Przebieg ćwiczenia

ĆWICZENIE NR 1
TECHNIKA WYSOKICH NAPIĘĆ
LABORATORIUM
LABORATORIA WYSOKICH NAPIĘĆ
WYPOSAŻENIE, ORGANIZACJA, ZASADY BEZPIECZNEJ PRACY
I. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i wyposażeniem laboratorium wysokich napięć, jak
również z zakresem prac, które są w nim prowadzone. Studenci dowiedzą się również, jakie warunki bezpiecznej
pracy obowiązują w pobliżu urządzeń wysokiego napięcia.
II. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE
1. Podział laboratoriów
Laboratoria Wysokich Napięć (LWN) są ośrodkami prac badawczych nad układami izolacyjnymi
wysokonapięciowych urządzeń elektroenergetycznych.
Dostosowanie materiałów izolacyjnych do aktualnych potrzeb energetyki wymaga zarówno opracowań nowych
technologii w dziedzinie dielektryków jak i rozpoznania zjawisk w nich zachodzących pod działaniem silnych
pól elektrycznych. Ma to bezpośredni związek z możliwościami badawczymi laboratoriów, w tym głównie
z wyposażeniem ich w odpowiednie zespoły probiercze wysokiego napięcia oraz specjalną aparaturę pomiarową.
W zależności od rodzaju przeprowadzanych prac, Laboratoria Wysokich Napięć można podzielić na:
– naukowo–badawcze,
– naukowo–dydaktyczne,
– przemysłowe laboratoria badawcze,
– stacje prób.
Laboratoria naukowo–badawcze dysponujące źródłami napięć o najwyższych parametrach, specjalną
aparaturą pomiarową, możliwością przeprowadzania badań w układach modelowych na gotowych obiektach w
celu optymalizacji procesów technologicznych.
Laboratoria naukowo–dydaktyczne dysponujące źródłami napięcia o niższych parametrach, posiadają
natomiast liczne stanowiska pomiarowe dla badań eksperymentalnych, pokazów i ćwiczeń laboratoryjnych.
Przemysłowe laboratoria badawcze wyposażone w stanowiska do badań międzyoperacyjnych oraz badań
dla oceny produkcji.
Stacje prób t.j. placówki, w których przeprowadza się badania w ramach prób wyrobu i prób typu
obiektów.
2. Zakres prac badawczych w laboratorium WN
Problematyka badawcza Laboratoriów Wysokich Napięć obejmuje:
– zagadnienia wytrzymałości elektrycznej dielektryków stałych, ciekłych i gazowych z uwzględnieniem
napięć stałych, przemiennych i udarowych oraz napięć złożonych,
– badania różnych form wyładowań elektrycznych, w tym: wyładowań niezupełnych, pełznych, ślizgowych,
ulotu elektrycznego, łuku elektrycznego, występujących w układach izolacyjnych w warunkach
eksploatacyjnych,

– prace nad doborem maksymalnego napięcia roboczego w różnych układach izolacyjnych,
– badania wpływu narażeń eksploatacyjnych w układach modelowych i na prototypach,
– zagadnienia koordynacji izolacji i ochrony przeciwprzepięciowej,
– pomiary przepięć piorunowych, łączeniowych i dorywczych w układach modelowych,
– prace w dziedzinie uziemień wysokonapięciowych,
– miernictwo wysokonapięciowe,
– badania pola elektrycznego w układach izolacyjnych, w tym metody wyznaczania rozkładu pola
elektrycznego w celu doboru naprężeń roboczych, odpowiednio do wytrzymałości elektrycznej,
– zagadnienia oddziaływania pola elektromagnetycznego na środowisko,
– opracowanie metod badań profilaktycznych układów izolacyjnych wysokiego napięcia z uwzględnieniem
charakterystycznych warunków pracy różnych grup urządzeń elektrycznych,
– badania na pograniczu innych dziedzin, w tym głównie fizyki, chemii i techniki.
3. Wyposażenie Laboratoriów Wysokich Napięć
Podstawowe wyposażenie Laboratoriów Wysokich Napięć stanowią:
zespoły probiercze wytwarzające:
• napięcia przemienne: transformatory, układy kaskadowe,
• napięcia udarowe: generatory napięć udarowych piorunowych i łączeniowych,
• prądy udarowe: generatory prądów udarowych,
• napięcie wyprostowane: jedno- i wielostopniowe układy prostownikowe;
układy pomiarowe wysokich napięć, w tym:
• iskierniki kulowe zapewniające pomiar napięć przemiennych, stałych i udarowych,
• dzielniki oporowe i pojemnościowe,
• woltomierze elektrostatyczne,
• metody prostownikowe,
• metody specjalne;
aparatura pomiarowa, w tym między innymi:
• mostki wysokonapięciowe do pomiaru strat dielektrycznych,
• oscyloskopy,
• urządzenia do pomiaru wyładowań niezupełnych,
• mierniki natężenia pola elektrycznego;
4. Dobór odstępów bezpiecznych
W laboratoriach wyposażonych w zespoły probiercze o napięciu większym od
2 MV – a są to głównie zespoły probiercze napięcia udarowego piorunowego i udarowego łączeniowego – o
wytrzymałości elektrycznej odstępów powietrznych decyduje napięcie udarowe łączeniowe. Wówczas
minimalny odstęp bezpieczny ab
[m] określa się z zależności:
2
ab = 4 ⋅U
(1)
gdzie: U – wartość szczytowa udaru łączeniowego 250 µs /2500 µs biegunowości dodatniej [MV],
lub z innej zależności proponowanej w wyniku eksperymentów w laboratorium w Les Renardies: [1]
a
= k
⋅
k
p
8
3400(
1−
3s)
⋅
−1
U
b z
(2)
50%
k z
z k
gdzie: – współczynnik zwiększający zapas bezpieczeństwa, ≈ 1,2
k – współczynnik przerwy iskrowej, k
= 1,0÷1,45, wynikający z mechanizmu iskry
p
p

długiej w dużych odstępach izolacyjnych,
U 50%
– pięćdziesięcioprocentowe napięcie przeskoku [kV],
s – wartość względna odchylenia standardowego napięć przeskoku przy krytycznych udarach
łączeniowych, odniesiona do
U
50%
W laboratoriach o najwyższym napięciu probierczym do 2 MV – minimalny odstęp bezpieczny dla
napięcia przemiennego i udarowego łączeniowego, dodatniej biegunowości określa się ze wzoru:
a b
= 2,
23U
3
− 4,
57U
2
+ 8,
27U
−1,
57m
gdzie: U – napięcie probiercze [MV] w zakresie od 750 kV do 2000 kV.
W powyższych dwóch grupach laboratoriów odstępy bezpieczne w powietrzu wynoszą nawet kilkadziesiąt
metrów.
Laboratoria wyposażone w zespoły probiercze o napięciu przemiennym do 400 kV, są przeważnie
podzielone na tzw. pola probiercze, czyli ogrodzone powierzchnie, na których znajdują się źródła wysokich
napięć, badane obiekty i inne urządzenia, które podczas pracy będą pod wysokim napięciem.
Obiekty w polu probierczym są tak rozmieszczone, aby zapewnione były odpowiednie odstępy między
elementami pod napięciem a elementami uziemionymi, co wynika z:
– warunku bezpiecznej pracy, ograniczonego możliwością przeskoku w powietrzu,
– oddziaływania pól elektromagnetycznych na sąsiednie obwody.
Wartość odstępu bezpiecznego [cm] oblicza się zazwyczaj ze wzorów empirycznych na napięcie przeskoku
w układzie: ostrze – płaszczyzna uziemiona, a mianowicie:
a
b
b
= k
z
U
p
−14
a napięcie przemienne 50Hz (3)
b
= k
z
U
3,
16
p
−19,
8
a napięcie stałe (4)
b
= k
z
U
4,
47
p
− 23,
8
a napięcie udarowe (5)
5,
36
gdzie Up – wartość skuteczna przy napięciu przemiennym; szczytowa przy udarowym [kV].
Powyższe wzory obowiązują w zakresie napięć:
– 350 kV przy napięciu przemiennym
– 500 kV przy napięciu stałym i udarowym
w warunkach normalnych tj:
– dla temperatury To = 293 K (20 o C),
– ciśnienia bn = 1013,23 hPA,
– odstępów większych od 6 cm.
Dla innych warunków atmosferycznych (ciśnienie b, temperatura T) w miejsce Up należy wstawić wartość
Up (b,T), gdzie:
U p
U p b,
T ) =
δ
( (6)
δ – gęstość względna powietrza.

