora WN. Dzielniki napięciowe rezystancyjne
stosowane są również do rejestracji napięć udarowych, zadaniem studentów
jest zapoznanie się z dzielnikiem napięcia zastosowanym w generatorze napięć
udarowych GU 400.
Metoda prostownikowa z kondensatorem szeregowym
Zadaniem studenta jest zestawienie układu przedstawionego na
rysunku 4. Pomiar metodą prostownikową należy porównać z pomiarem
przeprowadzonym za pomocą kilowoltomierza KVM 200 oraz woltomierza po
stronie pierwotnej transformatora WN. Napięcie w metodzie prostownikowej
wyznacza się z zależności 8. Należy pamiętać, że wytrzymałość elektryczna
kondensatora stosowanego w tej metodzie (kondensator wysokonapięciowy
Micafil) wynosi 200 kV (300 po zwiększeniu ciśnienia powietrza stanowiącego
dielektryk).

Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
● charakterystykę warunków w jakich prowadzono pomiary,
● zestawienie danych pomiarowych poszczególnych układów pomiarowych,
● wyznaczoną charakterystykę U p =f �a� dla iskiernika kulowego,
● wnioski.
Literatura
[1] B. Florkowska: Wytrzymałość elektryczna gazowych układów
izolacyjnych wysokiego napięcia AGH Uczelniane Wydawnictwa
Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2003.