5. Ekrany i uziemienia
Laboratoria Wysokich Napięć charakteryzuje występowanie bardzo wysokich napięć i udarów o
przebiegach sinusoidalnych, odkształconych, impulsowych, a także niskich napięć, lecz dużych prądów w
sieciach zasilających.
Charakterystyczne dla pracy LWN są wyładowania elektryczne – zupełne i niezupełne – powstające
podczas badań np. wytrzymałości elektrycznej, które powodują zakłócenia przenoszone galwanicznie lub na
drodze elektromagnetycznej.
Do sposobów ochrony przed ich skutkami należą:
– uziemienia,
– ekranowanie,
– filtracja zakłóceń.
System uziemień w postaci płyt i taśm powinien zapewnić potencjał ziemi w laboratorium. Duże znaczenie
dla ochrony przed przepięciami posiada prawidłowe uziemienie przyrządów pomiarowych – równoległe, do
wspólnego punktu uziemienia.
Ekranowanie laboratoriów ma na celu eliminowanie przenikania do niego promieniowania
elektromagnetycznego z zewnątrz. Wykonany w tym celu ekran powinien charakteryzować się dużą
przenikalnością magnetyczną i posiadać jak najbardziej jednolitą strukturę, szczególnie w przypadku
oddziaływania pól przemiennych o wysokiej częstotliwości lub przebiegów impulsowych o dużej stromości.
Inny cel ekranowania w laboratoriach wysokonapięciowych to ochrona obiektów sąsiednich od zakłóceń
generowanych w samych polach probierczych.
6. Bezpieczeństwo pracy w Laboratorium Wysokich Napięć
Warunkiem bezpiecznej pracy w Laboratorium Wysokich Napięć jest przestrzeganie następujących zasad,
wynikających z organizacji pracy w Laboratorium i prawidłowej eksploatacji urządzeń wysokiego napięcia:
1. Wszelkie źródła wysokiego napięcia i poddanego jego działaniu obiekty mogą być eksploatowane i
badane tylko wówczas, gdy znajdują się w ogrodzonym i zamkniętym polu probierczym. Przy otwartych
drzwiach do pola probierczego załączenie napięcia jest niemożliwe.
2. Drzwi wejściowe do każdego pola probierczego wyposażone są w blokadę. Otwarcie drzwi powoduje
zatem wyłączenie napięcia, a zamknięcie ich nie może spowodować załączenia napięcia.
3. Wyłącznik krańcowy na autotransformatorze wymaga każdorazowo, przed załączeniem napięcia,
sprowadzenia regulatora do położenia zerowego.
4. Wszystkie metalowe części wewnątrz pola probierczego wraz z ogrodzeniem powinny być przyłączone
do instalacji uziemiającej.
5. Załączanie i wyłączanie wysokiego napięcia musi odbywać się przy zastosowaniu co najmniej dwóch
wyłączników, z których przynajmniej jeden musi posiadać widoczną przerwę między stykami.
6. W przypadku wyprowadzenia z pola probierczego na zewnątrz dowolnego przewodu, który mógłby
znaleźć się pod wysokim napięciem np. wskutek przeskoku, konieczne jest zastosowanie równoległe, między
tym przewodem, a przewodem uziemiającym, ochronnika przepięciowego i iskiernika powietrznego.
7. Każdorazowo, po wejściu do pola probierczego, należy na biegun wysokiego napięcia nałożyć przenośne
uziemienie i tylko wówczas dokonywać wszelkich przełączeń i prac w polu.
8. Obecność wysokiego napięcia w polu probierczym jest sygnalizowana lampkami czerwonymi na pulpicie
sterowniczym i na ogrodzeniu w kilku miejscach, szczególnie gdy pole probiercze jest duże.
9. W pewnych przypadkach, gdy konieczne jest zwrócenie uwagi innych osób na rozpoczęcie prac w polu
probierczym przy wysokim napięciu, należy na krótki okres włączyć sygnalizację akustyczną.
10. Każde pole probiercze jest wyposażone w izolacyjny sprzęt ochronny, którym należy posługiwać się w
pracy przy urządzeniach wysokiego napięcia.
III. SPRAWOZDANIE.
Sprawozdanie należy wykonać według zaleceń prowadzącego ćwiczenie.

IV. LITERATURA.
1. Kosztaluk R.: Technika badań wysokonapięciowych T. 1,2. Warszawa, WNT 1985
2. Florkowska B.: Wytrzymałość elektryczna gazowych układów izolacyjnych wysokiego napięcia.
Kraków 2003
3. Praca zbiorowa pod redakcją Strojny J.: VADEMECUM ELEKTRYKA. Wydanie I, Warszawa 2004

Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki
Mgr inż. Mikołaj Skowron
Technika Wysokich Napięć
Ćwiczenie nr 2
Badanie układów probierczych napięcia przemiennego, udarowego i stałego
1. ZESPOŁY PROBIERCZE WYSOKIEGO NAPIĘCIA PRZEMIENNEGO
Opracowanie nowych konstrukcji urządzeń elektroenergetycznych wymaga badań ich
elementów i prototypów w celu doboru roboczych naprężeń elektrycznych i oceny
odporności na narażenia eksploatacyjne. Z tego powodu źródła wysokiego napięcia
przemiennego stanowią podstawowe wyposażenie Laboratoriów Wysokich Napięć.
Odrębną grupę badań stanowią tzw. próby napięciowe, których celem jest sprawdzenie
zapasu wytrzymałości elektrycznej wysokonapięciowych układów izolacyjnych przy
wymaganym napięciu probierczym.
Napięcie probiercze przemienne Upr, jest stosowane w badaniach laboratoryjnych
oraz do przeprowadzania prób napięciowych izolacji urządzeń elektrycznych.
Napięcie Upr powinno być praktycznie sinusoidalne, to znaczy:
- współczynnik kształtu k = 2 ± 5%
- wartości maksymalne biegunowości dodatniej i ujemnej nie powinny różnić się
więcej niż o ±5%,
- częstotliwość w zakresie 40 ÷ 62Hz.
Napięcie probiercze przemienne w próbach napięciowych dzieli się na:
a) krótkotrwałe – gdy czas jego działania nie przekracza 1 minuty (w przypadku
kabli 5 minut),
b) długotrwałe – gdy czas ten jest dłuższy i wynosi np. 4 godziny w badaniach
kabli.
Większość prób napięciowych dotyczy izolacji jednofazowej doziemnej lub międzyfazowej.
Z tego powodu napięcie probiercze wytwarzane jest w zespołach probierczych
zawierających transformatory jednofazowe. Źródła trójfazowe otrzymuje się, w razie
potrzeby, za pomocą trzech transformatorów jednofazowych.
Transformatory probiercze w odróżnieniu od transformatorów energetycznych,
charakteryzują się znacznie mniejszą mocą, większą przekładnią oraz są przystosowane
do pracy krótkotrwałej, co stwarza łagodne warunki pod względem ich nagrzewania się.
Są to transformatory w izolacji papierowo-olejowej, zapewniające brak wewnętrznych
wyładowań niezupełnych.
W transformatorach tych, kadź z rdzeniem i uzwojeniami (metalowa lub z materiału
izolacyjnego) jest wypełniona olejem. Wykonanie obudowy transformatora z materiału
izolacyjnego np. odpowiedni rodzaj żywicy, pozwala na znaczne zmniejszenie jego

ciężaru oraz wymiarów, ze względu na wyprowadzenie uzwojeń bez izolatorów
przepustowych oraz brak oleju.
Transformatory olejowe charakteryzuje mała wartość reaktancji rozproszenia i dobre
zabezpieczenie uzwojeń przed wpływami zewnętrznymi.
1.1. Charakterystyka zespołów probierczych
W skład zespołu probierczego, w którym wytwarzane jest wysokie napięcie przemienne,
wchodzą (rys.1.1):
− źródło napięcia przemiennego (sieć zasilająca lub własny generator),
− transformator regulacyjny TR,
− transformator probierczy wysokiego napięcia TP, do którego przyłączony jest badany
obiekt.
Rys.1.1. Zespół probierczy wysokiego napięcia przemiennego:
TR – transformator regulacyjny, TP - transformator probierczy,
R o – opornik tłumiący, OB - badany obiekt, U2 = Upr
Podstawowe rodzaje zespołów probierczych to:
− pojedynczy transformator,
− połączenie szeregowe transformatorów,
− połączenie kaskadowe kilku transformatorów,
− połączenie równoległo-kaskadowe transformatorów.
Parametry znamionowe zespołu probierczego:
Un napięcie znamionowe,
Sn moc znamionowa,
uzw napięcie zwarcia,
Pzw moc zwarcia
1.2. Zespoły probiercze z pojedynczym transformatorem
1.2.1. Układy połączeń transformatorów
I 1
∼ U 1
TR
TP
I 2
R o
U 2
OB

Zespoły probiercze z pojedynczym transformatorem są budowane jako symetryczne lub
niesymetryczne.
W układzie symetrycznym - stosowanym do badania izolacji międzyfazowej (IM) - obydwa
bieguny uzwojenia wysokiego napięcia transformatora są wyprowadzone, a środek uzwojenia
uziemiony (rys.1.2a) lub nieuziemiony, lecz połączony z rdzeniem i obudową. Stwarza to
dogodne warunki dla izolacji biegunów uzwojenia wysokiego napięcia transformatorów tj. dla
izolatorów przepustowych, która może być wykonana na napięcie równe połowie napięcia
znamionowego.
Transformatory probiercze w układzie symetrycznym budowane są obecnie na napięcie do
750kV, a w pojedynczych przypadkach nawet do 1000kV.
a) b)
U1
TP
Rys.1.2. Transformatory probiercze w układzie: a) symetrycznym, b) niesymetrycznym
W układzie niesymetrycznym - stosowanym do badania izolacji fazowej, doziemnej (ID) -
jeden biegun uzwojenia WN jest wyprowadzony, a drugi połączony z rdzeniem, obudową
i uziemiony (rys.1.2b).
Z uwagi na mniej korzystny rozkład napięcia wzdłuż uzwojenia WN i konieczność
stosowania izolacji tego bieguna na pełne napięcie znamionowe, transformatory w układzie
symetrycznym budowane są na napięcie do 500kV.
Poziom napięcia znamionowego pojedynczego transformatora probierczego jest ograniczony
możliwościami konstrukcyjnymi. Dla wytwarzania dostatecznie wysokiego napięcia
przemiennego stosuje się kilka transformatorów odpowiednio połączonych.
1.2.2. Moc znamionowa zespołu
Moc znamionowa Sn jest to iloczyn napięcia i prądu po stronie wysokiego napięcia
transformatora:
S = J ⋅U
= J ⋅U
(1.1)
n
+1/2U2
U2
-1/2U2
2
2
n
Dla celów prób napięciowych wymagana jest odpowiednia moc znamionowa zespołu
probierczego. Jest to moc ograniczona dopuszczalnym przyrostem temperatury izolacji
urządzeń zespołu.
Charakter obciążenia transformatora probierczego zależy od rodzaju obiektu poddawanego
próbie.
Obciążenie zespołu probierczego ma na ogół charakter pojemnościowy, za wyjątkiem badań:
− w obecności ulotu elektrycznego,
n
U1
TP
U2

− prób pod deszczem izolatorów,
− prób zabrudzeniowych izolatorów,
− kiedy należy uwzględnić obciążenie pojemnościowo-rezystancyjne.
Wartości pojemności doziemnych obiektów zawierają się w zakresie od kilkudziesięciu pF do
kilku μF (tabela 1.1).
Tabela 1.1. Pojemności doziemne urządzeń
Urządzenie Pojemność [pF]
Izolatory wiszące
do kilkudziesięciu
Izolatory przepustowe transformatorów i wyłączników 50 ÷ 800
Przekładniki napięciowe i prądowe
100÷1000
Transformatory energetyczne
500÷20000
Maszyny wirujące
10
Kable
5 ÷3 ⋅10 5
250÷300 pF/m
Stosowane konstrukcje transformatorów probierczych o prądzie znamionowym równym 1A,
tzn. posiadające moc znamionową równą 1kVA na 1kV napięcia probierczego, umożliwiają
przeprowadzenie większości prób napięciowych i badań układów izolacyjnych wysokiego
napięcia.
Powinien być wówczas spełniony warunek:
Sn ≥ U pr ⋅ ω⋅
gdzie: Upr - napięcie probiercze,
C - pojemność badanego obiektu
2
C
(1.2)
Np. dla C = 1000pF wartości mocy znamionowej Sn zespołu probierczego przedstawia tabela 1.2.
Tabela 1.2. Moce zespołu probierczego
U [kV] 50 100 500 1000
Sn [kVA] 0,785 3,14 78,5 314
Niespełnienie powyższego warunku (1.2) prowadzi ze wzrostem obciążenia do obniżenia
napięcia probierczego i zniekształcenia jego przebiegu.
Moc znamionowa transformatora, ze względu na czas trwania próby równy najczęściej
1 minutę oraz przerwy między pomiarami i przygotowanie, jest mocą pracy 15-minutowej.
1.2.3. Moc zwarciowa zespołu

Odpowiednia wartość mocy zwarciowej transformatora jest niezbędna do podtrzymania prądu
wyładowania w przypadku przeskoku lub przebicia badanej izolacji. Wartość mocy
zwarciowej zależy od napięcia probierczego Upr i impedancji zastępczej zespołu probierczego
S zw
2
U pr
X z
= (1.3)
gdzie: Xz – reaktancja zastępcza zespołu
Reaktancję zastępczą Xz stanowią (rys.1.3):
Xs- reaktancja sieci zasilającej,
Xr - reaktancja elementu regulacyjnego,
XTP - reaktancja transformatora probierczego
Reaktancja zastępcza zespołu probierczego wynosi:
X = X + X + X
(1.4)
z
i powinna być mała aby zapewnić wymaganą wartość prądu zwarciowego.
~
s
Rys.1.3. Schemat zastępczy zespołu probierczego: C - pojemność badanego obiektu
r
Wartość prądu zwarciowego Izw oblicza się z pomiaru napięcia zwarcia uzw transformatora
I
zw
zw
TP
Xs Xr
XTP
100 U pr 100
= I2
⋅ = ⋅ J n ⋅
(1.5)
u [%] U u
n
zw%
gdzie: In - prąd znamionowy w uzwojeniu wysokiego napięcia,
Un – napięcie znamionowe transformatora,
Upr – napięcie probiercze
1.2.4. Napięcie zwarcia transformatora probierczego
Napięcie zwarcia zespołu uzw jest to napięcie na zaciskach uzwojenia niskiego napięcia
transformatora przy zwartych zaciskach uzwojenia wysokiego napięcia i płynącym w nim
prądzie znamionowym In [PN-81/E-040040.09].
Napięcie zwarcia transformatora wynosi:
U zw
u zw [%] = 100
(1.6)
U
n
C
Upr

gdzie: Uzw – napięcie zwarcia [V],
Un – napięcie znamionowe transformatora [V]
Wartość napięcia zwarcia transformatorów probierczych wynosi kilka procent.
1.2.5. Zabezpieczenia
Zespół probierczy wysokiego napięcia jest wyposażony w:
a) zabezpieczenie nadmiarowo-prądowe, zapewniające szybkie wyłączenie zwarcia w
obwodzie w wyniku przebicia badanego obiektu. Stanowią je wyzwalacze nadprądowe
bezzwłoczne lub wyłączniki termiczne,
b) zabezpieczenie przed wystąpieniem drgań własnych obwodu, szczególnie podczas
wyładowań elektrycznych po stronie wtórnej transformatora oraz ograniczające prąd
zwarciowy Izw
Wartość wymaganego rezystora Ro wynosi (rys.1.1)
2
n
n
U
Ro = kR
⋅
(1.7)
S
zakładając że: Izw ≥ In oraz uzw ≅ 0, kR = 1, wartość rezystora Ro przyjmuje się zwykle równą
5Ω/1kV napięcia probierczego
1.3. Połączenie szeregowe transformatorów
Łącząc szeregowo uzwojenia wysokiego napięcia dwu jednakowych transformatorów, przy
uziemionym punkcie środkowym tego połączenia, otrzymuje się między izolowanymi
biegunami napięcie równe dwukrotnej wartości napięcia znamionowego jednego
transformatora (rys.1.4). W większości prób napięciowych izolacji wymagane jest jednak
napięcie probiercze względem ziemi.
~
Rys.1.4. Połączenie szeregowe dwu transformatorów probierczych TP1 i TP2
2U
TP1 TP2
1.4. Połączenia kaskadowe transformatorów
U
U

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). Sposób zasilania tych
transformatorów prowadzi do trzech zasadniczych konstrukcji.
1.4.1. Układ kaskadowy z dodatkowymi transformatorami izolującymi
W schemacie połączeń przedstawionym na rysunku 1.5 uzwojenia wysokonapięciowe (1)
czterech transformatorów (I - IV) połączone są szeregowo, przy czym jeden z biegunów
transformatora pierwszego stopnia (I) jest uziemiony. W transformatorach następnych stopni
jeden biegun uzwojenia WN jest połączony z obudową i z końcem uzwojenia poprzedniego
stopnia, wyprowadzonym poprzez izolator przepustowy. W ten sposób, za wyjątkiem transformatora
I, pozostałe muszą być odizolowane od ziemi, przy czym izolacja kolejnych stopni
wzrasta. Zatem obudowa transformatora II znajduje się na izolacyjnej podstawie na napięcie
U, transformatora III - 2U, transformatora IV - 3U. Zasilanie transformatorów następuje z
sieci lub ze specjalnego generatora za pośrednictwem dodatkowych transformatorów
izolujących T i o przekładni 1:1, odizolowanych od ziemi w sposób pokazany na rysunku 1.5.
W przedstawionym układzie kaskadowym, zawierającym cztery transformatory pro-biercze,
konieczne jest zastosowanie sześciu transformatorów izolujących, co stanowi podstawową
wadę tego układu.
~
1
U
1
Ti
U
Rys.1.5. Układ kaskadowy z transformatorami izolującymi Ti, IW - izolatory wsporcze
IW
1
U
Ti
Ti
IW
1
U
Ti
Ti
Ti
4U

1.4.2. Układ kaskadowy z uzwojeniami wiążącymi
Zastosowane w tym układzie transformatory muszą posiadać po stronie wysokiego napięcia
dodatkowe uzwojenia tzw. uzwojenia wiążące W dla zasilania następnego stopnia kaskady
(rys.1.6). Uzwojenie to spełnia również funkcję uzwojenia izolującego w miejsce
dodatkowych transformatorów.
Zasada powyższa stosowana jest w większości konstrukcji układów kaskadowych
transformatorów probierczych.
4U
Rys.1.6. Układ kaskadowy z uzwojeniami wiążącymi W, IW - izolatory wsporcze
1.4.3. Układ kaskadowy ze sprzężeniem autotransformatorowym
W układzie tym tylko transformator pierwszego stopnia posiada oddzielne uzwojenie niskiego
i wysokiego napięcia, natomiast pozostałe posiadają uzwojenia autotransformatorowe,
zawierające uzwojenie zasilające (Z), wysokonapięciowe (WN) i wiążące (W) (rys.1.7).
I
I
~
W
~
Z
II
II
WN
Rys.1.7. Układ kaskadowy ze sprzężeniami autotransformatorowymi
W
W
IW
Z
III
III
WN
W
W
Z
IV
IV
WN
4U
4U

1.4.4. Moc układu kaskadowego
Moc znamionowa kaskady Snk jest równa iloczynowi napięcia na wyjściu kaskady
U k = n ⋅U
2 i prądu znamionowego I2, gdzie: n – liczba stopni kaskady.
Przyjmując oznaczenia jak na rysunku 1.8, moc znamionowa po stronie wysokiego napięcia
Snk na wyjściu kaskady n-stopniowej wynosi:
lub
S = I ⋅U
= nU ⋅ I = U ⋅ I
(1.8)
nk
nk
1
n
1
2
2
k
2
S = n ⋅ S
(1.9)
Uzwojenie pierwotne transformatora I, zasilające całą kaskadę, jest obliczone na całkowitą
moc kaskady.
W konstrukcjach zespołów probierczych naogół jest przyjęte, że prąd znamionowy na wyjściu
kaskady wynosi 1A.
U1
~
I1
Rys.1.8. Rozpływ prądów i podział napięć w układzie kaskadowym
Całkowita moc kaskady S c jest równa sumie mocy poszczególnych stopni
n
∑
i=
1
n
∑
S = nU ⋅ I = n ⋅ S
(1.10)
c
2
2
lub
n(
n + 1)
S c = ⋅ S n
(1.11)
2
Współczynnik wykorzystania mocy zainstalowanej kaskady wynosi:
S
i=
1
Gdy kaskada zawiera np. trzy człony (n = 3), wówczas:
I
I2
II
U2
I2
n
2U2
III
3U2
nk
k w = (1.12)
Sc
I2

S
S
nk
c
= 3S
= 6S
n
n
a współczynnik wykorzystania mocy kaskady kw = 0,5
1.5. Dane techniczne transformatorów probierczych i układów kaskadowych
1.5.1. Parametry znamionowe
Podstawowe napięcia znamionowe transformatorów probierczych wynoszą: 30, 60, 110, 300,
400, 800 i 1000kV o prądzie obciążenia od 0,3 do 1A. Transformatory na napięcie 800
i 1000kV budowane są przeważnie jako kaskady dwuczłonowe.
Dane techniczne transformatorów probierczych typu TP przedstawia tabela 1.3.
Tabela 1.3. Dane techniczne transformatorów probierczych typu TP
Lp
Dane
transformatora
1. Napięcie pierwotne
2. Napięcie wtórne
3. Moc znamionowa
15-minutowa
4. Moc znamionowa
ciągła
5. Prąd znamionowy
wtórny 15-minut.
6. Prąd znamionowy
wtórny ciągły
7. Częstotliwość
8. Ilość członów
9. Wysokość
10 Masa
Jedno
-stka TP30 TP60 TP110 TP300 TP400 TP800 TP1000
kV
kV
kVA
kVA
A
A
Hz
szt.
m
tona
0,22
30
10
5
1,66
0,16
50
1
1,26
0,3
0,22
60
20
10
0,33
0,16
50
1
0,3
0,22
110
40
10
0,364
0,091
50
1
1,46
0,6
6,0
300
90
-
0,3
-
50
1
3,14
6,5
6,0
400
120
-
0,3
-
50
1
3,44
7,0
6,0
800
240
-
0,3
-
50
2
6,79
14,0
3,6
1000
1000
-
1,0
-
50
2
7,7
30,0

1.5.2. Przykłady połączeń układów kaskadowych
Schemat kaskady zbudowanej z dwu jednostek 400kV przedstawia rysunek 1.9.
400kV 800kV
1
3
4 4 3
2
2
2a 2b
2
2c
2
2d
Rys.1.9. Kaskada dwuczłonowa na napięcie 800kV; uzwojenia: 1 - zasilające,
2 - wysokiego napięcia, 3 - wyrównawcze, 4 – wiążące
W każdym członie środek uzwojenia wysokiego napięcia tj. koniec uzwojenia cewki dolnej
wysokiego napięcia (2a) i początek uzwojenia cewki górnej wysokiego napięcia (2b)
połączone są z rdzeniem, co powoduje, że posiada on potencjał równy połowie wysokiego
napięcia jednego członu.
Uzwojeniami zasilającymi są: dla pierwszego członu - uzwojenie (1), dla drugiego członu
uzwojenie (4). Uzwojenia wiążące (3) i (3') służą do przenoszenia mocy z dolnego słupa
rdzenia na górny w każdym członie kaskady.
Schemat trójczłonowej kaskady z uzwojeniami wiążącymi na napięcie 2250kV o mocy
krótkotrwałej 2250kVA przedstawia rysunek 1.10.
Schemat trójczłonowej kaskady z transformatorami izolującymi Ti na napięcie 2250kV
o mocy krótkotrwałej 5000kVA przedstawia rysunek 1.11.
~
123 324
375k
750k
1125kV
1500kV
1875kV
Rys.1.10. Kaskada trójczłonowa na napięcie 2250kV o mocy krótkotrwałej 2250kVA
z uzwojeniami wiążącymi
2250kV
3U

~
TrWN
123 324
375kV 750kV 750kV
375kV
375kV
Rys.1.11. Kaskada trójczłonowa na napięcie 2250kV z transformatorami izolującymi Ti
1.6. Laboratoryjne zespoły probiercze
TrWN
Dane znamionowe transformatorów probierczych:
1) Transformator probierczy TP60 (rys.1.12)
TrWN
1875kV
1125kV 1500kV
1125kV
43 Ti 31 13
2250kV
Napięcie pierwotne 220 V lub 380V, 50Hz
Przy szeregowym połączeniu cewek uzwojenia pierwotnego:
napięcie wtórne 30 kV,
moc znamionowa 8 godz. 5 kVA, 15 min. - 10 kVA
Przy równoległym połączeniu cewek uzwojenia pierwotnego:
napięcie wtórne 60 kV
moc znamionowa 8 godz. 10 kVA, 15 min. - 20 kVA
dokładność przekładni przy biegu jałowym ±5%
napięcie probiercze 78 kV
masa 200 kg
Uzwojenie pierwotne (zasilające) składa się z dwóch cewek, które można łączyć szeregowo
lub równolegle w celu uzyskania po stronie wtórnej napięcia o wartości 30 lub 60kV.
a) b)
U1 U2=30kV U1 U2 = 60kV
Ti
Ti
3U

Rys.1.12. Transformator probierczy TP60. Schemat połączeń uzwojenia zasilającego:
a) połączenie szeregowe, b) połączenie równoległe
Izolację główną stanowią płyty i rury z papieru bakelizowanego oraz olej transformatorowy.
2) Transformator probierczy TP110
napięcie pierwotne 220V, 50Hz
napięcie wtórne 110 kV
moc znamionowa ciągła 10 kVA
moc znamionowa dorywcza (15 min.) 40 kVA
prąd znamionowy wtórny ciągły 0,09/A
prąd znamionowy wtórny dorywczy (15 min) 0,36/A
napięcie probiercze przy 50Hz w ciągu 5min. 143 kV
dokładność przekładni bez obciążenia ± 5%
masa 400 kg
Uzwojenia pierwotne i wtórne cylindryczne, osadzone są na kolumnie rdzenia i umieszczone
w zbiorniku z olejem transformatorowym. Zbiornik ten stanowi rura z papieru
bakelizowanego, która spełnia jednocześnie rolę izolatora bieguna wysokiego napięcia w
stosunku do ziemi.
3) 2-stopniowa kaskada transformatorów
Przedstawiona na rysunku 1.13 dwustopniowa kaskada transformatorów została
zbudowana w Laboratorium Wysokich Napięć Katedry Elektroenergetyki Akademii
Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
Rt
~ 220 V
TR
Ro
U1
TP 110/1
I1
W
U2
I’1
I2
TP 110/2
I2
izolatory
wsporcze
2U2

Rys.1.13. Schemat 2-stopniowej kaskady transformatorów.
TP110/1 - transformator z uzwojeniem wiążącym W, TP110/2 - transformator
izolowany od ziemi, TR - transformator regulacyjny, Ro- rezystor
ograniczający prąd zwarciowy, Rt - rezystor tłumiący
2. WYTWARZANIE NAPIĘĆ UDAROWYCH
Napięcie udarowe piorunowe jest napięciem probierczym we wszystkich
grupach urządzeń elektrycznych według klasyfikacji IEC, a więc urządzeń o napięciu
znamionowym od 1kV do napięć najwyższych, w Polsce do napięcia 400 kV.
Napięcie udarowe jest stosowane do sprawdzania odporności układów izolacyjnych
na przepięcia atmosferyczne, występujące w eksploatacji .
Przepięcia atmosferyczne o czasie trwania rzędu 10 -4 s i przebiegu czasowym
przedstawionym na rysunku 2.1a, są w laboratoriach modelowane udarami
napięciowymi znormalizowanymi, przedstawionymi na rysunku 2.1b.
Rys.2.1. Przebiegi czasowe: a) przepięcia atmosferycznego, b) napięcia udarowego
piorunowego
Przepięcia atmosferyczne w sieciach elektroenergetycznych występujące po
uderzeniu pioruna bezpośrednio w linię napowietrzną lub w jej pobliżu, osiągają
bardzo wysokie wartości, rzędu MV. Inny kierunek prac z zastosowaniem napięć
udarowych stanowią badania mechanizmów wyładowań elektrycznych w tzw.
wielkich odstępach izolacyjnych. Wyładowania te decydują bowiem o ich
wytrzymałości elektrycznej.
Napięcia udarowe piorunowe wytwarzane są w Laboratoriach Wysokich Napięć
wyposażonych w generatory napięć udarowych, wytwarzających udary napięciowe o
znormalizowanym przebiegu czasowym. Wytwarzanie takich nie zniekształconych
przebiegów napięciowych, a następnie ich rejestracja, należą do specjalnych
zagadnień w wysokonapięciowej technice probierczej. Obecnie w praktyce laboratoryjnej
stosowane są metody cyfrowej rejestracji napięć udarowych, a związane z
nimi wymagania i procedury są szczegółowo sformułowane przez Międzynarodowy
Komitet Elektrotechniki [IEC-1083-1, IEC-1083-2].

2.1. Napięcia udarowe
2.1.1. Napięcie udarowe piorunowe
Napięcie udarowe jest to krótkotrwały przebieg napięcia jednokierunkowego, które wzrasta
bez znacznych oscylacji od zera do wartości szczytowej, a następnie maleje do zera.
Wielkościami charakteryzującymi udary napięciowe są:
− wartość szczytowa, to jest największa wartość chwilowa napięcia udaru U , m
− biegunowość,
− kształt.
Napięcie udarowe piorunowe o przebiegu znormalizowanym otrzymuje się z generatorów
udarów napięciowych. Na rysunku 2.2 przedstawiono udar piorunowy normalny, pełny.
U
1,0
0,9
0,5
0,3
0
0 1
T 1
C
A
B
C 1
U m
Rys.2.2. Udar piorunowy normalny, pełny:
T 1 - czas trwania czoła, T 2 - czas do półszczytu
T 2
Czoło udaru jest to część krzywej, odpowiadająca wzrostowi napięcia od 0 do U m.
Czas trwania czoła T 1 jest to czas pomiędzy umownym początkiem udaru (punkt 01)
i punktem C1.
Grzbiet udaru jest to część krzywej odpowiadająca zmniejszaniu się napięcia od U m do
zera.
Czas do półszczytu T 2 (między 01D1) jest to czas od umownego początku udaru do chwili,
gdy wartość chwilowa udaru osiągnie 0,5 wartości szczytowej na grzbiecie.
Kształt napięcia udarowego piorunowego do badań wytrzymałości udarowej jest
znormalizowany [PN-92/E-04060]:
T 1 = 1,2 μs T 2 = 50 μs
i oznacza się go jako udar 1,2/50.
Stromość napięcia na czole jest to stosunek U m/T 1.
D
D 1
t

W przypadku wyładowania zupełnego na obiekcie badanym (występują przeskoki lub
przebicia), następuje ucięcie udaru, tzn. nagły spadek napięcia do wartości praktycznie równej
zero. Ucięcie udaru może nastąpić na czole lub na grzbiecie (rys.2.3). Czas do ucięcia Tc jest
to czas między umownym początkiem udaru 01 a chwilą ucięcia.

U
1,0
0,9
0,3
0
U
1,0
0,9
0,7
0,3
0,1
0
0 1
A
0 1
U m
B
A
T c
T c
0,7
0,1
U 1
Rys.2.3. a) Udar piorunowy ucięty na grzbiecie; b) udar piorunowy ucięty na czole T c - czas do
ucięcia
2.1.2. Napięcie udarowe łączeniowe
Przepięcia łączeniowe, występujące podczas przełączeń w sieci elektroenergetycznej, mają
charakter tłumionych oscylacji o częstotliwości od 10 3
do 10 4
Hz.
Udar łączeniowy normalny (rys.2.4) jest charakteryzowany przez czas do szczytu Tp i czas do
półszczytu T2, przy czym:
Tp = 250 μs T 2 = 2500 μs
i oznacza się go jako udar 250/2500
B
C
C
D
D
a)
t
t
b)

Rys.2.4. Udar łączeniowy normalny, pełny
T p – czas do szczytu, T 2 – czas do półszczytu
2.2. Generator napięć udarowych
Napięcia udarowe: piorunowe i łączeniowe wytwarzane są przez generatory napięć
udarowych.
Uproszczony schemat n-stopniowego generatora udarów napięciowych przedstawia
rysunek 2.5.
TrWN
P
U
1,0
0,55
0
1
V
T p
R o
U o
R o
U m
C 1
C d
Rys.2.5. Schemat n-stopniowego generatora napięć udarowych
Poszczególne części generatora to:
1’
1
1) źródło napięcia, zawierające:
TrWN – transformator wysokiego napięcia,
P – prostownik,
R o – rezystor wstępny ograniczający prąd ładowania
R τ
R t
R τ
J 1
C 1
T 2
2
R τ
R t
R τ
C 1
3
J1 2’ 3’
2
C d
C d
n
n’
C 1
t
J 2
R 2
3
R 1
C 2
U(t)

2) stopnie generatora, w których:
R τ – rezystory ładujące,
R t – rezystory tłumiące,
C 1 – kondensatory międzystopniowe,
J 1 – iskierniki międzystopniowe o określonej wartości napięcia zapłonu,
n – liczba stopni generatora,
Cd – pojemności doziemne generatora,
3) obwód zewnętrzny:
J 2 – iskiernik zewnętrzny,
R 1 – rezystor tłumiący zewnętrzny,
R 2 – rezystor rozładowczy,
C 2 – pojemność badanego obiektu.
Praca generatora polega na ładowaniu kondensatorów C w połączeniu równoległym za
1
pośrednictwem oporników Rτ, a następnie ich rozładowaniu, w wyniku czego w obwodzie
zewnętrznym powstaje krótkotrwały udar napięciowy.
Rozładowanie odbywa się w połączeniu szeregowym, przy czym przełączenie
kondensatorów z połączenia równoległego w szeregowe odbywa się za pomocą iskierników
międzystopniowych J . Stałe czasowe ładowania kondensatorów C są prawie jednakowe,
1 1
gdyż Ro >> Rτ. Po zakończeniu ładowania potencjały punktów 1, 2, 3 ... n są równe wartości
szczytowej napięcia przemiennego Uo, zaś punktów 1’, 2’, 3’ ....n’ - zeru.
W procesie ładowania nie powinien nastąpić zapłon na iskiernikach międzystopniowych, a
więc ich napięcie zapłonu powinno być większe niż Uo. Zapłon na iskierniku J pierwszego stopnia rozpoczyna rozładowanie generatora
1
zapoczątkowane przez:
− zmniejszenie odstępu między kulami tego iskiernika,
− zastosowanie na pierwszym stopniu iskiernika 3-elektrodowego, tzw. trygatronu
(rys.2.6), odpowiedniego w symetrycznych układach zasilających. W wyniku przeskoku
między elektrodami np. E i E , następuje przeniesienie wysokiego potencjału na
2 3
elektrodę E, co w rezultacie ułatwia wyładowanie między głównymi elektrodami
3
iskiernika E i E . 1 2
− zastosowanie iskiernika sterowanego (rys.2.7), zawierającego w jednej z elektrod
głównych elektrodę pomocniczą E, odpowiedniego w niesymetrycznych układach
3
zasilających. Impuls sterujący na elektrodzie E wywołuje przeskok między elektrodami
3
E -E , co powoduje obniżenie wytrzymałości głównej przerwy międzyelektrodowej i
1 3
rozwój wyładowania w niej.

E1
E2
E3
Rys.2.6. Iskiernik 3-elektrodowy Rys.2.7. Iskiernik sterowany
Po zapłonie na iskierniku J pierwszego stopnia potencjał p.2’ wzrasta do wartości Uo
1
a potencjał p.2 względem ziemi staje się równy 2Uo. Podobnie p.3 - 3Uo, punktu n - nUo, co
powoduje wyładowanie na iskierniku zewnętrznym J . Oporniki R w obwodzie generatora
2 t
służą do wytłumienia drgań powstających wskutek obecności (nie pokazanych na schemacie)
indukcyjności obwodu wyładowania oraz szkodliwych pojemności względem ziemi Cd i między stopniami. Przeskok na iskierniku J rozpoczyna ładowanie pojemności obiektu
2
badanego C lub innej równoległej. Z powodu spadków napięć na opornikach R i R 2 t 1
pojemność C jest ładowana do napięcia nieco niższego niż n⋅U 2 o.
Parametrami charakterystycznymi generatora udarów napięciowych piorunowych są:
− napięcie znamionowe generatora równe n⋅Uo, − wartość szczytowa napięcia udarowego Um, − kształt udaru opisany wartościami czasu trwania czoła T1 i czasu do półszczytu T2, − energia generatora,
C
W = Um n
kWs
1 1 2
2
[ ] (2.1)
− sprawność generatora
U m C
η = ≤
1z
(2.2)
Uo
C1z
+ C2
C1
gdzie: C1z – pojemność zastępcza generatora, C1z
= .
n
Pojemność zastępcza generatora wynosi zwykle 1000 – 10000pF.
Jeżeli C1z = 1000 pF, Um = 10 6
V, wówczas W = 0,5 kJ
2.3. Wpływ elementów obwodu generatora na kształt udaru
Dla wyznaczenia przebiegu napięcia udarowego U(t) można posłużyć się uproszczonym,
jednostopniowym schematem zastępczym generatora (rys.2.8.)
E3
E1
E2

Rys.2.8. Schemat zastępczy, jednostopniowy, generatora napięć udarowych
Generator zostaje naładowany poprzez rezystor szeregowy ochronny R o i rezystory
ładujące R τ do napięcia U o. Gdy osiągnie ono wartość napięcia przeskoku iskiernika J 2,
następuje rozładowanie C 1 poprzez R 1 i R 2 i powstaje napięcie U(t) na pojemności C 2.
wartość napięcia przeskoku na iskierniku J 2 zależy od odległości jego elektrod, natomiast
kształt napięcia udarowego zależy od wartości elementów RC w obwodzie przy czym:
C 1 > C 2 , R 1 < R 2 . Aby przy danym napięciu ładowania U o uzyskać największą wartość
szczytową napięcia U m, należy zastosować C 1 >> C 2. Ekspotencjalny przebieg napięcia
udarowego jest uwarunkowany przede wszystkim stałą czasową C 1 R 2.
Przebieg czasowy U(t) napięcia udarowego można otrzymać z równań:
t
1
Uo
− ∫ idt = i1R2
C1
0
i = i1
+ i2
iR iR
C idt
1
2 1 − 1 2 = ∫ 2 = 0
iR
2 1
t
1
− idt 2 = iR
C ∫
2
0
2
t
0
1 2
R o
(2.3)
(2.4)
dU(
t )
i 2 = C2
dla U(
t = 0 ) = 0
(2.5)
dt
Rozwiązanie przy założeniu:
R 1C 2

τ1 = R2 C1 + C2
( ) (2.7)
= R
CC 1 2
⋅
C + C (2.8)
τ 2 1
1 2
Napięcie udarowe U(t) jest zatem sumą dwu funkcji ekspotencjalnych o stałych czasowych
τ 1 i τ 2 , przy czym τ 1 >>τ 2 (rys.2.9).
Związek pomiędzy stałymi czasowymi funkcji ekspotencjalnych τ1 i τ2 a czasem trwania
czoła T1 i czasem do półszczytu T2 napięcia udarowego, można zapisać wprowadzając
współczynniki:
T1 = k2τ2
T = k τ
(2.9)
2 1 1
Wartości współczynników k 1 i k 2 wg Kinda [24] dla udarów o kształcie 1,2/5; 1,2/50;
1,2/200 przedstawiono w tabeli 2.1.
W ten przybliżony sposób można dobrać elementy RC generatora dla danego kształtu
udaru napięciowego.
U(t)
Uo
Um
Uo
Rys. 2.9. Przebieg napięcia udarowego U(t)
τ1
Uo
τ2
−t
/
⋅ e
Uo
τ1
U(t)
−t
/
⋅ e
τ2
t

Tabela 2.1. Wartości współczynników k1 i k2
T 1 /T 2 1,2/5 1,2/50 1,2/200
k 1 1,44 0,73 0,70
k 2 1,49 2,96 3,15
Parametry udaru napięciowego: czas trwania czoła T1 i czas do półszczytu T2 zależą
zatem od elementów RC generatora.
Wykreślając zależności:
T
T
1
1
=
=
f (
f (
τ , τ
1
1
2
τ , τ
2
)
)
można określić przedziały w jakich mogą zmieniać się stałe czasowe τ1, τ2 aby spełnione były
określone w normie tolerancje dla czasów T1,T2 .
3. WYTWARZANIE WYSOKICH NAPIĘĆ STAŁYCH
Wysokie napięcie stałe jest stosowane w niektórych badaniach układów izolacyjnych, na
przykład:
a) urządzenia przeznaczone do pracy przy napięciu stałym powinny być badane również
napięciem stałym, dla odtworzenia warunków roboczych,
b) urządzenia pracujące przy napięciu przemiennym poddane zostają próbom napięciem
stałym, gdy znaczna ich pojemność, np. kabli elektroenergetycznych, kondensatorów,
uniemożliwia przeprowadzenie próby napięciem przemiennym,
c) próby napięciem stałym stwarzają mniejsze zagrożenie dla izolacji, gdy występują w niej
wyładowania niezupełne, niż próby napięciem przemiennym,
d) próby napięciem stałym umożliwiają dogodny pomiar prądu upływnościowego lub
rezystancji, dla oceny stanu izolacji.
Źródła wysokiego napięcia stałego stosowane są ponadto w różnych układach zasilających
np. generatorów udarów napięciowych, elektrofiltrów urządzeń rentgenowskich,
akceleratorów cząstek elementarnych, w fizyce oraz w technologii itp.
W źródłach wysokiego napięcia stałego, w których napięcie to uzyskuje się przez
prostowanie napięcia przemiennego, stosowane są obecnie prostowniki półprzewodnikowe.
Wysokonapięciowe diody krzemowe mogą występować w łańcuchu diod połączonych
szeregowo lub jako pojedyncze elementy. Charakteryzują je małe wymiary, wysokie napięcie
wsteczne i duży prąd przewodzenia.
Prostowniki lampowe (coraz rzadziej stosowane) to najczęściej kenotrony (lampy
próżniowe), których działanie polega na zjawisku termoemisji. Graniczne wartości ich
napięcia pracy oraz prądu nasycenia zależą głównie od dopuszczalnej temperatury pracy
katody. Kenotrony budowano na napięcie zwrotne do 400 kV i prąd nasycenia do 500 mA.
Podstawową ich wadą jest konieczność stosowania żarzenia katody.

3.1. Układy prostownicze
Układy prostownicze umożliwiają prostowanie jedno- i dwupołówkowe do wartości
szczytowej napięcia przemiennego. Przebieg napięcia na wyjściu układu zależy od rodzaju
obciążenia i w przypadku znacznej upływności w obiekcie badanym, napięcie wyprostowane
ma przebieg pulsujący. Schematy układów prostowania jedno- i dwupołówkowego
przedstawiono na rysunku 3.3.
TrWN TrWN
Rys. 3.1. Schematy układów prostowania: a) jednopołówkowego, b) dwupołówkowego
3.2. Układy powielające
Układy powielające zawierają transformator wysokiego napięcia oraz odpowiednie układy
prostowników i kondensatorów.
Schemat symetrycznego powielacza napięcia, w którym źródło napięcia przemiennego
zasila, przez dwa prostowniki P1 i P2, obwód złożony z dwóch szeregowo połączonych
kondensatorów C1 i C2 przedstawiono na rysunku 3.4.
Schemat niesymetrycznego powielacza napięcia stałego przedstawiono na rysunku 3.5. W
obwodzie P1, C1 powstają przebiegi kolejnego ładowania kondensatora C1 przez prostownik
P1 prądem Ip1 do dodatniej wartości maksymalnej napięcia oraz jego rozładowanie.
Rys. 3.2. Symetryczny powielacz napięcia stałego
TrWN

Rys. 3.3. Niesymetryczny powielacz napięcia stałego
Podobnie kondensator C2 ładuje się prądem Ip2 przez prostownik P2. Obydwa obwody pracują
w takich samych warunkach, a wiec prądy Ip1 i Ip2 mają jednakowe wartości. Napięcie
wyjściowe jest sumą napięć na kondensatorach C1 i C2. Powielenie n-krotne można uzyskać
przez dodanie następnych kondensatorów ładowanych przez oddzielne prostowniki.

Program ćwiczenia
Napięcie przemienne
Program ćwiczenia obejmuje zapoznanie się z urządzeniami wchodzącymi w skład zespołów
probierczych wysokiego napięcia przemiennego oraz przygotowanie i przeprowadzenie prób
napięciowych.
1. zapoznać się z organizacja pola probierczego, układem połączeń, regulacją napięcia
zespołów probierczych 60 kV, 110 kV, 220 kV,
2. określić zakres zastosowania zespołu do badań rzeczywistych układów izolacyjnych
ze względu na pobór mocy,
3. zapoznać się z zastosowanymi w zespołach probierczych zabezpieczeniami
nadmiarowoprądowymi i przeciwprzepięciowymi,
4. wyznaczyć przekładnie ϑ transformatora ϑ = U2/U1,
5. wyznaczyć napięcie zwarcia transformatora probierczego Uzw , tj. wartość napięcia
po stronie pierwotnej, przy której w zwartym przez amperomierz uzwojeniu
wtórnym popłynie prąd znamionowy. Zmierzyć zależność U1 = f(I2) w tych
warunkach,
6. sprawdzić czy transformator probierczy zapewnia wymagany prąd zwarciowy.
Napięcie udarowe
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową generatorów napięć udarowych, ich
schematami zastępczymi, zasilaniem, regulacją, warunkami bezpiecznej pracy oraz
przeprowadzenie badań i pomiarów z ich zastosowaniem.
1. określić kształt udaru metodą oscyloskopową,
Napięcie stałe
Program ćwiczenia obejmuje poznanie metod wytwarzania wysokich napięć stałych oraz
rodzajów badań tym napięciem przeprowadzonych.
W badaniach zastosowano:
1. aparat do prób napięciowych napięciem stałym,
2. układ prostowania jednopołówkowego z zastosowaniem prostownika
wysokonapięciowego.
Sprawozdanie
Napięcie przemienne
1. przedstawić schematy i opisy zespołów probierczych,
2. wyniki pomiarów przekładni i napięcia zwarcia transformatora,
3. obliczenia prądu zwarciowego transformatora probierczego i całego zespołu,
4. opis zastosowanych zabezpieczeń.
Napięcie udarowe
1. przedstawić uproszczony schematy zastępczy stosowanego generatora napięć
udarowych,
2. przedstawić parametry napięć udarowych: kształt, największa wartość szczytowa,
3. obliczyć energię generatora,
4. opisać sposób przeprowadzenia prób wytrzymałości udarowej.
Napięcie stałe
1. opisać działanie i narysować schemat aparatu typu ABK,

2. przedstawić wyznaczone charakterystyki układu prostowania U3 = f (U2),
3. dla układu prostowania obliczyć zależność U3 = f (U2) i porównać z wynikami
pomiarów.
LITERATURA
[1]. Florkowska B.: Wytrzymałość elektryczna gazowych układów izolacyjnych
wysokiego napięcia. Wyd. AGH Kraków 2003
[2]. Florkowska B.: Podstawy metod badań układów izolacyjnych wysokiego napięcia,
Wyd. AGH, Skrypt nr 1245, 1991.
[3]. Florkowska B: Technika wysokich napięć, Wyd. AGH, Skrypt nr 1294, 1991.
[4]. Flisowski Z.: Technika wysokich napięć, WNT, Warszawa, 1992.
[5]. Kosztaluk R. (red.): Technika badań wysokonapięciowych, WNT, Warszawa, 1985,
t.I i t.II.
[6]. Gacek Z.: Wysokonapięciowa technika izolacyjna, Wyd. Politechniki Śląskiej,
Gliwice, 1996.
[7]. PN-75/E-04061 Pomiary wysokonapięciowe. Próby napięciem udarowym
piorunowym.
[8]. PN-87/E-04053 Pomiary wysokonapięciowe. Układy pomiarowe i wskazówki ich
stosowania.
[9]. PN-75/E-04060 Pomiary wysokonapięciowe. Próby napięciem przemiennym.
[10]. PN-81/E-05001 Urządzenia elektroenergetyczne wysokiego napięcia. Znamionowe
napięcie probiercze izolacji.
[11]. PN-88/E-02000 Napięcia znamionowe

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.